Cuando el submarino navega en superficie o a gran profundidad, los generadores diésel se utilizan para alimentar el submarino y cargar sus baterías
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Los submarinos diésel-eléctricos, también conocidos como submarinos convencionales, disponen de una central eléctrica no nuclear formada por dos o más generadores diésel y grandes baterías de plomo-ácido. Cuando el submarino navega en superficie o a gran profundidad, los generadores diésel se utilizan para alimentar el submarino y cargar sus baterías. Cuando el submarino se sumerge, los generadores se apagan debido a la ausencia de suministro de aire y las baterías se utilizan para alimentar el submarino. Las centrales diésel-eléctricas ya se utilizan en submarinos desde principios del siglo XX y todavía se emplean en la mayoría de las Armadas del mundo. Con la aparición de nuevas tecnologías de baterías y pilas de combustible, las centrales eléctricas de los submarinos no nucleares están cambiando lentamente y podrían cambiar radicalmente en un futuro próximo.
En los últimos años, Nevesbu y la TU Delft han desarrollado, a través de una serie de estudios de licenciatura, un modelo de central eléctrica submarina de primer principio de valor medio. Este modelo se utiliza para realizar múltiples estudios de diseño con el fin de investigar el potencial de estas nuevas tecnologías para el ámbito submarino. En este artículo se ofrece una visión general de estos estudios y se destaca el potencial de las nuevas tecnologías para los diseños de submarinos no nucleares.
Panorama de las opciones de centrales eléctricas
Con las nuevas tecnologías emergentes, aumenta el número de opciones de centrales eléctricas para submarinos no nucleares, especialmente para el suministro eléctrico sumergido. La tecnología de pilas de combustible permite un suministro de energía independiente del aire, que funciona con hidrógeno puro y oxígeno puro. Las baterías de iones de litio pueden utilizarse como alternativa a las baterías de plomo-ácido. En la figura 1, todos los componentes de la central eléctrica considerados en este artículo se muestran en un diagrama de flujo de energía.
Figura 1: Diagrama de flujo de energía como representación de los tres conceptos de central eléctrica innovadores considerados en este artículo;. ES = Fuente de energía, M = Potencia mecánica, E = Potencia eléctrica.
Tanto las baterías de iones de litio como las pilas de combustible aumentan la capacidad de almacenamiento de energía sumergida, lo que permite a los submarinos navegar sumergidos durante más tiempo. Esto se considera una gran ventaja operativa para los submarinos. Ambas tecnologías también se aplican ya en submarinos operativos reales. Por ejemplo, los submarinos alemanes del tipo 212A utilizan un sistema de pila de combustible para el suministro de energía independiente del aire y los submarinos japoneses de la clase Taigei tienen instaladas baterías de iones de litio.
Valor medio Modelo de central eléctrica submarina de primer principio
El impacto de una central eléctrica seleccionada en el diseño global del submarino es significativo. Por ello, seleccionar los componentes adecuados de la central eléctrica en una fase temprana del diseño es clave para que éste tenga éxito. Con la creciente cantidad de opciones de centrales eléctricas, esto se hace más difícil y lleva más tiempo. Por este motivo, Nevesbu ha desarrollado un modelo de central eléctrica de primer principio de valor medio en colaboración con estudiantes de licenciatura de la Universidad Técnica de Delft. La entrada del modelo es un perfil de misión basado en el tiempo, que establece la propulsión y la demanda de potencia auxiliar para las diferentes fases de la misión. A partir de esta información, se dimensionan los componentes de la central eléctrica y se calcula su eficiencia basándose en el primer principio. En la figura 2, se muestra la visión general del modelo de central eléctrica submarina de Primer Principio de Valor Medio.
Modelo de central eléctrica submarina de primer principio del valor medio Herramienta de dimensionamiento y optimización de centrales eléctricas
Comparación de conceptos de centrales eléctricas
El modelo de central eléctrica submarina de primer principio del valor medio permite comparar múltiples configuraciones de centrales eléctricas en función de la masa y el volumen necesarios. Tanto la masa como el volumen son parámetros de diseño críticos para un submarino. Por lo tanto, es preferible la configuración de central eléctrica con menor masa y volumen. El perfil de la misión que se muestra en la Figura 3 se utiliza para la comparación en este artículo. La parte de vigilancia sumergida varía de 10 horas a 3 semanas. Cuando se aplique una pila de combustible en el concepto de central eléctrica analizado, la pila de combustible se utilizará para el suministro de energía durante la parte de vigilancia sumergida, mientras que la batería se utilizará como un extensor de energía sumergida para las velocidades sumergidas más altas.
