Derruido
Colaborador
EL AIP. MANTENIENDO PROFUNDO POR MAS TIEMPOA LOS SUBMARINOS CONVENCIONALESRenato Navarro Genta *Introducción.l lograr submarinos “Anaeróbicos” ha ido asociado al concepto mismo de submarino desde queéstos fueron creados, pero ante las dificultades tecnológicas que ello presentó no se pudo hacerrealidad excepto en algunos submarinos experimentales; por ejemplo el sistema “Walter”(desarrollado por los alemanes en 1940, plena II G.M.) a base de turbinas y agua oxigenada,pero que por lo inseguro no se materializó en serie.Este objetivo ha sido retomado intensamente durante estas últimas décadas y está empezando adar sus frutos en la actualidad a pesar de existir limitaciones importantes para su pleno desarrollodebido principalmente a la complejidad del problema; sin embargo, la obtención de submarinosindependientes de la atmósfera por medios “Químicos” (AIP) es ya una realidad y en el presentetrabajo analizaremos su uso para una Armada como la nuestra.El presente ensayo tendrá el siguiente desarrollo:1. Características y limitaciones de los submarinos convencionales (diesel-eléctricos).2. Los sistemas AIP más efectivos y viables.3. Descripción de los submarinos AIP que son más viables y su efecto en la arquitectura delsubmarino.4. Factores limitativos de los Sistemas AIP embarcados.5. Qué esperar a mediano / largo plazo de las tecnologías AIP.6. Síntesis de las principales soluciones AIP y su comparación con el sistema convencional.7. Conclusiones.DESARROLLO1. Características y limitaciones de los submarinos convencionales (diesel-eléctricos).Al estar sumergido, la energía disponible por un submarino convencional está definida por lacapacidad de sus baterías, la única fuente energética de que dispone para navegar en esta condición.Estas baterías, en la inmensa mayoría de los submarinos construidos, son del tipo de plomo/ácido. Hayalgunos casos (los menos) de submarinos con baterías de Ni/Cd de prestaciones muy similaresComo consecuencia de la baja capacidad energética específica de las baterías clásicas, lossubmarinos convencionales construidos en estas últimas dos décadas presentan las siguientescaracterísticas:• Autonomía en profundidad a unos 18-20 nudos: 1 a 1,5 horas.• Autonomía en profundidad a 3 -5 nudos: 50 - 100 horas, (100 kW de consumo).• Autonomía, de diesel-eléctrico, (con períodos de snorkel),: unas 8000-12000 millas náuticas(Mn.).Estas prestaciones medias son el resultado de equilibrar los siguientes factores:• Desplazamiento.• Características del motor propulsor / batería.• Peso y características de las baterías / potencia grupos diesel-generadores.• Peso del combustible DMFO embarcado.• Requerimientos de las Misiones a desarrollar.No se debe confundir la autonomía a profundidad, que es la que corresponde, como máximo, a unadescarga completa de las baterías con la autonomía total que corresponde a la distancia total navegada,con períodos alternados de snórkel y que está principalmente determinada por el DMFO embarcado.La necesidad de recarga periódica de las baterías embarcadas exige el montaje de grupos “Diesel -generadores(AC)- rectificadores” de una cierta potencia, y que requieren que el submarino debaascender hasta la profundidad de snórkel para usarlo.Según la razón “Potencia diesel / Potencia absorbida” en snórkel, los períodos de recarga puedenoscilar entre el 8 y el 25% del tiempo total de navegación. Estos porcentajes se denominan“Coeficientes de indiscreción” (C.I.) porque equivalen al tiempo relativo en que el submarino está enuna condición ruidosa y cercana a la superficie (máquinas diesel en servicio, compresores de aire dealta, planta de Osmosis inversa), respecto al tiempo total de navegación. En estos períodos de recargaE
