El artículo detalla la integración de sistemas AIP y baterías de ion-litio en los submarinos S-80 Plus, mejorando su autonomía en inmersión y discreción operativa. Se estima que el sistema híbrido permite operar hasta 20 días a baja potencia y mejora la capacidad operativa en escenarios de alta demanda. Además, se sugiere que esta arquitectura podría ser la base para los futuros submarinos S-90 de la Armada.

INTEGRACIÓN DE SISTEMAS AIP Y BATERÍAS DE ION-LITIO EN SUBMARINOS CONVENCIONALES: MEJORAS OPERATIVAS Y AUTONOMÍA EN INMERSIÓN

El presente artículo analiza la viabilidad técnica y operativa de integrar sistemas de propulsión independiente del aire (AIP) con pilas de combustible tipo PEM y baterías de ion-litio en submarinos convencionales. El objetivo es evaluar el impacto de estas tecnologías sobre la autonomía en inmersión, la eficiencia energética y la reducción de la firma acústica del buque.

 A través de modelización matemática y simulaciones basadas en perfiles operativos reales, se compara el rendimiento de configuraciones híbridas frente a tecnologías convencionales como las baterías de plomo-ácido. Los resultados reflejan incrementos significativos en tiempo de inmersión, reducción del índice de indiscreción y mejoras sustanciales en la capacidad operativa del submarino, especialmente en misiones de larga duración. Se concluye que la combinación de tecnologías AIP y baterías de ion-litio representa una opción estratégica viable para futuras plataformas submarinas, particularmente en escenarios de alta exigencia táctica.

El Isaac Peral (S-81) despliega su capacidad operativa en la Operación Noble Shield. (Fuente: Armada).
El Isaac Peral (S-81) despliega su capacidad operativa en la Operación Noble Shield. (Fuente: Armada).

Introducción:

La guerra submarina del siglo XXI exige plataformas capaces de operar durante períodos prolongados sin emerger, garantizando el sigilo y la capacidad ofensiva en entornos cada vez más hostiles y tecnológicamente saturados. En este contexto, la limitación principal de los submarinos no nucleares reside en su autonomía en inmersión, directamente condicionada por la capacidad de almacenamiento energético. Tradicionalmente, los submarinos convencionales han empleado baterías de plomo-ácido, pero éstas presentan importantes limitaciones en términos de densidad energética, mantenimiento, seguridad y vida útil.

Frente a esta situación, las baterías de ion-litio emergen como una alternativa de alta eficiencia, ya probada en entornos civiles y en proceso de adopción militar. Paralelamente, los sistemas AIP, y en particular las pilas de combustible tipo PEM (proton exchange membrane), han demostrado su potencial para incrementar la autonomía operativa sin necesidad de recurrir a motores diésel en superficie o esnórquel, reduciendo drásticamente la probabilidad de detección. El presente artículo propone un análisis técnico comparado entre ambos sistemas —baterías de ion-litio y pilas de combustible tipo PEM— y su integración en plataformas submarinas, utilizando como base de cálculo los perfiles energéticos del submarino clase S-80 Plus. A través de modelos matemáticos, simulaciones energéticas y análisis comparativo, se pretende establecer las ventajas tácticas y estratégicas de estas tecnologías para su incorporación en futuras generaciones de submarinos convencionales.

Estado del arte

En las últimas décadas, la necesidad de aumentar el tiempo de inmersión de los submarinos convencionales sin recurrir a propulsión diésel ha impulsado el desarrollo de tecnologías energéticas más eficientes, discretas y sostenibles. En este escenario, dos avances clave han revolucionado el diseño de estos buques: la incorporación de baterías de ion-litio de alta densidad energética y los sistemas AIP, especialmente aquéllos basados en pilas de combustible.

Avances en sistemas AIP

El sistema AIP permite al submarino operar en inmersión durante periodos prolongados sin acceder a oxígeno atmosférico, lo que reduce la necesidad de usar el esnórquel, una de las maniobras más comprometedoras tácticamente. Uno de los referentes más relevantes en este campo es el U-35 de la clase U212A, capaz de permanecer sumergido más de 18 días. Alemania, Suecia, Corea del Sur y Japón lideran el desarrollo e implementación de estos sistemas. Alemania, a través de TKMS, ha desarrollado sistemas de pilas de combustible de última generación con arquitectura modular (ASFC), integrados en los submarinos U212A. Corea del Sur ha equipado su clase KSS-III con AIP basado en pilas PEM de 600 kW y baterías de litio. Japón fue pionero en reemplazar las baterías de plomo-ácido por litio en sus submarinos Soryu desde 2020, logrando mejoras sustanciales en la autonomía y operatividad.

