Por dentro do Gotland Horizon X: um catamarã grande, pronto para hidrogênio.

Figura 1. O Gotland Horizon X será o primeiro catamarã de grande escala do mundo capaz de operar com combustível 100% hidrogênio (cortesia da Austal).

Com o crescente foco na mitigação das mudanças climáticas e no progresso rumo à meta de emissões líquidas zero da Organização Marítima Internacional (OMI) para 2050, o setor marítimo está sob intensa pressão para descarbonizar. Atualmente, o transporte marítimo emite quase um bilhão de toneladas de CO2 anualmente, representando aproximadamente 2 a 3% de todas as emissões de carbono relacionadas à energia em todo o mundo.

Nos últimos dez anos, houve um progresso substancial na redução das emissões de pequenas embarcações comerciais e costeiras por meio de sistemas de propulsão totalmente elétricos e diesel-elétricos (DEP). No entanto, a descarbonização de navios oceânicos e cargueiros de maior porte, que percorrem centenas ou até milhares de quilômetros entre paradas, tem se mostrado mais difícil.

Em 2025, a Siemens Energy, a operadora de ferry sueca Gotlandsbolaget e a empresa global de construção naval com sede na Austrália, Austal, deram um passo significativo para enfrentar esse desafio com o desenvolvimento do Gotland Horizon X: um catamarã de alta velocidade que visa proporcionar travessias com zero emissões de CO2 entre a ilha de Gotland e o continente sueco.

A embarcação contará com turbinas a gás de alta eficiência SGT-400 da Siemens Energy em uma configuração de ciclo combinado. As turbinas a gás e a vapor acionarão jatos d'água da Kongsberg e fornecerão a energia elétrica para as cargas da balsa por meio de tomadas de força (PTOs) na caixa de engrenagens principal.

A embarcação operará com uma eficiência de combustível próxima a 50%, superando significativamente os motores a diesel marítimos tradicionais. Além disso, sua capacidade de operar com múltiplos combustíveis abre a possibilidade de operação com GNL, bio-GNL, metanol, biodiesel e hidrogênio 100% no futuro, pavimentando o caminho para o transporte marítimo com zero emissões.

Transporte com emissão zero

A Gotlandsbolaget pretende alcançar travessias de ferry sem combustíveis fósseis entre a ilha de Gotland e o continente sueco, sem qualquer impacto nos tempos de travessia, até 2045, um objetivo designado como "Destino Zero".
A empresa formulou seu primeiro conceito para um navio de baixa emissão em 2009. Desde então, a Gotland Tech Development tem trabalhado para incorporar e promover os mais recentes avanços tecnológicos no setor naval, visando a redução das emissões de CO2. Embora o objetivo a longo prazo seja utilizar tecnologias de propulsão à base de hidrogênio, os conceitos de projeto atuais buscam soluções que permitam o uso de combustíveis de baixo carbono até que uma cadeia de suprimentos completa de hidrogênio seja desenvolvida.

Em 2021, esses desenvolvimentos levaram ao lançamento dos primeiros navios com conceito de emissão zero da Gotlandsbolaget: a série Horizon. Trabalhos adicionais culminaram na concretização dessa visão com a encomenda, em fevereiro de 2025, do catamarã de alta velocidade Gotland Horizon X, multifuel e preparado para hidrogênio, à Austal.

O Horizon X tem previsão de entrar em serviço em 2029 e poderá transportar 400 carros e 1.500 passageiros. Com uma velocidade máxima de 30 nós, a embarcação fará a travessia de aproximadamente 140 quilômetros em pouco mais de três horas.

Figura 2. Layout da casa de máquinas do Gotland Horizon X, mostrando a central de ciclo combinado (cortesia da Austal)

Sistema de propulsão e projeto da casa de máquinas

A sala de máquinas do Gotland Horizon X é derivada do conceito de Ciclo Combinado Híbrido Ocean Green da Siemens Energy, uma solução de propulsão de baixas emissões introduzida em 2022.

Cada casco do catamarã abrigará uma central de ciclo combinado baseada em uma turbina a gás Siemens Energy SGT-400, com potência garantida de 13 MW a uma temperatura ambiente de 10 a 20 °C (conforme ilustrado na Figura 2). A SGT-400 é uma turbina a gás industrial leve comprovada, lançada em 1997. Atualmente, existem mais de 400 unidades em operação no mundo todo, com mais de 7 milhões de horas de funcionamento, incluindo muitas em ambientes offshore.

