La producción de la plataforma U212 NFS 1 se está desarrollando según el último calendario, que prevé la botadura de la embarcación en 2027
El 27 de junio de 2024, la OCCAR (Organisation Conjointe de Coopération en matière d'Armement/Organización Conjunta de Cooperación en Materia de Armamento) alcanzó un hito importante en relación con el programa U212 NFS (Near Future Submarine): además de la activación del paquete opcional NFS 4 (adquisición de la cuarta embarcación), la cuarta enmienda al contrato firmado entre OCCAR y Fincantieri en febrero de 2021 también incluía una actualización del sistema de baterías, pasando de la anterior tecnología de plomo-ácido a un sistema de baterías de litio (LBS) de nueva generación, que equipará los submarinos de la clase NFS a partir de la primera embarcación de la clase, que se entregará a principios de 2029.
La modificación contractual para implantar el LBS a bordo de la clase de submarinos U212 NFS representa un logro notable en el ámbito submarino para la Armada italiana, la Dirección de Armamento Naval (NAVARM) del Ministerio de Defensa, el OCCAR a través de su División del Programa NFS dirigida por el RAdm Maurizio Cannarozzo, y el equipo de la industria nacional encabezado por Fincantieri e incluyendo FIB-FAAM, Power4Future (P4F), la joint-venture entre Fincantieri SI y Faist Electronics, con el apoyo crucial de CETENA. Estos logros, obtenidos con un proyecto exigente que garantiza los más altos estándares de seguridad, permitirán a OCCAR proceder a la adjudicación del contrato al equipo industrial liderado por Fincantieri para la Fase 2 del programa LBS, una vez concluidas con éxito las actividades de cualificación de prototipos en curso, que tendrán lugar a finales de año. El contrato de la Fase 2 incluirá la puesta a punto de la línea de producción de baterías, la entrega del primer LBS completo para su cualificación en un nuevo laboratorio de pruebas a escala real antes de su instalación a bordo del NFS 1 para realizar las pruebas de aceptación en puerto y mar.
Desarrollo del programa LBS y equipo industrial
Los escenarios estratégicos actuales imponen una evolución tecnológica continua que también está en la base del trabajo dirigido por NAVARM y el Estado Mayor de la Armada italiana. Estos últimos han impulsado a la industria nacional a desarrollar un LBS de nueva generación para la propulsión de la nueva clase de submarinos U212 NFS de la Armada italiana.
La búsqueda por parte del Ministerio de Defensa y la Armada italianos de un rendimiento y una seguridad mejores que los de las "baterías de propulsión de plomo" en términos de eficiencia, resistencia y capacidad de almacenamiento de energía, comenzó en 2013 a través de diferentes programas nacionales de investigación militar posteriores (es decir, Far Seas), que dieron lugar a la selección de una batería de propulsión italiana de nueva generación como mejor opción de ingeniería para alcanzar el objetivo.
Las baterías de iones de litio representan una de las mejores soluciones tecnológicas para mejorar la capacidad de los submarinos modernos no nucleares de almacenar energía a bordo y, al mismo tiempo, aumentar su sigilo.
"En comparación con una solución de plomo-ácido, una batería de litio ofrece un mayor rendimiento junto con una mayor modularidad, escalabilidad y menor mantenimiento. Ya puede garantizar una densidad energética en volumen de casi el doble que una de plomo-ácido, posibilidad de carga rápida a alta corriente, tensión constante en un amplio rango de descarga, muy baja autodescarga, alta eficiencia y ausencia de efecto memoria, alto número de ciclos, así como una vida útil más larga con una tendencia de extensión, basada en las pruebas de envejecimiento actuales, hacia unos 10 años en comparación con los cinco de la solución actual de plomo-ácido", informó el comandante Alessandro Irvia, Oficial de Plataforma de la Oficina del Programa OCCAR U212 NFS. "En conjunto, eso significa un menor índice de indiscreción y una resistencia sumergida mucho mayor a altas velocidades, lo que garantiza la capacidad de evasión cuando sea necesario, lo que se traduce en una mayor capacidad de supervivencia", prosiguió.
"El LBS cambia las reglas del juego en el ámbito submarino ya que, gracias a su modularidad y escalabilidad, podría aplicarse a cualquier arquitectura y vehículo submarino tripulado y no tripulado. Ofrece el mayor índice de crecimiento en cuanto a referencia tecnológica, con baterías de próxima generación de diseño semisólido/de estado sólido disponibles en el plazo de 2026-2030", destacó el comandante Irvia. Bajo la supervisión de NAVARM y posteriormente de la división del programa U212 NFS de OCCAR, el trabajo del equipo industrial, las excelencias nacionales del sector, se centró en estas ventajas principales, pero era obligatorio garantizar la máxima seguridad operativa a bordo de un activo sofisticado y complejo como son los submarinos modernos.
