Um pouco sobre AIP
Enviado: Qua Set 13, 2006 10:07 am
O QUE É O AIP?
AIP é uma solução para um problema da equação de balanceamento energético, vamos colocar alguns numeros nela.
Quanto de energia "cabe" em um submarino?
Um submarino convencional tem (tipicamente) cerca de 30% do seu deslocamento representado pelas suas baterias de chumbo acido.
Isto quer dizer o seguinte.
Um classe Tupi com suas 1450ton provavelmente tem 435 ton de acumuladores Chumbo Acido.
Um acumulador desta classe tem uma eficiência de 30W.h de energia armazenada para cada Kg de massa. Então um classe Tupi armazena em teoria 13.050Kh de energia.
Como esta energia é gerada?
Pelos geradores diesel eletrico, que no caso de um Tupi geram 7,2MW (quatro geradores de 1,8MW).
Uma “snorkeada” para carga completa da bateria duraria em teoria o maximo de 1,8 horas já que ele tem capacidade de geração de energia de 7,2MW e capacidade de armazenagem de 13.050MW. 13.050MW / 7,2MW = 1,8
Como a energia é consumida?
De duas formas.
Para tração e para manutenção de sistemas e habitabilidade
Energia para tração.
Se ele empregar seu motor elétrico de 5000Hp (3,7MW) a plena potência, consumiria sua bateria em 3,5 horas aproximadamente.
Como a plena potência um submarino desta classe desenvolve 24 nós, seu alcance a plena potência seria de apenas 150Km.
Conforme reduzimos a velocidade vamos diminuindo a potência em razão cubica. Isto é, para se navegar a 12 nós precisamos de 3,7MW / 8 , ou seja apenas e assim sucessivamente 12.5% da potencia de navegar a 24nós, e assim por diante.
Se nós vamos reduzindo a velocidade a metade então a potencia diminui em 8 vezes. Navegar a 3 nós iria requerer em teoria apenas 7227W ou seja cerca de 500 vezes menos energia do que navegar a 24 nós.
Ai entra em cena a segunda forma de consumir potencia em um submarino, que é a manutenção de sistemas e habitabilidade, esta energia é empregada para fazer as coisas funcionarem a bordo durante o mergulho, ar condicionado, sistemas eletronicos, cozinha, banheiro, sonar, tudo depende desta energia. Mas quanto um submarino gasta por hora manter tudo isto?
De 70Kw a 200Kw, dependendo do nivel e natureza das atividades.
Resultado: Um SSK em mergulho a 3, 4 nós gasta 6% a 10% da sua energia com propulsão e 90% da sua energia com manutenção de
sistemas, logo a autonomia é data em tempo maximo de mergulho, que normalmente esta em 100 horas em função das atividades internas.
Um sistema AIP é o gerador desta potencia de manutenção do submarino, gerando algo entre 70Kw e 200Kw ele impede que as baterias sejam descarregadas durante o mergulho.
Como esta energia é gerada?
Existem 5 técnicas basicas de AIP
Ciclo Water
A mais antiga é o sistema Water, que utiliza H2O2 concentrado, que decomposto cataliticamente gera vapor que é aplicado a uma turbnia. Este sistema enfrentou dois problemas principais e por isto foi abandonado. O primeiro é a instabilidade do H2O2 em fornecer potencia por um longo periodo de tempo.
Em foguetes, especialmente em projetos dos anos 50, costumava-se utilizar H2O2 para fornecer potencia as bombas de alimentação da camara de combustão, consegue-se gerar altas potencias em espaços reduzidos, na V-2 eram gerados mais de 350Hp em uma turbina com miseros 35cm de raio, nos lançadores Soyuz são gerados mais de 3000Hp por turbina, mas com uma diferença, por periodos de até 240 segundos.
A proposta do sistema Water era gera altas potencias para mover o submarino a velocidades como 15, 20 nós durante horas, normalmente um sistema destes para cada watt util dissipava uns 5 a 10 watts na forma de calor, então é tentador imaginar a complexidade e os riscos associados a esta tecnolocia que era um conceito dos anos 40 e 50, e por isto foi abandonada.
Sistemas CCD
Outra técnica é o CCD - Closed-cycle Diesel, que consiste em injetar oxigenio misturado com um outro gás inerte dentro da camara de combustão de um motor diesel, esta seria uma forma simples e barata de gerar propulsão.
