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Luis LÓPEZ PALANCAR Doctor ingeniero naval |
| Preámbulo | |
ACE relativamente poco tiempo ha comenzado sus pruebas el submarino U-31, primero del tipo 212-A, encargado por la Bundesmarine a los astilleros Howaldtswerke v Nordseewerke, y cabeza de serie de las otros cuatro unidades encargadas a los citados astilleros por Alemania.
En breve también se lanzarán las dos unidades del mismo tipo encargadas por Italia, y se está comenzando a trabajar en los tipos 214 con destino a Grecia y Corea del Sur. Característica común de todas estas unidades es la de poseer un sistema AIP basado en Células de Combustible alimentadas por hidrógeno almacenado en tanques construidos en hidruros metálicos. Los buques del tipo 214, que inicialmente iban a llevar un sistema parecido, pero usando como combustible primario metanol, del que por medio de un sistema de reformado se obtendría el hidrógeno, se han cambiado en su diseño, pasando a utilizar un sistema igual al instalado en este primer submarino U-31. Teniendo en cuenta las características geoestratégicas de España y las misiones de su Arma Submarina, es plausible considerar que no se seguirá el ejemplo en los nuevos buques S-80 de los tipos 212-A construidos en Alemania e Italia, y los 214 que se construirán para Grecia y Corea del Sur. En efecto, si consideramos los posibles teatros operativos de las unidades anteriormente mencionadas, nos encontramos que el teatro operativo de los submarinos germanos serán los mares Báltico y del Norte, con distancias sumamente reducidas. Otro tanto ocurre con Italia, cuya flota está confinada en el Mediterráneo, por lo que sería este mar el principal teatro de operaciones, y aún más los mares Adriático y Tirreno. El caso de Grecia es similar al de Italia, pero con unos posibles teatros operativos aún más restringidos (mares Egeo y Jónico). Corea del Sur tiene como posibles teatros operativos para sus unidades subacuáticas los mares del Japón y el mar Amarillo. Es decir, todos estos países tienen como posibles zonas de operaciones de sus unidades subacuáticas mares de extensión reducida y aguas poco profundas, para los que son suficientes unidades costeras. El caso de España es totalmente diferente. No sólo puede ser el Mediterráneo el posible teatro operativo de nuestros submarinos, sino el océano Atlántico y el mar Cantábrico. En el caso español, son precisas pues unidades oceánicas. El objeto del presente artículo no es otro que el de dar a conocer los últimos desarrollos en la tecnología de las Células de Combustible para su aplicación a la propulsión AIP de submarinos convencionales. | |
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Posibilidades de sistemas Al P con Células de Combustible | [Inicio] |
En el momento actual, como ya se comentó en otro lugar, existen tres alternativas principales de sistemas AIP: los motores Stirling, las Células de Combustible y los sistemas CCD (Ingeniería Naval-junio/julio 2001, «Pasado, presente y futuro de los sistemas de propulsión anaerobios en submarinos» ). En principio, cualquiera de los tres sistemas es aplicable a un submarino convencional, ya que el sistema MESMA es autodescartable debido a su alto consumo de oxígeno y a su nula implantación a nivel mundial. |
Los motores Stirling | [Inicio] |
Los motores de ciclo Stirling son utilizados únicamente por la Marina sueca en los submarinos tipo Gotland. Son pequeñas unidades tipo V4R-275, con una potencia unitaria de 75 kW, a todas luces insuficiente para un buque del tipo S-80, pero perfectamente factibles para pequeñas unidades de sólo 1.500 toneladas en inmersión y con zonas operativas muy restringidas. Por otra parte, el volumen de almacenamiento de oxígeno para generar 1 kW de potencia es muy elevado (del orden de 1,85 litros), y a esto debemos añadir el hecho de que a bordo del buque, además de los tanques de oxígeno, deben llevarse otros gases, como nitrógeno y helio. Presentan la ventaja de que el oxígeno necesario para el funcionamiento de estos motores no es preciso que tenga una pureza extraordinaria, por lo que no es precisa una infraestructura portuaria especial para el reavituallamiento de este elemento. |  |
Esquema de instalación de los motores Stirling. El principal problema radica en la poca potencia de estos motores. que ha sido la causa de su rechazo por otras armadas interesadas en proveer a sus submarinos de un sistema AIP fiable, seguro y de coste equilibrado. |
Las Células de Combustible | [Inicio] |
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Éste es el sistema en el que se tenía depositada más confianza hasta el presente, ello ha sido causa de que los submarinos de los tipos 212-A y 214 lleven este sistema como AIP. Sin embargo, los propios diseñadores de estos buques empiezan a tener sus dudas respecto al momento de selección de esta solución, ya que la misma no está absolutamente madura para su uso en submarinos, y ya se adelanta que en el nuevo tipo 216 se cambiará el sistema.
