Im Inneren der Gotland Horizon X: Großer, wasserstofffähiger Katamaran

Abbildung 1. Die Gotland Horizon X wird der weltweit erste Großkatamaran sein, der zu 100 % mit Wasserstoff betrieben werden kann (mit freundlicher Genehmigung von Austal).

Angesichts des zunehmenden Fokus auf die Eindämmung des Klimawandels und die Erreichung des Netto-Null-Ziels der Internationalen Seeschifffahrts-Organisation (IMO) für 2050 steht der Schifffahrtssektor unter enormem Druck, seine CO₂-Emissionen zu reduzieren. Derzeit emittiert die Seeschifffahrt jährlich fast eine Milliarde Tonnen CO₂, was etwa 2–3 % aller energiebedingten Kohlenstoffemissionen weltweit entspricht.

In den letzten zehn Jahren wurden durch vollelektrische und dieselelektrische Antriebssysteme (DEP) erhebliche Fortschritte bei der Emissionsreduzierung kleiner Handels- und Küstenschiffe erzielt. Die Dekarbonisierung größerer Seeschiffe und Frachtschiffe, die Hunderte oder sogar Tausende von Kilometern zwischen ihren Anlaufhäfen zurücklegen, hat sich jedoch als schwieriger erwiesen.

Im Jahr 2025 unternahmen Siemens Energy, der schwedische Fährbetreiber Gotlandsbolaget und das australische globale Schiffbauunternehmen Austal mit der Entwicklung des Gotland Horizon X einen bedeutenden Schritt zur Bewältigung dieser Herausforderung: ein Hochgeschwindigkeitskatamaran, der eine CO2-neutrale Überfahrt zwischen der Insel Gotland und dem schwedischen Festland ermöglichen soll.

Das Schiff wird mit hocheffizienten Gasturbinen des Typs SGT-400 von Siemens Energy in einer Kombikraftwerkskonfiguration ausgestattet sein. Die Gas- und Dampfturbinen treiben die Kongsberg-Wasserstrahlantriebe an und versorgen die Fähre über Nebenabtriebseinheiten (PTOs) am Hauptgetriebe mit Strom.

Das Schiff wird mit einem Kraftstoffverbrauch von nahezu 50 % arbeiten – und damit herkömmliche Schiffsdieselmotoren deutlich übertreffen. Darüber hinaus ermöglicht seine Mehrstofffähigkeit zukünftig den Betrieb mit LNG, Bio-LNG, Methanol, Biodiesel und 100 % Wasserstoff und ebnet so den Weg für emissionsfreie Schifffahrt.

Emissionsfreier Transport

Gotlandsbolaget strebt bis 2045 fossilfreie Fährverbindungen zwischen der Insel Gotland und dem schwedischen Festland an, ohne dass sich die Überfahrtszeiten verlängern – ein Ziel, das als „Destination Zero“ bezeichnet wird.
Das Unternehmen entwickelte 2009 sein erstes Konzept für ein emissionsarmes Schiff. Seitdem arbeitet Gotland Tech Development daran, die neuesten technologischen Fortschritte in der Schifffahrt zu integrieren und zu fördern, um CO₂-Emissionen zu reduzieren. Langfristig sollen wasserstoffbasierte Antriebstechnologien eingesetzt werden. Die aktuellen Designkonzepte verfolgen jedoch Lösungen, die den Einsatz kohlenstoffarmer Kraftstoffe ermöglichen, bis eine vollständige Wasserstoffversorgungskette entwickelt ist.

Diese Entwicklungen führten 2021 zur Vorstellung der ersten emissionsfreien Konzeptschiffe von Gotlandsbolaget: der Horizon-Serie. Die weitere Arbeit gipfelte in der Verwirklichung dieser Vision mit der Auftragserteilung an Austal im Februar 2025 für den mit Wasserstoff betriebenen, multifunktionalen Hochgeschwindigkeitskatamaran Gotland Horizon X.

