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Baterías para Submarinos: Historia y Desarrollos (2da parte)

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Que son las baterías en un submarino? Es el sistema que almacena la energía eléctrica abordo, restituyéndola continuamente a los cuadros que alimentan los diversos consumidores a bordo (propulsión, auxiliares, convertidores de corriente alterna/corriente continua, etc.). Se le denomina “la batería” (de acumuladores), en singular o “las baterías” y están organizadas en grandes grupos de elementos individuales, conectados entre sí en serie. El número de elementos por grupo puede variar de 160 a 200 unidades por grupos, con voltajes de salida del orden de 320 a 400 V de corriente continua, por grupo. El numero de grupos es de dos o de cuatro, normalmente dos. El peso de cada elemento puede oscilar entre 500 y 800 kg, con unas dimensiones que pueden ser de 360 x 500 mm de base por 1,25 m de altura, por elemento. La conexión entre los elementos se efectúa por medio de unos gruesos conectores de cobre. En todos los casos, salvo cuando usa el snorkel, la batería se va descargando y con el objeto de mantener un mínimo de carga en ella, a efectos de poder disponer de una reserva de seguridad o táctica, es necesario proceder a su recarga. De vez en cuando, en los plazos que el fabricante especifique, las baterías tienen que recibir un tratamiento de regeneración a base de unas cargas escalonadas más unas cargas lentas, etc.


Baterías en los Submarinos SSK

Que son las baterías en un submarino? Es el sistema que almacena la energía eléctrica abordo, restituyéndola continuamente a los cuadros que alimentan los diversos consumidores a bordo (propulsión, auxiliares, convertidores de corriente alterna/corriente continua, etc.). 

Se le denomina “la batería” (de acumuladores), en singular o “las baterías” y están organizadas en grandes grupos de elementos individuales, conectados entre sí en serie. El número de elementos por grupo puede variar de 160 a 200 unidades por grupos, con voltajes de salida del orden de 320 a 400 V de corriente continua, por grupo. El numero de grupos es de dos o de cuatro, normalmente dos. El peso de cada elemento puede oscilar entre 500 y 800 kg, con unas dimensiones que pueden ser de 360 x 500 mm de base por 1,25 m de altura, por elemento. La conexión entre los elementos se efectúa por medio de unos gruesos conectores de cobre.

En todos los casos, salvo cuando usa el snorkel, la batería se va descargando y con el objeto de mantener un mínimo de carga en ella, a efectos de poder disponer de una reserva de seguridad o táctica, es necesario proceder a su recarga. De vez en cuando, en los plazos que el fabricante especifique, las baterías tienen que recibir un tratamiento de regeneración a base de unas cargas escalonadas más unas cargas lentas, etc.


Coeficiente o tasa de indiscreción:

Es un concepto usado exclusivamente en los submarinos convencionales. Como se ha dicho, las baterías hay que recargarlas y, además, conviene que sea de forma rápida, cuando se navega. Esta recarga, cuando se hace en la mar, debe realizarse forzosamente con los grupos diesel-eléctricos de abordo, y para que estos puedan funcionar, el submarino debe estar en contacto con la atmósfera.


Este contacto se hace a través del snorkel, para que la detección visual del submarino sea más difícil para el adversario, aunque debido al ruido importante que generan los grupos diesel, la emisión acústica es fuerte y el submarino podría ser detectado con cierta facilidad. Asimismo, los gases de escape, calientes, que se arrojan a la atmósfera (aunque se intentan refrigerar) son una fuente de rayos infrarrojos que pueden ser potencialmente detectados, dando lugar a que el submarino pueda ser localizado y perseguido.
Debido a estas consideraciones, la marcha en snorkel con los diesel a toda fuerza, se considera como una situación “expuesta” del submarino, o situación indiscreta, en contraposición con la situación de inmersión, a gran profundidad, que se considera una situación discreta (aunque el submarino pueda ser también detectado, si se dispone de los sensores adecuados, pero es mucho más difícil y aleatorio). 

Por consiguiente, cuando el submarino navega, ya sea en tránsito o en patrulla, debe salir de forma periódica a cargar baterías, (no es necesario que sea una periodicidad perfecta, hay mucha flexibilidad en esto). A mayor velocidad media de navegación en inmersión, mayor es el desgaste o descarga de la batería por hora navegada, por lo cual la recarga conviene hacerla más frecuentemente.

  
Submarino Vulnerable haciendo Snorkel
Así se crean ciclos, para cada velocidad, que se componen de por ejemplo 3 horas en inmersión seguidas de 45 minutos en snorkel, para recargar baterías y así sucesivamente. En estos 45 minutos se recarga la porción de energía que se tomó de la batería en las 3 h + 45 minutos invertidas en el ciclo, con el objeto de que la batería quede al mismo nivel de carga que al principio. La carga - descarga de la batería sigue, por consiguiente, un perfil de diente de sierra. Las velocidades en inmersión y en snorkel no tienen porqué ser las mismas, pero combinadas darán lugar a una velocidad media o SOA (speed of advance).

El coeficiente de indiscreción se define entonces, para una cierta velocidad media, como el cociente entre el tiempo que invierte el submarino en recargar las baterías, en snorkel, y el tiempo total del ciclo completo. Por ejemplo en el caso anterior el coeficiente de indiscreción sería de 45/(45+180) = 0,20 o del 20%.