Sistemas CCD não foram muito difundidos, existem questões complexas sobre a dosagem de O2 do gas moderador e do combustivel por ciclo de combustão, do descarte dos gases no mar e da assinatura acustiva uma vez que a explosão em camara de combustão e deslocamento de massa
oscilance (pistões) gera mais assinatura acustica do que o movimento de eixos axiais (turbinas).
Estas duas técnicas acima não são mais empregadas, as técnicas modernas seriam:
Turbina a vapor alimentada por Alcool e Oxigenio
É a técnica empregada no Scorpene. Basicamente é uma visão mais atualizada sobre sistemas Water, onde foram feitas algumas mudanças conceituais importantes para tornar o sistema seguro.
1) Mudança do H2O2 pelo Alcool + O2 ganhando estabilidade de combustão. A escolha do Alcool como combustivel vem do fato que
ele poder ser diluido em agua, assim pode-se controlar facilmente a energia da combustão e a temperatura na turbina pela adição de agua. Ironicamente esta técnica de colocação de agua no alcool foi a base para que Von Brauhn desenvolve-se a V-2, se o Dr Helmut Water tive-se trabalhado com o conceito de Alcool + Agua e não com o conceito de H2O2 com decomposição catalitica (ambos conceitos estudados pela equipe de Von Brauhn) talvez a historia do AIP fosse um pouco diferente nos anos do pós guerra.
2) Diminuição da potencia gerada, sistemas Water chegaram a produzir 2Mw dentro do casco, sistemas como o MESMA frances produzem 10% disto, a diferença é que nos anos 50 o AIP era visto como uma forma de manter a alta velocidade em periodos prolongados, modernamente o AIP é visto como uma forma de manter a capacidade de operar por longos periodos sem snorkel, isto dentro da questão de balanceamento energético explicada acima, faz muita diferença.
Motor de ciclo Stirling
Este tipo de motor não é novidade, surgiu pouco depois das primeiras maquinas a vapor, e consiste em dois pistões ligados a uma mesma arvore de manivelas, que realizam ciclos opostos de contração e expansão de um gás (normalmente Helio), uma fonte de calor externa fornece energia para o funcionamento do motor Stirling. Por não ser um motor com facilitade de variação da potencia gerada, não foi empregado em automoveis e demais aplicações de motores a combustão, mas apresenta boa eficiencia energética, e nos ultimos 20 anos, algumas aplicações mais exoticas para este tipo de motor foram propostas, como geradores em sondas espaciais (uma aplicação que ficou apenas na teoria) e sistemas AIP, que foi adotado pela Suecia em unidades de até
100Hp.
Da mesma forma que o sistema MESMA Frances é uma releitura da filosofia Water, o sistema Stirling é uma releitura dos sistemas CCD, com as adaptações de conceito e técnologia necessarios a nova realidade dos ultimos 20 anos.
Sistemas de celulas de combustivel
Utilizando uma tecnologia chamada PEM Polymer Electrolyte Membrane, H2 e O2 são armazenados em tanques separados e combinados para gerar eletricidades.
A eficiencia de uma celula PEM é de 1700W a 2400W para cada 1Kg de reagente. Assim um U-214 gerando 240Kw.h durante 14 dias precisa de algo como 35 toneladas de reagentes a bordo, na pratica estes valores de reagente transportado, devem ser menores que isto, já que dificilmente um sistemas destes operaria full power o tempo todo.
Vantagens e desvantagens de cada sistema
Existem duas classes basicas de sistemas AIP.
A primeira seriam sistemas com algum tipo de combustão para geração de energia térmica, onde estariam os 4 primeiros sistemas. Water, CCD, Turbina a vapor com Alcool + O2, Stirling.
Neste tipo de sistema, especialmente nas suas versões Turbina a vapor com Alcool + O2, Stirling (que como foi dito são releituras de sistemas Water e CCD) existem duas grandes desvantagens:
-Produção de energia térmica dentro do casco durante o periodo de mergulho, o que implica em sistemas trocadores de calor operando durante todo o periodo de acionamento do AIP.
-Produção de assinatura acustica durante o funcionamento do AIP exigindo um projeto que controle melhor a discrição acustica
do submarino.