A turbina a gás é instalada sobre uma base que abriga o tanque de óleo lubrificante e todos os sistemas auxiliares necessários, criando uma unidade compacta com instalação simples. Apenas os extintores de incêndio e o resfriador de óleo lubrificante estão localizados fora da estrutura principal.

Com base na experiência e nos projetos utilizados na indústria de petróleo e gás, a Siemens Energy trabalhou em estreita colaboração com a DNV nos últimos dois anos para garantir a conformidade com os requisitos marítimos. Hoje, a turbina a gás principal, o pacote completo e o sistema de controle são todos homologados para aplicações marítimas pela DNV.

O calor residual dos gases de escape da turbina a gás é recuperado utilizando um gerador de vapor de passagem única (OTSG, na sigla em inglês), que fornece vapor a até 55 bar e uma temperatura de entrada de projeto de 510 °C para acionar uma turbina a vapor de condensação de 5,3 MW. O OTSG foi escolhido devido ao seu baixo peso, tamanho compacto e menor consumo de água de reposição em comparação com as caldeiras marítimas tradicionais.

Embora seja mais convencional que esse tipo de configuração de ciclo combinado acione geradores e forneça energia para motores de propulsão elétrica (conhecidos em aplicações marítimas como ciclo combinado gás-elétrico e vapor, ou COGES), para que o Gotland Horizon X maximize a eficiência e reduza o peso, tanto as turbinas a gás quanto as turbinas a vapor acionarão jatos d'água por meio de um sistema de engrenagens.

O conjunto de turbina a gás inclui uma caixa de engrenagens que reduz a velocidade da turbina de potência de 9.500 rpm (nominal) para 1.800 rpm. Uma segunda caixa de engrenagens "principal" reduz então a velocidade de 1.800 rpm (nominal) para a velocidade necessária para os jatos de água. Um arranjo semelhante é usado nos conjuntos de turbina a vapor. As turbinas a gás acionam jatos de água direcionáveis, enquanto as turbinas a vapor acionam jatos de água auxiliares. Este conceito fornece um total de 36,4 MW de potência no eixo para as caixas de engrenagens de acionamento principais, com uma eficiência de combustível geral próxima de 50%.

Para alimentar as cargas elétricas do navio, as caixas de engrenagens principais estão equipadas com inversores de frequência/tomadas de força (PTI/PTOs) de 1 MW, complementados por um sistema de armazenamento de energia em baterias (BESS) e grupos geradores auxiliares de combustão interna. Uma conexão em terra permite um período de inatividade com o sistema frio e sem os geradores em funcionamento.

Como a turbina a gás é instalada dentro de sua própria cabine acústica ventilada para proteção contra ruído e incêndio, a rejeição de calor para o compartimento da casa de máquinas é reduzida. O ar de combustão e o ar de ventilação da cabine são conduzidos do exterior para o interior do conjunto da turbina a gás, com filtragem e silenciamento adequados para garantir a operação confiável das turbinas a gás e o conforto dos passageiros.

Figura 3. Diagrama esquemático principal do sistema de energia do navio. Imagem cedida pela Siemens Energy.

Desempenho de emissões e operação com hidrogênio

A flexibilidade de combustível e as baixas emissões foram dois dos principais fatores que levaram a Gotlandbolaget a optar por turbinas a gás SGT-400 no projeto Horizon X.

De série, o SGT-400 vem equipado com um sistema de combustão Dry Low Emissions (DLE). As unidades para o Gotland Horizon X serão bicombustíveis e capazes de operar com GNL e diesel, demonstrando conformidade com os requisitos de emissão de NOx da norma IMO Tier III (<2g/kWh) para os ciclos de trabalho E2 e E3, sem a necessidade de um sistema de redução catalítica seletiva (SCR).

As turbinas a gás operam com chama contínua e tempo de residência relativamente longo dentro da câmara de combustão. O escape de metano é insignificante, com níveis previstos abaixo de 0,014 g/kWh quando a turbina a gás estiver operando entre 50% e 100% de sua potência nominal contínua máxima (MCR).

Testes recentes em bancada de combustão demonstraram que, com um injetor de combustível modificado, o sistema de combustão pode operar com metanol.