Este concepto de coeficiente de indiscreción es el básico. Respecto a este hay muchas variantes. Hay proyectistas que asumen que si se considera que los 45 minutos anteriormente fijados de snorkel corresponden al tiempo que el mástil de inducción de aire está izado, el tiempo de indiscreción real debe ser mayor ya que el submarino debe antes ascender a superficie, gobernar para ponerse a cota snorkel, etc. A la inversa, hay proyectistas que consideran que el tiempo de indiscreción real es menor que los 45 minutos de la referencia ya que el ruido solo empieza algunos minutos después de izar el snorkel, ya que ha habido que preparar motores, etc. y eso lleva un tiempo. El tiempo de estas preparaciones se denomina tiempo muerto. Así, según el tiempo muerto considerado, surgen múltiples formas de calcular el coeficiente.

El coeficiente de indiscreción típico de un submarino, a 8 nudos (SOA) es del orden del 20% y del 5 al 6% a la velocidad económica de 4 nudos (dependiendo del tipo de submarino). O sea que, a 4 nudos, se puede navegar durante 24 horas, con solo dos periodos de snorkel de unos 45 minutos cada uno. O bien se puede navegar durante 24 horas con un solo periodo de snorkel de 1,5 horas (con la salvedad de que algunos estados de carga de la batería no admiten un tiempo de carga rápida tan extenso, por gaseo o saturación).

Lo que si es cierto es que una vez izado el snorkel, el arranque y la puesta en carga de los grupos generadores puede llevar varios minutos, dependiendo del número de grupos de que se trate, la tecnología de estos, sus estado (frío o caliente), la tecnología de los alternadores que mueven, la automatización efectuada, es decir todos los factores que determinan su capacidad a entrar en carga al 100% rápidamente, una vez arrancados. Esto significa que el tiempo real o efectivo de carga siempre es menor que el tiempo de indiscreción visual. Tiempos carga superiores a 45 o 50 minutos se consideran altos, en vista a las probabilidades de ser detectados por los medios del adversario, (aéreos o buques) según cánones que ya se consideran clásicos.
El coeficiente de indiscreción es además un índice que se corresponde con la potencia de grupos instalada a bordo. Estos grupos efectúan lo que se llama la carga rápida de la batería, a gran intensidad, y que está sujeta a unas leyes. A menor coeficiente indiscreción, mayor potencia es necesaria para restablecer el estado inicial de la batería, para un régimen de marcha dado. A veces hay que limitarse a obtener unos coeficientes de indiscreción moderados, no todo lo pequeños que sería deseable, ante la imposibilidad de instalar una planta diesel-generadora del tamaño requerido, ya que la gama de motores diesel adaptados a submarinos no es muy grande en el mercado y no se contempla instalar una planta con grupos que no sean idénticos. 

Así hay que elegir entre montar dos, tres o cuatro grupos que tengan una cierta garantía, al haber sido ya probados en otras construcciones. En la práctica, lo que se fija primero es la composición y potencia de una planta diesel que sea viable (por la disponibilidad de unas maquinas adecuadas en el mercado) y que encaje bien en la disposición general y luego se comprueba la admisibilidad o la conveniencia de adoptar los coeficientes de indiscreción resultantes. 

Autonomía de la batería: 

En inmersión, la batería es la encargada de suministrar la energía de abordo para la propulsión y auxiliares. Al depender la distancia que se puede navegar en inmersión de la capacidad de la batería, esta autonomía es un factor muy importante y crítico en submarinos. 
Tomando, como hipótesis, que la batería se encuentra en un momento determinado cargada al 100%, la autonomía total gg la distancia) que el submarino puede navegar, a esa velocidad (constante, en inmersión profunda), hasta que la batería se agota totalmente. En este cálculo interviene el consumo de la propulsión, que es función de la velocidad (y que tiene un valor constante y conocido) y el consumo de auxiliares, que puede tomar una multiplicidad de valores según el estado de marcha de los equipos de abordo que deben o que pueden potencialmente funcionar en inmersión. 
Debido a la indeterminación que este consumo variable de auxiliares produce en el cálculo de la autonomía, se han debido normalizar unos estados de los servicios, que se resumen en un “consumo normal de auxiliares” y un “consumo estricto de auxiliares”. Estos estados y los consumos correspondientes son objeto de un estudio detallado de aquellos equipos que deben estar forzosamente en servicio en inmersión y de aquellos que eventualmente deben estarlo o conviene que lo estén. El consumo estricto sin embargo admite muchas interpretaciones y variaciones ya que nos solo depende del proyectista sino de la capacidad de sacrificio de la dotación y del tiempo que este consumo estricto debe ser mantenido. Por ejemplo, el servicio de aire acondicionado, puede admitir diversos regímenes de marcha que pueden ser discutibles en función de la temperatura ambiente del mar, el sistema de combate puede admitir una gran número de modos de operación y, por consiguiente, de su consumo eléctrico, etc. En general, el consumo normal de auxiliares es del orden de unos 90 a 120 kW para un submarino de tamaño medio, si se mantiene una cierta disciplina en el uso de los sistemas y el consumo estricto del orden de 35 a 60 kW.
La estimación exacta del consumo de auxiliares tiene relativamente poca importancia cuando las velocidades que se estudian son altas, ya que los consumos de la propulsión son mucho más grandes y los errores quedan difuminados en el cómputo total del consumo. Así por ejemplo, a unos 10 nudos, el consumo de la propulsión es del orden de unos 500 kW, con lo cual el impacto de tener 90 o 110 kW de consumo de auxiliares en la suma de ambos es pequeño. Por el contrario, a unos 3 a 4 nudos, el consumo de la propulsión es de solo unos 40 a 50 kW, con lo cual la influencia de tener 90 o 110 kW de auxiliares es sustancial, en la determinación del consumo total.



