Propulsión independiente de aire

Propulsión Independiente de Aire o AIP es un término que engloba las tecnologías que permitem a un submarino operar sin la necesidad de emerger a la superficie o tener que usar el sistema snorkel para acceder al oxigeno de la atmósfera. El término usualmente excluye el uso de energía nuclear, más bien se trata de aumentar o reemplazar el sistema de propulsión diésel-eléctrica de naves no nucleares. La Armada de USA utiliza el símbolo de clasificación de casco “SSP” para designar un submarino impulsado por AIP, mientras retiene el clásico “SS” para los submarinos de ataque diésel-eléctricos.^[1]

AIP es usualmente implementada como una fuente auxiliar. La mayoría de tales sistemas generan electricidad que activa un motor para propulsión o para recargar las baterías del submarino. El sistema eléctrico del submarino además es usado para proveer "servicios de hotel "—ventilación, iluminación, calefacción, etc— a pesar de que estos servicios consumen muy poca energía comparados con la propulsión.

Un beneficio de este enfoque es que puede ser adaptados en submarinos existentes mediante la inserción de una sección de casco adicional. El AIP normalmente no provee la energía suficiente para reemplazar totalmente la propulsión dependiente de aire, pero permite al submarino permanecer sumergido durante más tiempo que los submarinos convencionales sin AIP. Una típica planta de energía convencional va a proveer un máximo de 3 megawatts, y una fuente AIP cerca del 10% de esa energía. La planta de un submarino de propulsión nuclear normalmente tiene una potencia mayor de 20 megawatts.

Abastecimiento Interno de oxigeno

Historia

En 1867 Narcíso Monturiol Estarriol desarrolló exitosamente un forma temprana de propulsión anaeróbico independiente del aire. En 1908 la Armada Imperia del Rusa lanzó el submarino Pochtovy el cual usaba un motor de gasolina alimentado con aire comprimido y escape bajo el agua.

Durante la Segunda Guerra Mundial la firma Walter experimentó con submarinos que usaban peróxido de hidrógeno concentrado como su fuente de oxigeno bajo el agua. Estos usaban turbinas de vapor, empleando vapor calentado mediante la combustión de gasoil en una atmósfera creada por la descomposición de peróxido de hidrógeno por la catalización de permanganato de potasio.

Algunos submarinos experimentales fueron producidos, y uno, el U-1407, el cual había sido hundido al final de la guerra, fue rescatado y recomisionado en la Armada Real Británica con el nombre de HMS Meteorite. Los británicos construyeron dos modelos mejorados a finales de los años 1950s, HMS Explorer y el HMS Excalibur.

La URSS también experimentó con la tecnología y el submarino experimental soviético S-99 fue construido. El Peróxido de Hidrógeno fue finalmente abandonado debido a que era altamente reactiva y al entrar en contacto con algunos metales es volátil, y los submarinos tienen una alta proporción de consunción.

La propulsión de peróxido de hidrógeno se mantuvo para los torpedo por los británicos y la Unión Soviética, aunque esta última rápidamente abandonó esta tecnología después de la tragedia del HMS Sidon. Tanto ésta como la pérdida del submarino ruso Kursk se debieron a accidentes de torpedos propulsados con peróxido de hidrógeno.

Motores de ciclo cerrado

Esquema de funcionamiento de un motor diésel de ciclo cerrado.

Esta tecnología usa un motor diésel de submarino el cual puede ser operado de forma convencional en la superficie, pero cuando se sumerge es alimentado con un oxidante, generalmente almacenado como oxígeno líquido. Debido a que el metal del motor puede arder en oxigeno puro, el oxigeno es usualmente diluido con gas del escape reciclado. Como no hay gas de escape al encender el motor se utiliza argón.