Sin embargo, para comprender las razones de estas dudas de última hora es preciso hacer una corta revisión de cuáles son los principios de este sistema. Como todos sabemos, el principio del sistema no puede ser más simple: en esencia es el proceso inverso a la electrolisis. pero con una reacción controlada del oxígeno y el hidrógeno. En función de la temperatura de funcionamiento de estos equipos existen diferentes tipos (le Células de Combustibles: para los submarinos se han elegido hasta ahora las de tipo PEM (Proton Exchange Membrane), por ser las que funcionando a baja temperatura tienen mejor rendimiento y posibilidades de desarrollo futuro. |
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Un cierto número de células de combustible, el equipo auxiliar y la electrónica correspondiente están montados en un módulo de Células de Combustible (FC), situado en un recipiente hermético sometido a un pequeño exceso de presión con nitrógeno. En el transcurso de los últimos diez años se han investigado un gran número de diferentes tipos de células. Estas pruebas han demostrado que la utilización de Células ale Combustible tipo PEM implica un considerable incremento en la densidad de potencia en comparación con las células de tipo alcalino usadas a bordo del submarino U-/ en 1988. Ésta es una de las razones por las que las células PEM han sido elegidas para su integración en los submarinos de la clase 212-A para las armadas alemana e italiana y, posteriormente, para los nuevos buques griegos y surcoreanos del tipo 214. En la actualidad, se ha conseguido una producción en serie de módulos de células de combustible de 30, 50 y 120 kW, cumpliendo con todas las características estimadas en la fase de diseño. En función de los requisitos de potencia de salida y de la tensión, los módulos de Células de Combustible individuales (dispuestos en un stack) pueden ser conectados siempre en serie o en paralelo. Para las operaciones submarinas la planta está dispuesta para permitir la interconexión de la planta de células de combustible y las baterías en el funcionamiento normal anaerobio (AlP). No es necesario el mantenimiento de los módulos en el transcurso de la misión. Otras razones que han favorecido la elección de este tipo de Células de Combustible son las siguientes: - Bajo peso del sistema completo de células de combustible. - Rapidez para alcanzar la temperatura de funcionamiento, y con ello, su plena operatividad. - Mínima firma infrarroja, debido a que su temperatura de funcionamiento es muy baja.  Disposición tipica de una planta de Células de Combustible. El hidrógeno sirve como elemento portador de energía para el proceso electroquímico en el interior de las Células de Combustible, y se almacena en cilindros de hidruros metálicos situados en el exterior del casco resistente del submarino. Estos hidruros metálicos tienen espacios libres en su estructura metálica que pueden ser rellenos con átomos de hidrógeno en procesos reversibles. El calor disipado en el proceso de funcionamiento de las Células de Combustible se usa para deshidrogenar los cilindros de hidruros metálicos. De esta forma es factible, en relación con el volumen del cilindro. Utilizar grandes cantidades de hidrógeno a baja presión y temperatura ambiente. Las conducciones de hidrógeno en el interior del casco resistente son de doble envuelta, y el espacio entre estas envueltas está relleno de nitrógeno para asegurar un funcionamiento seguro. Dado que no son sensibles a los factores medioambientales, los cilindros de almacenamiento de hidruros metálicos son. por el momento, el procedimiento más seguro para almacenar el hidrógeno. Los hidruros no contienen gas libre y la cantidad de hidrógeno liberada depende de la cantidad de energía térmica producida. El dilema planteado a los diseñadores de estos sistemas fue si almacenar el hidrógeno para la reacción química en tanques a alta presión y baja temperatura (lo que supone un peligro potencial para la seguridad del buque) o almacenarlos en tanques de hidruros metálicos, en los que por estar a temperatura ambiente y contenidos en las celdillas de hidruros no constituyen peligro alguno, pero a cambio de un poder de almacenamiento muy bajo (en la actualidad se puede almacenar solamente un 2 por 100 de H2 de la plena capacidad del tanque). Se eligió este último sistema por las seguridades inherentes que presentaba, pero a cambio de una baja autonomía en inmersión, dado el poco hidrógeno almacenado. | |
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El problema del reformado de los combustibles | [Inicio] |
Dados los problemas expuestos para el almacenamiento de hidrógeno a bordo de un buque tan crítico como es un submarino, lo ideal es que las células de combustible se alimentasen de hidrógeno producido a partir de un combustible más estable o con mayor capacidad de almacenamiento, como pueden serlo el metanol, etanol, gas natural, queroseno o el tradicional combustible diesel, transportados a bordo. Sin embargo, la obtención de hidrógeno a partir de estos combustibles plantea una serie de problemas, aún no resueltos satisfactoriamente para su uso en submarinos. Este proceso de obtención de hidrógeno a partir de cualquiera de los combustibles enumerados se denomina «reformado». El reformado de los hidrocarburos es una tecnología muy conocida en la industria petrolífera y química. No obstante, el paso de este proceso en gran escala en plantas industriales con producción estacionaria a dispositivos ligeros, de