Early-Stage Analysis of Air Independent Propulsion Based on Fuel Cells for Small Submarines

Análisis preliminar de la propulsión independiente del aire basada en pilas de combustible para pequeños submarinos

Este artículo presenta un análisis de los resultados de una propulsión híbrida independiente del aire basada en pilas de combustible para submarinos pequeños. Se han determinado el peso y el volumen de la propulsión investigada, así como las principales características tácticas y técnicas del submarino de 540 toneladas equipado con esta propulsión. Se han estudiado cinco sistemas a bordo para el almacenamiento o la generación de hidrógeno y el almacenamiento de oxígeno. La combinación de un sistema de microbalones de hidrógeno con el almacenamiento criogénico de oxígeno es la mejor solución para la propulsión. La resistencia y la autonomía en inmersión se multiplican por 32,1-64,8 en comparación con el uso exclusivo de baterías. El coeficiente de indiscreción es igual a cero a velocidades de crucero inferiores a 7,1 nudos, mientras que a velocidades superiores, este valor ha disminuido drásticamente, y el sigilo del submarino ha aumentado considerablemente.

1. INTRODUCCIÓN

Los submarinos son ventajosos para las armadas porque pueden maniobrar bajo el mar y realizar ataques sin ser detectados.  Además, el mundo se concentra actualmente en el desarrollo de submarinos pequeños, que suelen tener un desplazamiento sumergido inferior a 600 Mg [1], están equipados con generadores diésel y baterías de iones de litio y, en algunos casos, disponen de un sistema de propulsión independiente del aire (AIP).

En las centrales diésel-eléctricas convencionales, la electricidad generada por los generadores diésel (GD) se almacena en un banco de baterías (BB) y se utiliza para alimentar los motores eléctricos de propulsión (MP).  Los submarinos diésel-eléctricos tradicionales ven limitado su tiempo de navegación sumergidos debido a la escasa cantidad de energía de sus BB. Para recargar los BB, los submarinos deben flotar hasta la superficie o utilizar un equipo retráctil para el funcionamiento diésel a profundidad de inmersión, lo que aumenta la probabilidad de detección por radar, infrarrojos, optoelectrónica y sensores acústicos.  Se utiliza una propulsión independiente del aire para aumentar la resistencia sumergida, el alcance sumergido y el sigilo, que puede funcionar como fuente de energía auxiliar.

Los submarinos pequeños utilizan varios tipos de AIP, como el diesel de ciclo cerrado, el motor Stirling y la pila de combustible de membrana de electrolito polimérico (PEMFC) [2, 3].  Este artículo examina un AIP híbrido formado por la combinación de BB y PEMFC, ya que la PEMFC es eficaz en el modo de carga a largo plazo, mientras que el BB tiene más éxito en ciclos cortos de descarga-carga.

Una PEMFC es un sistema que convierte directamente la energía química del combustible en energía eléctrica. El combustible de la reacción (hidrógeno) puede almacenarse a bordo como gas comprimido [4], como líquido a temperaturas criogénicas [5-7] (hidrógeno líquido - LH₂), o como sólido en determinados hidruros metálicos y compuestos intermetálicos (MH₂) [2, 5, 7, 8].