Die Horizon X soll 2029 in Dienst gestellt werden und 400 Autos sowie 1.500 Passagiere befördern können. Mit einer Höchstgeschwindigkeit von 30 Knoten wird das Schiff die rund 140 Kilometer lange Strecke in gut drei Stunden zurücklegen.

Abbildung 2. Maschinenraumlayout der Gotland Horizon X, das das Kombikraftwerk zeigt (mit freundlicher Genehmigung von Austal)

Antriebssystem- und Maschinenraumkonstruktion

Der Maschinenraum der Gotland Horizon X ist eine Weiterentwicklung des Ocean Green Hybrid Combined Cycle-Konzepts von Siemens Energy, einer emissionsarmen Antriebslösung, die im Jahr 2022 eingeführt wurde.

Jeder Rumpf des Katamarans wird ein Kombikraftwerk mit einer Siemens Energy SGT-400 Gasturbine beherbergen, die eine garantierte Leistung von 13 MW bei einer Umgebungstemperatur von 10–20 °C liefert (siehe Abbildung 2). Die SGT-400 ist eine bewährte, leichte Industriegasturbine, die 1997 auf den Markt kam. Weltweit sind heute über 400 Einheiten im Einsatz, mit mehr als 7 Millionen Betriebsstunden, darunter viele in Offshore-Umgebungen.

Die Gasturbine ist auf einem Unterbau montiert, der den Schmieröltank und alle erforderlichen Hilfssysteme beherbergt. Dadurch entsteht eine kompakte Einheit mit einfacher Installation. Lediglich die Feuerlöscherflaschen und der Schmierölkühler befinden sich außerhalb des Gehäuses.

Aufbauend auf den Erfahrungen und Konstruktionen aus der Öl- und Gasindustrie hat Siemens Energy in den vergangenen zwei Jahren eng mit DNV zusammengearbeitet, um die Einhaltung der Anforderungen für die Schifffahrt sicherzustellen. Heute sind die Gasturbine selbst, das Gesamtpaket und das Steuerungssystem von DNV für den Einsatz in der Schifffahrt typgeprüft.

Die Abwärme der Gasturbine wird mittels eines Durchlaufdampferzeugers (OTSG) zurückgewonnen. Dieser liefert Dampf mit bis zu 55 bar und einer Auslegungseintrittstemperatur von 510 °C zum Antrieb einer 5,3-MW-Kondensationsdampfturbine. Der OTSG wurde aufgrund seines geringen Gewichts, seiner kompakten Bauweise und des im Vergleich zu herkömmlichen Schiffskesseln reduzierten Zusatzwasserverbrauchs gewählt.

Während es bei dieser Art von Kombikraftwerkskonfiguration üblicher ist, Generatoren anzutreiben und elektrische Antriebsmotoren mit Strom zu versorgen (in der Schifffahrt als kombiniertes Gas-Elektro- und Dampfkraftwerk oder COGES bekannt), werden bei Gotland Horizon X sowohl die Gasturbinen als auch die Dampfturbinen Wasserstrahlantriebe über ein Getriebe antreiben, um die Effizienz zu maximieren und das Gewicht zu reduzieren.

Die Gasturbinenanlage umfasst ein Getriebe, das die Drehzahl der Leistungsturbine von nominal 9.500 U/min auf 1.800 U/min reduziert. Ein zweites Hauptgetriebe senkt die Drehzahl anschließend von den nominalen 1.800 U/min auf die für die Wasserstrahlantriebe erforderliche Drehzahl. Eine ähnliche Anordnung kommt bei den Dampfturbinenanlagen zum Einsatz. Die Gasturbinen treiben steuerbare Wasserstrahlantriebe an, während die Dampfturbinen Zusatzwasserstrahlantriebe antreiben. Dieses Konzept stellt den Hauptantriebsgetrieben eine Wellenleistung von insgesamt 36,4 MW bei einem Gesamtwirkungsgrad von nahezu 50 % zur Verfügung.

