ゴットランド・ホライゾンXの内部：大型水素対応双胴船

図 1. Gotland Horizon X は、100% 水素燃料で運航可能な世界初の大型双胴船となります (Austal 提供)。

気候変動の緩和と国際海事機関（IMO）の2050年ネットゼロ目標達成への取り組みへの関心が高まる中、海運業界は脱炭素化への強い圧力にさらされています。現在、海上輸送は年間約10億トンのCO2を排出しており、これは世界のエネルギー関連炭素排出量全体の約2～3%に相当します。

過去10年間、小型商船および沿岸船舶からの排出量削減は、全電化およびディーゼル電気推進（DEP）システムによって大きく進展しました。しかし、寄港地間を数百マイル、あるいは数千マイルも航行する大型外航船や貨物船の脱炭素化は、より困難であることが判明しています。

2025年、シーメンス・エナジー、スウェーデンのフェリー運航会社ゴットランドボラゲット、オーストラリアに拠点を置く世界的な造船会社オースタルは、ゴットランド島とスウェーデン本土の間を二酸化炭素排出量ゼロで航行することを目指す高速双胴船、ゴットランド・ホライズンXの開発により、この課題への取り組みにおいて大きな一歩を踏み出しました。

本船は、シーメンス・エナジー社製の高効率ガスタービンSGT-400を複合サイクル方式で搭載します。ガスタービンと蒸気タービンはコングスベルグ社製のウォータージェットを駆動し、主変速機のパワーテイクオフ（PTO）を介してフェリーの電力負荷に供給します。

この船舶は、従来の船舶用ディーゼルエンジンを大幅に上回る約50%の燃料効率で運航されます。さらに、多燃料対応能力により、将来的にはLNG、バイオLNG、メタノール、バイオディーゼル、そして100%水素での運航も可能となり、ゼロエミッションの海上輸送への道を切り開きます。

ゼロエミッション輸送

ゴットランドボラゲットは、2045年までにゴットランド島とスウェーデン本土の間を、渡航時間に影響を与えずに化石燃料を使用しないフェリーで渡ることを目指しており、この目標は「デスティネーション・ゼロ」と名付けられている。
同社は2009年に低排出船の最初のコンセプトを策定しました。それ以来、ゴットランド・テック・デベロップメントは、CO2排出量の削減を目指し、海運における最新技術の導入と推進に取り組んできました。長期的な目標は水素ベースの推進技術の採用ですが、現在の設計コンセプトでは、完全な水素燃料サプライチェーンが構築されるまで、低炭素燃料の使用を可能にするソリューションを追求しています。

これらの開発により、2021年にはGotlandsbolaget初のゼロエミッションコンセプトシップ「Horizonシリーズ」が誕生しました。その後も開発が進められ、2025年2月にはオースタル社に対し、多燃料・水素対応の高速双胴船「Gotland Horizon X」を発注し、このビジョンは現実のものとなりました。

ホライゾンXは2029年に就航予定で、400台の自動車と1,500人の乗客を運ぶことができます。最高速度は30ノットで、約140キロメートルの航海を3時間強で完了します。

図2. ゴットランド・ホライゾンXのエンジンルームレイアウト。複合サイクル発電所を示す（オースタル社提供）

推進システムとエンジンルームの設計

ゴットランド ホライズン X のエンジン ルームは、2022 年に導入された低排出ガス推進ソリューションであるシーメンス エナジーのオーシャン グリーン ハイブリッド複合サイクル コンセプトの派生です。

双胴船の各船体には、シーメンス・エナジー社製SGT-400ガスタービンをベースとした複合サイクル発電所が搭載され、周囲温度10～20℃で13MWの出力が保証されます（図2参照）。SGT-400は、1997年に発売された実績のある軽産業用ガスタービンです。現在、世界中で400基以上が稼働しており、700万時間以上の運転時間を記録しており、その多くはオフショア環境におけるものです。

ガスタービンは、潤滑油タンクと必要なすべての補助システムを収容するアンダーベース上に設置されており、コンパクトなユニットを構成し、設置も容易です。消火器ボトルと潤滑油クーラーのみがパッケージ外に配置されています。

シーメンス・エナジーは、石油・ガス業界で培ってきた経験と設計を基に、過去2年間にわたりDNVと緊密に連携し、海洋要件への適合性を確保してきました。現在、コアガスタービン本体、パッケージ全体、そして制御システムはすべて、DNVによる海洋用途向け型式承認を取得しています。

ガスタービン排気中の廃熱は、貫流蒸気発生器（OTSG）を用いて回収されます。OTSGは最大55barの圧力と設計入口温度510℃の蒸気を供給し、5.3MWの復水式蒸気タービンを駆動します。OTSGは、従来の船舶ボイラーに比べて軽量、コンパクト、そして補給水消費量が少ないことから選定されました。

このタイプの複合サイクル構成では、発電機を駆動し、電気推進モーター（海洋アプリケーションではガス電気蒸気複合、または COGES として知られています）に電力を供給するのが一般的ですが、Gotland Horizon X では、効率を最大化し重量を軽減するために、ガスタービンと蒸気タービンの両方がギアボックス配置を介してウォータージェットを駆動します。

ガスタービンパッケージには、出力タービンの回転速度を公称9,500rpmから1,800rpmに減速するギアボックスが含まれています。次に、2つ目の「メイン」ギアボックスが、回転速度を公称1,800rpmからウォータージェットに必要な回転速度に減速します。蒸気タービンパッケージにも同様の配置が採用されています。ガスタービンは操舵可能なウォータージェットを駆動し、蒸気タービンはブースターウォータージェットを駆動します。このコンセプトにより、合計36.4MWの軸動力がメインドライブギアボックスに供給され、全体的な燃料効率はほぼ50%に達します。

