Los submarinos de TKMS con baterías de iones de litio se benefician de la alta potencia del grupo electrógeno

La integración del nuevo grupo electrógeno mejorado basado en el MTU20V4000 supone un salto cualitativo en términos de rendimiento del submarino.

Figura 1: Sistema de baterías adaptado y grupos electrógenos destacados como ejemplo para el diseño de submarinos

Los submarinos diseñados y construidos por thyssenkrupp Marine Systems llevan muchos años demostrando su superioridad en términos de resistencia submarina e índice de indiscreción, basándose en la inigualable densidad energética de la pila de combustible AIP. Con sistemas de baterías de última generación y una nueva generación de grupos electrógenos diésel, este éxito puede actualizarse con un mayor rendimiento. 

El presente documento informa sobre las adaptaciones del sistema junto con los valores de rendimiento cruciales de un diseño de submarino AIP mejorado de thyssenkrupp Marine Systems que combina la nueva generación de pilas de combustible submarinas y baterías basadas en iones de litio. El sistema se explica junto con otras mejoras destinadas a aumentar la autonomía de los submarinos.

Diseño de sistemas de energía y propulsión

Algunos de los avances más significativos de la era actual han tenido lugar en la tecnología de las baterías. thyssenkrupp Marine Systems ha desarrollado su propio sistema de baterías de iones de litio y está preparada para integrarlo en los nuevos diseños de submarinos o en la modernización de los submarinos existentes.

Con la adopción de sistemas de baterías de iones de litio (LIB) de última generación, surgen nuevas implicaciones para el diseño de submarinos diesel-eléctricos y AIP convencionales evolucionados. Se trata principalmente de modificaciones en el diseño del sistema de propulsión, pero también afectan a otros sistemas como el de combate, la maquinaria del timón y los mástiles izables. Una innovación reciente es, por ejemplo, el sistema de combate ORCCA®, con su gestión integral de la energía, que ofrece cómodas posibilidades de ahorro energético, como un modo de tránsito seguro en el tráfico marítimo con una carga hotelera drásticamente reducida. La maquinaria del timón y los mástiles izables pueden diseñarse como sistemas totalmente eléctricos, lo que permite reducir la complejidad y la carga hotelera del submarino. El sistema de gestión de baterías de diseño propio ofrece funcionalidades para aprovechar todo el potencial de las baterías.

Integración del nuevo Gen-Set con MTU20V4000

Una de las principales promesas de rendimiento de la batería de iones de litio es el aumento de la flexibilidad de carga, la reducción del tiempo de carga y una mayor energía disponible a velocidades submarinas medias y altas. Esto exige una capacidad de carga igualmente incrementada con un grupo electrógeno mejorado. thyssenkrupp Marine Systems dio el primer paso con la integración evolutiva de la serie MTU 4000 en versión de 12 V en sus submarinos. El perfil de carga de este tipo de motor, a diferencia de la serie MTU 396, está diseñado para cargar baterías de iones de litio y, en esencia, hace que el submarino esté preparado para recibir nuevos tipos de baterías que se benefician de una mayor potencia de carga, lo que conlleva una reducción significativa de la tasa de indiscreción. thyssenkrupp Marine Systems y Rolls Royce están evaluando la posibilidad de dar un paso más integrando un derivado de 20V de esta serie de motores. Al utilizar esta versión a escala, se puede minimizar la cantidad de nuevos desarrollos y cambios de diseño en el concepto del submarino. En comparación con la integración de un mayor número de motores o de un tipo de motor diferente, esta medida garantiza que la potencia total de los motores diésel se ajuste a las demandas de carga de la batería, mientras que los generadores sólo aumentan moderadamente. Los cambios de diseño necesarios son adaptaciones de los sistemas afectados, por ejemplo, el sistema de snorkel, el sistema de gases de escape, el sistema de refrigeración y el sistema de cables debido al aumento de la potencia diésel y de los volúmenes de fluidos, adaptaciones de los cables e interruptores debido al aumento de la potencia eléctrica y, por supuesto, adaptaciones de la plataforma de maquinaria y de los atenuadores debido al aumento del peso y del dimensionamiento.

Figura 2: Mejora del índice de indiscreción durante el tránsito con un SOA constante

No es necesario adaptar las principales características de diseño, sobre todo la integración en el submarino y el concepto general del sistema de propulsión (véase la figura 1, que muestra la integración de baterías y grupos electrógenos). Esto se refiere, por ejemplo, a las entradas de cables, las entradas de agua de refrigeración y las mangueras. También se mantiene el sistema de combustible, incluido el separador de agua y el sistema de filtro de combustible, así como el concepto de automatización probado de los grupos electrógenos. Otras ventajas secundarias serían que las horas totales de funcionamiento de los grupos electrógenos diésel para cargar las baterías se reducen en consonancia con la tasa de indiscreción. Debido al consumo específico de combustible comparable, no se requiere combustible adicional y la autonomía total del submarino persiste. Desde el punto de vista logístico no es necesario ningún cambio en la formación de la tripulación, ya que se utiliza la misma serie de modelos de Rolls Royce MTU. Tampoco cambia el número de motores diésel a bordo y, por lo tanto, la cantidad de mantenimiento y el número de piezas de repuesto a bordo siguen siendo los mismos, aunque la potencia de carga aumenta considerablemente.

