Ya habiendo echado un vistazo a las tablas de las distintas baterías, pasemos a comparar prestaciones de estas.
Lo primero que tenemos que calcular, es que el volumen de la batería de plomo acido y las Li-ion de cobalto, tienen dimensiones distintas a las otras dos de Li-ion, por lo que en volumen, ocupan alrededor de un 16% menos, por lo que a la hora de hacer la comparación, he tenido que tener cuenta esto.
Lo primero que podemos ver, es que las de plomo acido, pesan en doble para el mismo volumen, que las Li-ion, o dicho de otra forma, de cambiar baterías Pb-Ac, por las Li-ion, el peso del cambio será de la mitad que las anteriores. Este dato no es un dato menor, ya que si tenemos en cuenta que por ejemplo un submarino Type 209 tiene 480 baterías, y la diferencia del cambio es de aproximadamente 238Kg por batería, nos da que el cambio va a repercutir en una disminución de peso de 114.240 Kg, casi entre un 8 y 10% de peso del submarino. Esto es más notorio si el cambio se da en submarinos de largo aliento, como los TR-1700 de la armada argentina por ejemplo, ya que tiene 960 baterías, con lo cual un cambio sería de 228.480 Kg de menos, siendo entonces el % aún mayor, resultando en un cambio importante en los aspectos inherentes a la flotabilidad de la nave.
Para analizar cuestiones de energía, recordemos la fórmulas de potencia y Energía.
Potencia (W) = Corriente (Ampere) x Tensión (Volt) Energía (W/h) = Potencia (W) x Unidad de Tiempo (h) W /h = ( A x V) / Horas
Con esto podemos analizar las siguientes comparaciones:
Con respecto a la energía que puede almacenar, en función del peso, podemos observar que la de Pb-Ac tiene una coeficiente de entre 20-25 W/Kg, con lo que resulta sumamente bajo, ya que las Li-ion de Cobalto puede hasta multiplicar por 6 (sextuplica), y las de Manganeso quintuplica, y las de Fosfato de Hierro cuadriplica ese valor para los cálculos tomados. Estos valores tan altos se dan, no solo por que almacena más energía, sino que son mucho más livianas, con lo que esto hace mejorar notablemente el cociente.
Con respecto a la energía que puede almacenar, en función al volumen (esto es importante si se analiza un eventual cambio de estas en un submarino), podemos decir, que en comparación con las actuales Pb-Ac, las Li-ion de Cobalto pueden almacenar tres veces la energía que estas (un 200% más), las de Manganeso un 150% mas, y las de Fosfato de Hierro un 100% mas (el doble), (cabe destacar que las dos últimas pueden entregar la misma corriente, pero la de Manganeso lo puede hacer a mas tensión, por lo que resulta en mayor potencia). Como mencionamos más atrás, en cuanto a la seguridad, resulta evidente, que estas baterías van a tener que operar en un ambiente tas especial como lo es un SSK,
resulta claro que el tema
seguridad es crucial. Recordemos el caso del mini submarino denominado “Advanced SEAL Delivery System Submersible”, el cual se había desarrollado un incendio producto de sus baterías, que originariamente eran de Plata y Zinc, y luego instalaron las Li-ion, las cuales fuentes de defensa argumentaron que fue ahí donde se originó el incendio.
Es por ello que el tema de seguridad en un SSK, será algo FUNDAMENTAL, para lo cual a la hora de pensar en instalar este tipo de baterías, habrá que analizar cuales brindan mayores márgenes de seguridad. Ya tratamos el tema de seguridad en la Li-ion, así que recordemos que las baterías A123, basadas en de Fosfato de Hierro, resultan muy estables ante aumentos de temperatura,
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reaccionando recién a más de 800°C, este tipo de formulación sería entonces, las más recomendadas para un SSK.
Estas baterías de Fosfato de Hierro, como las que vimos, la TS LFP9000AHB, son de las más seguras, aunque también son las que menos energía de las tres acumularía. No es de extrañar que tanto DCNS conjuntamente con la fabricante Saft, como también HDW (con el catamarán PlanetSolar), estén estudiando instalar baterías de Li-ion en submarinos, y estas afirmen que los submarinos tengan el doble de capacidad que las de Pb-Ac, y a la vez sean seguras, dejando a las claras, que la tecnología sería presumiblemente del tipo de Fosfato de Hierro o sus aleaciones (dado que hablan del doble de capacidad y seguras).