Perfil de misión parametrizado de un submarino; la parte de vigilancia se parametriza con diferentes duraciones para las operaciones de vigilancia y dos velocidades de vigilancia diferentes (3 y 5 nudos).
La figura 4 muestra el volumen requerido de las ocho configuraciones diferentes de centrales eléctricas necesarias para llevar a cabo la misión de la figura 3 con una velocidad de vigilancia sumergida de 5 nudos. En esta figura se aprecia claramente que los requisitos de volumen aumentan a medida que se incrementa la vigilancia sumergida (I-5 es de 10 horas frente a V-5 de 3 semanas de duración). Además, se aprecia que a mayor duración sumergida, el uso de pilas de combustible (PEMFC) resulta beneficioso, ya que requiere menos volumen que el uso exclusivo de baterías. En la Figura 4 también se aprecia que el uso de baterías de plomo-ácido (LAB) siempre requiere la mayor cantidad de volumen (por lo que ni siquiera se tiene en cuenta en los casos IV-5 y V-5). Una tendencia similar se observa en los requisitos de peso de estos conceptos de centrales eléctricas. Esto pone claramente de manifiesto las ventajas de las nuevas tecnologías.
Figura 4: Volumen necesario para ocho conceptos diferentes de central eléctrica por componente principal, incluido el almacenamiento de hidrógeno y oxígeno líquido (si procede) para una velocidad de vigilancia de 5 nudos
Estudios de diseño
La comparación de conceptos de centrales eléctricas pone claramente de manifiesto las ventajas del uso de baterías de iones de litio y pilas de combustible en los diseños de submarinos. Esto planteó la cuestión de si sería factible eliminar por completo los generadores diésel para el diseño del submarino. Esto simplificaría drásticamente el diseño del submarino, ya que la cantidad de sistemas a bordo se reduciría considerablemente. Además, crearía más espacio y peso para la instalación de baterías de iones de litio y/o pilas de combustible. Se han realizado dos estudios de diseño y viabilidad para investigar la viabilidad de dicho diseño, tanto desde el punto de vista técnico como operativo.
Estos estudios han adoptado el mismo enfoque de diseño con un diseño de submarino diesel-eléctrico existente, detallado y bien documentado, como punto de partida. Este submarino, con una planta de propulsión diésel-eléctrica convencional, un desplazamiento sumergido de 1.900 toneladas y una tripulación de 34 miembros, se ha rediseñado en un concepto de submarino eléctrico con baterías de iones de litio (Figura 5) y en un concepto de submarino eléctrico híbrido con pilas de combustible PEM y baterías de iones de litio (Figura 6). Durante este proceso de rediseño, el desplazamiento sumergido del submarino, el diámetro del casco de presión y los requisitos de diseño (por ejemplo, velocidad máxima, carga útil, condiciones ambientales, cantidad de alojamiento) se mantienen constantes para permitir una comparación justa entre las capacidades operativas de los tres diseños. Durante el proceso de rediseño se determina la viabilidad técnica de los conceptos lo mejor posible en las primeras fases de diseño.
Figura 5: Concepto de submarino eléctrico (totalmente alimentado por baterías). Las baterías de iones de litio aparecen en rojo en los compartimentos inferiores.
Figura 6: Concepto de submarino híbrido-eléctrico (pila de combustible y batería). Los tanques de hidrógeno aparecen en verde, los de LOx en azul claro y las baterías de iones de litio en rojo en los compartimentos inferiores.
La tecnología de batería utilizada en este estudio es una célula de batería de iones de litio con química de níquel, magnesio y cobalto, que tiene una energía específica y una densidad energética de 261 Wh/kg y 505 Wh/l. Para empaquetar las células en módulos se utiliza un factor de empaquetamiento de 1,3 para el peso y 1,6 para el volumen. Los modelos de baterías se colocan en compartimentos separados. Como sistema de seguridad de la batería, se considera un sistema de inyección directa de espuma para garantizar que los posibles incendios de la batería puedan suprimirse eficazmente en una fase temprana limitando los riesgos de fuga térmica y propagación térmica en los paquetes de baterías. Para el almacenamiento de hidrógeno, se utilizan botellas de alta presión con una capacidad de almacenamiento volumétrico de 35 gramos por litro. Esta es actualmente la tecnología preferida en la industria del automóvil. Por razones de seguridad, las botellas de alta presión están situadas fuera del casco de presión del submarino. Además, las propias pilas de combustible se encuentran en un compartimento estanco independiente. Ambos aspectos garantizan la integración segura de las baterías de litio y las pilas de combustible a bordo de estos diseños.
