AIP podmornice

[ML]

AIP podmornice

AIP,  generički opredjeljuje sve sisteme koje omogučuju podmornici podvodnu plovidbu bez potrebe izlaska na površinu odnosno na šnorkel dubinu radi punjenja bataerija.
Ovakvi sistemi produljuju sposobnost boravka podmornice pod vodom zavisno od brzine do nekoliko sedmica, bez poterebe izlaska na površinu.
Sistemi koji su se, odnosno se primijenjuju:

-Walter sistem, Walterova turbina s kondenzatorom pare, komorom za izgaranje, uređajem za dovod goriva i dezintegraciju vodikovog peroksida koji služi kao oksidator i izvor toplote.pokazala je dosta slabe rezultate i napuštena je.  Trajanje pogona ograničeno je zalihama peroksida. Omjer utroška goriva i oksidatora je 1:9. Eksperimentalna njemačka 90 tonska podmornica sa turbinom je postigla podvodnu brzinu od 28 čv, što je dalo poticaj za izgradnju borbenih podmornica, koje međutim nisu uspjele uzeti učešće u ratu.Posle drugog svjetskog rata se ugrađuju na britanske podmornice Explorer i Excalibur koje su postizale brzine od 25 čv. Kasnije se odustalo od tog pogona, pre svega radi skupog vodik peroksida.

-Dizel motor zatvorenog kruga, koji radi dovođenjem kisika koji se mješa sa ispušnim gasovima radi dostizanja koncentracije kisika slične kao u vazduhu, za zagon pod vodom dok još nema ispušnih plinova se koristi miješanje sa argonom iz spremnika. Sa tim dizel motorom je najviše eksperimentisao SSSR, Nijemci, Britanci i Nizozemci.

-Gorive ćelije, gdje se kroz katalizator i membrane dovođenjem vodika i kisika stvara električna energija, voda i toplota. [ Attachment: You are not allowed to view attachments ]

-Stiringov motor je stapni motor , kod koga se  izgaranje dešava van cilindra, zagrijavaju se stijene cilindra.Radni medij u cilindrima je vazduh, kod podmornica helij. Na jednoj strani se
radi zagrijavanja širi dok se na drugoj strani ohlađen skuplja. Radi razlike u pritiscima  stapovi naizmjenično idu zajedno i udaljuju se. Stapovi su spojeni rombičnim mehanizmom koji njihovo kretanje pretvara u vrtnju.
Izgorjevanje se dešava izvan motora kontinuirano tako da nema eksplozija i potpuno je tih.
Za zagrijavanje se na podmornicama upotrebljava dizel gorivo i kisik pod pritiskom 60atm, tako da produkti izkaranja usljed velikog pritiska slobodno izlaze u more. Kisik se i kod ovog sistema dijelimično mješa ispušnim plinovima. [ Attachment: You are not allowed to view attachments ] [ Attachment: You are not allowed to view attachments ]

- MESM parne turbine, para nastaje u kotlu koji za gorivo upotrebljavaju etanol i kisik, opet pod visokim pritiskom tako da produkti izgaranja bez posebnog kompresora bivaju odvedeni u more. Taj sistem su razvili i primijenili na podmornicama Francuzi.

Za sada gorive čelije predstavljaju najnaprednije rješenje, što se tiče izdržljivosti ispod vode kao i praktično nikakvog povečanja akustičkog polja podmornice.

Ove podmornice su se pokazale kao opasan protivnik koga je teško odkriti posebno u obalnim vodama i predstavljaju realnu pretnju velikim mornaricama.
Američka mornarica je za ispitivanje i vježbe traženja unajmila (samo jedan primjer) koja je u zajedničkim vježbama lako izmicala američkim protivpodmorničkim snagama, pobijeđivala u duelima sa njihovim nuklearnim podmornicama, uspjela proći odbranu nosača aviona i »potopiti« ga.
Radi se o švedskoj podmornici tipa Gotland. [ Attachment: You are not allowed to view attachments ]
<iframe width="720" height="420" src="//www.youtube.com/embed/v1UPG7XwhWw?fs=1&start=" frameborder="0" allowfullscreen="true"></iframe>
 

[kumbor]

Gorive ćelije nemaju nikakvih pokretnih mehaničkih delova i samim tim su akustički najpovoljnije i tehnološki najnaprednije rešenje, ali su za sada veoma skupe.