Thunder Sky, el fabricante de estas tres baterías analizadas para submarinos, ha lanzado recientemente baterías del tipo LiFeYPO4, que son las de Fosfato de Hierro ya analizada, con aleación con un material llamado Ytrio, que le otorga una mayor duración, dándole más ciclos de vida a la misma entre otras, por lo que este tipo de formulación esta cada día más adoptada cuando se piensa en potencia y seguridad.
Por último, recientemente se lanzaron las baterías de Litio-Titanio, una de las principales empresas productoras de estas baterías es Altairnano. Estas baterías no tienen una densidad de carga muy elevada, solo aproximadamente 74 W/Kg, con lo que las Li-ion serían mucho más capaces en este tema, pero las Litio-
Titanio otorgan ciclos de vida de más de 10.000 a 15.000 ciclos, (más de 7 veces lo que otorga la Li-ion), se pueden usar el 100% de la carga sin problemas en si vida útil, no tienen problemas con cargas en frío, seguras en cuanto a incrementos de temperatura. Cabe destacar que se utilizaran como UPS de reserva para las unidades tipo DDG-51, y como sistema de energía para los cañones M-119 fabricados por los Estados Unidos, con lo que las baterías de este tipo, están resultando muy prometedoras también.
Conclusiones:
Como hemos podido ver a lo largo del artículo, las baterías de Li-ion son una realidad cotidiana, en la que las necesidades de movilidad, duración, baratas y de potencia, han generado la necesidad, la cual esta tecnología resultó por lejos hasta el momento, la mejor opción. En un principio, los dispositivos móviles, como celulares y notebooks fueron los que dieron el puntapié inicial a esta revolución en baterías. En estos momentos gracias también al apoyo de gobiernos de muchos países centrales y automotrices, se están desarrollando y produciendo bancos de baterías con mayor potencia, con más energía almacenada y menor peso, dada la necesidad de reemplazar a las vehículos convencionales impulsados por los cada vez más escasos y costosos combustibles derivados del petróleo, con lo que los vehículos eléctricos o híbridos, van a ser necesariamente el futuro de la industria automotriz.
Dada esta nueva tecnología que ya disponemos, para almacenar mucho más y con menor peso, la industria militar está tomando estos desarrollos para dar soluciones de energía a los numerosos dispositivos móviles de comunicaciones, sensores, etc etc. Los submarinos no escapan a esta necesidad, en especial los SSK, ya que les resulta vital importancia poder almacenar la mayor cantidad de energía posible, para de esa forma no tener que emerger para recargar las baterías.
La tecnología AIP es un claro avance ante esta necesidad, pero dado su relativa baja potencia de las celdas de combustible, (que de las tecnologías AIP la mas interés ha despertado), estas sería utilizadas para proveer energía cuando el submarino se encuentra sumergido con velocidades bajas (patrulla), dejando para los momentos en los cuales se necesite mayores velocidades, tener que apelar necesariamente a las reservas de energía de los bancos de baterías de los submarinos.
Es por ello que en el futuro, las baterías van a continuar estando en los SSK, hasta que la tecnología AIP nos suministre mayores potencias, (no solo para velocidades de patrulla), por lo que las necesidad es poder almacenar la mayor cantidad posible de energía con el menor peso y espacio posible, para dejar lugar a en los reducidos submarinos a otros requerimientos y equipamientos. La nueva tecnología Li-ion viene a cubrir esa necesidad, para trabajar conjuntamente con la de AIP, ya que estas se complementarían.
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Cabe aclarar que las baterías Li-ion, al reemplazarla a las actuales de plomo acido, no va a mejorar la tasa de indiscreción por sí solo, ya que estas son un medio para almacenar energía, dado que necesariamente estas deben ser cargadas por los generadores del submarino a bordo, cuando este emerge o está utilizando el snorkel, Con esto quiero decir es que si las Li-ion de los submarinos pueden almacenar el doble de energía, para poder recorrer el doble de de distancia a una misma velocidad que si tuviéramos las convencionales Pb-Ac a bordo, entonces haber duplicado la cantidad de energía en los bancos de batería conlleva a la necesidad de tener que estar el doble de tiempo recargando las baterías para una misma capacidad generadora instalada en el submarino, ya que si antes estábamos 1 hora cargando las baterías convencionales, hoy vamos a tener que estas 2 horas para cargar las Li-ion. Por lo que la tasa de indiscreción no va a mejorar, (tanto el numerador como el denominador del cociente se duplican, y por consiguiente el resultado sería el mismo).