- Gera gases de escape que precisam ser diluidos ao mar para não gerarem bolhas, isto provavelmente limite velocidades e profundidades de operação do sistema (este assunto é classificado e o que temos sobre estas limitações são suposições)
Também existe uma vantagem importante destes dois sistemas em relação a celulas PEM
Os combustiveis (alcool no MESMA e Diesel no projeto sueco) alem do O2 são mais facilmente estocaveis a bordo, por serem liquidos, densos e armazenados a temperatura ambiente, com o detalhe importante, Alcool e Diesel, alem do proprio O2 são baratos e faceis de se conseguir em uma base sem grande infra estrutura.
O sistema PEM tem suas vantagens também, e não são poucas.
- Não existem partes moveis, o que significa assinatura acustica igual a zero, durante a geração da energia
- A produção de calor dentro do casco é quase nula, porque o subproduto da reação (agua) retira o calor da celula
- Não gera gases
Como desvantagens
O O2 e H2 para serem armazenados tem seus caprichos. O H2 é armazenado na forma de gás sobre alta pressão, porque seu armazenamento liquido teria que ser a baixissima temperatura o que é inviavel durante dias de operação, por ser pouco denso o
H2 armazenado em forma de alta pressão exige reservatorios com grandes capacidades cubicas o que por sua vez gera
considerações importantes sobre o projeto do casco, na relação de compromisso entre hidrodinamica x espaço funcional interno.
O O2 eu não tenho certesa se é armazenado na forma liquida ou supercritica (como normalmente armazena-se O2 em aplicações espaciais), mas qualquer que seja a forma de armazenagem existem os problemas de espaço de tanques e isolamento termico que fatalmente tornam o projeto de layout mais criticos.
Também existem questões de custos e instalações de infra estrutura mais criticas para operar este tipo de submarino em relação a sistemas a combustão como o MESMA e o Stirling
Um observador atento pode verificar que as vantagens e desvantagens de sistemas a combustão e sistemas PEM são opostas, ou seja o que é vantagem em um é desvantagem em outro e vice versa.
Olhando pelo lado tecnologico apenas, isto é desconsiderando questões de logistica e economicas, sistemas PEM são superiores aos demais em todos os aspectos.
Espero ter ajudado alguns a entenderem um pouco mais sobre o que consiste sistemas AIP, vou ver se consigo um tempinho mais tarde para escrever sobre a importancia tatica do AIP os motivos que levaram Brasil e Chile a abrirem mãos do AIP e até que ponto isto teria sido uma descisão técnica ou teria sido uma influencia cultural destas marinhas durante o processo de escolha.
AIP é uma solução para um problema da equação de balanceamento energético, vamos colocar alguns numeros nela.
Quanto de energia "cabe" em um submarino?
Um submarino convencional tem (tipicamente) cerca de 30% do seu deslocamento representado pelas suas baterias de chumbo acido.
Isto quer dizer o seguinte.
Um classe Tupi com suas 1450ton provavelmente tem 435 ton de acumuladores Chumbo Acido.
Um acumulador desta classe tem uma eficiência de 30W.h de energia armazenada para cada Kg de massa. Então um classe Tupi armazena em teoria 13.050Kh de energia.
Como esta energia é gerada?
Pelos geradores diesel eletrico, que no caso de um Tupi geram 7,2MW (quatro geradores de 1,8MW).
Uma “snorkeada” para carga completa da bateria duraria em teoria o maximo de 1,8 horas já que ele tem capacidade de geração de energia de 7,2MW e capacidade de armazenagem de 13.050MW. 13.050MW / 7,2MW = 1,8
Como a energia é consumida?
De duas formas.
Para tração e para manutenção de sistemas e habitabilidade
Energia para tração.
Se ele empregar seu motor elétrico de 5000Hp (3,7MW) a plena potência, consumiria sua bateria em 3,5 horas aproximadamente.
Como a plena potência um submarino desta classe desenvolve 24 nós, seu alcance a plena potência seria de apenas 150Km.
Conforme reduzimos a velocidade vamos diminuindo a potência em razão cubica. Isto é, para se navegar a 12 nós precisamos de 3,7MW / 8 , ou seja apenas e assim sucessivamente 12.5% da potencia de navegar a 24nós, e assim por diante.
Se nós vamos reduzindo a velocidade a metade então a potencia diminui em 8 vezes. Navegar a 3 nós iria requerer em teoria apenas 7227W ou seja cerca de 500 vezes menos energia do que navegar a 24 nós.
Ai entra em cena a segunda forma de consumir potencia em um submarino, que é a manutenção de sistemas e habitabilidade, esta energia é empregada para fazer as coisas funcionarem a bordo durante o mergulho, ar condicionado, sistemas eletronicos, cozinha, banheiro, sonar, tudo depende desta energia. Mas quanto um submarino gasta por hora manter tudo isto?
