Submarino realizando carga de baterías en pleno día

Reducción del coeficiente de indiscreción

El coeficiente de indiscreción (en adelante CI), aplicado únicamente en submarinos convencionales, se define para una determinada velocidad media, el coeficiente entre el tiempo que invierte el submarino en cargar las baterías y el tiempo total, tanto de navegación como de snorkel.

Ante la aparición de este nuevo concepto, no cabe duda de la importancia del CI en cualquier misión que se le asigne a un submarino, es por ello, que a pesar de las múltiples ventajas que puede aportar un submarino convencional con respecto a un nuclear en función de la misión a realizar, el CI juega un papel primordial mas cuando la característica fundamental de un submarino es la discreción. Por tanto, realizar largos periodos de snorkel, aumentan el CI y por ende, ponen en riesgo dicha discreción, pudiendo dar al traste con la misión e incluso perder la tan necesaria iniciativa en un combate naval convencional.

Ventajas y restricciones de un submarino diesel.

Como ya se ha dicho, según el tipo de misión a realizar, cada tipo de submarino proporciona unas características que lo hacen idóneo para ese tipo de misión.

Debemos distinguir fundamentalmente dos grupos principales atendiendo al tipo de propulsión empleada. El submarino convencional, el cual utiliza diesel generadores para cargar las baterías mediante el procedimiento de snorkel, cuando está en inmersión y la inducción de superficie cuando se encuentra navegando en superficie. El segundo grupo principal son los submarinos nucleares, los cuales utilizan un reactor nuclear que mueve una turbina de vapor lo cual le proporciona energía ilimitada tanto eléctrica como para propulsar el submarino.

El submarino convencional posee las siguientes características con respecto al submarino nuclear:

• • Puede posarse en el fondo, ya que la refrigeración de los submarinos nucleares se encuentra en la quilla y por tanto no pueden realizar este tipo de maniobras.

  • Es más discreto que el submarino nuclear, ya que el propio reactor y los sistemas de refrigeración del mismo generan mayores ruidos a velocidades bajas que un submarino convencional.

  • Es mas pequeño y por tanto mas maniobrable en operaciones litorales, permitiendo realizar operaciones de inteligencia con mayor agilidad y seguridad.

Por el contrario, sus desventajas fundamentales son:

- La fatiga de la dotación, ya que el espacio del que se dispone es mucho menor que en un submarino nuclear y las condiciones de vida a bordo son bastante más duras. Con todo ello, la fatiga afecta a la concentración de las dotaciones llegando a provocar desmotivación e incluso a cometer errores por falta de motivación.

- La duración de las baterías son un problema ya que el submarino se encuentra limitado siempre a su porcentaje de carga y por tanto depende de la situación táctica para poder recargarlas.

- El aire no se renueva, como si ocurre en los submarinos nucleares, lo cual hace que los niveles normales que se respiran en la superficie se vean alterados tal que:

• • Se produce un empobrecimiento del O2, por respiración y combustión.

  • El dióxido de carbono aumenta por la respiración humana, el uso de la cocina y la vida cotidiana como puede ser abrir una lata de refresco.

  • El monóxido de carbono se acumula por combustiones incompletas de los gases de escape de los motores, que se descargan al interior del submarino, aumento del vapor de agua debido a la respiración, evaporación de sentinas y la cocina.

  • También puede existir la presencia de gases como freón, olores de tanques sanitarios, pinturas, disolventes,...

  • En el caso de carga de baterías, puede aumentar el H2 y en el peor de los casos, si se mezcla el agua salada con el electrolito de las baterías H2SO4, puede llegar a formarse Cl, lo cual sería mortal para la dotación en concentraciones no excesivamente elevadas.