Zur Versorgung des Schiffs mit elektrischen Lasten sind die Hauptgetriebe mit 1-MW-PTI/PTOs ausgestattet, ergänzt durch ein Batteriespeichersystem (BESS) und Hilfsgeneratoren mit Hubkolbenantrieb. Ein Landanschluss ermöglicht eine Liegezeit, in der das System abgekühlt und die Generatoren ausgeschaltet sind.

Da die Gasturbine in einer eigenen, belüfteten und schallgedämmten Einhausung zum Schutz vor Lärm und Brandschutz installiert ist, wird die Wärmeabgabe in den Maschinenraum reduziert. Verbrennungsluft und Belüftungsluft der Einhausung werden von außen in die Gasturbine geleitet und mit entsprechender Filterung und Schalldämpfung versehen, um einen zuverlässigen Betrieb der Gasturbinen und den Fahrgastkomfort zu gewährleisten.

Abbildung 3. Prinzipschema des Schiffsenergiesystems. Bild mit freundlicher Genehmigung von Siemens Energy.

Emissionsverhalten und Wasserstoffbetrieb

Brennstoffflexibilität und niedrige Emissionen waren zwei der Hauptgründe für die Entscheidung von Gotlandbolaget, SGT-400-Gasturbinen auf Horizon X einzusetzen.

Der SGT-400 ist serienmäßig mit einem DLE-Verbrennungssystem (Dry Low Emissions) ausgestattet. Die für Gotland Horizon X entwickelten Einheiten sind für den Betrieb mit zwei Kraftstoffarten ausgelegt und können sowohl mit LNG als auch mit Diesel betrieben werden. Dabei erfüllen sie die NOx-Emissionsanforderungen der IMO-Tier-III-Norm (<2 g/kWh) für die Betriebszyklen E2 und E3, ohne dass ein SCR-System (Selektive Katalytische Reduktion) erforderlich ist.

Die Gasturbinen arbeiten mit einer kontinuierlichen Flamme und einer relativ langen Verweilzeit im Brennraum. Der Methanschlupf ist vernachlässigbar; die Werte liegen voraussichtlich unter 0,014 g/kWh, wenn die Gasturbine zwischen 50 % und 100 % ihrer maximalen Dauerleistung (MCR) betrieben wird.

Jüngste Versuche mit einem Verbrennungsprüfstand haben gezeigt, dass das Verbrennungssystem mit einem modifizierten Kraftstoffeinspritzventil auch mit Methanol betrieben werden kann.

Das langfristige Ziel ist, dass Gotland Horizon X zu 100 % mit Wasserstoff betrieben wird.

Die Verbrennungseigenschaften von Wasserstoff unterscheiden sich von denen von Erdgas. Wasserstoff weist einen breiteren Zündbereich und höhere Flammengeschwindigkeiten auf, was die Gefahr von Flammenrückschlägen erhöht. Ohne wesentliche Modifikationen ist der Wasserstoffanteil in Standard-DLE-Verbrennungssystemen von Gasturbinen typischerweise auf 20–50 Vol.-% im Erdgasgemisch begrenzt.

Die Entwicklung eines vollständig wasserstofffähigen Verbrennungssystems durch Siemens Energy begann vor über einem Jahrzehnt. Im Jahr 2023 wurde dieses Ziel mit dem SGT-400 im Rahmen des EU-geförderten Demonstrationsprojekts HYFLEXPOWER in Frankreich erreicht. Weitere Tests werden in den kommenden Jahren im Rahmen des Nachfolgeprojekts HyCoFlex am selben Standort durchgeführt.

Die neue Brennkammer kann nicht nur mit 100 % Wasserstoff, sondern auch mit 100 % Erdgas (oder LNG) sowie beliebigen Mischungen aus Wasserstoff und Erdgas/LNG betrieben werden und erfüllt dabei die IMO-NOx-Anforderungen ohne SCR-Anlage. Die Brennkammer ist etwas länger als die Standard-DLE-Variante, kann aber mit minimalen Änderungen am Gasturbinenkern nachgerüstet werden.