Stirling motori su relativno jednostavno i najekonomičnije rešenje za AIP propulziju. Šveđani su u službi zadržali samo podmornice sa Stirling motorom i stekli su u tome sada već dugogodišnje iskustvo.  

[ML]

Šveđani su se bazirali na Stirling motor, sledeča generacija podmornica koje če uči u flotu 2015g, projekt A26 isto zadržava još poboljšani Stirling motor, sa približno istim deplasmanom kao Gotland klasa, ali izgrađen sa večom fleksibilnošču i mogučnošću učešča u vojnim misijama.
Proizvođač Kuckums je u pregovorima i sa Norvežanima, koji su pokazali interesovanje za taj tip podmornice, kao i sa Singapurom, a sve u cilju smanjenja troškova proizvodnje.
Bit če joj ugrađeni poboljšani senzori, autonomnost, brzina bi morala biti podvodna 20+, a nadvodna 10+,  smanjeno održavanje, smanjena logistika i produžen boravak na moru.
Imat če, kao opciju automatski top 30mm (RWS).
Ojačane če biti i njene sposobnosti kao skupljača informacija ugradnjom tehnologije koja joj treba omogućiti da vidi i čuje u velikom radijusu, a da sama ostane neotkrivena.
Trebala bi učinkovito djelovati u Baltičkom moru i drugim priobalnim vodama.
[ Attachment: You are not allowed to view attachments ] [ Attachment: You are not allowed to view attachments ]

[ML]

Šeme sistema
Dizel motor zatvorenog kruga [ Attachment: You are not allowed to view attachments ]

Stirling [ Attachment: You are not allowed to view attachments ]

MESMA [ Attachment: You are not allowed to view attachments ]

[ML]

SSGT ( Submarine Submerged Gass Turbine) [ Attachment: You are not allowed to view attachments ]

Novost u pogledima na AIP pogon podmornica se pojavio 2004 godine. Činjenica da je AIP tehnologija osigurala veliku razinu neprimijetnosti podmornice, stoji uz činjenicu da trenutno može pokriti ograničene energetske potrebe komparirano sa nuklearnim pogonom.
Britanska firma BMT Defence Services Ltd razvila je projekt SSGT.
Osnovni projekat temelji na što manjim troškovima i obijedinjavanju najboljih karakteristika klasičnog i AIP pogona. Podmornica če moči koristiti klasičan način pogona, moči če koristiti AIP ili kombinaciju tih pogona, čime bi se povečale taktičke performanse .
Prednosti bi se trebale pokazati u mogučnosti plovidbe AIP pogonom više od 30 dana uz povečane podvodne brzine (trajne) u odnosu na dosadašnje AIP podmornice, uz mogučnost kratkotrajne upotrebe maksimalnih brzina.
Podmornica bi koristilila tri različita pogonska postrojenja: gasne turbine,gorive ćelije i baterije velikog kapaciteta.
Zavisno od situacije koristi se određen pogon.
-   U slučaju brzog marša podmornica plovi u poluzaronjenom stanju (bulb iznad tornja je iznad vode) pogonjena sa dvije turbine i njihovim alternatorima.
-   U periskopskoj vožnji pogon se ostvaruje gorivim čelijama. Vodonik se dobija raspadom kerozina koji služi za pogon plinskih turbina, a kisik se uzima preko šnorkela direktno iz atmosfere.
-   U zaronjenom stanju podmornica koristi pogon gorivih čelija, s tom razlikom da kisik dobavlja iz posebnih spremnika.

