Onderzeeërs met brandstofcellen bieden onder water stealth

Anonim

Onderzeeërs met brandstofcellen bieden onder water stealth

Milieu

Nieuw Atlas-team

7 november 2004

11 afbeeldingen

7 november 2004 Hoewel brandstofcelauto's minder uitstoot aan land beloven, hebben de volle zee al lang een virtuele amnestie genoten van luchtvervuilingsvoorschriften. Er is geen effectieve manier om verontreinigingsemissies van schepen te reguleren, maar de brandstofcel heeft een mooie toekomst onder water als het beste alternatief voor kernenergie. De brandstofcel heeft veel voordelen voor onderzeeërs, de meest aansprekende is die van volledig geruisloos lopen. Een onderzeeër met brandstofcellen, zoals de nieuwe 212 en 214 van HDW, kan drie weken achter elkaar onzichtbaar onder de golven op de loer liggen. In tegenstelling tot andere niet-nucleaire onderzeese varianten zoals gasturbine en dieselmotoren, kunnen brandstofcellen ook door een schip worden gedistribueerd voor een grotere ontwerpflexibiliteit, wat op zijn beurt de scheepsbouwkosten vermindert. Het bedrijf dat dit nieuwe monster maakt, maakte ook de eerste onderzeeër ter wereld in de oorlogstijd en biedt nu retrofits aan.

Vervaardigd door het Duitse bedrijf Howaldtswerke-Deutsche Werft GmbH (HDW) in Kiel, kan deze moderne moderne U-boot zijn afstamming volgen tot de eerste operationele onderzeeër ter wereld die dienst heeft gezien tijdens de Duits-Deense oorlog van 1851.

Vervolgens werd het bedrijf als Schweffel & Howaldt verhandeld om 's werelds eerste onderzeeër, de' Brandtaucher ', te bouwen, alleen omdat de Deense troepen te dicht bij de scheepswerven waren gekomen van het eerste bedrijf dat was gecontracteerd om de onderzeeër te maken. Anderhalve eeuw later is de HDW-groep een belangrijke speler in de scheepsbouwindustrie en experimenteert hij sinds eind jaren 70 met brandstofceltechnologie voor onderzeese voortstuwing.

De nieuwste lijn van U212 en U214 Class niet-nucleaire onderzeeërs is ontwikkeld met behulp van een stille werkende brandstofcelcentrale die draait op negen 34-kilowatt Siemens polymeer elektrolyt membraan (PEM) waterstof brandstofcellen. Een luchtonafhankelijke brandstofcelaandrijving (AIP) zorgt voor een extreme toename van onderwateruithoudingsvermogen, verhoogde duikdiepte en algehele efficiëntie.

Ondanks een gewicht van meer dan 1630 metrische tonnen, kunnen de 212 drie weken onder water blijven en torpedo's heimelijk ontladen met torpedo's met een waterverwijderingssysteem om verkennings-, interceptie- en bewakingsmissies uit te voeren. Zonder dat u gedurende dergelijke lange perioden hoeft te komen, kan de U212 geruisloos werken zonder uitlaatgassen te produceren en zo de detectie te verminderen. Beide modellen zijn ook uitgerust met torpedo-tegenmaatregelen, inclusief onderwatereffector-stoorzenders en bieden minimale akoestische, thermische en magnetische signaturen om een ​​nog hogere graad van niet-detecteerbaarheid te bieden.

BRANDSTOFCELTECHNOLOGIE

Brandstofcellen zijn elektrochemische energieomzetters. Het voordeel van een brandstofcelsysteem aan boord van onderzeeërs is hun luchtonafhankelijke werking. Ze gebruiken een energiedrager (bijv. Waterstof of methanol) en een oxidatiemiddel (vloeibare zuurstof / LOx), die allemaal aan boord worden bewaard. In de brandstofcellen worden waterstof en zuurstof gecombineerd tot water, waardoor elektriciteit wordt afgegeven (DC). Dankzij een zeer hoog rendement is de hoeveelheid afvalwarmte erg laag. De geproduceerde elektrische energie wordt vervolgens naar het hoofdschakelbord van de onderzeeër gevoerd. De hoeveelheid opgeslagen reactanten in combinatie met de uitstekende efficiëntie van de energieomzettende brandstofcellen bieden de onderzeeër een emissievrije, vervuilingsvrije alternatieve energiebron.