- Su velocidad máxima es de 20 nudos por los 40 nudos 1 que alcanzan los nucleares, si bien es cierto, que cuando un submarino navega a esas velocidades, es prácticamente ciego y excesivamente indiscreto, debiendo detenerse o bajar a velocidades de submarino convencional para poder escuchar lo que tiene a sus alrededor. Por el contrario, alcanzar esas velocidades tan elevadas les permiten incluso evadirse de algunos torpedos de los años 90 e incluso de la primera década del siglo XXI, no así de los de ultima generación como pueden ser el torpedo DM2A42 cuya velocidad, en su modelo mas avanzado alcanza los 45 nudos y, obviamente, imposible evadirse del torpedo ruso de supercavitación Shkval.

- Su CI siempre es superior al del submarino nuclear, que es cero, debido a que debe recargar sus baterías conforme a la descarga que haya sufrido durante su misión y además, debe renovar el aire viciado del interior del submarino.

CAPÍTULO 1

1.1. Variables del sistema independiente del aire

Desde hace ya unos años han empezado a aparecer en las listas de buques de distintas Armadas, submarinos con propulsión AIP, también denominados submarinos anaerobios, entendiendo por anaerobio a todo aquello que puede vivir o funcionar sin la presencia del oxígeno atmosférico. Aunque el referente de este tipo de tecnología son los buques que funcionan con propulsión nuclear, no es una solución interesante excepto para las grandes marinas, debido a motivos políticos, sociales, por el coste o por la complejidad técnica. Debido principalmente a este motivo, se han buscado otras soluciones para conseguir un sistema independiente del aire, y aunque en el sentido estricto de la palabra, en un submarino nuclear su planta eléctrica funciona sin necesidad del oxígeno del aire, los términos anaerobio y AIP se utilizan para denominar a los submarinos no nucleares que tratan de aumentar o completar el sistema de propulsión diesel-eléctrica con un funcionamiento independiente de la atmósfera.

Estas nuevas alternativas han sido desarrolladas principalmente en Alemania, Suecia y Francia, satisfaciendo los requisitos de autonomía imprescindibles para el desempeño de misiones en las que el factor de la discreción tiene un papel fundamental. En términos generales, la propulsión anaerobia puede definirse como un conjunto de elementos que transforman la energía química o calorífica que el propio sistema almacena, en energía mecánica o eléctrica, sin estar en contacto con la atmósfera. En los últimos años han experimentado un desarrollo espectacular. Su capacidad actual y previsiones futuras los sitúan como un complemento fundamental de la propulsión convencional.

1.2. Precursores de los sistemas AIP

1.2.1. Turbina Walter: A finales de la Segunda Guerra Mundial, el ingeniero alemán Hellmuth Walter diseñó el primer submarino con tecnología AIP, orientado a obtener largos periodos de inmersión y altas velocidades para conseguir ventaja en sus enfrentamientos con los Aliados. Contaban con propulsión mediante una turbina que utilizaba peróxido de hidrógeno al 90% de pureza como combustible/comburente.

El peróxido de hidrógeno pasaba a una cámara donde, en contacto con un catalizador, se descomponía en agua y oxígeno. Al pasar estos elementos a una segunda cámara, llamada de combustión, se le inyectaba un combustible orgánico produciendo la oxidación/combustión. Como resultado a esta reacción se generaba vapor de agua y dióxido de carbono a una elevada temperatura y presión. Se dirigía ese gas hacia una turbina la cual accionaba un eje y su hélice acoplada en su extremo giraba. Parte de ese vapor se recuperaba en forma de agua al pasar por un condensador, el dióxido de carbono se disolvía en agua salada y se expulsaba al mar, y el vapor se redirigía a la cámara de combustión, para producir más vapor en la reacción del peróxido con el catalizador y el combustible.

Esquema simplificado de funcionamiento de la turbina Walter

Debido a la inestabilidad del peróxido de hidrógeno se acabó descartando este sistema, ya que ante una mínima fuga, pueden producirse incendios ya que éste reacciona fácilmente con grasas, gomas, tejidos pinturas... Además, el consumo era muy elevado, para recorrer una milla el submarino necesitaba 25 veces más combustible que con su equivalente el motor diesel. Aún así, los submarinos con esta propulsión llegaron a alcanzar 25 nudos en inmersión.