Junto con los expertos de la Armada italiana y el equipo del programa OCCAR, las actividades industriales y de reducción de riesgos y evaluación de la seguridad han corrido a cargo de un equipo dirigido por Fincantieri, la autoridad de diseño del programa U212 NFS, que se ha encargado de la gestión del proyecto LBS y del desarrollo de los auxiliares, además del diseño preliminar y las revisiones principales, así como de la integración del LBS en el submarino. Con una enorme experiencia como fabricante de células de iones de litio y paquetes de baterías, incluido el sistema de gestión de baterías (BMS), FAAM/FIB se encargó del desarrollo de los componentes del LBS, incluidas las células, la carcasa del módulo, el sistema de refrigeración interno y el módulo BMS, además de la cualificación de las células y el módulo. La empresa conjunta P4F se encargó del diseño de la seguridad funcional del LBS, junto con la conexión eléctrica de la cadena, los convertidores, el hardware del BMS, el desarrollo del firmware y el software, la cualificación y el cálculo eléctrico. Con una amplia experiencia en la certificación de sistemas de almacenamiento de energía basados en la tecnología de baterías de litio, TÜV Rheinland ha realizado la evaluación HAZID/Riesgo y Seguridad y certificará todo el sistema con el apoyo del centro de investigación CETENA de Fincantieri, que desarrolló el Análisis de Riesgos y la Evaluación de Riesgos del sistema. Este último determinó la viabilidad de los sistemas de seguridad para cumplir los requisitos relacionados con el LBS en una configuración completa (componentes, accesorios, barreras de seguridad, sistemas auxiliares, suministro eléctrico, etc.).
Componentes principales del LBS
Según una presentación de la Armada italiana y del Ministerio de Defensa, FIB-FAAM desarrolló una célula de punta de 65 Ah, con electrodos debidamente concebidos y diseñados, basados en la química del litio-hierro-fosfato (LiFePO4). "Éstos son muy estables a altas temperaturas y pueden soportar fuertes tensiones mecánicas, es decir, en situaciones de riesgo potencial de incendio o explosión, debido al llamado thermal runaway. Se prestó especial atención a evitar los fenómenos de envejecimiento químico y mecánico, teniendo en cuenta las peculiares condiciones ambientales de un submarino." La forma cilíndrica de la célula garantiza una mayor robustez estructural y una mayor disipación de cualquier calor, mientras que la defensa pasiva en la célula para controlar la temperatura de la misma, la válvula de seguridad y un sistema de gestión de gases y refrigeración, garantizan el máximo nivel de seguridad.
Aunque el casco del NFS se alargará 1,2 metros para alojar la nueva vela más larga y debajo una sala de operaciones de combate más espaciosa con un nuevo sistema de gestión de combate y conjunto de misiones, el diseño del LBS se basa en el volumen de la sala de baterías del U212A, para permitir la aplicación de la misma solución en la próxima actualización de mitad de vida de las embarcaciones U212A en servicio, con el fin de garantizar un notable aumento de la resistencia.
Las celdas, según la presentación de la Armada italiana, estarán contenidas en robustas cajas de acero inoxidable amagnético a prueba de golpes, lo que garantizará la protección mecánica, así como un gradiente de temperatura uniforme en toda la batería y compensará la ligereza de las celdas de litio en comparación con los acumuladores de plomo. Cada caja, o cadena, integra un número adecuado de celdas conectadas en serie para alcanzar la tensión de red de a bordo, su circuito de refrigeración y una primera capa de dispositivos de seguridad pasivos y activos como parte de un primer nivel BMS. Cada cadena tiene las mismas dimensiones de seis elementos de plomo-ácido y podría asociarse conceptualmente a una batería parcial, capaz de proporcionar la tensión nominal de la batería a través de un convertidor de control CC/CC. "Como se ha anticipado, el LBS ha sido concebido para ser fácilmente mejorado en capacidad, con el cambio de las celdas de baja calificación por otras nuevas en el futuro, una vez que se disponga de la mejora tecnológica en el campo de la tecnología de iones de litio", informó el Comandante Irvia.
El Sistema de Gestión de la Batería (BMS), adecuadamente diseñado, comprueba continuamente las temperaturas, corrientes, tensiones y aislamiento eléctrico, interviniendo adecuadamente cuando se producen desviaciones inaceptables, protegiendo tanto a la batería como al propio submarino contra la propagación de daños entre celdas adyacentes. El NFS también contará con un sistema de protección contra incendios de nuevo diseño para la sala de baterías que incluye un extintor.