Prednost ovakve konstrukcije je u dva načina napajanja sa kisikom ( atmosfera, tanka tečnog kisika) što uveliko povečava operacijoni radijus.
[ Attachment: You are not allowed to view attachments ]

[MOTORISTA]

Kad smo već kod Šveđana.

<iframe width="720" height="420" src="//www.youtube.com/embed/MkeOrSak-M8?fs=1&start=" frameborder="0" allowfullscreen="true"></iframe>

[ML]

Sirlingov toplinski motor koriste  i Japanci na svojim oceanskim podmornicama Asashio(2750t) i tipu Soryo (4200t), doista impresivna tonaža. [ Attachment: You are not allowed to view attachments ] [ Attachment: You are not allowed to view attachments ]

[janezek67]

Oko ovih AIP pogona uvjek se pitam, zašto imaju ove podmornice još diselski motor. Zar ne bi bilo bolje, izbaciti disel motore te slobodan prostor iskoristiti za jače AIP pogone, gorivne čelije i slično. Vjerovatno bi bio doseg ovakve podmornice manji, ali u savremenom ratu teško je pluti na periskopski dubini ili čak na površini, kdje se mogu disel motori iskoristiti.

[ML]

AIP pogon je samo nadopuna, koja omogučava podmornicama duže zadržavanje pod vodom, kod minimalnih brzina, on na današnjem stupnju razvoja nikako ne može dati dovoljno energije za potrebe podmornice.

[kumbor]

A zar je podvodna autonomija od npr. 15 dana pri 4 čvora mala? To je 1500NM, što se već postiže postojećim AIP pogonom. Naravno da je u nadvodnoj ili snorkel vožnji dizel-električni pogon još uvek nezamenljiv, baš kao i baterije u podvodnoj vožnji ako je potrebna maksimalna brzina. Baterije se mogu najefikanije puniti samo dizel generatorom.

[ML]

AIP pogon je ogroman napredak, uz još uvijek dominantan klasični dizel-električni pogon on je ipak samo pomočni pogon, pre svega ga kao takvog opredjeljuje njegova sposobnost da zadovolji sve potrebe podmornice za energijom. Od prosečno instalirane pogonske snage od 3MW, AIP pogon je u prosijeku sposoban proizvesti  10% te pogonske snage.
Međutim prednosti su u povečanoj podvodnoj avtonomiji, kao i o otežanom odkrivanju takve podmornice (smanjenje akustičkog i termičkog polja..)

[ML]

Gorive ćelije kao izvor energije za tihi pogon podmornica i smanjenje mogučnosti za njihovu detekciju

Ne upuštajući se previše u tehničke detalje ovdje ču dati brzi presjek i komparacije sa ostalim AIP sistemima na podmornicama.
U najednostavnijoj formi i baterija može predstavljati AIP pogon, nezavisna je od vazduha i daje energiju bez potrebe za kisikom. Međutim baterija kao spremnik energije dosta malo traje , aproksimativno oko 5 dana najekonomičnije vožnje, nakon čeka podmornica mora izači na dubinu šnorkela radi paljenja dizel motora i punjena baterija. To pogotovu u obalnim vodama završava otkrivanjem podmornice.  Znači AIP pored nečujnosti, znatno produljuje njen boravak pod vodom što drastično povećava njenu nevidljivost.
Da bi se to vrijeme pod vodom produžilo postojala je potreba za AIP pogonom koji je trebao biti:
-pre svega tih
-imati mali termalni podpis
-kao nus produkte nije smio stvarati kontaminaciju okoline, po kojoj bi bio primjećen.
Današnji AIP pogon je kombinacija onoga što danas nazivamo AIP pogonom( dizel zatvorenog cikla,Stiringova mašina, francuska MASMA, gorive čelije) i spremnika električne energije baterija, koje su još uvijek potrebne za dosezanje vršnih snaga, snagu za zagon AIP pogona, kao i rezervni izvor energije u slučaju istrošenih gorivih elemenata.
Zašto baš gorive čelije? Pre svega od svih drugih AIP pogona se razlikuju jer nemaju gibljivih djelova i  znači da su i nečijnije, a  što je isto tako značajno troše najmanje kisika od svih pomenutih pogona po kwh, što povečava njenu nevidnost, odnosno vrjeme koje može provesti pod površinom. [ Attachment: You are not allowed to view attachments ]