La autonomía de la batería típica de un submarino moderno, con un peso de batería del orden del 15% del desplazamiento en inmersión, que se considera una cifra relativamente elevada, es de 1,2 a 1,8 horas a 20-22 nudos y de unas 120 a 140 horas a unos 4 nudos, para una descarga total de la batería. 
La velocidad de marcha lenta (unos 4 nudos) se optimiza para que la distancia recorrida, por kWh consumido por la propulsión, sea la máxima, derivado del hecho que el rendimiento de motor propulsor sigue un trazado ascendente a regímenes bajos.
Estas autonomías son totalmente nominales, de referencia, ya que ni la batería va cargada al 100% de forma permanente, en absoluto, ni es conveniente descargarla totalmente.
  

Tipos de Baterías para SSK:
Baterías de Plomo Acido o convencionales:



El uso de estas baterías en los SSK cuenta con grandes corrientes de descarga y recarga rápida, en un patrón de funcionamiento cíclico

Tal uso conduce a rendimiento de la batería no lineal (efecto memoria), depende de pasado la historia. Algunos Conceptos básicos de la batería típicas de submarinos convencionales son las células de plomo-ácido inundadas. Cada placa en la celda es esencialmente plana, (a pesar de que la placa positiva es compuesta de tubos dispuestos en un plano), lleno de óxido de plomo poroso. La placa negativa es una rejilla de metal estirado, recubierto con plomo poroso. La brecha (cara a cara) entre las placas adyacentes positiva y negativa (o electrodos) suele ser del orden de 1 mm. Hay un separador poroso en este vacío evitando el contacto entre los electrodos adyacentes.

Las baterías de los submarinos están refrigeradas por agua en sus extremos superior, y por lo general el ácido se levanta desde la parte inferior de la batería y rociado nuevamente desde la parte superior de las placas, para que evite la estratificación del ácido. 

Características Técnicas de las Baterías de Plomo Acido: Aquí podemos ver un cuadro con las características y prestaciones de una Batería moderna  para Submarino SSK.


Características de una batería típica PB-AC de un SSK:

Ventajas:
•         Tecnología conocida
•         Baratas de adquirir
Desventajas
•         Poca capacidad de carga de energía, tanto en volumen como en peso
•         Demasiado pesadas
•         Emite gases peligrosos y necesita ventilación al cargarlas en un submarino
•         Carga lenta en comparación con las Li-ion
•         Carga superior a 2.4V por celda, produce sulfatación la la placa positiva y acorta la vida de la batería
•         Ciclos de carga y descarga profunda reducen notablemente la vida útil


Baterías Na/S (Baterías de Sodio - 2Na + 4S = Na2S4)

Esta alternativa consiste en la adopción de un submarino convencional, en el cual se han sustituido las baterías clásicas por baterías avanzadas, del tipo LAIS o Na/S. Estas baterías son de mucha mayor capacidad que las convencionales, aunque deben estar provistas de aisladores térmicos debido a que su temperatura de funcionamiento comprende entre los 350º y 500º C. La instalación de estas baterías puede efectuarse bien dentro del mismo “Pozo de las baterías clásicas” las que se eliminan o pueden disponerse en volúmenes adicionales.
Las ventajas de esta solución son las siguientes:
• Las baterías pueden ser recargadas en la mar.
• El buque mantiene su autonomía total (combustible).
• La capacidad energética en inmersión se mejora sensiblemente.

En el caso de sustitución batería convencional por la batería avanzada, guardando el mismo desplazamiento, los resultados serían: la autonomía a baja velocidad se multiplica por 1,55 (mínimo), y a alta velocidad (18-20 nudos) se multiplica por 2,5.

Dentro de las características de este tipo de baterías que las más conocidas son las “Zebra”, opera a 250-300 °C y utiliza cloroaluminato de sodio triturado (NaAlCl4), que tiene un punto de fusión de 157 °C, como electrolito. El electrodo negativo es sodio triturado. El electrodo positivo es niquel, cuando está la batería descargada, y cloruro de níquel cuando está cargada. Ya que el níquel y el cloruro de níquel son prácticamente insolubles en soluciones neutras y básicas, es posible el contacto íntimo entre electrolito y electrodos, lo cual conlleva una muy pequeña resistencia a la transferencia de cargas. Se necesita un separador de beta-alúmina en forma cerámica, dado que tanto el sodio como el cloroaluminato son líquidos a la temperatura de trabajo. 
Esta batería es una invención de 1985 realizada por el grupo Zeolite Battery Research Africa Project (ZEBRA), liderado por Johan Coetzer en el Consejo de Investigación Científica e Industrial de Pretoria -Sudáfrica-, del cual proviene el nombre de esta batería. Ha estado, en 2009, en desarrollo durante más de 20 años. Su nombre técnico es "Batería de Na-NiCl2"
 Podemos observar que estas baterías trabajan a muy altas temperaturas, por lo que los pozos en donde se alojan las baterías de los submarinos, no están preparados para trabajar a esas temperaturas, y es necesario aislarlas térmicamente (ya que si las baterías pierden temperatura, se pierde significativamente la carga), con lo cual eso termina ocupando mucho más lugar. También es necesario cierto mantenimiento sobre estas, por lo que se debe dejar lugar adicional para inspeccionarlas. Otro de los inconvenientes es que se deben mantener por encima de los 300-350°C, con lo cual repercute en un consumo adicional de energía, que si las queremos hacer durar la carga en el tiempo, hace de este un consumo importante (ya que almacenan buena energía cuando mantiene altas temperaturas), especialmente si el submarino dispone de AIP, que se utiliza para mantener al submarino con velocidades de patrulla, dejando a las baterías para cuando se necesite eventualmente velocidad. 
En cuanto al envejecimiento de este tipo de baterías, es algo preocupante, tanto en performance, como en seguridad. Un dato no menor, es que experimentos afirman que pueden durar solo alrededor de 1 año y medio, con lo cual, para instalarlas en un submarino, resulta no muy práctico. Cabe destacar que existen nuevas versiones mejoradas de estas baterías Zebra, que le otorgan según afirman, mas de 1500 ciclos, por lo que habrá que ver como evoluciona esta alternativa, que compite en los submarinos, más directamente con las Li-ion.