De 70Kw a 200Kw, dependendo do nivel e natureza das atividades.
Resultado: Um SSK em mergulho a 3, 4 nós gasta 6% a 10% da sua energia com propulsão e 90% da sua energia com manutenção de
sistemas, logo a autonomia é data em tempo maximo de mergulho, que normalmente esta em 100 horas em função das atividades internas.
Um sistema AIP é o gerador desta potencia de manutenção do submarino, gerando algo entre 70Kw e 200Kw ele impede que as baterias sejam descarregadas durante o mergulho.
Como esta energia é gerada?
Existem 5 técnicas basicas de AIP
Ciclo Water
A mais antiga é o sistema Water, que utiliza H2O2 concentrado, que decomposto cataliticamente gera vapor que é aplicado a uma turbnia. Este sistema enfrentou dois problemas principais e por isto foi abandonado. O primeiro é a instabilidade do H2O2 em fornecer potencia por um longo periodo de tempo.
Em foguetes, especialmente em projetos dos anos 50, costumava-se utilizar H2O2 para fornecer potencia as bombas de alimentação da camara de combustão, consegue-se gerar altas potencias em espaços reduzidos, na V-2 eram gerados mais de 350Hp em uma turbina com miseros 35cm de raio, nos lançadores Soyuz são gerados mais de 3000Hp por turbina, mas com uma diferença, por periodos de até 240 segundos.
A proposta do sistema Water era gera altas potencias para mover o submarino a velocidades como 15, 20 nós durante horas, normalmente um sistema destes para cada watt util dissipava uns 5 a 10 watts na forma de calor, então é tentador imaginar a complexidade e os riscos associados a esta tecnolocia que era um conceito dos anos 40 e 50, e por isto foi abandonada.
Sistemas CCD
Outra técnica é o CCD - Closed-cycle Diesel, que consiste em injetar oxigenio misturado com um outro gás inerte dentro da camara de combustão de um motor diesel, esta seria uma forma simples e barata de gerar propulsão.
Sistemas CCD não foram muito difundidos, existem questões complexas sobre a dosagem de O2 do gas moderador e do combustivel por ciclo de combustão, do descarte dos gases no mar e da assinatura acustiva uma vez que a explosão em camara de combustão e deslocamento de massa
oscilance (pistões) gera mais assinatura acustica do que o movimento de eixos axiais (turbinas).
Estas duas técnicas acima não são mais empregadas, as técnicas modernas seriam:
Turbina a vapor alimentada por Alcool e Oxigenio
É a técnica empregada no Scorpene. Basicamente é uma visão mais atualizada sobre sistemas Water, onde foram feitas algumas mudanças conceituais importantes para tornar o sistema seguro.
1) Mudança do H2O2 pelo Alcool + O2 ganhando estabilidade de combustão. A escolha do Alcool como combustivel vem do fato que
ele poder ser diluido em agua, assim pode-se controlar facilmente a energia da combustão e a temperatura na turbina pela adição de agua. Ironicamente esta técnica de colocação de agua no alcool foi a base para que Von Brauhn desenvolve-se a V-2, se o Dr Helmut Water tive-se trabalhado com o conceito de Alcool + Agua e não com o conceito de H2O2 com decomposição catalitica (ambos conceitos estudados pela equipe de Von Brauhn) talvez a historia do AIP fosse um pouco diferente nos anos do pós guerra.
2) Diminuição da potencia gerada, sistemas Water chegaram a produzir 2Mw dentro do casco, sistemas como o MESMA frances produzem 10% disto, a diferença é que nos anos 50 o AIP era visto como uma forma de manter a alta velocidade em periodos prolongados, modernamente o AIP é visto como uma forma de manter a capacidade de operar por longos periodos sem snorkel, isto dentro da questão de balanceamento energético explicada acima, faz muita diferença.
Motor de ciclo Stirling
Este tipo de motor não é novidade, surgiu pouco depois das primeiras maquinas a vapor, e consiste em dois pistões ligados a uma mesma arvore de manivelas, que realizam ciclos opostos de contração e expansão de um gás (normalmente Helio), uma fonte de calor externa fornece energia para o funcionamento do motor Stirling. Por não ser um motor com facilitade de variação da potencia gerada, não foi empregado em automoveis e demais aplicações de motores a combustão, mas apresenta boa eficiencia energética, e nos ultimos 20 anos, algumas aplicações mais exoticas para este tipo de motor foram propostas, como geradores em sondas espaciais (uma aplicação que ficou apenas na teoria) e sistemas AIP, que foi adotado pela Suecia em unidades de até
100Hp.