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2de las baterías el submarino se está evidenciando y debido a la existencia de sistemas de detección desuperficie y aéreos (Aeronaves de exploración marítimas, AWACS, satélites), cada vez másperfeccionados, se exponen a ser detectados en condición snórkel tanto por el ruido generado como porla firma térmica y magnética de los gases de escape o incluso visualmente.Teniendo en cuenta que la misión típica de un submarino medio, de unas 1400 tns. dedesplazamiento, es de unos 50 días, de los cuales 20 días son de tránsito (7-8 nudos) con un coeficientede indiscreción del 20 % y otros 20-25 días de patrulla (a 4-5 nudos) con un C.I. del 6-8%, el tiempototal que un submarino es indiscreto se puede establecer en unas 135 horas (96 horas durante eltránsito y 39 horas durante la patrulla).Es evidente que estas indiscreciones son una importante debilidad de los submarinosconvencionales; por lo tanto, si se requiere disminuir la probabilidad de éstos a ser detectados, nohabría más remedio que recurrir a las tecnologías nucleares o AIP (químicas) las cuales permiten alsubmarino navegar sumergido profundamente durante extensos períodos de tiempo. Como el construirsubmarinos nucleares tiene trabas de toda índole, parece que el curso de acción restante sería el “AIP”.2. Los sistemas AIP más efectivos y viables.El requerimiento de que el submarino, sumergido, deba generar o disponer de una significativareserva energética que le permita navegar durante extensos períodos de tiempo sin tener que recurrir alaire atmosférico, exige la adopción de sistemas, en muchos casos, escasamente desarrollados; esnecesario tener en cuenta que en su inmensa mayoría, los sistemas de generación de energía en nuestroplaneta exceptuando la tecnología nuclear, eólica o solar, están basados en combustiones de tipo aire +hidrocarburos.En este ensayo se ha descartado el análisis de aquellos principios generadores de energíabasados en aplicaciones con problemas de rendimiento seguridad, costo, inadaptación al entorno enque se mueven los submarinos tal como Reacción F6S + Li; Calor generado por las sales fundidas, yAcumuladores de grafito entre otras. Por consiguiente sólo han sido aceptados como viables unospocos sistemas y que han resultado ser derivaciones de sistemas ya utilizados por la industria en elcampo terrestre, (excepto los motores Stirling que son de un uso muy limitado). Esto tiene unasventajas obvias: las inversiones aplicadas al desarrollo de estos sistemas terrestres se aprovechan en eldesarrollo de los sistemas submarinos siempre que se pueda compatibilizar la naturaleza de lasmáquinas en cuestión con las características del medio submarino (entorno presurizado, necesidad desilencio, volúmenes limitados, etc). Evidentemente, los elementos generadores pensados para laindustria terrestre requieren ser modificados, a veces en gran amplitud y con importantesservidumbres, cuando se pretende utilizarlos para ese fin.Si embargo, la adopción de tecnologías AIP en submarinos, presenta ciertas dificultades decarácter práctico, como se verá a continuación.2.1.Un sistema AIP se compone de dos subsistemas de naturaleza muy distinta:2.1.1. “El Convertidor”: Encargado de transformar la energía primaria (térmica o química, etc.) deuna substancia o elemento en energía aprovechable directamente (torque o electricidad).2.1.2. “El de Reactantes”: Acumuladores de energía o fuentes energéticas, que consiste en substanciasque aportan o producen energía (térmica principalmente), y de las cuales se nutren los convertidores.2.2.De la gran cantidad de variantes que es posible formar de conjuntos convertidor- reactantes, lassiguientes son las que disponen de características aceptables para su uso en submarinos:2.2.1. Celdas de combustible SPE (electrolito de polímero sólido) alimentadas alternativamente porLOX-hidruros o LOX- metanol; (LOX es oxígeno, almacenado en forma criogénica).2.2.2. Máquinas Diesel alimentados por LOX-DMFO.2.2.3. Motores Stirling alimentados por LOX-DMFO2.2.4. Turbinas de vapor alimentadas por LOX-Etanol.Otros muchos sistemas convertidores y de reactantes o acumuladores no han sido consideradosdebido a su bajo rendimiento, falta de seguridad, problemas operativos o logísticos, etc. Sólo lasbaterías avanzadas (LAIS, Na/S) merecen tenerse en consideración de forma adicional, aunque no seansistemas AIP.2.3.En la selección de cual de los anteriores es más efectivo, intervienen numerosos factores deltipo cuantitativo o cualitativo, como son:2.3.1. En relación a la energía instalada, se puede decir que las Celdas SPE + LOX + Metanol son un45% más efectivas que los sistemas Diesel o Stirling y un 70% más efectivas que las turbinas devapor.2.3.2. Considerando el ruido generado las Celdas son las menos indiscretas.