Para cuantificar la capacidad de las baterías Zebra, el fabricante afirma que estas tienen algo más de 80 W/Kg (aunque investigaciones de laboratorio hechas por el fabricante, mencionan que puede llegar a más de 118 W/Kg), Para una batería que ocupe 265 litros, esta puede entregar solo 25Kw/h (a una tasa de descarga C2). , pesando 365kg (la mitad que el mismo volumen que una Pb-Ac).
Como veremos más adelante, las baterías Li-ion son muchos más prometedoras, ya que son baratas, pueden almacenar más energía, no necesitan mantenimiento, tienen ciclos de vida más largos, y no requiere adecuar las instalaciones del submarino como los aislantes térmicos. Es por ello que en su momento, antes que aparecieran las Li-ion, las baterías del tipo de sodio pudieron resultar prometedoras, pero hoy en día, Alemania, que adopto esta tecnología, está estudiando vía la empresa HDW el empleo de Li-ion  para submarinos, con lo que la experiencia al parecer no resultaría del todo buena. Recordemos que el sodio reacciona violentamente con el agua, por lo que en cuanto a seguridad no resulta del todo confiable, en especial si por alguna razón se llega a filtrar agua a los posos de las baterías. Por último, la tasa de descarga es de aproximadamente del 18% por día, así que analizar la dupla AIP y estas baterías, no serían una buena combinación, para dejar a estas como reserva luego de varios días de patrulla.

Baterías de Plata Zinc   

Estas baterías tienen una densidad de energía bastante alta, y fueron las primeras súper baterías puestas en submarinos, dado que fueron muy utilizadas entre otros por la armada soviética en varios tipos de clases (como los Juliett).
Aunque el sistema de baterías Li-ion va por buen camino, su sustitución por grandes pilas de zinc-plata no se va a materializarse en el corto plazo. 
Como hemos dicho, las baterías de Plata, han estado ya instaladas en submarinos, con muy buenos resultados. Si observan la densidad de potencia en el gráfico, podemos ver que esta va desde los 65 a 105 W/Kg, con lo que para la época en las que se instalaron en estos tipos de navíos, otorgaban una capacidad incomparable.
La batería de plata-zinc, el electrodo de zinc y el material de separación son los principales causas del fracaso y su corta vida.  Al repetirse los ciclos, el electrodo de zinc se degrada muy rápidamente, y bajo ciertas condiciones no controladas, se desarrolla dendritas que perforan el separador y causar un cortocircuito en la celda, por lo tanto un fallo prematuro.  Por otra parte, el separador utilizado un tipo de celofán, se degradan en el electrolito de hidróxido de potasio concentrado, esto sucede aunque la célula se utilice o no, lo que limita la vida de la batería en aproximadamente dos años. 
Como podemos ver, la vida de este tipo de baterías es muy pero muy corta, y si a eso le sumamos el precio que tiene estas, resultará prohibitivo adquirirlas, dado que la plata como metal, sube día a día. Para que se den una idea, si en la era soviética eran muy costosas, hoy en día el valor del metal, ha subido nada más ni nada menos que un 188%, (en el período 2000 – 2010) con lo que podemos decir que en función del rendimiento similares o superiores, que ya alcanzan las baterías de Li-ion y Zebra actuales, a un precio muy inferior y ciclos de vida más largos, hacen que las baterías de Plata para submarinos sean prácticamente cosa del pasado.
Baterías de Li-ion, para submarinos SSK

La tecnología Li-ion para submarinos, es muy reciente, y todavía está bajo investigación, dado que a pesar que el rango de densidad de corriente hasta el momento esta en el rango de entre 80 a 160 W/Kg,  lo que se busca es fundamentalmente confiabilidad y SEGURIDAD.
En los siguientes párrafos, procedo a analizar tres tipos de baterías Li-ion para submarinos, siendo estas, de la empresa  fabricante más importante del mundo Thunder Sky, (China) en materia de Li-ion.

TS-LMP9000AHB
Esta batería es esta compuesta por LiFNiMnO2, son las Li-ion del tipo manganeso.
Las características son las siguientes:




Ventajas:
•         Baja resistencia Interna
•         Al igual que las de cobalto, tarda 4 horas, a 0.3C en cargarse como mínimo (carga conveniente), aunque a diferencia de las de cobalto, puede cargarse a 1C
Desventajas:
•         Si la batería se carga no mas  de los 4.3v, y se descarga a no menos de 2.5v, la batería solo dura 500 ciclos
•         Si se carga y descarga mas 3C o mas la vida de la misma puede durar menos de 300 ciclos
•         Puede incendiarse si de sobrecarga y entra en corto circuito

TS-LCP10000AHB
Esta batería esta compuesta por LiFC0O2, son las Li-ion del tipo Cobalto
Las características son las siguientes