Ima više vrsta gorivih čelija, koje operišu na raznim režimima, pre svega temperatura od 1000stepeni celzija , solid oksid gorive čelije (SOFC), one koriste direktno ugljikovodična  goriva,  molten ugljične gorive čelije koje operišu na oko 650 stepeni celzija, isto koriste dizel gorivo, gorive čelije sa fosfornom kiselinom koje operišu na 200 stepeni , alkidne gorive čelije …
Od svih ovih vrsta na podmornicama su se kao najbolje pokazale PEMFC, (Proton Exchange Mebrane Cell), koje pružaju hajveću težinsku i volumetričku gustinu energije, a operišu na temperaturama pod 80 stepeni.
Simens je podpisao ugovor sa Njemačkim ministarstvom odbrane o razvoju postrojenja gorivih čelija i to za podmornicu tip 208. Prvo se je mislilo upotrjebiti alkalne gorive čelije, ali je bilo problema s atom tehnologijom, pa su se preusmjerili u PEMFC , koje su ispitno ugrađene na klasu 205, sa kojom su izvršene probne vožnje 1988g. Uzgred budi rečeno na istoj klasi su ispitani i dizeli zatvorenog kruga.  Konačno je pogon ugrađen na 212, koja je porinuta 2002 godine.
Kao gorivo sa najvećom gustinom energijeupotrebljava se vodonik, bar što se težine tiče, 33kWh/kg,  u komparaciji sa dizelom i metanolom, od 13,2-6,2 kWh/kg. Međutim kod podmornice je veoma važan i volumen, pa se tako postavio problem pronalaženja najboljeg načina za skladištenje vodonika.

[ML]

Gorive čelije za proizvodnju  električne energije trebaju gorivo i oksidant. Za gorivo smo već rekli da je izabran vodonik, a kao oksidant je obično kisik.

Postoji više načina za skladištenje vodonika, međutim na podmornici je odlučujući kriterij volumen, još više nego sama težina.
Može se hraniti kao gas pod pritiskom,  pod pritiskom 700bara, faktor skladištenja je 11 wt% vodonika, što je ekvivalent 2,5kWh/kg. Takvo skladištenje je pogodno za podvodna vozila i vozila za prevoz diverzanata.

Skladištenje vodonika u tečnom stanju podrazumjeva niske temperature skladištenja, pod -253 stepena, št označi specijalno izoliran kontejner odnosno rezervar.

Dalje postoji  skladištenje u metal hidridu, npr litium hidrid, koji može odpuštati vezani vodonik ili pod visokim temperaturama ili u reakciji sa vodom. Normalno da je proces reverzibilan, znači može se i ponovo vezati sa vodonikom. Nalazi se u kontejneru. Ovo skladištenje karakteriše velika težina ali zato manji volumen nego kod tečnog vodonika. Ovako skladištenje je i sigurnu jer vodnonik nije slobodan gas. Pritisak u kontejneru je isto relativno mali 10 do 15 bara.
Njemci su za klasu 212 predvidili da vodonik bude pohranjen na ovaj način, tako ima 18 hidridnih tankova , svaki težak 4,4 tone, sa volumenom 1200l, sposoban pohraniti 1MWh energije po tanku.
Ovi tankovi ne trebaju neko održavanje pa se mogu postaviti izvan glavnog  čvrstog trupa podmornice.

