Propulsión anaerobia en submarinos, estado de la cuestión

09/12/2009 Por Francisco Javier Álvarez Laita y María Luisa Medina Arnáiz (Infodefensa.com) Madrid - Desde hace unos años han empezado a aparecer en las listas de buques de distintas armadas submarinos con propulsión AIP, también denominados submarinos anaerobios. El programa de construcción de los buques de la clase S-80 para la Armada ha incrementado el interés en España por los mismos. Aunque se ha hablado y escrito mucho sobre submarinos anaerobios no resulta fácil encontrar una explicación clara y en castellano sobre qué es este tipo de propulsión, los principios de su funcionamiento y las variantes operativas que se han ido incorporando. El presente informe intenta cubrir esa laguna, a la par que la situación actual en el mundo de sumergibles con este tipo de propulsión.

No se puede comenzar este trabajo sin dos definiciones previas. Se denomina anaerobio todo aquello que puede vivir o funcionar sin la presencia del oxigeno atmosférico. Por otra parte AIP son las siglas de la locución inglesa "air Independent propulsion", o en castellano "propulsión independiente del aire".

Desde que se consiguió la tecnología para reducir el tamaño de un reactor nuclear e introducirlo en el casco de un sumergible, los submarinos con este tipo de propulsión son el referente de los buques anaerobios. Pero la realidad es que, excepto para las grandes marinas, y alguna bastante menor pero con fuertes delirios de grandeza, la propulsión nuclear no es una solución interesante. Las razones de este hecho son sobradamente conocidas: coste, complejidad técnica, oportunidad política, contestación social, etc.

Por ello, a lo largo de los años se han buscado otras soluciones y, aunque en puridad en un submarino nuclear su planta energética funciona sin necesidad de consumo del oxígeno del aire, los términos de "anaerobio" y "AIP" son utilizados hoy exclusivamente para denominar a los submarinos no nucleares que emplean propulsión complementaria con funcionamiento independiente de la atmósfera.

Terminada la segunda guerra mundial los éxitos de los submarinos alemanes, y los de la aviación naval contra ellos, hicieron que diversas marinas occidentales y la de la URSS se plantearan poder disponer de sistemas de propulsión para estos buques que les permitieran largos periodos de operación en inmersión. Recorriendo este camino, en la última década del siglo pasado diversas marinas y astilleros empezaron a definir soluciones tecnológicas bastante interesantes, con planteamientos técnicos diversos. Las expresiones AIP y propulsión anaerobia están reservadas en la actualidad para este tipo de submarinos.

1.- DESCRIPCIÓN DE UN SISTEMA AIP

En un submarino convencional el motor de propulsión es, en todo momento, eléctrico. Navegando en superficie, o a profundidad periscópica con el "snorkel" extendido, la energía eléctrica para mover el motor es producida por los generadores diesel. En inmersión, cuando no se puede utilizar el "snorkel", la energía para mover el motor eléctrico se obtiene de los grupos de baterías, que a su vez pueden ser recargadas cuando los generadores están funcionando. Este esquema de funcionamiento se ha reflejado en el gráfico 1.

Los problemas más importantes que aparecen con este tipo de propulsión son la relativamente corta capacidad de almacenamiento de energía eléctrica de las baterías. Esto obliga a que el buque navegue en superficie, o a cota periscópica utilizando el "snorkel", para navegar sin usar las baterías o para recargarlas cuando ello es necesario. Al navegar en superficie o cerca de ella el submarino pierde su principal defensa que es la dificultad para ser localizado.

En un buque anaerobio a esta planta motriz se añade el sistema AIP utilizado para la propulsión en inmersión y, ocasionalmente para la recarga de las baterías. El esquema conjunto de un sistema de propulsión AIP es el reflejado en el gráfico 2.

Los sistemas AIP existentes presentan una fuerte limitación en lo referente a la potencia que son capaces de producir y por tanto todavía no pueden ser el sistema de propulsión principal de un submarino. En consecuencia las plantas propulsoras de los buques AIP existentes deben ser calificadas de hibridas, combinando para alimentar a los motores eléctricos generadores diesel, baterías o el sistema anaerobio.

En un submarino anaerobio los generadores diesel se utilizan en navegaciones largas en superficie, o a cota periscópica mediante el "snorkel", así como para la carga de los acumuladores. Con ellos se obtiene el máximo radio de acción del buque.