Ventajas:
•         Tiene una relación energía por Kg más alta de todas estas Li-ion
•         Casi triplica la capacidad de las de Plomo Acido, con la mitad de peso
•         Se carga a menos de 0.5C, y la relación optima esta en 0.3C, cargando al 100%  en unas 4 horas
Desventajas:
•         Si se cae la tensión a menos de 3v se reduce el ciclo de vida de la batería
•         Manteniendo entre el rango de 4.2V a 3v, la batería dura alrededor de 1500 ciclos (hasta 2000 si se la cuida)
•         Para alargar el ciclo de vida se carga a menor tensión, y por consiguiente almacena menos energía
•         Si se descarga la batería completamente y luego se sobrecarga, puede incendiarse
•         Se carga a menos "C" que el resto de las Li-ion, por lo que el tiempo es mayor


TS-LFP90000AHB
Esta batería está compuesta por LiFFePO4, son las Li-ion del tipo Fosfato de Hierro 
Las características son las siguientes:





Ventajas:
•         Si se carga la batería sin sobrepasar los 4.2v y se no se descarga a menos de 2.5v la batería dura más de 2000 ciclos
•         La batería no se incendia si es sobrecargada o sobre descargada, en el caso de que  el sistema de protección no funcione
•         Esta batería puede ser cargada al 70% de su capacidad en una hora y media (importante para un submarino), a carga optima de 0.5C
•         A 100% de carga, puede tardar hasta 3 horas a tasa de 0.5C
•         Puede  llegar a tardar solo 20minutos, si se carga a una tasa de 3C
Desventajas:
•         Baja densidad de energía, comparado con el resto de las otras baterías Li-ion


Composición química de las distintas Baterías de Li-ion mostradas:


Comparación entre baterías de plomo acido y las nuevas Li-ion:

Ya habiendo echado un vistazo a las tablas de las distintas baterías, pasemos a comparar prestaciones de estas.
Lo primero que tenemos que calcular, es que el volumen de la batería de plomo acido y las Li-ion de cobalto, tienen dimensiones distintas a las otras dos de Li-ion, por lo que en volumen, ocupan alrededor de un 16% menos, por lo que a la hora de hacer la comparación, he tenido que tener cuenta esto.
Lo primero que podemos ver, es que las de plomo acido, pesan en doble para el mismo volumen, que las Li-ion, o dicho de otra forma, de cambiar baterías Pb-Ac, por las Li-ion, el peso del cambio será de la mitad que las anteriores. Este dato no es un dato menor, ya que si tenemos en cuenta que por ejemplo un submarino Type 209 tiene 480 baterías, y la diferencia del cambio es de aproximadamente 238Kg por batería, nos da que el cambio va a repercutir en una disminución de peso de 114.240 Kg, casi entre un 8 y 10% de peso del submarino. Esto es más notorio si el cambio se da en submarinos de largo aliento, como los TR-1700 de la armada argentina por ejemplo, ya que tiene 960 baterías, con lo cual un cambio sería de 228.480 Kg de menos, siendo entonces el % aún mayor, resultando en un cambio importante en los aspectos inherentes a la flotabilidad de la nave.
Para analizar cuestiones de energía, recordemos la fórmulas de potencia y Energía.

Potencia (W) = Corriente (Ampere) x Tensión (Volt)
Energía (W/h) = Potencia (W)  x Unidad de Tiempo (h)
W /h = ( A x V) / Horas

Con esto podemos analizar las siguientes comparaciones:
Con respecto a la energía que puede almacenar, en función del peso, podemos observar que la de Pb-Ac tiene una coeficiente de entre 20-25 W/Kg, con lo que resulta sumamente bajo, ya que las Li-ion de Cobalto puede hasta multiplicar por 6 (sextuplica), y las de Manganeso quintuplica, y las de Fosfato de Hierro cuadriplica ese valor para los cálculos tomados. Estos valores tan altos se dan, no solo por que almacena más energía, sino que son mucho más livianas, con lo que esto hace mejorar notablemente el cociente.

Con respecto a la energía que puede almacenar, en función al volumen (esto es importante si se analiza un eventual  cambio de estas en un submarino), podemos decir, que en comparación con las actuales Pb-Ac, las Li-ion de Cobalto pueden almacenar tres veces la energía que estas (un 200% más), las de Manganeso un 150% mas, y las de Fosfato de Hierro un 100% mas (el doble), (cabe destacar que las dos últimas pueden entregar la misma corriente, pero la de Manganeso lo puede hacer a mas tensión, por lo que resulta en mayor potencia).

Como mencionamos más atrás, en cuanto a la seguridad, resulta evidente, que estas baterías van a tener que operar en un ambiente tas especial como lo es un SSK, resulta claro que el tema seguridad es crucial. Recordemos el caso del mini submarino denominado “Advanced SEAL Delivery System Submersible”, el cual se había desarrollado un incendio producto de sus baterías, que originariamente eran de Plata y Zinc, y luego instalaron las Li-ion, las cuales fuentes de defensa argumentaron que fue ahí donde se originó el incendio.

Es por ello que el tema de seguridad en un SSK, será algo FUNDAMENTAL, para lo cual a la hora de pensar en instalar este tipo de baterías, habrá que analizar cuales brindan mayores márgenes de seguridad. Ya tratamos el tema de seguridad en la Li-ion, así que recordemos que las baterías A123, basadas en de Fosfato de Hierro, resultan muy estables ante aumentos de temperatura, reaccionando recién a más de 800°C,  este tipo de formulación sería entonces, las más recomendadas para un SSK.