1.2.2. Diesel en circuito cerrado (CCD): en los años noventa, la marina alemana desarrolló un sistema basado en un motor diesel de ciclo cerrado, el cual operaba en conjunción a otros dos motores diesel convencionales. La energía eléctrica se generaba con un alternador acoplado al motor diesel modificado. En este sistema, se recirculaba parcialmente los gases de escape hacia la admisión. Estos gases, constituidos fundamentalmente de CO2, Argón y vapor de agua, abandonan el motor a una elevada presión y temperatura. Se introducen en una absorbedor, donde se disuelve el dióxido de carbono en agua de mar y se expulsa al mar sin formación de burbujas. De aquí sale un flujo de gases al que se le añade oxígeno y Argón (gas inerte que no reacciona en las combustiones) para aumentar el coeficiente adiabático de los gases de admisión, y para que la combustión se realice en condiciones termodinámicas similares a la combustión con aire atmosférico.

Es un sistema muy seguro ya que no hay sustancias tóxicas o explosivas, y además se emplea el mismo combustible que para los motores de los diesel principales, por lo que no haría falta un tanque específico para el diesel modificado con ciclo cerrado. Pero también tiene inconvenientes como el bajo rendimiento del sistema (alrededor del 30%), la eliminación del CO2 consume parte de la energía generada y sus equipos ocupan un espacio importante, y, lo más crítico al hablar de submarinos, es que al ser un motor de combustión interna será ruidoso debido a las explosiones de los cilindros y además produce vibraciones, aunque éstas se intentan soslayar mediante una encapsulación y un aislamiento de la estructura. El sistema tiene grandes ventajas y las pruebas efectuadas fueron muy satisfactorias tanto desde el punto de vista de las prestaciones como de la firma acústica, aún así, no existe actualmente ningún submarino en servicio con esta tecnología.

Esquema simplificado de funcionamiento del CCD

1.3. Sistemas actualmente operativos

Actualmente existen cinco tipos diferentes de propulsión AIP, operativos o en proceso de construcción en submarinos. Son el motor Stirling (Kockums), el sistema MESMA (DNCS), los depósitos criogénicos conteniendo hidrógeno (Rubin), los sistemas basados en la obtención de hidrógeno desde hidruros metálicos (HDW/Siemens) y el sistema mediante el reformado de bioetanol (Navantia/Hynergreen).

1.3.1. Motor Stirling: Datado de comienzos de los años noventa, es el primero de los sistemas anaerobios en funcionamiento operativo. Aunque el motor Stirling se definió teóricamente en el siglo XIX por el reverendo escocés Robert Stirling, la tecnología actual ha sido desarrollada por la empresa sueca Kockums. El motor de Stiling realiza los mismos procesos de calentamiento y enfriamiento de un gas en una máquina de vapor, pero todo ocurre dentro del motor y el gas es aire en vez de vapor de agua, por lo que la caldera no es necesaria. El principio de funcionamiento es tan solo el calentar y enfriar, a volumen constante, un medio de trabajo, que puede ser aire, helio, hidrógeno e incluso un líquido, mediante la aportación del calor generado en una cámara de combustión externa.

El gasoil pasa a la cámara de combustión conjuntamente con el oxígeno criogénico (previamente evaporado) cediendo el calor generado mediante un intercambiador a un área determinada de un circuito cerrado de gas (foco caliente). Consta de dos cilindros y dos pistones, uno de ellos operando frente a un foco caliente (cámara de combustión) y otro frente a un foco frío. El gas que se encuentra entre los dos pistones (Helio) se mueve continuamente del foco caliente al frío. Este gas calentado se calienta en un cilindro y se expande, provocando el desplazamiento del pistón hacia el punto muerto inferior. Es en este punto dónde se genera el trabajo. De aquí el pistón se desplaza al punto muerto superior, y el gas atraviesa el regenerador absorbiendo éste parte de la energía calorífica, lo que hace que el gas se enfríe y disminuya su presión. El pistón del cilindro del foco frío desciende al punto muerto inferior. A continuación el pistón frío se desplaza en carrera ascendente comprimiendo el gas y calentándolo, y, al pasar de nuevo a la cámara caliente incrementa su temperatura al atravesar el regenerador. Todo esto provoca un movimiento alternativo de pistones que se transmite a un cigüeñal por medio de bielas. En pocas palabras, es una máquina que entrega trabajo a consecuencia de la expansión y contracción de un gas en dos fases isotérmicas y dos fases a volumen constante.