Los submarinos del futuro, van a necesitar almacenar más energía, con una tasa de indiscreción menor, (para así poder estas más tiempo sumergido, y con reservas en las batería para maniobrar eventualmente), es por ello que necesariamente vamos a tener que aumentar la capacidad y potencia de la generación instalada a bordo, para cubrir tal necesidad en el menor tiempo posible. Ahora, si vemos los diseños de proyectos de SSK para el futuro, vemos por ejemplo que los sistemas AIP son una constante, y si se busca aumentar la potencia instalada, es necesario poder dar lugar a mas de estas celdas, como así también a su combustible. De lo anterior presenta una dificultan importante, ya que
si se necesita generar más potencia para cargar las baterías en el menor tiempo posible, y hay que hacer más espacio para otros sistemas como por ejemplo los sistemas AIP, resulta necesario tener innovar, para poder hacer frente a esas necesidades.
Como podemos ver un ejemplo de ello, podemos analizar el diseño británico SSGT Submarino de alta movilidad, (No nuclear), podemos observar algo que para los antiguos submarinistas resulta algo casi imposible de concebir. Si vemos el plano de este concepto de submarino convencional (no nuclear), podemos
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observar que el mismo no tiene una sala de máquinas como la conocemos. Ni siquiera tiene motores diesel, tiene una Turbina a Gas, y encima lo novedoso es que está alojada en la vela del submarino.
Si nos ponemos a pensar un poco, este diseño no resulta para nada descabellado, dado que las turbinas a gas, son unidades súper compactas y livianas, veamos para dar un ejemplo de las capacidades de estas, tomando la Olympus TM38 que equipa a las unidades de la armada argentina, y la de innumerables países. Esta tiene un peso insignificante, comparado por ejemplo con los 4 motores MTU de los TR-1700, y en cuanto a rendimiento, las turbinas a gas son muy superiores a los motores diesel, a pesar de su tamaño y peso, una Olympus TM38 puede entregar aproximadamente 19.100 Kw a 5560 rpm, comparado con los 4 motores MTU juntos solo pueden entregar 4 x 1.200 Kw = 4.800 Kw, con lo que los cuatros equipos juntos, son solo el 25% de capacidad de esta turbina.
El análisis entre motorización de turbina a gas vs motores diesel, está muy analizado para en cuanto a la propulsión de buques, pero lo cierto es que dentro de las ventajas de las TG se cuenta, son su bajo peso, compactas y entregan
mucha potencia cuando se necesitan, cosa que estas tres características resultan esenciales para un submarino moderno.
En el caso particular del diseño del SSGT de los británicos, esta turbina a gas, cargaría las baterías tipo Zebra (de sodio), de alta capacidad. Pero si tenemos en cuenta para el caso de las baterías Li-ion, estas pueden soportar cargas de varios “C”, y estas turbinas a gas, pueden suministrar la potencia necesaria para cargar esa capacidad de energía en tan solo minutos, y por ende la tasa de indiscreción de estos submarinos resultaría muy baja, (4 veces menos para el ejemplo analizado), además el submarino, puede desarrollar velocidades en tránsito mucho más altas (para el SSGT están hablando de velocidades superiores a 20 nudos sostenidas con la vela solamente en superficie (solo lo necesario para dejar en superficie la TG), llegando hasta 30 nudos, mientras también puede cargar sus bancos de baterías.
Cabe destacar que al estar la turbina fuera del agua cuando funcionan, pueden tomar buen caudal de aire, y expulsarlo también de la turbina, reduciendo el ruido transmitido al agua para semejante potencia. Habrá que ver los tiempo en que una turbina, puede dar plena carga, y también como se puede mitigar la firma IR de los gases expulsados, como por último también, como integrar todos los sistemas en la vela del submarino sin inconvenientes.
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Para finalizar, resulta evidente que el tema de baterías para submarinos, esto parece que recién comienza, ya que cada día la tecnología en esta materia avanza de manera sorprendente, por lo que es evidente, que no está todo dicho….pero lo que si es seguro,.. es que las viejas baterías de Pb-Ac para los futuros SSK, tendrían sus días contados.
CPN y Lic Bakic Guillermo Osvaldo para elSnorkel.com
Contenidos. (2012)