Las baterías se utilizan cuando el submarino precisa, en inmersión, la máxima potencia, o mayores consumos, como pueden ser operaciones contra otros buques, maniobras de evasión a alta velocidad, tránsitos rápidos bajo la superficie, etc. Pueden suministrar gran cantidad de energía durante periodos temporales cortos.

El sistema AIP se emplea en inmersión cuando se requiere una reducida demanda energética, o lo que es lo mismo baja velocidad durante períodos de tiempo relativamente largos. Pueden servir de ejemplo: las misiones de patrulla, de vigilancia, o las tareas de inteligencia.

Los tres sistemas de producción y/o almacenamiento de energía -generadores diesel, baterías y sistema anaerobio- son complementarios y normalmente excluyentes.

Centrando el detalle sobre el sistema AIP, de forma genérica cualquiera de los utilizados en la actualidad está formado por los componentes fundamentales que se reflejan en el gráfico 3.

Es conveniente repasar cada uno de los elementos principales representados en el croquis citado. En primer lugar hay que hablar de los depósitos de oxigeno y de combustible. Los primeros existen en todos los tipos de submarinos anaerobios disponibles, son de tipo criogénico y almacenan el oxígeno en estado líquido. Los segundos varían en función del tipo de combustible que sea preciso en cada tipo de sistema AIP.

El sistema de producción de energía es el elemento diferencial entre los distintos tipos de propulsión anaerobia existentes: motores de ciclo cerrado, turbina de vapor, pilas de combustible, etc. Su resultado acaba siendo, en ocasiones con pasos intermedios, energía eléctrica en forma de corriente continua. La potencia de esa energía eléctrica debe ser adecuada para poder alimentar el sistema de propulsión eléctrico o ser utilizada para la recarga de las baterías.

En algunos AIP, como resultado no deseado del sistema de producción de energía, se originan un conjunto de subproductos que no pueden acumularse en el buque y deben ser eliminados: dióxido de carbono, calor y, en algunos casos, agua.

Como se puede observar un sistema anaerobio es bastante complejo y ello exige que todos los elementos que lo componen estén regidos, regulados y operados por un sistema de control de la propulsión.

2.- SISTEMAS AIP ACTUALES

En los momentos presentes están operativos o en proceso de construcción submarinos que emplean cinco sistemas AIP distintos. Son estos el motor Stirling (Kockums), sistema MESMA (DCNS), utilización de depósitos criogénicos conteniendo hidrógeno (Rubin) y los sistemas basados en la obtención de hidrógeno desde hidruros metálicos (HDW / Siemens) o mediante el reformado de bioetanol (Navantia / Hynergreen).

Además de los sistemas citados anteriormente hay que comentar que los submarinos alemanes del tipo XXIIB, clase U-1407, entrados en servicio en la Kriegsmarine a finales de la Segunda Guerra Mundial, contaban con propulsión mediante peróxido de hidrógeno. Eran buques de pequeño tonelaje aptos para actuación costera.

Entre 1956 y 1958 la Royal Navy construyó dos submarinos experimentales, los HMS Explorer y HMS Excalibur. Estaban propulsados por peróxido de hidrógeno, o en la denominación inglesa HTP (High Test Peroxide) y eran un derivado de los buques alemanes del tipo XXIIB. Se llegó a prever la construcción de una serie compuesta por doce buques de la clase EX, pero los resultados con los dos prototipos no fueron muy alentadores y tras una corta carrera en la Royal Navy causaron baja. Durante su vida útil, o más bien inútil, tuvieron un elevado número de incidentes debidos a la planta propulsora. Da una idea de su calidad que sus dotaciones los conocieran con los apodos de HMS Exploder (Explotador) y HMS Excruciator (Torturador). La US Navy y la marina de la Unión Soviética también experimentaron con este tipo de combustible e igualmente llegaron a la conclusión de que el peróxido de hidrógeno no era una solución para las plantas propulsoras anaerobias.

En los años noventa del siglo pasado, la marina alemana probó un sistema basado en un motor diesel de ciclo cerrado. La energía eléctrica para la propulsión se producía mediante un alternador acoplado a un motor diesel modificado en el que se eliminaba el dióxido de carbono de los gases del escape, se añadía oxígeno, almacenado en depósitos refrigerados, y esa mezcla de gases se recirculaba nuevamente hacia la admisión del motor. Tras las pruebas el buque fue dado de baja. El hecho de que la marina alemana se haya decantado por el AIP de HDW / Siemens es demostrativo de que el sistema era manifiestamente mejorable.