Algunas ventajas de este sistema es que tiene mejor rendimiento que un motor de combustión interna (35%) así como un funcionamiento silencioso y con bajas vibraciones debido a las pocas partes móviles que tiene y que la combustión es continua, no con explosiones periódicas. Como desventajas tenemos la eliminación del CO2, que limita la máxima cota a 200 metros. El sellado del motor es crítico, ya que el gas de trabajo debe permanecer completamente estanco.

Actualmente existen submarinos operativos con este sistema AIP en varios países:

• • Suecia, con sus 3 submarinos clase “Gotland” (construidos inicialmente ya con el sistema Stirling) y 2 submarinos clase “Sódermanland” (previos clase “Vástergótland”, reconvertidos en Stirling tras una obra de media vida realizada por Kockums).

  • Singapur, dos submarinos clase “Archer” (antiguos clase “Vástergótland” comprados a Suecia).

  • Japón, diez submarinos clase “Sóryüs”, y otros cuatro en construcción, los cinco primeros por la empresa Mitsubishi Heavy Industries y los cinco siguientes por Kawasaki Heavy Industries con licencia de construcción de la empresa sueca Korckums Naval Solutions.

Esquema simplificado de funcionamiento del MESMA

Los tres siguientes tipos de AIP funcionan con pilas o células de combustible, en los que el hidrógeno y el oxígeno producen energía eléctrica al hacer desplazar electrones de un ánodo a un cátodo y que se explicará en detalle más adelante. La diferencia entre los tres es la forma en la que se obtiene el hidrógeno para esta reacción.

1.3.3. Depósitos criogénicos de Hidrógeno (Rubin): Es el sistema AIP utilizado en los submarinos de la clase LADA (clase Sankt Petersburg) de la marina rusa y está previsto para los derivados de esta clase. Está diseñado por la empresa Rubin Design Bureau, basado en la existencia de depósitos criogénicos verticales y horizontales interiores que contienen oxígeno e hidrógeno respectivamente. El inconveniente de este sistema es el gran peligro del almacenamiento de una elevada cantidad de hidrógeno. Cualquier fuga produciría una incontrolable reacción exotérmica. Además, el hidrógeno debe almacenarse a temperaturas próximas a -250°C, por debajo de su punto normal de ebullición a 1 atm que es a -252,76°C (20,38°K). Se introduce en un tanque de doble pared aislado térmicamente, de tal manera que se minimicen las pérdidas por evaporación, que pueden llegar a ser del 1 al 2% diario. Estos tanques además requieren un circuito de nitrógeno líquido para mantener su baja temperatura.

En términos generales es un sistema que utiliza células de combustible LOX-H2, hidrógeno y oxígeno líquido, para la conversión directa de la energía química de un combustible en energía eléctrica y calor. Tras las pruebas de mar realizadas a los submarinos con este sistema, y tras unas mejoras tras verse paralizado el proyecto varios años, existen 3 submarinos en activo y un cuarto previsto para 2019. Además, Rusia pretende aumentar su mercado de exportación vendiendo una variante del prototipo (Proyecto 950 AMUR), más barato que el proyecto alemán-italiano (212) y el franco-español (Scorpene).