Estas baterías de Fosfato de Hierro, como las que vimos, la TS LFP9000AHB, son de las más seguras, aunque también son las que menos energía de las tres acumularía. No es de extrañar que tanto DCNS conjuntamente con la fabricante Saft, como también HDW (con el catamarán PlanetSolar), estén estudiando instalar baterías de Li-ion en submarinos, y estas afirmen que los submarinos tengan el doble de capacidad que las de Pb-Ac, y a la vez sean seguras, dejando a las claras, que la tecnología sería presumiblemente del tipo de Fosfato de Hierro o sus aleaciones (dado que hablan del doble de capacidad y seguras).
Thunder Sky, el fabricante de estas tres baterías analizadas para submarinos, ha lanzado recientemente baterías del tipo LiFeYPO4, que son las de Fosfato de Hierro ya analizada, con  aleación con un material llamado Ytrio, que le otorga una mayor duración, dándole más ciclos de vida a la misma entre otras, por lo que este tipo de formulación esta cada día más adoptada cuando se piensa en potencia y seguridad.

Por último, recientemente se lanzaron las baterías de Litio-Titanio, una de las principales empresas productoras de estas baterías es Altairnano. Estas baterías no tienen una densidad de carga muy elevada, solo aproximadamente 74 W/Kg, con lo que las Li-ion serían mucho más capaces en este tema, pero las Litio-Titanio otorgan ciclos de vida de más de 10.000 a 15.000 ciclos, (más de 7 veces lo que otorga la Li-ion), se pueden usar el 100% de la carga sin problemas en si vida útil, no tienen problemas con cargas en frío, seguras en cuanto a incrementos de temperatura. Cabe destacar que se utilizaran como UPS de reserva para las unidades tipo DDG-51, y como sistema de energía para los cañones M-119 fabricados por los Estados Unidos, con lo que las baterías de este tipo, están resultando muy prometedoras también. 

Conclusiones:

Como hemos podido ver a lo largo del artículo, las baterías de Li-ion son una realidad cotidiana, en la que las necesidades de movilidad, duración, baratas y de potencia, han generado la necesidad, la cual esta tecnología resultó por lejos hasta el momento, la mejor opción. En un principio, los dispositivos móviles, como celulares y notebooks fueron los que dieron el puntapié inicial a esta revolución en baterías. En estos momentos gracias también al apoyo de gobiernos de muchos países centrales y automotrices, se están desarrollando y produciendo bancos de baterías con mayor potencia, con más energía almacenada y menor peso, dada la necesidad de reemplazar a las vehículos convencionales  impulsados por los cada vez más escasos y costosos combustibles derivados del petróleo, con lo que los vehículos eléctricos o híbridos, van a ser necesariamente el futuro de la industria automotriz.
Dada esta nueva tecnología que ya disponemos, para almacenar mucho más y con menor peso, la industria militar está tomando estos desarrollos para dar soluciones de energía a los numerosos dispositivos móviles de comunicaciones, sensores, etc etc. Los submarinos no escapan a esta necesidad, en especial los SSK, ya que les resulta vital importancia poder almacenar la mayor cantidad de energía posible, para de esa forma no tener que emerger para recargar las baterías.
 La tecnología AIP es un claro avance ante esta necesidad, pero dado su relativa baja potencia de las celdas de combustible, (que de las tecnologías AIP la mas interés ha despertado), estas sería utilizadas para proveer energía cuando el submarino se encuentra sumergido con velocidades bajas (patrulla), dejando para los momentos en los cuales se necesite mayores velocidades, tener que apelar necesariamente a las reservas de energía de los bancos de baterías de los submarinos. 
Es por ello que en el futuro, las baterías van a continuar estando en los SSK, hasta que la tecnología AIP nos suministre mayores potencias, (no solo para velocidades de patrulla), por lo que las necesidad es poder almacenar la mayor cantidad posible de energía con el menor peso y espacio posible, para dejar lugar a en los reducidos submarinos a otros requerimientos y equipamientos. La nueva tecnología Li-ion viene a cubrir esa necesidad, para trabajar conjuntamente con la de AIP, ya que estas se complementarían.
Cabe aclarar que las baterías Li-ion, al reemplazarla a las actuales de plomo acido, no va a mejorar la tasa de indiscreción por sí solo, ya que estas son un medio para almacenar energía, dado que necesariamente estas deben ser cargadas por los generadores del submarino a bordo, cuando este emerge o está utilizando el snorkel, Con esto quiero decir es que si las Li-ion de los submarinos pueden almacenar el doble de energía, para poder recorrer el doble de de distancia a una misma velocidad que si tuviéramos las convencionales Pb-Ac a bordo, entonces haber duplicado la cantidad de energía en los bancos de batería conlleva a la necesidad de tener que estar el doble de tiempo recargando las baterías para una misma capacidad generadora instalada en el submarino, ya que si antes estábamos 1 hora cargando las baterías convencionales, hoy vamos a tener que estas 2 horas para cargar las Li-ion. Por lo que la tasa de indiscreción no va a mejorar, (tanto el numerador como el denominador del cociente se duplican, y por consiguiente el resultado sería el mismo).


Los submarinos del futuro, van a necesitar almacenar más energía, con una tasa de indiscreción  menor, (para así poder estas más tiempo sumergido, y con reservas en las batería para maniobrar eventualmente), es por ello que necesariamente vamos a tener que aumentar la capacidad y potencia de la generación instalada a bordo, para cubrir tal necesidad en el menor tiempo 
posible. Ahora, si vemos los diseños de proyectos de SSK para el futuro, vemos por ejemplo que los sistemas AIP son una constante, y si se busca aumentar la potencia instalada, es necesario poder dar lugar a mas de estas celdas, como así también a su combustible. De lo anterior presenta una dificultan importante, ya que si se necesita generar más potencia para cargar las baterías en el menor tiempo posible, y hay que hacer más espacio para otros sistemas como por ejemplo los sistemas AIP, resulta necesario tener innovar, para poder hacer frente a esas necesidades.