El desarrollo del LBS para el U212 NFS requirió un proceso estructurado de evaluación de riesgos desde las fases iniciales del proyecto para identificar las medidas de mitigación de riesgos y la definición del Nivel de Integridad de la Seguridad (SIL). Este último es el índice de fiabilidad que engloba estos requisitos, es decir, la medida de la fiabilidad mínima requerida para un sistema de seguridad concreto. La normativa técnica internacional actual, IEC 61508 en primer lugar, impone un enfoque basado en SIL centrado en el cumplimiento de los requisitos técnicos U212 (choque, EMC, condiciones ambientales) mediante una identificación precisa de los peligros y una evaluación y reducción de los riesgos, aquí aplicada sistemáticamente bajo el sello institucional de TÜV Rheinland, conforme a un nivel SIL 3, tal y como lo ha definido la Armada italiana desde la fase inicial del programa, en una escala de 1 a 4 niveles.
Por lo que respecta a los costes del ciclo de vida, la inversión inicial (más elevada en comparación con las baterías de plomo-ácido) se verá amortiguada por el reciclaje de componentes (las cajas o el sistema de refrigeración) y por la escasa mano de obra necesaria para el mantenimiento, al tiempo que se mantienen todas las ventajas de rendimiento ya mencionadas.Últimos logros y evolución futura
Antes de lograr la Revisión Crítica del Diseño del LBS, el sistema superó con éxito la Revisión del Diseño del Sistema (SDR) en marzo de 2022 y una serie de pruebas clave posteriores que ponen de manifiesto la madurez alcanzada por el LBS. En una presentación dedicada al LBS en la conferencia y exposición Undersea Defence Technology (UDT) 2024, en abril de 2024, el comandante Irvia confirmó la finalización con éxito de una prueba de propagación térmica sin que se produjeran llamas ni explosiones, sólo se liberó gas. La nueva versión de los sistemas de seguridad del LBS será capaz de gestionar dicha liberación de gas. Las pruebas que se han superado con anterioridad incluían la propagación térmica, la penetración de clavos, el cortocircuito externo, la conductibilidad del electrolito, los ciclos de carga y descarga a alta temperatura y la composición del gas, además de las pruebas exigidas para el transporte de baterías de litio según la sección UN38.3 por TÜV Rheinland y las pruebas de la nueva normativa IEC 62619 para operaciones seguras de pilas y baterías de litio secundarias utilizadas en aplicaciones industriales.
"El diseño, desarrollo, producción de prototipos y certificación de los principales componentes continúa según lo previsto", ha informado el comandante Irvia: en estos días P4F ha estado probando la primera cadena completa y en paralelo el prototipo SSC (Single String Converter), mientras que los prototipos de barra colectora de baterías y auxiliares están en fase de producción. Al mismo tiempo, se están cualificando los componentes que se utilizarán para producir el Functional Mock Up de una batería, cuyas actividades de cualificación de pruebas se iniciarán a continuación, con el objetivo de completarlas a finales de año.
La consecución con éxito de la modificación contractual, que dicta el paso de un barco con una solución de baterías de plomo-ácido a una de iones de litio, ha permitido al equipo de OCCAR entrar en la Fase 2 del LBS, que incluye la puesta a punto de las instalaciones de producción industrial y el lanzamiento de la producción del primer LBS completo. Paralelamente, se creará y certificará un laboratorio de pruebas de LBS de tamaño real para alojar el primer kit de LBS de producción y completar todas sus pruebas de cualificación. "La Armada italiana pretende hacer de este laboratorio un Centro de Excelencia (CoE) para el dominio de la propulsión submarina (batería), que se utilizará no sólo para actividades de certificación y formación, sino también para futuros desarrollos que se montarán en plataformas tripuladas y no tripuladas."
Una vez finalizada esta actividad, el LBS estará listo para su instalación a bordo del U212 NFS 1. El proyecto de equipar el primer barco de su clase con el LBS no ha estado exento de retos y de pasos de cualificación más largos de lo previsto para ofrecer el máximo nivel de seguridad, además de los exigentes hitos de construcción, que se vieron afectados por los problemas en la cadena de suministro de material causados por la pandemia y el conflicto en las fronteras de Europa.
La producción de la plataforma U212 NFS 1 se está desarrollando según el último calendario, que prevé la botadura de la embarcación en 2027, posteriores pruebas en puerto y de aceptación para lograr la entrega del NFS 1 a principios de 2029, mientras que el hito inicial del programa fijado antes de la pandemia era diciembre de 2027.
Imágenes por cortesía de NAVARM y OCCAR, foto L. Peruzzi
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- Fuente:
- Luca Peruzzi. (2024, July 17). U212 NFS programme: State-of-the-art lithium battery system since the first-of-class boat. EDR Magazine. https://www.edrmagazine.eu/u212-nfs-programme-state-of-the-art-lithium-battery-system-since-the-first-of-class-boat/
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