船舶の電力負荷に電力を供給するため、主変速機には1MWのPTI/PTOが装備されており、バッテリーエネルギー貯蔵システム（BESS）と往復動型補助発電機が補助的に機能します。陸上接続により、システムが冷えた状態で発電機を稼働させない状態での係船が可能です。

ガスタービンは、騒音および防火対策として専用の換気式防音エンクロージャ内に設置されているため、エンジン室への熱の遮断が低減されます。燃焼空気とエンクロージャ換気空気は、適切な濾過と消音装置を備え、外部からガスタービンパッケージにダクトで導入され、ガスタービンの確実な運転と乗客の快適性を確保します。

図3. 船舶エネルギーシステムの基本図。画像提供：シーメンス・エナジー

排出ガス性能と水素運転

燃料の柔軟性と低排出量は、ゴットランドボラゲットがホライゾンXにSGT-400ガスタービンを採用することを決定した2つの主な動機でした。

SGT-400は標準でドライ・ロー・エミッション（DLE）燃焼システムを搭載しています。Gotland Horizon X向けのユニットはデュアルフューエルで、LNGとディーゼルの両方で運転可能であり、選択触媒還元（SCR）システムを必要とせずに、E2およびE3デューティサイクルにおけるIMO Tier III NOx排出規制（<2g/kWh）への適合を実証しています。

ガスタービンは連続炎で運転され、燃焼器内での滞留時間は比較的長くなります。メタンスリップはごくわずかで、ガスタービンが最大連続定格（MCR）の50%から100%で運転しているとき、そのレベルは0.014g/kWh未満になると予想されます。

最近の燃焼リグテストでは、改良された燃料インジェクターを使用することで、燃焼システムをメタノールで作動できることが実証されました。

長期的な目標は、ゴットランド・ホライズンXを100％水素燃料で運航することです。

水素の燃焼特性は天然ガスとは異なり、可燃限界が広く、炎の速度も速いため、逆火のリスクが高まります。大幅な改造を行わない限り、ガスタービンの標準的なDLE燃焼システムでは、天然ガスに対する水素の混合比率は通常、体積比で20～50%に制限されます。

シーメンス・エナジーによる100%水素対応燃焼システムの開発は10年以上前に開始されました。2023年には、フランスで実施されたEU資金による実証プロジェクト「HYFLEXPOWER」において、SGT-400で100%の目標を達成しました。今後数年間、同じ場所で実施される後続プロジェクト「HyCoFlex」の一環として、さらなる試験が実施される予定です。

この新型燃焼器は、100%水素だけでなく、100%天然ガス（LNG）や、水素とガス/LNGの混合燃料（中間の混合燃料）でも運転可能であり、SCRなしでもIMOのNOx規制を満たすことができます。この燃焼器は標準的なDLE型よりもわずかに長いですが、ガスタービンコアへの最小限の変更で後付け可能です。

外航船舶の脱炭素化技術

現在、長距離輸送は海運セクターの排出量の大部分を占めています。これらの船舶は長距離を航行し、長期間港から離れているため、代替燃料対応のハイブリッド推進設計は、脱炭素化にとって最も現実的な選択肢となります。

これらの船舶にハイブリッド技術を適用する際の最大の課題は、貨物と燃料の積載量を最大化するためにスペースを節約する必要があることです（低炭素燃料は、重質重油や他の船舶用ディーゼル燃料に比べて燃料密度が低いため）。ディーゼルまたはガス電気システム、電力調整装置、バッテリーの設置は依然として困難ですが、経済性は向上しています。

特にLNG船においては、Gotland Horizon Xに搭載されるハイブリッド複合サイクルエンジンと電気推進システムを採用したOcean Greenコンセプトが極めて有効です。コンパクトな機関室レイアウトと軽量化により、貨物積載量が7～11%増加し、従来の2ストローク174,000m³LNG船や小型タンカーと比較して、単位輸送コストを最大17%削減できます。

ハイブリッドシステムにおける水素燃料電池の利用も、長期的な脱炭素化の手段として注目を集めています。シーメンス・エナジーは現在、パートナー企業と協力し、様々な種類・サイズの船舶に水素燃料電池を適用するための取り組みを進めています。

ガスタービン特有の燃料柔軟性と効率性を活かしたゴットランド・ホライズンXは、真のマルチ燃料対応高速フェリーであり、航行速度や旅客・貨物積載量を犠牲にすることなく、CO2排出量とNOx排出量の低減を実現します。本船は、高性能で持続可能な船舶設計のための拡張可能な青写真を提供します。ゼロエミッションの外航船への道を開き、業界の低炭素社会への移行を加速させます。

新型カメワS-4Lウォータージェット

Kongsberg Maritimeは、Gotlandsbolagetの次世代高速フェリー、Horizon Xに推進システムを供給する契約を締結し、新型Kamewa S-4Lウォータージェットシリーズを発表しました。このフェリーには2基のS160-S4Lウォータージェットと2基のS100-S4LBブースターユニットが搭載され、新型S-4Lシリーズが初めて商用化されたことになります。

主な改良点としては、低速時のハンドリングとドッキング効率を向上させ、ターンアラウンド時間と燃料消費量を削減するデュアルバケットとステアリングノズルシステムがあります。S-4Lシリーズは、平均オーバーホール間隔（MTBO）を25,000時間または5年としています。