Como podemos ver un ejemplo de ello, podemos analizar el diseño británico SSGT Submarino de alta movilidad, (No nuclear), podemos observar algo que para los antiguos submarinistas resulta algo casi imposible de concebir. Si vemos el plano de este concepto de submarino convencional (no nuclear), podemos observar que el mismo no tiene una sala de máquinas como la conocemos. Ni siquiera tiene motores diesel, tiene una Turbina a Gas, y encima lo novedoso es que está alojada en la vela del submarino. 

Si nos ponemos a pensar un poco, este diseño no resulta para nada descabellado, dado que las turbinas a gas, son unidades súper compactas y livianas, veamos para dar un ejemplo de las capacidades de estas, tomando la Olympus TM38 que equipa a las unidades de la armada argentina, y la de innumerables países. Esta tiene un peso insignificante, comparado por ejemplo con los 4 motores MTU de los TR-1700, y en cuanto a rendimiento, las turbinas a gas son muy superiores a los motores diesel, a pesar de su tamaño y peso, una Olympus TM38 puede entregar aproximadamente 19.100 Kw a 5560 rpm, comparado con los 4 motores MTU juntos solo pueden entregar 4 x 1.200 Kw = 4.800 Kw, con lo que los cuatros equipos juntos, son solo el 25% de capacidad de esta turbina.



El análisis entre motorización de turbina a gas vs motores diesel, está muy analizado para en cuanto a la propulsión de buques, pero lo cierto es que dentro de las ventajas de las TG se cuenta, son su bajo peso, compactas y entregan mucha potencia cuando se necesitan, cosa que estas tres características resultan esenciales para un submarino moderno.

En el caso particular del diseño del SSGT de los británicos, esta turbina a gas, cargaría las baterías tipo Zebra (de sodio), de alta capacidad. Pero si tenemos en cuenta para el caso de las baterías Li-ion, estas pueden soportar cargas de varios “C”, y estas turbinas a gas, pueden suministrar la potencia necesaria para cargar esa capacidad de energía en tan solo minutos, y por ende la tasa de indiscreción de estos submarinos resultaría muy baja, (4 veces menos para el ejemplo analizado), además el submarino, puede desarrollar velocidades en tránsito mucho más altas (para el SSGT están hablando de velocidades superiores a 20 nudos sostenidas con la vela solamente en superficie (solo lo necesario para dejar en superficie la TG), llegando hasta 30 nudos, mientras también puede cargar sus bancos de baterías.

Cabe destacar que al estar la turbina fuera del agua cuando funcionan, pueden tomar buen caudal de aire, y expulsarlo también de la turbina, reduciendo el ruido transmitido al agua para semejante potencia. Habrá que ver los tiempo en que una turbina, puede dar plena carga, y también como se puede mitigar la firma IR de los gases expulsados, como por último también, como integrar todos los sistemas en la vela del submarino sin inconvenientes.

Para finalizar, resulta evidente que el tema de baterías para submarinos, esto parece que recién comienza, ya que cada día la tecnología en esta materia avanza de manera sorprendente, por lo que es evidente, que no está todo dicho….pero lo que si es seguro,.. es que las viejas baterías de Pb-Ac para los futuros SSK, tendrían sus días contados.

CPN y Lic Bakic Guillermo Osvaldo
para elSnorkel.com 
Fuentes:
•         Omptima Batteries
•         ThunderSky
•         Battery University
•         A123 Systems
•         An investigation on the suitable battery system for marine applications - Dr. S. Sathiakumar -School of Electrical and Information Engineering - University of Sydney.
•         Altair Nano - 11th Electrochemical Power Sources R&D Symposium
•         SUBMARINE LEAD-ACID BATTERY PERFORMANCE - Mark McGuinness and Basil Benjamin
•         Sunlight Batterys
•         Rolls-Royce Power Engineering plc
•         SUBMARINOS DIESEL - Anthony Covarrubias Castro
•         SODIUM-SULPHUR BATTERIES FOR NAVAL APPLICATIONS - Kees J.C.M. Posthumus,' Ronald A. A. Schilleuaana, and Edwin C. Kluiters
•         BMT Defence Services Ltd

El Sr. Guillermo Bakic es autor de otro excelente articulo Propulsión Magneto Hidro Dinamica.