Durante la Segunda Guerra Mundial la Kriegsmarine experimentó con este sistema como alternativa al peróxido de hidrógeno de Walter, incluyendo una variante del submarino enano Tipo XXVIIB, el “submarino de Klein”. Este fue impulsado por un motor diésel de 95 hp de un tipo comúnmente usado por la armada alemana y que estaba disponible en grandes cantidades, alimentado con oxigeno desde un tanque ubicado en la quilla que contenía 1,250 litros a 4 atmósferas. Se pensó que la unidad podía tener una velocidad máxima sumergida de 12 nudos con un alcance de 70 millas náuticas o un alcance de 150 millas náuticas a una velocidad de 7 nudos.

El trabajo alemán fue subsecuentemente expandido por la Unión Soviética donde se investigó intensamente esta tecnología, desarrollando un pequeño submarino de 650 toneladas Clase Quebec del que se construyeron 30 entre 1953 y 1956. Estos tenían 3 motores diésel; dos eran convencional y uno de ciclo cerrado usando oxigeno líquido.

En el sistema soviético, llamado “sistema propulsión único”, el oxigeno era añadido después de que los gases de escape habían sido filtrados a través de un absorbente químico basado en cal. El submarino podía operar sus motores diésel usando un snorkel. El “Quebec” contaba con 3 motores: un 32D de 900 bhp en el eje central y dos M-50P de 700 bhp en los ejes exteriores. En adición un motor de arrastre de 100hp fue acoplado al eje central. El submarino podía avanzar a baja velocidad usando únicamente el motor diese central.^[2]

Debido a que el oxigeno liquido no puede ser almacenado por gran cantidad de tiempo estas naves no podían operar muy lejos de sus bases. Además era un sistema peligroso, al menos 7 submarinos sufrieron explosiones, y uno de esos, el Submarino Soviético M-256, se hundió después de una explosión e incendio a bordo. Fueron llamados “encededores de cigarros”. El último fue desguazado a principios de los 1970s.

El submarino alemán Tipo 205 U1, una vez retirado del servicio, fue equipado con una planta experimental de 3000 hp (2.2 mw).

Turbinas de vapor de ciclo cerrado

Esquema de funcionamiento del Sistema AIP MESMA.

El sistema francés MESMA (Module d'Energie Sous-Marine Autonome) o módulo de energía autónomo para submarinos está siendo ofrecido por el astillero francés DCNS. MESMA está disponible para los submarinos Clase Agosta 90B y Clase Scorpène.

Esencialmente es una versión modificada del sistema de propulsión nuclear donde el calor es generado por etanol y oxigeno. Se trata de una turbina de vapor convencional donde el vapor es generado por la combustión de etanol y oxigeno almacenado a una presión de 60 atmósferas. Este fuego a presión produce dióxido de carbono que puede ser expulsado de la nave a cualquier profundidad sin necesidad de un compresor de expulsión.

Cada sistema MESMA cuesta entre 50 y 60 millones de US$. Para instalar en el Scorpene se requiere añadir un sección de casco de 8.3 metros al submarino, lo que resulta en una nave capaz de operar por más de 21 días sumergido, dependiendo de variables como velocidad, etc.^{[3] [4]}

Un artículo en Undersea Warfare Magazine anota que: a pesar de que MESMA puede proveer más poder (energía) de salida que otras alternativas, su eficiente inherente es menor que los cuatro sistemas AIP candidatos, y su tasa de consumo de oxigeno es correspondientemente más alta.^[4]

Motores de ciclo Stirling

Esquema de funcionamiento del Sistema AIP Stirling.