poco peso y en pequeña escala, presenta serias dificultades, como ha demostrado la experiencia durante los últimos años. En general hay tres tipos diferentes de proceso de reformado de los combustibles: - Reformado por vapor. - Oxidación parcial. - Reformado autotérmico. Si nos concentramos en el reformado del etanol, los tres procesos son aplicables. El proceso previo para eliminar el azufre (desulfurización) y romper las cadenas aromáticas y olefinas, común para los restantes tipos de combustibles, no es preciso en este caso. A continuación, se estudian someramente los tres sistemas citados anteriormente. Reformado por vapor El sistema de reformado por vapor es una tecnología industrial madura, consistente en una reacción, favorecida catalíticamente. entre el combustible y el vapor. Para el etanol, las reacciones principales son las siguientes: C2H5OH + H2O ---> 2 CO + 4 H2 C2H5OH + 3 H2O ---> 2 CO2 + 6 H2  Esquema de una Célula de Combustible PEM con el sistema reformado y el de limpieza del gas. Estas reacciones son endotérmicas y, normalmente, se llevan a cabo a temperaturas comprendidas entre los 400 y los 600º C. Son reversibles, y se alcanza el equilibrio cuando existe una gran cantidad de níquel como catalizador muy activo. El calor necesario es suministrado bien quemando combustible adicional o por medio de otra fuente externa de calor. Oxidación parcial La oxidación parcial es la conversión sub estequiométrica de hidrocarburos con oxígeno o aire para convertirlo en una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono. Pero el dióxido de carbono, el oxígeno, el agua y el nitrógeno (en caso de utilizar aire) toman parte en el proceso de reformado. La reacción principal C2H5OH + 1/2 O2 --> 2 CO + 3 H2 es exotérmica, con lo que no es precisa una fuente calorífica externa. Comparado con el proceso de reformado por vapor, el tiempo de comienzo es menor y las características de cambio dinámico de carga son mejores, pero el control de la reacción constituye por ahora el problema y la dificultad. Es una reacción adiabática en fase gaseosa (no catalizada) que se lleva a cabo a temperaturas de 1200 a 1.500º C. Reformado autotérmico El reformado autotérmico es una combinación de los dos procesos descritos anteriormente. El reactor se alimenta de combustible, vapor y aire en una relación específica y determinada, de forma que la reacción exotérmica suministra exactamente el calor necesario para la reacción endotérmica del vapor. De forma similar al reformado con vapor, es una reacción catalítica, pero en este caso es adiabática. Las temperaturas en las que tiene lugar el proceso están en el margen de los 700 a los 850° C. En el caso de un submarino en inmersión, y con excepción de los buques con propulsión nuclear, no existe disponible a bordo, en situación de inmersión, fuente de calor suficientemente potente para alcanzar las temperaturas de reformado necesarias. Por otra parte, las Células de Combustible PEM utilizadas en submarinos (por ser las de menor tamaño y porque trabajan a baja temperatura) presentan una serie de características muy específicas. Tienen una tolerancia muy limitada al monóxido de carbono. En función de los materiales usados, concentraciones de CO superiores a 10 ppm constituyen un veneno para el cátodo-catalizador e irreversiblemente inutilizan la Célula. Este proceso se llama «degeneración». Por ello, es preciso un proceso adicional al reformado de tratamiento del gas. El método más usual para reducir el CO es una reacción en dos etapas y una oxidación selectiva. La reacción de cambio CO + H2O --> CO2 + H2 se efectúa a temperaturas de 300-450° C en una fase primaria de alta temperatura y en una fase posterior de baja temperatura ( 180-250° C). Como efecto positivo, se producen cantidades adicionales de hidrógeno. La concentración de CO del reformado puede ser reducida aún más, hasta límites inferiores a los aceptables por la oxidación selectiva. Aquí, el CO es convertido en CO2 catalíticamente: CO + 1/2 O2 --> CO2 Alternativamente, el paso final puede ser sustituido por otros sistemas, tales como el de Absorción por Cambios de Presión (PSA, Pressure Swing Absortion) o separación por tina membrana de aleación de paladio. En ambos casos, el hidrógeno es separado del reformado. La mezcla de gases, consistente en CO2, H2O y restos de CO y H2, es evacuada, y el hidrógeno puro alimenta a la Célula de Combustible. En resumen, dado que en una unidad subacuática no existen fuentes de calor para proceder a estos reformados, es más que dudoso que, por el momento, las Células de Combustible tengan éxito en esta aplicación. Por otra parte, el oxígeno necesario para el funcionamiento con Células de Combustible, procedente del aire, debe tener unas características de pureza que no son los estándares en la producción de este elemento. Téngase en cuenta que las pequeñas cantidades de impurezas o gases extraños contenidos en el almacenamiento y producción normal de este elemento químico son altamente venenosas para las propias Células de Combustible; similarmente, la disponibilidad de hidrógeno en las bases y mucho menos la existencia de una red a escala mundial para la recarga de este elemento no están disponibles por el momento, y se duda mucho de que lo estén en un futuro, dado el alto riesgo que este gas implica en sí mismo.  |
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| REVISTA GENERAL DE MARINA - TEMAS PROFESIONALES - DICIEMBRE 2003 | |
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