España, por su parte, ha incorporado un sistema AIP en el submarino clase S-80 Plus basado en pilas PEM, con hidrógeno obtenido a partir de bioetanol mediante reformado a bordo, lo que evita la necesidad de almacenarlo directamente en forma presurizada o criogénica. Este enfoque ofrece una gestión más segura de los recursos energéticos sin comprometer el volumen interno ni la seguridad del personal.

Evolución de las baterías en submarinos

Durante más de un siglo, los submarinos han empleado baterías de plomo-ácido. Sin embargo, la baja densidad energética, los altos requisitos de mantenimiento y los riesgos de emisión de gases explosivos han motivado su reemplazo. Las baterías de ion-litio, con mayor voltaje nominal, menor tasa de autodescarga y arquitectura modular escalable, se están consolidando como el nuevo estándar operativo. Japón ha liderado esta transición con la implementación de baterías de litio-ferrofosfato LiFePO4 en su clase Soryu. Alemania y Corea del Sur también han incorporado baterías de litio en combinación con sistemas AIP, evidenciando una clara tendencia global hacia una hibridación energética eficiente. El caso del submarino español S-80 Plus resulta paradigmático, ya que combina una planta de generación AIP basada en reformado de bioetanol y pilas PEM con un sistema de almacenamiento energético de baterías de plomo-ácido. Esta integración busca equilibrar autonomía, seguridad, volumen ocupado y huella acústica.

Fundamento teórico

El presente estudio adopta una metodología mixta basada en modelado matemático, análisis comparativo y simulación técnica, con el objetivo de evaluar el rendimiento operativo de sistemas híbridos de propulsión eléctrica en submarinos convencionales. Se ha seleccionado como caso de referencia el perfil energético del submarino clase S-80 Plus, debido a su avanzada integración tecnológica y la documentación técnica disponible. El análisis se centra en dos tecnologías complementarias:

—Baterías de ion-litio, por su alta densidad energética, baja tasa de autodescarga y facilidad de integración modular. 

—Sistemas AIP con pilas de combustible PEM, por su capacidad de generación eléctrica sin necesidad de oxígeno atmosférico y su baja huella acústica.

Se parte de la hipótesis de que la sustitución de baterías de plomo-ácido por sistemas híbridos de baterías de ion-litio y pilas de combustible mejora significativamente la autonomía en inmersión, reduce el índice de indiscreción y optimiza la capacidad operativa del submarino bajo distintos regímenes de potencia.

Para el modelado energético se emplearon hojas de cálculo Excel configuradas con algoritmos de regresión polinómica, modelos simplificados de consumo y parámetros extraídos de fabricantes como Ballard (modelo FCvelocity HD-6 para pilas PEM) y TAB Batteries (para baterías de litio). Se descartaron aspectos como la degradación a largo plazo del litio, los sistemas auxiliares de control térmico o el ciclo de vida completo del bioetanol con el fin de mantener el enfoque en el rendimiento operativo inmediato.

Análisis tecnológico 

Las baterías de ion-litio representan un salto cualitativo respecto a las tradicionales de plomo-ácido. Con un voltaje nominal superior (3,3 a 3,7 V por celda), menor tasa de autodescarga (1-3 por 100) y mayor densidad energética, permiten un diseño más compacto y eficiente. Estas características son críticas en el entorno submarino, donde el volumen disponible y la fiabilidad operativa son factores determinantes.

Las configuraciones de celdas (cilíndricas, prismáticas, pouch y tipo Z-Folding) permiten una integración flexible en función del diseño del compartimento de baterías. Además, la arquitectura modular —basada en strings y armarios conectados en paralelo— facilita el mantenimiento y el aislamiento de fallos mediante el BMS (Battery Management System). Tecnologías como LiFePO4 y LTO ofrecen ventajas adicionales en seguridad térmica, durabilidad y estabilidad química. El uso de recubrimientos nanométricos en los electrodos mejora la resistencia térmica y reduce el riesgo de ignición en atmósferas confinadas. Todo esto convierte al litio en una opción altamente adecuada para misiones de alta exigencia táctica.