Un motor Stirling es un motor de calor que funciona por compresión y expansión cíclica de aire u otro gas, el fluido de trabajo, a diferentes niveles de temperatura, de manera tal que existe una conversión neta de energía térmica en trabajo mecánico.^[5]

Este motor es como uno de vapor en el que el calor del motor fluye dentro y fuera a través de su pared. Esto se conoce tradicionalmente como un motor de combustión externa, en contraste con un motor de combustión interna donde la entrada de calor se produce por la combustión del combustible dentro del cuerpo del fluido de trabajo. A diferencia de la máquina de vapor, que usa agua tanto en sus fases líquida y gaseosa como fluido de trabajo, el motor Stirling encierra una cantidad fija de fluido gaseoso como aire o helio. Como en todos los motores de calor, el ciclo general consiste en comprimir el gas frío, el calentamiento del gas, la expansión del gas caliente, y, finalmente, el enfriamiento del gas antes de repetir el ciclo.

El constructor de barcos sueco Kockums ha construido tres submarines Clase Gotland pora la Armada Real de Suecia que fueron equipado con un Motor Stirling auxiliar el que usa oxígeno líquido y combustible diésel para activar generadores de 75 kilowatt ya sea para propulsión o para cargar las baterías. La autonomía que permite el AIP para las naves de 1,500 toneladas es aproximadamente 14 días a una velocidad de 5 nudos (9 km/h).^[6]

Kockums además ha entregado motores Stirling a Japón. Los nuevos submarinos Japoneses estarán equipados con motores Stirling. La primera nave, el Sōryū , de esta clase fue lanzada el 5 de diciembre del 2007 y entró en operación durante el año 2009.

Celdas de combustible

Submarino Tipo 212 con propulsion de celda de combustible de la Armada de Alemania en puerto.

Esquema de funcionamiento de una pila de combustible.

Una pila de combustible, también llamada célula o celda de combustible es un dispositivo electroquímico de conversión de energía similar a una batería, pero se diferencia de esta última en que está diseñada para permitir el reabastecimiento continuo de los reactivos consumidos; es decir, produce electricidad de una fuente externa de combustible y de oxígeno en contraposición a la capacidad limitada de almacenamiento de energía que posee una batería. Además, los electrodos en una batería reaccionan y cambian según cómo esté de cargada o descargada; en cambio, en una celda de combustible los electrodos son catalíticos y relativamente estables.

Los reactivos típicos utilizados en una celda de combustible son hidrógeno en el lado del ánodo y oxígeno en el lado del cátodo (si se trata de una celda de hidrógeno). Por otra parte las baterías convencionales consumen reactivos sólidos y, una vez que se han agotado, deben ser eliminadas o recargadas con electricidad. Generalmente, los reactivos "fluyen hacia dentro" y los productos de la reacción "fluyen hacia fuera". La operación a largo plazo virtualmente continua es factible mientras se mantengan estos flujos.

Siemens ha desarrollado una unidad de celda de combustible de 30-50 kilowatt. Nueve de estas unidades fueron incorporadas en el submarino Tipo 212 de 1830 toneladas construido por HDW Tipo 214 usan 2 módulos de 120 killowatt, también de Siemens.^[7]

Sistema AIP de Navantia - Hynergreen

Esquema de funcionamiento del AIP del Sumarino Clase S-80.

El proyecto español de submarinos Clase S-80 incluye un avanzado sistema de Propulsión independiente de Aire (AIP) basado en una Pila de combustible (Fuel Cell) parecido al sistema AIP que equipa los submarinos de diseño alemán Tipo 212 y Tipo 214.

En el diseño del AIP español, que fue desarrollado por la empresa Hynergreen Technologies S.A., se decidió operar una pila de combustible de 300 kW de salida fabricada por la empresa estadounidense UTC Power, la pila de combustible es alimentada por Hidrógeno, producido desde bio-etanol por una unidad llamada reformador , el otro insumo de la pila de combustible es oxigeno; la transformación electro química producida por la pila de combustible genera 300 kW de energía eléctrica y desecha agua (H20) que junto con el subproducto de desecho del reformador, gas carbónico (CO2), son expulsados discretamente del submarino.^{[8] [9] [10] [11]}

El constructor de los S-80, Navantia, espera que este sistema AIP genere la energía suficiente, de forma segura y silenciosa, para que las unidades S-80 puedan navegar sumergidos a profundidad táctica de forma sigilosa por decenas de días sin necesidad de emerger o usar el sistema snorkel, sin el AIP la autonomía sumergido de un submarino es de poquísimos días, no más de 4 días, tiempo después del cual tendría que acercarse a la superficie para usa el snorkel o emerger completamente exponiéndose así a ser detectado.