1.3.4. Obtención de hidrógeno desde hidruros metálicos (HDW/SIEMENS): El hidrógeno es un elemento muy abundante, aunque no en estado puro, sino que se encuentra combinado con otros elementos. Se puede obtener del agua, de hidrocarburos o de hidruros metálicos. El almacenamiento del H2 en estado puro presenta muchas dificultades, como ya se ha visto previamente en esta monografía, debido a su baja temperatura de licuefacción y a que reacciona violentamente al entrar en contacto con el oxígeno, siempre con una reacción exotérmica incontrolable. El mejor procedimiento implantado a día de hoy en submarinos es el de hidruros metálicos, ya que es el más seguro y fiable, pero también es el más caro.

La base de este método consiste en que ciertos metales y aleaciones metálicas tienen la propiedad de formar enlaces covalentes reversibles cuando reaccionan con el hidrógeno, formando lo que se conoce como hidruros metálicos, que se descomponen cuando se calientan liberando hidrógeno. El hidruro se forma sometiendo un determinado metal a una presión elevada de hidrógeno, lo que ocasiona que el metal atrape átomos de hidrógeno en su estructura cristalina como si fuera una esponja. Basta luego con disminuir la presión exterior para que el metal libere el hidrógeno. Los hidruros tienen la importante propiedad de que pueden utilizarse para almacenar hidrógeno durante muchos ciclos de asociación-disociación sin que con ello disminuya su capacidad de almacenamiento. Los tanques de metal-hidruro, por tanto, tienen en su interior una aleación capaz de absorber hidrógeno el cual se recupera más tarde aportando calor. Los hidruros metálicos llevan una proporción del 1 al 7% en peso de hidrógeno. En metales como el titanio, la concentración de energía por unidad de volumen es más alta que en el hidrógeno líquido. Se han estudiado más de 200 aleaciones diferentes, siendo las más adecuadas las del grupo V de los metales de transición, tanto por su capacidad de almacenamiento como por su precio, su no decrepitación y la baja temperatura que se necesita para disociar el hidruro.

Los tanques de metal-hidruro tienen dos inconvenientes: uno es que se necesita el aporte de energía para recuperar el hidrógeno, y el segundo es que no todo el hidrógeno que se introduce en los metales es recuperable, su rendimiento no es del 100%.

Actualmente se encuentra operativos o en construcción numerosos submarinos, pudiendo nombrar los tipo 212A 4 U-31 de Alemania e Italia, el tipo 212 A Batch 2 de Alemania, el tipo 214 de Grecia, Corea del Sur, Turquía y Pakistán, los clase Dolphin de Israel, y los tipo 209/1400 de Portugal.

Funcionamiento esquemático (Figura 1) y figura 3D de las pilas del Submarino S-80

En este punto de la explicación del funcionamiento del sistema, nos encontramos que el bioetanol ya ha sido procesado y hemos obtenido el hidrógeno, y tras purificarlo mediante dos procesos diferentes, hemos alimentado a las células de combustible, produciendo la energía eléctrica necesaria para la carga de baterías y el suministro al buque. Lo único que queda en este momento es la eliminación del CO2 que obtuvimos tras el sistema de purificación de gases indeseables.

Para su eliminación es necesario disolver las burbujas de dióxido de carbono en agua de mar, expulsando después esta disolución al exterior con los niveles de discreción propios para un submarino. Este sistema es el SECO2 6, diseñado por Bionet, se comprime y se enfría el CO2, para posteriormente, por medio del eductor y del mezclador del sistema, mezclarlo y disolverlo con el agua de mar expulsándolo al exterior. El proceso se ve favorecido por las presiones elevadas y las temperaturas reducidas.

Para finalizar, debe señalarse que el almacenamiento de todos los productos necesarios para el funcionamiento del sistema es francamente importante, y cada uno de ellos requiere de medidas especiales para la seguridad del submarino.