A continuación se describe cada uno de los sistemas que están operativos, o en construcción, en distintas marinas:

Motor Stirling

En esta solución el núcleo es un motor alternativo de combustión externa, operando con combustible diesel. El motor funciona por expansión de gases en uno o varios cilindros que generan un movimiento alternativo que se transmite a un cigüeñal y que acaba transformándose en energía eléctrica. La expansión de los gases en los pistones se realiza mediante la aportación de calor generado en una cámara de combustión externa.

Aunque el motor Stirling se definió teóricamente en el siglo XIX, la tecnología ha sido desarrollada por la empresa sueca Kockums. Es el primero de los sistemas anaerobios en funcionamiento operativo, datando de comienzos de la época de los 90 del siglo pasado. Se utiliza en dos clases de buques de la marina de Suecia, en los de ese país vendidos a Singapur y en submarinos de la marina de Japón.

Mesma

El sistema MESMA (Module d'Energie Sous Marine Autonome) es una turbina de vapor clásica con una cámara de combustión alimentada por oxigeno y combustible (diesel o etanol). Es un diseño francés de la sociedad estatal DCNS que se empezó a desarrollar a comienzos de la década de los 80 del siglo pasado. Solo se utiliza en un buque de la marina de Paquistán.

Depósitos criógénicos

Es el sistema AIP utilizado en los submarinos rusos de la clase Lada (también denominados como clase Sankt Peterburg) y previsto para los derivados de estos para la exportación. Diseñado por Rubin Design Bureau, está basado en la existencia de dos depósitos criógenicos verticales que contienen oxigeno e hidrógeno respectivamente. Se conoce muy poco sobre este AIP pero hay informaciones que indican que utiliza algún tipo de pilas de combustible.

El gran peligro de este tipo de soluciones reside en el almacenamiento de una relativamente elevada cantidad de hidrógeno en un depósito. Cualquier escape en este tanque implica la combinación de ese elemento con el oxigeno de la atmosfera interior del submarino en una reacción exotérmica que se produciría de forma no controlable.

HDW / Siemens

El astillero alemán HDW (Howaldtswerke - Deutsche Werft GmbH, perteneciente al grupo Thyssen Krupp) en colaboración con Siemens (pilas de combustible) ha desarrollado un sistema AIP basado en el almacenamiento del hidrógeno en forma de hidruros metálicos y células de combustible. El sistema se fundamenta en la propiedad de algunas aleaciones metálicas de absorber átomos de hidrógeno. Calentando los hidruros se libera el hidrógeno que es conducido a las pilas de combustible para su combinación con el oxígeno y obtención de energía.

Este sistema es utilizado en los submarinos, operativos o en construcción, de las clases 212 A 4 U-31 (Alemania e Italia), 212 A Bacht 2 (Alemania), 214 (Grecia, Corea del Sur, Turquía y Paquistán), Dolphin- (Israel) y 209/1400 (Portugal).

Navantia / Hynergreen

En el submarino S-80 el sistema AIP está basado en células de combustible y reformador de bioetanol. Con respecto a otros sistemas aporta la novedad que el hidrógeno se obtiene por un proceso químico de reformado a partir de bioetanol que es fácilmente almacenable en el buque y que no supone problemas de seguridad.

Los sistemas desarrollados por Rubin Design, HDW / Siemens y Navantia / Hynergreen tienen como elemento común la utilización de células o pilas de combustible. Estos son dispositivos de carácter electroquímico en los que se desarrolla de forma controlada la reacción entre hidrógeno y oxigeno que genera agua, energía térmica y corriente continua. Al carecer las pilas de combustible de partes móviles su funcionamiento ocasiona una firma sonora muy reducida. Se prevé que en los próximos años se produzcan fuertes evoluciones en estas tecnologías, disminuyendo tamaños y aumentando potencias.

El sistema AIP del S-80 está ubicado en un segmento central del buque y su esquema, incluyendo todos sus componentes principales, es el que se recoge en el gráfico 4. En un próximo informe se estudiará detalladamente el S-80 y el estado de desarrollo del programa.

3.- PANORAMA DE LOS SUBMARINOS AIP EN EL MUNDO

Ya se ha citado que existen cinco tecnologías AIP operativas o en proceso de instalación en buques de distintas marinas. En total existen casi medio centenar de submarinos con propulsión anaerobia en el mundo. En la tabla 1 se detallan los sistemas existentes, el país de origen, la base tecnológica que utilizan, así como los buques construidos o contratados y las respectivas marinas. Solo se incluyen en esta tabla los submarinos en activo, en construcción o contratados y en ningún caso se contemplan opciones de construcción o buques solamente planificados.