Energía Nuclear

Los reactores nucleares han sido usados por más de 50 años para impulsar submarinos, el primero fue USS Nautilus. Los Estados Unidos, Francia, el Reino Unido, Rusia, China e India son los únicos países que se sabe operan submarinos nucleares. Cinco de estos seis países además tienen asiento permanente en el Consejo de Seguridad Nacional de la ONU y son los únicos países que pueden poseer armas nucleares de acuerdo al Tratado de No-Proliferación Nuclear. La India acaba de completar en 2009 la construcción de su primer submarino nuclear. India alquiló en el pasado submarinos nucleares de la Clase Charlie pertenecientes a Rusia y planea adquirir dos submarinos usados Clase Akula los cuales serán usados para propósitos de entrenamiento. Adicionalmente se conoce que Brasil está investigando la propulsión nuclear para uso en submarinos. Sin embargo, Propulsión Independiente del Aire es un término normalmente usado en el contexto de mejorar el rendimiento de los submarinos impulsados convencionalmente.

A pesar de todo se ha sugerido el uso de reactores nucleares como fuente de energía auxiliar, las cuales caen en la normal definición de AIP. Por ejemplo, se ha propuesto el uso de pequeño reactor de 200 kilowatios (batería nuclear) como fuente de energía auxiliar para mejorar la capacidad bajo hielo de submarinos canadienses.

Vease tambiénPropulsión nuclear marina

AIP en operación en submarinos no-nucleares

Para 2009, algunas naciones tienen submarinos equipados con sistemas AIP:

• El submarino franco-español Clase Scorpène- (1,700 toneladas) (MESMA)
• El submarino español Clase S-80 (2,400 toneladas) de la Armada Española
• El submarino alemán Tipo 209-1400 (1,810 toneladas) (Celda de Combustible)
• El submarino alemán Tipo 212 (1,830 toneladas) (Celda de Combustible) de la Armada Alemana y la Armada Italiana
• El submarino alemán Tipo 214 (1,980 toneladas) (Celda de Combustible) en uso en la Armada de Corea del Sur, la Marina Portuguesa y próximamente la Armada de Grecia y la Armada de Turquía
• El submarino ruso Clase Lada
• El submarino ruso Clase Amur
• El submarino japonés Asashio (2,750 toneladas) (AIP Stirling) de la Fuerza Marítima de Autodefensa de Japón
• El submarino japonés Clase Sōryū (4,200 toneladas) (AIP Stirling) de Fuerza Marítima de Autodefensa de Japón
• El submarino sueco Clase Gotland (1,450 toneladas) (AIP Stirling) de la Armada de Suecia
• El submarino sueco Clase Södermanland (1,500 toneladas) (AIP Stirling) de la Armada de Suecia
• El submarino sueco Clase Västergötland de la Armada de Singapur
• El submarino chino Tipo 041 Clase Yuan (AIP Stirling) de la AELP

Además algunos constructores ofrecen actualizaciones AIP para submarinos existentes:

• Alemania Nordseewerke (motor diésel de ciclo cerrado)
• Suecia Kockums (Stirling), propiedad de la compañía alemana ThyssenKrupp
• Pakistán submarino Clase Agosta 90B hecho en cooperación con Francia
• Francia Clase Scorpène hecho por la compañía DCNS

Referencias

Enlaces externos

• Underseas Warfare article on AIP
• Seapower article
• Auxiliary nuclear reactor for Canadian submarines .PDF
• Siemens fuel cells for submarines .PDF
• Research paper describing Siemens submarine fuel cells .PDF