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32.3.3. A efectos de disponibilidad de los componentes, los sistemas termodinámicos (Diesel Stirlingy Turbinas) son los más desarrollados. Las celdas precisan un período de experimentación.2.3.4. Si la consideración es la Seguridad general los sistemas más seguros son los Diesel y Stirling,por quemar DMFO, que es un combustible mucho menos peligroso en su uso y almacenamiento que elHidrógeno o los alcoholes.2.3.5. En lo que respecta a la confiabilidad y bajo riesgo técnico, las turbinas de vapor, seguidas delos motores Diesel serían los sistemas más apropiados.2.3.6. En lo que respecta a costos, los sistemas termodinámicos son los más económicos, así como susreactantes (DMFO), por estar ya plenamente desarrollados.2.3.7. Finalmente a efectos logísticos, los motores Diesel y Stirling son los más favorables (LOX,DMFO).En resumen, todos los sistemas anteriores pueden aplicarse, en función de loscondicionamientos que se impongan así como el riesgo técnico y de seguridad que quiera asumirse.2.4.Los convertidores AIP anteriormente citados no disponen de las potencias unitarias necesarias(ni es factible su construcción) para que, con un número reducido de éstos (3 ó 4 a lo sumo), se puedaalimentar directamente el Motor Eléctrico Principal (MEP) de un submarino, (que requiere de 3-4MW). En los convertidores termodinámicos ello es debido a las limitaciones impuestas por lasinstalaciones de reciclado y gestión de gases.En el caso de las celdas de combustible el problema, a largo plazo, sería abordable mediante elacopio de muchas unidades, hasta alcanzar los 3-4 MW de potencia máxima. Hoy por hoy laOperación de tan alta potencia de celdas a bordo, es un problema insalvable, teniendo en cuenta que sedebe estibar no sólo el bloque de celdas, sino los reactantes asociados.Esta limitación tiene como consecuencia lo siguiente:No es posible acceder a las grandes velocidades (18-20 nudos) mediante el uso exclusivo deconvertidores AIP aumentando el MEP directamente)Es preciso el mantenimiento de las baterías o de otro medio de acumulación de energíaeléctrica que pueda alimentar el MEP, a gran régimen. Como consecuencia es preciso además,disponer de un sistema de recarga de dichas baterías (que puede ser convencional o AIP).2.5.ReactantesLos reactantes se componen, en todos los casos, de un oxidante y un combustible que producenla energía primaria que es transformada por los convertidores. Los reactantes que han resultado másefectivos por su alto poder calorífico o por su idoneidad respecto a los convertidores seleccionados sonlos siguientes:2.5.1. Oxidantes:El oxígeno, almacenado en forma criogénica (LOX,) es el oxidante común y exclusivo queinterviene en todas las reacciones de “oxidación – combustión” que constituyen la fuente energética detodas las máquinas mencionadas. El oxígeno es el oxidante universal y no existen alternativasdisponibles a corto plazo. De ello se deriva que el requisito AIP (no uso del aire atmosférico) exige,inevitablemente, el almacenamiento a bordo del oxígeno necesario para poder alimentar losgeneradores AIP.En las celdas en cambio, la unión del oxígeno con el hidrógeno se hace de forma catalítica, porconsiguiente el rendimiento es mayor que en las máquinas termodinámicas.2.5.2. CombustiblesDentro de los combustibles más eficaces se encuentra el hidrógeno (combustible limpio yuniversal), el DMFO y los alcoholes (metanol-etanol).2.5.2.1. El hidrógeno produce una combustión de alto poder calorífico (120 Mj/Kg de H2) dandocomo resultado agua. Su principal inconveniente es su alta inflamabilidad, gran volumen específicoincluso en estado líquido (-250º C) y su difícil estiba a bordo. Los hidruros reversibles han mejorado lamanipulación a bordo de este gas aunque introducen penalizaciones en el peso muy importantes. Elhidrógeno pareciera ser el combustible ideal aunque aún está apenas impuesto en la industria, por laslimitaciones descritas.2.5.2.2. El DMFO pareciera ser, sin embargo, el combustible, a nivel mundial, más eficaz (alto podercalorífico, gran seguridad de manejo, bajo costo) aunque su combustión produzca alta cantidad deresiduos (CO2, SO3, cenizas, entre otros).2.5.2.3. Los alcoholes son los sustitutos del DMFO en aquellas aplicaciones en que una combustiónmás limpia es esencial.