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Cotrina Alvarado,1,ROKS Dosan Ahn Changho (SS-083),1,Rosoboronexport,1,ROV,1,Royal IHC,1,Royal Navy,24,Rusia,131,S-10,1,S-1000,3,S-110 Glavkos,1,S-20 Humaita,1,S-21 Tonelero,1,S-30 Tupi,2,S-32 Timbira,5,S-33 Tapajo,3,S-353 PREVEZE,1,S-354 SAKARYA,1,S-355 18 MART,1,S-356 ANAFARTALAR,1,S-41 Humaitá,1,S-61 Delfin,2,S-62 tonina,3,S-71 Galerna,3,S-72 Siroco,1,S-73 Mistral,4,S-74 Tramontana,3,S-80,26,S-80Plus,1,S-81,1,S-81 Isaac Peral,1,S-BR2 Humaitá,1,S-BR2 Humaitá S41,1,S1 Santa Fe,2,S102 Charlotte Maxeke,1,S11 ARA Santa fe,2,S12 ARA Santiago del Estero,1,S161 BNS Nabajatra,1,S162 BNS Joy Jatra,1,S2 Santiago del Estero,2,S20,1,S3 Salta,2,S42 (864),1,S529 Romeo Romei,2,Saab,5,Sábalo(S-31),4,SAES,16,salvamento,2,Santiago Aversa,1,SAR,5,SARMISS,2,SARSAT,1,SARSUB,13,satelite,1,Saukko,1,SBR-1 Riachuelo S-40,11,SBR-2,1,SBR-3 Tonelero,1,scapa flow,2,Scire,1,Scorpene,18,Scratch,1,SEA1000,1,Seabed Contructor,1,sebastopol,1,Sekiryu SS-508,1,sener,2,SenToku,1,Ser Submarinista,131,Serie 60,1,Series TV,1,Shkval,2,Shortfin Barracuda,2,SIFOREX,1,Silent Hunter,1,SIMA,3,Simuladores,5,Simuladores PC,2,Singapur,3,Sistemas de combate,4,Sistemas de Gobierno,1,Sistemas de Propulsión,1,SITDEF- PERU,1,Smer,2,SMEREX,1,smg macallé,5,SMG Scire,1,SMX-26,1,SNB Alvaro Alberto,1,SNLE,1,snorkel,2,Sonar,27,SRC,1,SRDRS,2,SRV,3,SS 078 Yu Gwan-sun,2,SS Carrera,8,SS-508 Sekiryu,1,SS-510 Shoryu,1,SS-791 Hai Shi,1,SS-792 Hai Pao,1,SSBN James Madison,1,SSK,1,SSK SS-511 Oryu,1,SSK tikuna,3,SSN,1,SSN-791 Delaware,1,SSN-792 Vermont,1,Stari Oskol,1,STIRLING,1,STM,1,STN Atlas Elektronik,2,SUBCOMP,1,subdiex,11,Submarine Rescue Diving and Recompression System,1,Submarine Rescue Vehicle,1,submariner memorial,1,submarinistas,1,Submarino,3,Submarino Diesel,12,Submarino Museo O'Brien,8,Submarino Nuclear,43,submarino siniestrado,1,Submarinos,3,Submarinos de ataque,1,Submarinos de Bolsillo,1,Submarinos Diesel,8,Submarinos Hundidos,50,Submarinos Museos,41,Submarinos Nucleares,13,Submarinos R/C,14,Submarinos Rusos,47,SUBP-SS (Rt) JORGE ECHEVERRIA M,2,Subs en Guerra,51,Sudafrica,2,suecia,12,Supercavitacion,2,Sydney Sonartech Atlas,1,Tailandia,2,Taiwan,7,Tamoio S-31,3,Tandanor,1,Tapajo,1,Tarantinos,4,TCG GUR,1,Tebaldo RICALDONI,2,Tecnologia,200,Thales,1,THE PERISHER,7,ThyseenKrupp,4,tikuna,1,Tipo 041,2,Tipo 209,35,Tipo 209P,5,Tipo 212,1,Tipo 214,12,Tipo VIIB,1,Tipo098,1,Titanic,1,TKMS,9,Tomas Ramiro Pérez Romero,3,Tonina,1,Torpedos,22,TR-1700,2,TR1700,1,tragedia,1,Tramontana,1,Triatlon,1,Trident,2,Tripulacion.,1,TTC Ayelén Gagliolo,1,TTC Marina Roberto.,5,TUP,1,Turquia,8,TYpe 206,6,Type 206A,3,Type XXI,2,Typhoon,7,U-10 S189,1,U-156,1,U-250,1,U-307,1,U-31,1,U-32,1,U-33,1,U-34,1,U-35,2,U-36,2,U-455,1,U-47,1,U-530,8,U-537,1,U-576,1,U-581,1,U-65,1,U-87,1,U-9,1,U-977,8,U-Boat,16,U-boats en Latinoamerica,9,U206,1,U212,21,U214,1,U216,1,U36,3,UBoat,45,Ucrania,2,UFEM,1,Uniformes,1,Unitas,3,URSS,9,US navy,37,USA,2,USNavy,70,USS Bonefish SS-582,1,USS Clagamore (SS-343),1,USS Connecticut (SSN 22),1,USS GUARDFISH,1,USS Gurnard,1,USS Herring,1,USS Illinois (SSN 786),1,USS Jacksonville,1,USS Lamprey,1,USS Ling,1,USS MIAMI,2,USS Montpelier,1,uss ohio,1,USS Scorpion,2,USS Seawolf. 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www.elSnorkel.com : Baterías para Submarinos: Historia y Desarrollos (2da parte)
Baterías para Submarinos: Historia y Desarrollos (2da parte)
Que son las baterías en un submarino? Es el sistema que almacena la energía eléctrica abordo, restituyéndola continuamente a los cuadros que alimentan los diversos consumidores a bordo (propulsión, auxiliares, convertidores de corriente alterna/corriente continua, etc.). Se le denomina “la batería” (de acumuladores), en singular o “las baterías” y están organizadas en grandes grupos de elementos individuales, conectados entre sí en serie. El número de elementos por grupo puede variar de 160 a 200 unidades por grupos, con voltajes de salida del orden de 320 a 400 V de corriente continua, por grupo. El numero de grupos es de dos o de cuatro, normalmente dos. El peso de cada elemento puede oscilar entre 500 y 800 kg, con unas dimensiones que pueden ser de 360 x 500 mm de base por 1,25 m de altura, por elemento. La conexión entre los elementos se efectúa por medio de unos gruesos conectores de cobre. En todos los casos, salvo cuando usa el snorkel, la batería se va descargando y con el objeto de mantener un mínimo de carga en ella, a efectos de poder disponer de una reserva de seguridad o táctica, es necesario proceder a su recarga. De vez en cuando, en los plazos que el fabricante especifique, las baterías tienen que recibir un tratamiento de regeneración a base de unas cargas escalonadas más unas cargas lentas, etc.
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