Figura 3 Ejemplo de misión consistente en ciclos de esnifado durante el tránsito e inmersión ininterrumpida durante la patrulla

Impacto en el funcionamiento y el rendimiento del submarino

Para realizar una comparación genérica de los diferentes sistemas de energía y propulsión, se analizarán tres diseños de submarino A, B y C. El primer diseño A se refiere a un diseño convencional, bien probado, compuesto por baterías de plomo-ácido y dos grupos electrógenos diésel MTU12V4000 de última generación. Este diseño se modifica con baterías de iones de litio en un primer paso (diseño B) y, además, con los grupos electrógenos diésel más potentes MTU20V4000 (diseño C). Las comparaciones se realizan para una misión ejemplar de siete semanas que consiste en el tránsito hasta el lugar de la misión, una fase de patrulla en la que el submarino está continuamente en inmersión profunda y el tránsito de vuelta a tierra. Durante la patrulla, la gran resistencia submarina es el resultado de la combinación del sistema AIP y la batería.

Durante el tránsito, sobre la base de una velocidad de avance idéntica, puede señalarse una reducción significativa de la tasa de indiscreción en los diseños B y C. La velocidad de avance es el valor medio de la velocidad determinada a partir de las velocidades para la operación de esnórquel y de inmersión. Los resultados se presentan en la figura 2 de forma adimensional. El índice de indiscreción puede reducirse en más de una cuarta parte utilizando baterías de iones de litio y en más de la mitad utilizando adicionalmente los grupos electrógenos más potentes. La razón para el primer paso es la omisión de la segunda etapa de carga de la batería que mantiene constante una alta potencia de carga durante el tiempo total de carga y para el segundo paso la potencia de carga muy mejorada. Ambas razones reducen significativamente el tiempo de carga y, por tanto, el plazo de detección durante el esnifado.

Una segunda ventaja introducida por la elevada potencia de carga constante de las baterías de iones de litio es la posibilidad de aumentar la velocidad de avance optimizando la combinación de velocidad de inmersión y de esnifado.

Si se iguala la velocidad de indiscreción del diseño A con baterías de plomo-ácido, la velocidad del diseño B con LIB puede aumentarse de tal forma que el tiempo total de tránsito en una autonomía invariable se reduzca aproximadamente un 15%. Si se utilizan estas velocidades aumentadas para el diseño C, se consigue otra reducción sustancial de la tasa de indiscreción. De este modo, se puede acortar el tiempo total de la misión o aumentar el tiempo de patrulla tanto para la variante B como para la C mediante la implementación de baterías basadas en iones de litio. La figura 3 muestra los resultados de un ejemplo de misión con dos fases de tránsito y una de patrulla. Las primeras consisten en una serie de ciclos de descarga-carga de la batería como se presenta en la Figura 2, mostrando también los beneficios explicados que resultan en menos y más cortos ciclos de esnifado para el diseño B y especialmente para el diseño C. Durante la patrulla el submarino utiliza su sistema de propulsión independiente del aire en combinación con una sola carga de batería para permanecer completamente sumergido sin interrupción en la zona de operaciones. En esta parte de la misión encubierta, el submarino opera con un índice de indiscreción cero debido a la falta de necesidad de utilizar aire de superficie.

Conclusión

La integración del nuevo grupo electrógeno mejorado basado en el MTU20V4000 supone un salto cualitativo en términos de rendimiento del submarino. El tiempo necesario para cargar las baterías puede reducirse al mínimo, lo que resulta en una tasa de indiscreción drásticamente reducida, ya que es proporcional al aumento de la potencia del generador. Como segunda opción, la potencia de carga adicional puede utilizarse en tránsito para avanzar a mayor velocidad y reducir así el tiempo de tránsito. La gran mejora del rendimiento tiene una influencia mantenible en el diseño espacial y una influencia menor en la formación de la tripulación, el mantenimiento y el funcionamiento del submarino, ya que no se aumenta el número de grupos electrógenos. La posibilidad de ciclos de esnifado flexibles con baterías basadas en litio tiene un gran valor táctico para las operaciones submarinas. Otras deficiencias de las baterías inflexibles de plomo-ácido, como el efecto memoria de las celdas debido a los repetidos ciclos tácticos de carga, ya no existen.

Autores:
Dr. Martin Greve, Jefe de Conceptos de Diseño de Submarinos, thyssenkrupp Marine Systems GmbH
Stefan Heinz, Director Técnico de Rendimiento de Submarinos, thyssenkrupp Marine Systems GmbH
Gebhard Heizmann-Bartels, Jefe de Gestión de Productos, thyssenkrupp Marine Systems GmbH

Fuente:

Dr. Martin Greve, Head of Design Concepts Submarines, thyssenkrupp Marine Systems GmbH, Stefan Heinz, Technical Lead Submarine Performance, thyssenkrupp Marine Systems GmbH, Gebhard Heizmann-Bartels, Head of Product Management, thyssenkrupp Marine Systems GmbH (2024), thyssenkrupp Marine Systems’ Submarines with Lithium-Ion Batteries Benefit from High Gen-Set Power , *NAVAL FORCE -INTERNATIONAL FORUM FOR MARITIME POWER, CONFERENCE PROCEEDINGS-SUBCON 2024* (SPECIAL ISSUE 2024Vol. XLV ISSN 0722-8880), 12–20.