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2de las baterías el submarino se está evidenciando y debido a la existencia de sistemas de detección desuperficie y aéreos (Aeronaves de exploración marítimas, AWACS, satélites), cada vez másperfeccionados, se exponen a ser detectados en condición snórkel tanto por el ruido generado como porla firma térmica y magnética de los gases de escape o incluso visualmente.Teniendo en cuenta que la misión típica de un submarino medio, de unas 1400 tns. dedesplazamiento, es de unos 50 días, de los cuales 20 días son de tránsito (7-8 nudos) con un coeficientede indiscreción del 20 % y otros 20-25 días de patrulla (a 4-5 nudos) con un C.I. del 6-8%, el tiempototal que un submarino es indiscreto se puede establecer en unas 135 horas (96 horas durante eltránsito y 39 horas durante la patrulla).Es evidente que estas indiscreciones son una importante debilidad de los submarinosconvencionales; por lo tanto, si se requiere disminuir la probabilidad de éstos a ser detectados, nohabría más remedio que recurrir a las tecnologías nucleares o AIP (químicas) las cuales permiten alsubmarino navegar sumergido profundamente durante extensos períodos de tiempo. Como el construirsubmarinos nucleares tiene trabas de toda índole, parece que el curso de acción restante sería el “AIP”.2. Los sistemas AIP más efectivos y viables.El requerimiento de que el submarino, sumergido, deba generar o disponer de una significativareserva energética que le permita navegar durante extensos períodos de tiempo sin tener que recurrir alaire atmosférico, exige la adopción de sistemas, en muchos casos, escasamente desarrollados; esnecesario tener en cuenta que en su inmensa mayoría, los sistemas de generación de energía en nuestroplaneta exceptuando la tecnología nuclear, eólica o solar, están basados en combustiones de tipo aire +hidrocarburos.En este ensayo se ha descartado el análisis de aquellos principios generadores de energíabasados en aplicaciones con problemas de rendimiento seguridad, costo, inadaptación al entorno enque se mueven los submarinos tal como Reacción F6S + Li; Calor generado por las sales fundidas, yAcumuladores de grafito entre otras. Por consiguiente sólo han sido aceptados como viables unospocos sistemas y que han resultado ser derivaciones de sistemas ya utilizados por la industria en elcampo terrestre, (excepto los motores Stirling que son de un uso muy limitado). Esto tiene unasventajas obvias: las inversiones aplicadas al desarrollo de estos sistemas terrestres se aprovechan en eldesarrollo de los sistemas submarinos siempre que se pueda compatibilizar la naturaleza de lasmáquinas en cuestión con las características del medio submarino (entorno presurizado, necesidad desilencio, volúmenes limitados, etc). Evidentemente, los elementos generadores pensados para laindustria terrestre requieren ser modificados, a veces en gran amplitud y con importantesservidumbres, cuando se pretende utilizarlos para ese fin.Si embargo, la adopción de tecnologías AIP en submarinos, presenta ciertas dificultades decarácter práctico, como se verá a continuación.2.1.Un sistema AIP se compone de dos subsistemas de naturaleza muy distinta:2.1.1. “El Convertidor”: Encargado de transformar la energía primaria (térmica o química, etc.) deuna substancia o elemento en energía aprovechable directamente (torque o electricidad).2.1.2. “El de Reactantes”: Acumuladores de energía o fuentes energéticas, que consiste en substanciasque aportan o producen energía (térmica principalmente), y de las cuales se nutren los convertidores.2.2.De la gran cantidad de variantes que es posible formar de conjuntos convertidor- reactantes, lassiguientes son las que disponen de características aceptables para su uso en submarinos:2.2.1. Celdas de combustible SPE (electrolito de polímero sólido) alimentadas alternativamente porLOX-hidruros o LOX- metanol; (LOX es oxígeno, almacenado en forma criogénica).2.2.2. Máquinas Diesel alimentados por LOX-DMFO.2.2.3. Motores Stirling alimentados por LOX-DMFO2.2.4. Turbinas de vapor alimentadas por LOX-Etanol.Otros muchos sistemas convertidores y de reactantes o acumuladores no han sido consideradosdebido a su bajo rendimiento, falta de seguridad, problemas operativos o logísticos, etc. Sólo lasbaterías avanzadas (LAIS, Na/S) merecen tenerse en consideración de forma adicional, aunque no seansistemas AIP.2.3.En la selección de cual de los anteriores es más efectivo, intervienen numerosos factores deltipo cuantitativo o cualitativo, como son:2.3.1. En relación a la energía instalada, se puede decir que las Celdas SPE + LOX + Metanol son un45% más efectivas que los sistemas Diesel o Stirling y un 70% más efectivas que las turbinas devapor.2.3.2. Considerando el ruido generado las Celdas son las menos indiscretas.