Technologien zur Dekarbonisierung von Seeschiffen

Die Langstreckenschifffahrt ist derzeit für den größten Teil der Emissionen des maritimen Sektors verantwortlich. Da diese Schiffe lange Strecken zurücklegen und sich über längere Zeiträume fernab von Häfen aufhalten müssen, stellen Hybridantriebe mit der Möglichkeit zum Betrieb alternativer Kraftstoffe die praktikabelste Option zur Dekarbonisierung dar.

Die größte Herausforderung beim Einsatz von Hybridtechnologien auf diesen Schiffen besteht darin, den verfügbaren Platz optimal zu nutzen, um die Ladekapazität für Güter und Treibstoff zu maximieren (aufgrund der geringeren Treibstoffdichte kohlenstoffarmer Kraftstoffe im Vergleich zu Schweröl und anderen Schiffsdieselkraftstoffen). Obwohl die Wirtschaftlichkeit des Einbaus eines diesel- oder gaselektrischen Systems, der zugehörigen Stromversorgungseinrichtungen und Batterien nach wie vor schwer zu beziffern ist, verbessert sich die Situation zunehmend.

Insbesondere bei LNG-Tankern ist das Ocean-Green-Konzept mit Hybrid-Kombikraftwerk und Elektroantrieb (wie dem System, das auf der Gotland Horizon X installiert wird) bestens geeignet. Die kompakte Maschinenraumanordnung und das geringere Gewicht ermöglichen eine Steigerung der Ladekapazität um 7–11 %, was zu einer Senkung der Stückfrachtkosten um bis zu 17 % im Vergleich zu einem konventionellen 2-Takt-LNG-Tanker mit 174.000 m³ oder einem kleineren Tanker führt.

Der Einsatz von Wasserstoff-Brennstoffzellen in Hybridsystemen gewinnt als langfristiger Dekarbonisierungspfad zunehmend an Bedeutung. Siemens Energy arbeitet derzeit mit Partnern zusammen, um Wasserstoff-Brennstoffzellen auf Seeschiffen verschiedener Typen und Größen einzusetzen.

Die Gotland Horizon X nutzt die Flexibilität und Effizienz einer Gasturbine als Antrieb und ist somit eine echte Mehrstoff-Schnellfähre, die niedrige CO₂- und NOx-Emissionen bietet, ohne Kompromisse bei Überfahrtsgeschwindigkeit oder Passagier- und Frachtkapazität einzugehen. Das Schiff liefert eine skalierbare Blaupause für leistungsstarkes und nachhaltiges Schiffsdesign. Es ebnet den Weg für emissionsfreie Seeschiffe und beschleunigt den Übergang der Branche in eine kohlenstoffarme Zukunft.

Der neue Kamewa S-4L Wasserstrahl

Kongsberg Maritime hat seine neue Kamewa S-4L-Wasserstrahlantriebsserie mit einem Vertrag zur Lieferung von Antriebssystemen für die Hochgeschwindigkeitsfähre Horizon X der nächsten Generation von Gotlandsbolaget vorgestellt. Die Fähre wird mit zwei S160-S4L-Wasserstrahlantrieben und zwei S100-S4LB-Booster-Einheiten ausgestattet sein und stellt damit die erste kommerzielle Installation der neuen S-4L-Serie dar.

Zu den wichtigsten Verbesserungen zählen ein Doppelschaufel- und Steuerdüsensystem, das die Manövrierfähigkeit bei niedrigen Geschwindigkeiten und die Andockeffizienz optimiert und so Liegezeiten und Kraftstoffverbrauch reduziert. Die S-4L-Serie weist zudem eine mittlere Betriebsdauer zwischen den Überholungen (MTBO) von 25.000 Stunden oder fünf Jahren auf.