Comparativa de los diferentes tipos de baterías de litio. (Elaboración propia).
  • Comparativa de los diferentes tipos de baterías de litio. (Elaboración propia).

Por otra parte, los sistemas AIP permiten la generación de energía sin necesidad de oxígeno atmosférico, extendiendo notablemente la autonomía en inmersión. En el presente análisis se considera una planta AIP basada en pilas PEM, alimentadas por hidrógeno obtenido mediante reformado de bioetanol a bordo del submarino. Este sistema se seleccionó por su bajo nivel de ruido, alta eficiencia y compatibilidad con infraestructuras existentes. Además, el reformado de bioetanol evita el almacenamiento directo de hidrógeno presurizado, reduciendo riesgos asociados a inflamabilidad y complejidad logística.

Se emplea el modelo Ballard FCvelocity HD-6 como referencia, con una arquitectura modular que permite escalar la potencia entregada hasta 600 kW en régimen medio. Esta pila incluye sistemas de refrigeración líquida, controladores de presión, compresores y sensores de flujo para asegurar una operación estable en condiciones submarinas.

Para el modelado del sistema híbrido se evaluó el comportamiento del sistema bajo tres escenarios de potencia: 

—Escenario mínimo: 105 kW (propulsión reducida + sistemas auxiliares). 

—Escenario medio: 590 kW (navegación normal en zona de patrulla). 

—Escenario máximo: 3.500 kW (maniobra táctica a plena potencia).

Para cada caso se modelaron el tiempo de descarga de las baterías, el consumo de hidrógeno por parte de las pilas de combustible y la autonomía total del sistema. El modelo considera la pérdida de eficiencia de los subsistemas auxiliares (estimada en 83,5 kW), así como la capacidad real de almacenamiento de bioetanol y oxígeno líquido a bordo.

En condiciones de máxima demanda, se estimó una autonomía de 8,02 horas sólo con baterías y 9,33 al incorporar las pilas PEM, lo que supuso una mejora del 16,45 por 100. En escenario medio, la mejora fue del 51 por 100, y en mínimo del 67,81 por 100. Estos datos evidencian el impacto positivo del sistema híbrido en la operatividad táctica del submarino, permitiendo prolongar la inmersión sin necesidad de exponer el buque mediante el uso del esnórquel o recarga en superficie.

Esquema de propulsión submarina mediante baterías de litio y pilas PEM. (Elaboración propia)
Esquema de propulsión submarina mediante baterías de litio y pilas PEM. (Elaboración propia)

Resultados y análisis comparativo 

Los resultados obtenidos mediante simulación permiten cuantificar el rendimiento de los sistemas propuestos bajo distintas condiciones de potencia, utilizando como referencia el consumo energético del submarino clase S-80 Plus.

El primer escenario corresponde a una potencia mínima de 105 kW, que representa condiciones estándar de navegación en inmersión prolongada. El sistema híbrido permite mantener operación táctica durante casi 20 días sin necesidad de emerger, destacando además los siguientes aspectos: 

—Autonomía con baterías de litio: 280,42 horas (80 por 100 en profundidad de descarga). 

—Autonomía adicional con pila de combustible (600 kg H2): 190,15 horas. 

—Autonomía total combinada: 470,47 horas. Incremento frente a sistemas con baterías de plomo-ácido: 113,35 por 100.

El segundo escenario establecido con una potencia de 590 kW simula el régimen operativo habitual en patrullas en zona de interés, donde la eficiencia del sistema AIP es clave para mantener discreción sin comprometer movilidad. Esto se traduce en las prestaciones siguientes: 

—Autonomía con baterías de litio: 41,45 horas. 

—Autonomía adicional con pila de combustible: 21,15 horas. 

—Autonomía total combinada: 62,6 horas. —Incremento frente a sistemas con batería de plomo-ácido: 417,35 por 100.

Este escenario simula el régimen operativo habitual en patrullas en zona de interés, donde la eficiencia del sistema AIP es clave para mantener discreción sin comprometer movilidad.

Finalmente, se analizó el escenario final correspondiente a un régimen de potencia de 3.500 kW. Aunque éste representa situaciones puntuales (huida, maniobra ofensiva), la mejora operativa permite extender la acción táctica crítica al menos una hora adicional sin aumentar la probabilidad de detección: 

—Autonomía con baterías de litio: 8,02 horas. 