Para determinar la viabilidad operativa de los dos conceptos de las figuras 5 y 6, se determinan la autonomía y la resistencia máximas de ambos conceptos y se comparan con el diseño de referencia diésel-eléctrico convencional. Para ello se utiliza como herramienta de verificación el modelo de primer principio del valor medio, basado en el diseño de la central eléctrica y la capacidad de almacenamiento de energía de los conceptos presentados. En la Figura 7 se muestran la autonomía en inmersión y la resistencia tanto del diseño de referencia como de los diseños conceptuales para diferentes velocidades. La autonomía en inmersión y la resistencia de ambos conceptos son significativas en comparación con el diseño de referencia convencional. El concepto de batería eléctrica tiene un alcance máximo sumergido de 1.950 nm y una resistencia sumergida de 24 días. El diseño híbrido-eléctrico tiene un alcance sumergido y una resistencia aún mayores: 2.900 mn y 42 días. Sin embargo, su diseño es más complejo que el de la batería eléctrica. En la Figura 7, el límite de potencia de la pila de combustible se aprecia claramente en el descenso de la autonomía y la resistencia del diseño híbrido-eléctrico.
Figura 7: Autonomía en inmersión del diseño de referencia diésel-eléctrico, el concepto de batería-eléctrica y el concepto híbrido-eléctrico
Aunque la autonomía en inmersión del submarino diésel-eléctrico convencional es significativamente menor, sigue contando con la capacidad de recarga de los generadores diésel y la gran capacidad de almacenamiento de energía del gasóleo marino. Por lo tanto, la autonomía total del submarino diésel-eléctrico convencional sigue siendo significativamente superior a la de los conceptos totalmente eléctrico e híbrido-eléctrico. Esto se muestra claramente en la figura 8. La autonomía total del submarino convencional sigue siendo más de cuatro veces superior a la de los conceptos híbrido-eléctrico y de batería-eléctrica. Esto no significa que los dos conceptos no sean viables desde una perspectiva operativa. Con un alcance de más de 2.000 millas náuticas y una autonomía de más de 24 días, se espera que sean viables las misiones de alcance local y medio, para las que no se requieren largos tránsitos a la zona de la misión. Para comprobarlo, de nuevo se utilizan los modelos en el dominio del tiempo como herramienta de apoyo al diseñador para la verificación. Se simulan múltiples misiones para verificar que queda suficiente capacidad de batería y/o hidrógeno tras realizar una misión determinada. Los resultados muestran claramente que las misiones con una duración máxima de tres semanas son viables para estos diseños. Basándose en estos resultados, se puede concluir que las misiones de alcance local a medio son viables.
Figura 8: Autonomía total del diseño de referencia diésel-eléctrico convencional, el concepto de batería-eléctrica y el concepto híbrido-eléctrico.
Se considera que tanto el concepto de batería eléctrica como el concepto híbrido-eléctrico presentan varias ventajas en comparación con el diseño de submarino diésel-eléctrico convencional. En primer lugar, al omitir los generadores diésel del diseño se puede conseguir una reducción significativa de los sistemas, ya que también se pueden omitir todos los sistemas de apoyo de los generadores diésel (por ejemplo, sistemas de refrigeración, sistemas de compensación de fuel-oil y fuel-oil, sistema de admisión de aire, sistema de gases de escape, etc.). La reducción de sistemas disminuirá la complejidad del diseño y los requisitos de mantenimiento y mejorará la fiabilidad y disponibilidad de los submarinos. La hipótesis subyacente es que la tecnología de estado sólido de las pilas de combustible y las baterías de iones de litio requerirá un mantenimiento (significativamente) menor que los componentes giratorios fuertemente cargados de un motor de combustión interna en los submarinos convencionales. Además, la tripulación tendrá menos sistemas que manejar, supervisar y mantener durante el funcionamiento. Esto también puede llevar a una reducción del tamaño de la tripulación. Un análisis de la dotación realizado mostró que el tamaño de la tripulación de los conceptos presentados puede reducirse de 34 a 23 personas, lo que tendrá un efecto positivo en la autonomía y la resistencia de los conceptos presentados que actualmente aún no se tiene en cuenta.