Da mesma forma que o sistema MESMA Frances é uma releitura da filosofia Water, o sistema Stirling é uma releitura dos sistemas CCD, com as adaptações de conceito e técnologia necessarios a nova realidade dos ultimos 20 anos.
Sistemas de celulas de combustivel
Utilizando uma tecnologia chamada PEM Polymer Electrolyte Membrane, H2 e O2 são armazenados em tanques separados e combinados para gerar eletricidades.
A eficiencia de uma celula PEM é de 1700W a 2400W para cada 1Kg de reagente. Assim um U-214 gerando 240Kw.h durante 14 dias precisa de algo como 35 toneladas de reagentes a bordo, na pratica estes valores de reagente transportado, devem ser menores que isto, já que dificilmente um sistemas destes operaria full power o tempo todo.
Vantagens e desvantagens de cada sistema
Existem duas classes basicas de sistemas AIP.
A primeira seriam sistemas com algum tipo de combustão para geração de energia térmica, onde estariam os 4 primeiros sistemas. Water, CCD, Turbina a vapor com Alcool + O2, Stirling.
Neste tipo de sistema, especialmente nas suas versões Turbina a vapor com Alcool + O2, Stirling (que como foi dito são releituras de sistemas Water e CCD) existem duas grandes desvantagens:
-Produção de energia térmica dentro do casco durante o periodo de mergulho, o que implica em sistemas trocadores de calor operando durante todo o periodo de acionamento do AIP.
-Produção de assinatura acustica durante o funcionamento do AIP exigindo um projeto que controle melhor a discrição acustica
do submarino.
- Gera gases de escape que precisam ser diluidos ao mar para não gerarem bolhas, isto provavelmente limite velocidades e profundidades de operação do sistema (este assunto é classificado e o que temos sobre estas limitações são suposições)
Também existe uma vantagem importante destes dois sistemas em relação a celulas PEM
Os combustiveis (alcool no MESMA e Diesel no projeto sueco) alem do O2 são mais facilmente estocaveis a bordo, por serem liquidos, densos e armazenados a temperatura ambiente, com o detalhe importante, Alcool e Diesel, alem do proprio O2 são baratos e faceis de se conseguir em uma base sem grande infra estrutura.
O sistema PEM tem suas vantagens também, e não são poucas.
- Não existem partes moveis, o que significa assinatura acustica igual a zero, durante a geração da energia
- A produção de calor dentro do casco é quase nula, porque o subproduto da reação (agua) retira o calor da celula
- Não gera gases
Como desvantagens
O O2 e H2 para serem armazenados tem seus caprichos. O H2 é armazenado na forma de gás sobre alta pressão, porque seu armazenamento liquido teria que ser a baixissima temperatura o que é inviavel durante dias de operação, por ser pouco denso o
H2 armazenado em forma de alta pressão exige reservatorios com grandes capacidades cubicas o que por sua vez gera
considerações importantes sobre o projeto do casco, na relação de compromisso entre hidrodinamica x espaço funcional interno.
O O2 eu não tenho certesa se é armazenado na forma liquida ou supercritica (como normalmente armazena-se O2 em aplicações espaciais), mas qualquer que seja a forma de armazenagem existem os problemas de espaço de tanques e isolamento termico que fatalmente tornam o projeto de layout mais criticos.
Também existem questões de custos e instalações de infra estrutura mais criticas para operar este tipo de submarino em relação a sistemas a combustão como o MESMA e o Stirling
Um observador atento pode verificar que as vantagens e desvantagens de sistemas a combustão e sistemas PEM são opostas, ou seja o que é vantagem em um é desvantagem em outro e vice versa.
Olhando pelo lado tecnologico apenas, isto é desconsiderando questões de logistica e economicas, sistemas PEM são superiores aos demais em todos os aspectos.
Espero ter ajudado alguns a entenderem um pouco mais sobre o que consiste sistemas AIP, vou ver se consigo um tempinho mais tarde para escrever sobre a importancia tatica do AIP os motivos que levaram Brasil e Chile a abrirem mãos do AIP e até que ponto isto teria sido uma descisão técnica ou teria sido uma influencia cultural destas marinhas durante o processo de escolha.