A la vista de los contenidos del cuadro caben una serie de consideraciones. La primera de ellas es el contencioso existente entre la marina griega y loa astilleros HDW y Hellenic Shipyard, ambos pertenecientes al grupo Thyssen Krupp, sobre los submarinos en construcción para ese país. De acuerdo con las informaciones que se conocen, la marina griega aduce que los buques no cumplen las especificaciones contratadas. El primero de la serie, construido en Alemania, no ha sido aceptado y parece ser que el contrato ha quedado suspendido hasta que se resuelva el litigio.

De los submarinos con sistema Stirling de Suecia y Singapur solo los Gotland cuentan con el sistema AIP de origen, los restantes son conversiones de buques convencionales. No parece que esta solución sueca vaya a tener mucho más recorrido fuera de los submarinos ya existentes. La adquisición de los astilleros Kockums por la industria de construcción naval alemana (Thyssen Krupp) hace lógico pensar que los nuevos submarinos suecos puedan montar el AIP de HDW / Siemens. Según algunos anuarios navales ha causado baja el Asashio, de las Fuerzas Marítimas de Autodefensa (Kaijo Jieitai) de Japón Procedía de una conversión de un submarino de la clase Harushio, modificado para experimentar la propulsión AIP suministrada por Kockums. Además era utilizado como buque para el entrenamiento de las dotaciones de las flotillas submarinas niponas.

El Mesma, diseñado y construido por la DCNS (Francia), parece que presenta un futuro poco halagüeño, solo un buque lleva este sistema AIP y la marina que lo opera, la de Paquistán, ha encargado ya nuevos buques con el AIP de HDW / Siemens. Según algunas fuentes la marina de Paquistán podría instalar el módulo Mema en los otros dos submarinos de la serie durante una de las grandes carenas que deben ser realizadas a este tipo de buques cada cierto tiempo.

El Consorcio Scorpene, o quizá sea más exacto decir DCNS, ofrecía la posibilidad de integrar en los buques de esta clase un segmento adicional del casco con el módulo Mesma. De momento no parece que esta sea una opción aceptada por ninguno de los países que han adquirido estos buques (Chile, Malasia, india y Brasil).

La aportación española desarrollada por Navantia e Hynergreen es, de momento, meramente testimonial. Todavía no se ha botado ningún buque y consideramos que, de momento, es difícil la exportación por los problemas con la propulsión y el contencioso con DCNS por el Consorcio Scorpene.

Parece evidente que el negocio de construcción de submarinos anaerobios para terceros países se está quedando en manos de los astilleros alemanes. Están repitiendo el éxito que en décadas anteriores ya tuvieron con las distintas variantes de los submarinos del Tipo 209.

Por otra parte es seguro que en los próximos años se va a incrementar el número de submarinos con propulsión AIP y la marinas que los utilizan. En primer lugar cabe prever la ampliación de las series existentes o en construcción para distintas armadas, puede ser el caso de los S-80 españoles, los 212 A de Italia, de los 212 A Batch 2 alemanes, de los 214 coreanos, etc.

En segundo lugar hay que pensar que se producirán nuevas adquisiciones. En los próximos años se van a convocar concursos para seleccionar submarinos, y no dudamos que serán con propulsión AIP, por parte de distintos países. Se puede citar entre ellos Australia, Noruega y Singapur.

Una tercera línea es de construcción de nuevos tipos de buques. Podría ser el caso de los dos submarinos del tipo A-26 Viking para Suecia si es que ese país no se decide por seleccionar buques de diseño alemán de las clases 212 o 214 o derivados de ellas. En estos buques puede estar interesada la marina de Singapur.

Las características más relevantes de todos los tipos de submarinos anaerobios existentes se han resumido en la tabla 2.

También hay que señalar que la tecnología AIP va a evolucionar fuertemente en los próximos años. Los mayores cambios se prevén en el campo de las células de combustible. Posiblemente la industria militar pueda aplicar adelantos tecnológicos creados para la del automóvil, obligados por la presión social sobre la disminución de las emisiones de dióxido de carbono en el transporte por carretera. Un segundo aspecto en que se producirán mejoras es la capacidad de almacenamiento de energía eléctrica de los acumuladores. Se estima que puede mejorar tanto la el radio de acción en inmersión a velocidad alta, por la mejora de las baterías, como el funcionamiento de los sistemas AIP con mayor velocidad y autonomía en inmersión.