Una de las mayores ventajas tanto del concepto de batería eléctrica como del concepto híbrido-eléctrico es su cobertura. Ambos diseños tienen diseños de centrales eléctricas independientes del aire, lo que significa que tienen un índice de indiscreción de cero en el teatro de operaciones. Esta ventaja se visualiza en la Figura 9, donde se compara un viaje de ida y vuelta del concepto híbrido-eléctrico con un viaje de ida y vuelta con el diseño de submarino convencional de referencia. Cada bloque rojo de la travesía corresponde al momento en que el diseño de referencia necesita navegar a profundidad de esnórquel para cargar las baterías. Durante este periodo, el submarino es vulnerable, ya que puede ser detectado visualmente y con radares. Además, el ruido y el calor aumentan considerablemente. El concepto híbrido-eléctrico puede realizar este viaje completo sumergido.
Figura 9: Ejemplo de misión factible totalmente sumergida con un diseño de submarino híbrido-eléctrico. Los momentos de resoplido del diseño de referencia se indican en rojo.
Perspectivas de futuro
Tanto las pilas de combustible como las baterías se consideran la solución para conseguir un transporte sin emisiones en múltiples industrias civiles, con la industria automovilística como ejemplo más claro. Por ello, se está investigando mucho sobre baterías de alta capacidad, pilas de combustible y almacenamiento de hidrógeno. Por lo tanto, se espera que el rendimiento tanto del diseño de un submarino eléctrico de batería como del híbrido-eléctrico mejore en un futuro próximo.
Es difícil evaluar la rapidez y la magnitud de los avances técnicos. Se ha realizado una estimación aproximada, basada en múltiples fuentes públicas y publicaciones, para evaluar el impacto de las mejoras técnicas esperadas en las capacidades operativas tanto del concepto de batería-eléctrica como del híbrido-eléctrico. Esta estimación se muestra en la figura 10 y en la figura 11.
En el caso de los submarinos propulsados por baterías, como el concepto de batería eléctrica, las mejoras en la tecnología de las baterías conducirán directamente a una mejora de las capacidades operativas. Si las perspectivas más positivas se hacen realidad, todos los submarinos eléctricos (alimentados por baterías) podrán alcanzar distancias de hasta 7.000 millas náuticas. Los submarinos totalmente propulsados por baterías serán una opción de diseño muy realista cuando estas perspectivas se hagan realidad sólo en parte.
Figura 10 (izquierda): Potencial de mejora esperado de la capacidad de las baterías sobre la autonomía máxima del concepto de submarino eléctrico de baterías. Figura 11 (derecha): Potencial de mejora previsto de la densidad de almacenamiento de hidrógeno en la autonomía máxima del concepto de submarino híbrido eléctrico.
En el caso de los submarinos propulsados por pilas de combustible, las perspectivas son actualmente ligeramente inferiores: hasta 5500 millas náuticas. Hay un factor importante que hay que tener en cuenta al examinar las perspectivas de los submarinos propulsados por pilas de combustible: la capacidad de almacenamiento de oxígeno necesaria. Un aumento de la capacidad de almacenamiento de hidrógeno requerirá también un aumento de la capacidad de almacenamiento y compensación de oxígeno. En el concepto híbrido-eléctrico, el almacenamiento de oxígeno necesario y la capacidad de compensación ya son factores de diseño limitantes. Además, la mejora del almacenamiento de oxígeno no es un tema de investigación de las industrias civiles. Por lo tanto, no se esperan mejoras significativas en la eficiencia del almacenamiento de oxígeno. Por tanto, se prevé que el almacenamiento de oxígeno sea el factor limitante en el desarrollo de submarinos propulsados por pilas de combustible.
Selección de la central eléctrica submarina
Con el desarrollo previsto de la tecnología, aumentan la viabilidad y las capacidades de las soluciones alternativas de centrales eléctricas para submarinos. Por tanto, la importancia de una elección bien meditada de la central eléctrica seguirá aumentando en un futuro próximo. La elección de una solución de planta propulsora debe basarse en una buena compensación de todos los aspectos técnicos y operativos de la planta propulsora. Un modelo de central eléctrica, como el modelo de central eléctrica de valor medio que se presenta en este artículo, permitirá realizar este tipo de estudios de compensación en las primeras fases de diseño.
La información más importante para la selección de la central eléctrica es un concepto claro de las operaciones. Por ejemplo, un submarino diésel-eléctrico (con AIP) es una opción lógica cuando una Armada necesita un submarino expedicionario. Sin embargo, un submarino alimentado por baterías o por pilas de combustible/baterías puede ofrecer múltiples ventajas cuando se requiere un submarino para defensa costera y misiones de alcance local a medio.
Albert Jürgens Director comercial +31 88 943 3400
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- Fuente:
- Albert Jürgens. (2024, July 16). Design studies into the potential of novel submarine power plant configurations. Nevesbu. https://www.nevesbu.com/insights/design-studies-into-the-potential-of-novel-submarine-power-plant-configurations/ /
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