El oxígeno líquido (-185°C) se almacena en un tanque tipo “Dewars” (de doble pared) de unos 7 metros de longitud y 4 de diámetro, con una capacidad de unos 60m3. Está formado por dos recipientes, uno interior y otro exterior, existiendo vacío entre ambos para evitar pérdidas innecesarias de temperatura. El recipiente interior está soportado con el exterior por unos pocos puntos de apoyo, muy livianos, para evitar esa posible vaporación líquida. El oxígeno es un gas comburente, no arde él mismo, pero es peligroso porque hace que materiales no combustibles pasen a serlo, y los que ya eran combustibles, ardan de forma violenta. Los usos del oxígeno, a modo de resumen son los siguientes: suministro de oxígeno para la cámara de combustión del reformador de bioetanol, suministro para la eliminación del monóxido de carbono (COPROX), suministro para la pila de combustible, y suministro para la regeneración de la atmósfera. Antes del uso del oxígeno, se bombea en un intercambiador de calor con agua glicolada5, similar a la usada en centrales nucleares.

El bioetanol se almacena en el interior del casco resistente, en tres tanques situados en la cámara del AIP y en auxiliares de proa. La capacidad total de almacenamiento es de 30 m3, lo que teóricamente le da al submarino una autonomía de 15 días en inmersión a una velocidad de 4 nudos.

CAPITULO 3

Durante el capitulo anterior se ha explicado de manera clara y comparativamente concisa como funciona el sistema AIP y en que consiste dicho proceso. Pero realmente hace falta ser conscientes del verdadero salto que supone este sistema con respecto a los submarinos diesel convencionales o incluso con otros sistemas AIP y por supuesto, en su ámbito de aplicación, con respecto a los submarinos de propulsión nuclear.

3.1. Estado de desarrollo e implantación del sistema.

Durante la primera fase de desarrollo y concepción del proyecto, en el año 2003, se decidió confiar el desarrollo de la tecnología AIP a la empresa nacional ABENGOA debido a su solvencia económica y a sus experiencia en energías renovables. Durante esta primera fase, ABENGOA desarrolla un prototipo de 10Kw para comprobar la viabilidad y posterior desarrollo del proyecto. Tras finalizar esa primera fase con éxito, se desarrolla una segunda, en la cual deben construir un AIP que sea capaz de generar 300Kw, lo cual le permitiría estar los 15 días sin realizar snorkel exigidos por la Armada. Durante los últimos años se consigue realizar esa pila de combustible de 300kw en tierra y con un considerable tamaño. El problema se plantea cuando debe navalizarse. ABENGOA es incapaz, construyendo la planta en el tamaño adecuado para que quepa en un submarino, de producir esa misma potencia por tanto, el proyecto seguía retrasándose. En el año 2014, ante la imposibilidad de miniaturizar la pila de combustible según especificaciones de contrato, la Armada decide ampliar las miras para posibles desarrolladores del proyecto y que puedan aportar soluciones viables para su implantación en el submarino. Tras varios intentos por diversas empresas del entorno, sólo quedan como principales desarrolladores reales del proyecto, ABENGOA, que ha absorbido a Hynergreen, y Técnicas Reunidas7. En el año 2017, Técnicas Reunidas desarrolla y patenta un sistema AIP que dice, puede integrarse en el submarino y producir la energía necesaria para propulsarlo durante 15 días. La Armada por su parte esta a la espera de ver los resultados y ABENGOA sigue intentando desarrollar el sistema para llevarse el contrato para el que fue elegido hace ya mas de 15 años.

3.2. Ventajas y capacidades esperadas.

A lo largo de este trabajo se han visto las características del sistema AIP que la Armada ha exigido a su contratista pero, a la vista de las demoras y dificultades sobrevenidas a las que se ha tenido que hacer frente en este proyecto, conviene comparar con otros sistemas existentes las ventajas que proporcionará a los futuros submarinos S-80 con respecto a los ya existentes y probados.

La primera de ellas es algo obvio, al utilizar un reformado de bioetanol se evita la dependencia del hidrógeno y el tener que llevarlo a bordo como ocurre en los submarinos alemanes tipo 212. España es el primer productor de bioetanol del mundo tal y como puede verse en la siguiente tabla y con ello, se evita una dependencia tecnológica y de materia prima para abastecer al submarino durante toda su vida operativa.