Mnogo se je polagalo i na skladištenje u tankove sa nanofibrama ugljika na koje se veže vodonik. Bilo je čak predpostavljano da bi oslobađanje i vezanje vodonika bilo oko 43-58wt% bez zagrijavanja. Međutim pokazalo se da je taj faktor dosta manji, a i sam sistem je skup, tako da traži dalje ispitivanje za ekonomičnu primjenu.

Uglavnom u 2000 godinama  najviše se polagalo u ova dva zadnja tipa skladištenja.
Dalje ćemo  nešto reći o metanolu, dizelu i direktnoj oksidaciji ugljenovodonika.

[ML]

Pridobivanjem vodonika iz metanola.
Što se tiče energetske gustoće je vrlo blizu sistemima skladištenja sa ugljičnim nanofibrama i metal hidridima, što če se kasnije vidjeti iz tablica. Recimo u odnosu na skladištenje u metal hidridima za istu količinu energije, sistem je dva puta lakši, ali oko 15% volumetrički veći.
Potrošnja kisika je veća , a to zbog toga što je kisik potreban , osim za gorive čelije i za proizvodnju vodonika iz metanola, ili za djelimičnu oksidaciju ili za gorenje i proizvodnju pare potrebne za pretvorbu metanola u vodonik..
Ugljeni monoksid koji se pojavljuje tijekom pretvorbe, nalaže čiščenje prije upotrebe u gorivim čelijama, jer je štetan pre svega platinski katalizator,koji se koristi u PEM gorivim čelijama.
CO2, koji se pojavljuje prilikom pretvorbe se bez velikih problema i sa minimalnim podpisom može izbacivati u more.
Sam sistem ima sledeće komponente:
-   Rezervar za metanol
-   Rezervar za kiseonik
-   Parni pretvarač
-   Sisteme za prečiščavanje vodonika
-   Sistem za rukovanje sa CO2
Metanol je tečnost i skladišti se kod sobnih temperatura u tankove. Da tankovi nebi bili u čvrstom trupu skladišti se u lakom trupu, ali kako ne smije doći u direktni kontakt sa vodom, skladišti se u vreće od materjala otpornog na metanol, tako da trošenjem se volumen vreče smanjuje a nadomješta je voda-more.
Ako je sistem izveden kako treba, ne bi trebalo da predstavlja veliki rizik za podmornicu. [ Attachment: You are not allowed to view attachments ]

[ML]

Proizvodnja vodika od nafte.
Dizel i kerozin imaju dvostruku energetsku gustoću u odnosu na metanol, međutim njihova reformacija je manje efikasna,  tako da kod konverzije u električnu energiju ostane 30% , a kod metanola je iskoristak 55-60 %.
Dizel  ima u sebi dosta sumpornih spojeva koji su smrt za reformer i za katalizator u gorivim čelijama.
Sam sistem je pozitivan radi volumetričke i težinske gustoće energije,a  i obezbeđena je logistika za napajanje, krcanje nafte, ali ima podosta nedostataka pre svega, potrebno je čiščenje spojeva sumpora iz goriva, U sistemu su potrebne velike temperature i pritisci, odvođenje gasova koji nastaju pri reformaciji, kao i velike potrošnje kisika koji iziskuju veće rezervare tog plina.
Šema dole je sistem sa uzimanjem kisika iz vazduha,  kod podmornica bi to bilo iz rezervara kisika. [ Attachment: You are not allowed to view attachments ]
Pored toga se razmatralo i direktna oksidacija alkohola i ugljenovodonika kao goriva u gorivim čelijama (zamjena za vodonik), ali su tu potrebne velike temperature gorivim čelijama (od čvrstih oksida) tamo od 750-1000stepeni, kao i velika količina nus produkata, što ovaj sistem čini neupotrebljiv za podmornice.