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32.3.3. A efectos de disponibilidad de los componentes, los sistemas termodinámicos (Diesel Stirlingy Turbinas) son los más desarrollados. Las celdas precisan un período de experimentación.2.3.4. Si la consideración es la Seguridad general los sistemas más seguros son los Diesel y Stirling,por quemar DMFO, que es un combustible mucho menos peligroso en su uso y almacenamiento que elHidrógeno o los alcoholes.2.3.5. En lo que respecta a la confiabilidad y bajo riesgo técnico, las turbinas de vapor, seguidas delos motores Diesel serían los sistemas más apropiados.2.3.6. En lo que respecta a costos, los sistemas termodinámicos son los más económicos, así como susreactantes (DMFO), por estar ya plenamente desarrollados.2.3.7. Finalmente a efectos logísticos, los motores Diesel y Stirling son los más favorables (LOX,DMFO).En resumen, todos los sistemas anteriores pueden aplicarse, en función de loscondicionamientos que se impongan así como el riesgo técnico y de seguridad que quiera asumirse.2.4.Los convertidores AIP anteriormente citados no disponen de las potencias unitarias necesarias(ni es factible su construcción) para que, con un número reducido de éstos (3 ó 4 a lo sumo), se puedaalimentar directamente el Motor Eléctrico Principal (MEP) de un submarino, (que requiere de 3-4MW). En los convertidores termodinámicos ello es debido a las limitaciones impuestas por lasinstalaciones de reciclado y gestión de gases.En el caso de las celdas de combustible el problema, a largo plazo, sería abordable mediante elacopio de muchas unidades, hasta alcanzar los 3-4 MW de potencia máxima. Hoy por hoy laOperación de tan alta potencia de celdas a bordo, es un problema insalvable, teniendo en cuenta que sedebe estibar no sólo el bloque de celdas, sino los reactantes asociados.Esta limitación tiene como consecuencia lo siguiente:No es posible acceder a las grandes velocidades (18-20 nudos) mediante el uso exclusivo deconvertidores AIP aumentando el MEP directamente)Es preciso el mantenimiento de las baterías o de otro medio de acumulación de energíaeléctrica que pueda alimentar el MEP, a gran régimen. Como consecuencia es preciso además,disponer de un sistema de recarga de dichas baterías (que puede ser convencional o AIP).2.5.ReactantesLos reactantes se componen, en todos los casos, de un oxidante y un combustible que producenla energía primaria que es transformada por los convertidores. Los reactantes que han resultado másefectivos por su alto poder calorífico o por su idoneidad respecto a los convertidores seleccionados sonlos siguientes:2.5.1. Oxidantes:El oxígeno, almacenado en forma criogénica (LOX,) es el oxidante común y exclusivo queinterviene en todas las reacciones de “oxidación – combustión” que constituyen la fuente energética detodas las máquinas mencionadas. El oxígeno es el oxidante universal y no existen alternativasdisponibles a corto plazo. De ello se deriva que el requisito AIP (no uso del aire atmosférico) exige,inevitablemente, el almacenamiento a bordo del oxígeno necesario para poder alimentar losgeneradores AIP.En las celdas en cambio, la unión del oxígeno con el hidrógeno se hace de forma catalítica, porconsiguiente el rendimiento es mayor que en las máquinas termodinámicas.2.5.2. CombustiblesDentro de los combustibles más eficaces se encuentra el hidrógeno (combustible limpio yuniversal), el DMFO y los alcoholes (metanol-etanol).2.5.2.1. El hidrógeno produce una combustión de alto poder calorífico (120 Mj/Kg de H2) dandocomo resultado agua. Su principal inconveniente es su alta inflamabilidad, gran volumen específicoincluso en estado líquido (-250º C) y su difícil estiba a bordo. Los hidruros reversibles han mejorado lamanipulación a bordo de este gas aunque introducen penalizaciones en el peso muy importantes. Elhidrógeno pareciera ser el combustible ideal aunque aún está apenas impuesto en la industria, por laslimitaciones descritas.2.5.2.2. El DMFO pareciera ser, sin embargo, el combustible, a nivel mundial, más eficaz (alto podercalorífico, gran seguridad de manejo, bajo costo) aunque su combustión produzca alta cantidad deresiduos (CO2, SO3, cenizas, entre otros).2.5.2.3. Los alcoholes son los sustitutos del DMFO en aquellas aplicaciones en que una combustiónmás limpia es esencial.
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