O objetivo a longo prazo é que a usina Gotland Horizon X opere com combustível 100% hidrogênio.

As características da combustão do hidrogênio diferem das do gás natural, apresentando limites de inflamabilidade mais amplos e velocidades de chama mais elevadas, o que aumenta o risco de retrocesso de chama. Sem modificações significativas, os sistemas de combustão DLE padrão em turbinas a gás são normalmente limitados a uma mistura de 20 a 50% de hidrogênio em volume com gás natural.

O trabalho da Siemens Energy para desenvolver um sistema de combustão 100% compatível com hidrogênio começou há mais de uma década. Em 2023, a meta de 100% foi alcançada no SGT-400 durante o projeto de demonstração HYFLEXPOWER, financiado pela UE, na França. Testes adicionais serão realizados nos próximos anos como parte do projeto subsequente HyCoFlex, no mesmo local.

A nova câmara de combustão será capaz de operar não apenas com 100% de hidrogênio, mas também com 100% de gás natural (ou GNL) e qualquer mistura de hidrogênio e gás/GNL entre esses dois extremos, atendendo aos requisitos de NOx da IMO sem a necessidade de um sistema SCR. A câmara de combustão é ligeiramente mais longa do que a variante DLE padrão, mas pode ser adaptada com alterações mínimas no núcleo da turbina a gás.

Tecnologia para descarbonizar embarcações oceânicas

O transporte marítimo de longa distância é atualmente responsável pela maior parte das emissões do setor marítimo. Como essas embarcações precisam percorrer longas distâncias e permanecer longe dos portos por períodos prolongados, os projetos de propulsão híbrida com capacidade para combustíveis alternativos representam a opção mais prática para a descarbonização.

O principal desafio da aplicação de tecnologias híbridas a essas embarcações é a necessidade de conservar espaço para maximizar a capacidade de transporte de mercadorias e combustível (devido à menor densidade de combustíveis de baixo carbono em comparação com o HFO e outros motores a diesel marítimos). Embora a viabilidade econômica da instalação de um sistema híbrido diesel-elétrico ou a gás, equipamentos de condicionamento de energia e baterias ainda seja complexa, o cenário está melhorando.

Particularmente em navios metaneiros, o conceito Ocean Green, que utiliza um sistema híbrido de ciclo combinado com propulsão elétrica (como o sistema que será instalado no Gotland Horizon X), é altamente aplicável. O layout compacto da casa de máquinas e o peso reduzido permitem um aumento de 7 a 11% na capacidade de carga, resultando em uma redução de até 17% nos custos unitários de frete em comparação com um navio metaneiro convencional de 174.000 m³ com motor de dois tempos ou um navio-tanque menor.

A utilização de células de combustível de hidrogênio em sistemas híbridos também está ganhando força como uma via de descarbonização a longo prazo. A Siemens Energy está atualmente trabalhando com parceiros para aplicar células de combustível de hidrogênio em embarcações marítimas de diversos tipos e tamanhos.

Aproveitando a flexibilidade e a eficiência inerentes a uma turbina a gás, o Gotland Horizon X é um ferry rápido multicombustível, oferecendo baixas emissões de CO2 e NOx sem sacrificar a velocidade de travessia ou a capacidade de passageiros e carga. A embarcação fornece um modelo escalável para o design de embarcações sustentáveis e de alto desempenho. Ela abre caminho para navios oceânicos com emissão zero, acelerando a transição da indústria para um futuro com baixas emissões de carbono.

A nova máquina de corte a jato de água Kamewa S-4L

A Kongsberg Maritime lançou sua nova série de jatos d'água Kamewa S-4L com um contrato para fornecer sistemas de propulsão para o ferry de alta velocidade de última geração da Gotlandsbolaget, o Horizon X. O ferry contará com dois jatos d'água S160-S4L e duas unidades de propulsão auxiliar S100-S4LB, marcando a primeira instalação comercial da nova série S-4L.

Entre os principais aprimoramentos, destaca-se o sistema de dois baldes e bicos de direção, projetado para melhorar o manuseio em baixa velocidade e a eficiência de atracação, reduzindo o tempo de resposta e o consumo de combustível. A série S-4L também mantém um tempo médio entre revisões (MTBO) de 25.000 horas ou cinco anos.