U212

De U212 combineert een conventionele dieselgenerator met een loodzuuraccu en een luchtonafhankelijk voortstuwingssysteem (AIP) voor stil, langzaam varen en een brandstofcel met zuurstof- en waterstofopslag. Het systeem bestaat uit negen PEM-membranen (polymeerelektrolytmembraan), die elk tussen 30 en 50 kW leveren.

Voor hogere snelheden wordt verbinding gemaakt met de krachtige lood-zuurbatterij. Een MTU 16 V- 396 dieselmotor drijft de generator aan voor het opladen van de batterij die is geïnstalleerd op de laagste van de twee decks aan de voorzijde van de onderzeeër. De dieselgeneratorinstallatie is op een zwevend dekplatform met dubbele elastische steunen gemonteerd voor geluidsisolatie en trillingsisolatie. De schroefmotor is direct gekoppeld aan de zevenbladige schroefschroef.

U214

De U214-onderzeeër, nog in ontwikkeling, heeft een cilinderinhoud van 1.700 ton, is 65 meter lang en wordt bemand door een bemanning van 27. De voortstuwing wordt opnieuw verzorgd door een Permasyn-motor van Siemens die zijn stroomtoevoer haalt uit de brandstofcellen of uit batterijen die worden gevoed door een dieselgenerator. De prestaties van het AIP-systeem zijn verhoogd met twee Siemens PEM-brandstofcellen, die 120 kW per module produceren en de onderzeeër een onderwateruithoudingsvermogen van twee weken geven.

EXPORTMARKTEN

De HDW-brandstofcelinstallaties worden opgenomen in alle nieuw ontworpen boten, zoals de U212- en U214-klasse, maar een brandstofcelcomponent kan ook worden geïntegreerd in een bestaande niet-nucleaire onderzeeër tijdens moderniseringsupgrades.

De Duitse marine heeft vier van de U212-onderzeeërs besteld, waarvan er nog twee door Fincantieri zijn gebouwd voor de Italiaanse marine. HDW ontwikkelt ook de U214-brandstofcelonderzeeër voor exportmarkten. De Griekse marine - de eerste buitenlandse marine die in februari 2000 brandstofcelonderzeeërs bestelde bij HDW - heeft vier U214-onderzeeboten besteld. Het was ook de eerste buitenlandse marine die in 1967 klasse 209 onderzeeërs bestelde voor export uit HDW en nu acht van deze schepen bezit. Drie van deze zijn gepland om te worden omgebouwd in Hellenic Shipyards met een brandstofcelsysteem. Zuid-Korea heeft ook drie U214-onderzeeërs besteld om in 2007, 2008 en 2009 in dienst te treden en te worden gebouwd door Hyundai Heavy Industries.

Het Amerikaanse Office of Naval Research (ONR) ontwikkelt ook innovatieve voortstuwingssystemen op basis van nieuwe brandstofceltechnologie voor een efficiënte opwekking van elektrische energie en een grotere ontwerpflexibiliteit voor toekomstige schepen.

ONR-programmamedewerker Anthony Nickens legt uit dat "de scheepvaart van de marine gasturbine-motoren typisch werken met een efficiëntie van 16 tot 18 procent, omdat marineschepen meestal met lage tot gemiddelde snelheden varen die geen piekverbruik van de centrale vereisen. Het brandstofcelsysteem dat ONR ontwikkelt, kan een efficiëntie van 37 tot 52 procent bereiken. "

ONR test een 500-kilowatt dieselbrandstofreformer, of "geïntegreerde brandstofprocessor, " die compatibel is met een brandstofcel van het protonenuitwisselingsmembraan (PEM), bij het Department of Energy Idaho National Engineering en Environmental Laboratory in Idaho Falls.

De ONR financiert ook de ontwikkeling van een methode om waterstof uit dieselbrandstof te winnen. Een dieselreformeringssysteem zou profiteren van de relatief lage kosten van de brandstof en de gevestigde infrastructuur van de marine voor het kopen, opslaan en transporteren ervan.

U212 doorsnede

Vier U212-onderzeeërs
worden gebouwd voor de
Duitse marine en twee voor
de Italiaanse marine

De dieselaandrijving
systeem wordt gecombineerd met
een lucht onafhankelijke voortstuwing
(AIP) systeem, gebruikt voor stil
langzaam cruisen

De U212-brandstofcel
aangedreven onderzeeër

De U214-onderzeeër zal
hebben de duikdiepte verhoogd
en een verbetering van de AIP-prestaties