—Autonomía total con pila de combustible integrada: 9,33 horas. 

—Incremento frente a LAB: 273 por 100.

En relación con el análisis del consumo de hidrógeno, el modelo muestra que se incrementa exponencialmente con la demanda de potencia. A mayor intensidad, menor eficiencia global del sistema AIP. En potencia máxima, el consumo agotaría los 600 kg de hidrógeno en unas 20 horas. Este factor subraya la importancia de optimizar el uso del AIP en regímenes medios y bajos, donde la relación consumo-beneficio es más favorable.

Finalmente, en el momento de una comparación global con sistemas convencionales, el análisis comparativo con tecnologías basadas exclusivamente en LAB revela mejoras sustanciales: 

—Menor mantenimiento preventivo. 

—Mayor densidad energética (volumétrica y gravimétrica). 

—Reducción del índice de indiscreción (menor necesidad de esnórquel). 

—Mejor gestión térmica y modularidad. 

—Aumento global de la autonomía operativa entre un 113 y un 417 por 100 según el régimen.

Conclusiones

El análisis realizado demuestra que la integración de baterías de ion-litio con sistemas AIP basados en pilas de combustible tipo PEM representa una mejora tecnológica significativa respecto a las configuraciones tradicionales de submarinos equipados únicamente con baterías de plomo-ácido.

Las simulaciones desarrolladas para tres escenarios operativos muestran incrementos de autonomía de entre un 113 y un 417 por 100, dependiendo del nivel de potencia requerido. Estas mejoras se traducen directamente en una mayor capacidad de permanencia en zona de operaciones, una reducción drástica de la necesidad de esnórquel y, por ende, un descenso del índice de indiscreción.

A nivel técnico, las baterías de ion-litio ofrecen ventajas en densidad energética, modularidad, fiabilidad térmica y mantenimiento reducido. Por su parte, los sistemas AIP permiten extender la autonomía sin recurrir a la propulsión diésel, con un impacto mínimo en la firma acústica del submarino.

El modelo híbrido permite al submarino adaptarse dinámicamente a distintas condiciones de misión, combinando la alta capacidad de respuesta de las baterías con la eficiencia sostenida de las pilas de combustible. En conjunto, se plantea una alternativa operativa robusta frente a las limitaciones logísticas y estratégicas de las plataformas nucleares.

Para consolidar la adopción de esta arquitectura híbrida en futuros desarrollos de submarinos convencionales (como la potencial clase S-90), se proponen las siguientes líneas de acción:

—Desarrollo de sistemas de craqueo de amoniaco a bordo como alternativa al reformado de bioetanol, aprovechando su menor complejidad de almacenamiento y su infraestructura industrial existente.
—Reutilización del calor residual generado por las pilas de combustible para procesos auxiliares, como el craqueo de amoniaco o la climatización interna, incrementando la eficiencia global del sistema.
—Optimización del volumen interno mediante diseños modulares de baterías y depósitos energéticos adaptados a la arquitectura del casco, reduciendo el impacto sobre la carga útil y la habitabilidad.
—Desarrollo de tecnologías de almacenamiento energético híbrido flexible, como supercondensadores acoplados a módulos de litio para absorber picos de demanda sin penalizar la autonomía general.
—Simulaciones multivariable en escenarios tácticos reales, integrando datos de misión, variables ambientales y perfiles de amenaza para ajustar dinámicamente el empleo del sistema AIP y del banco de baterías.
—Estudio del ciclo de vida completo del sistema desde una perspectiva logística y medioambiental, incluyendo el reciclaje de baterías y el impacto del combustible empleado.

En conclusión, la implementación de sistemas híbridos AIP-ion litio no sólo mejora la autonomía y capacidad de inmersión, sino que representa una evolución lógica y necesaria para los submarinos convencionales en el entorno operativo actual.

Comparación de prestaciones en base a los escenarios analizados. (Elaboración propia).
Comparación de prestaciones en base a los escenarios analizados. (Elaboración propia).

Fuente:
Gil Carbonell, J. M. (2026). Integración de sistemas AIP y baterías de ion-litio en submarinos convencionales: mejoras operativas y autonomía en inmersión. Temas Profesionales, Mayo.
https://armada.defensa.gob.es/archivo/rgm/2026/05/rgmmay2026_Parte09.pdf