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Conheça o sistema AIP indiano para os submarinos Scorpene

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Scorpene indiano

Laboratório indiano desenvolveu sistema de células de combustível fosfórico (PAFC)

Por Saurav Jha

Parece que uma decisão foi tomada pela Indian Navy (IN) para instalar um sistema de propulsão independente do ar (AIP) desenvolvido pelo Laboratório Naval de Pesquisa de Materiais (NMRL), localizado em Ambernath, que faz parte da Organização de Pesquisa e Desenvolvimento da Defesa (DRDO), em todos os seis dos seus submarinos diesel-elétricos classe Scorpene, uma vez que precisem fazer sua primeira remodelação principal.

Esta decisão é, naturalmente, condicionada ao AIP do NMRL ser totalmente comprovado até então como um “plug seguro”. Dado que a remodelação do primeiro submarino classe Scorpene, INS Kalvari, não acontecerá pelo menos em seis anos, o NMRL confia em refinar o seu já avançado protótipo, até lá, para satisfazer os requisitos da IN.

O plano anterior de instalação do AIP do NMRL nos dois últimos Scorpenes foi abandonado, já que o plug AIP do NMRL não foi considerado suficientemente maduro pela fabricante de equipamentos originais (OEM) da classe Scorpene, o Naval Group da França, antes conhecido como DCNS. Como tal, várias partes interessadas consideram que já é tarde demais para instalar o AIP nos dois últimos Scorpenes que também estão em estágio avançado de construção.

No entanto, a IN decidiu que, mesmo que o processo de instalação do plug AIP durante a remodelação envolva o corte aberto do casco de suas unidades Scorpene, ainda valeria a pena, já que o AIP do NMRL possui recursos atraentes. Na verdade, o NMRL acredita que a solução AIP baseada em células de combustível fosfórico (Phosphoric Acid Fuel Cell – PAFC) é um passo à frente do que a Marinha do Exército de Libertação Popular da China (PLA Navy) obteve da Suécia sob a forma de um AIP baseado no sistema Stirling para seus submarinos.

Seja como for, vamos examinar mais de perto a solução AIP baseada no PAFC de 250 kilowatts (kW) do NMRL que permite até 14 dias de autonomia subaquática para um submarino que funcionando exclusivamente com a energia fornecida por este sistema. A Fig. 1 abaixo dá o esquema geral do sistema AIP do NMRL.

AIP do NMRL

Geração de hidrogênio a bordo

Embora com base em um tipo de tecnologia de célula de combustível comprovada, ou seja, a PAFC, o sistema AIP do NMRL, no entanto, incorpora um conjunto de inovações que o tornam um sistema bastante contemporâneo. Por um lado, o pacote AIP do NMRL tem um gerador de hidrogênio a bordo, que produz hidrogênio “in situ” ao contrário de muitas outras configurações de AIP, onde o hidrogênio para uma missão deve ser transportado a bordo.

Além disso, a produção de hidrogênio a bordo no AIP do NMRL não requer qualquer tipo de combustão. O AIP do NMRL fornece hidrogênio “in situ” pela reação de hidrogênio “rico” em boro-hidreto de sódio, que é transportado a bordo, com água, para gerar hidrogênio e metaborato de sódio (ver Fig. 1, acima).

As vantagens deste tipo de hidrólise de boro-hidreto (BH) para gerar hidrogênio em relação a outras formas de dispor de hidrogênio a bordo são dadas abaixo na Fig. 2. O processo de BH do NMRL gera uma quantidade considerável de hidrogênio sem implicar a liberação de quaisquer efluentes gasosos que aumentem o ruído do sistema e podem comprometer o sigilo submarino. Além disso, os geradores de BH também têm vidas operacionais longas.

Fig. 2: Uma comparação de vários processos de sistemas de hidrogênio a bordo. Fonte: NMRL

Inovação na PAFC

Agora, o hidrogênio gerado pelo BH é enviado para a instalação principal do sistema AIP, que é constituída por pilhas (stacks) de PAFC, que naturalmente usam ácido fosfórico como eletrólito.

Os eletrodos do design da PAFC do NMRL são feitos de platina/carbono de PTFE. O suporte do eletrodo é na forma de papel carbono e o carboneto de silício serve como suporte de eletrólito. Um layout e processo típico da PAFC é retratado na Fig. 3 abaixo.

Fig. 3: layout e operação típicos da PAFC. Fonte: NMRL

A tecnologia básica da PAFC é, na verdade, a tecnologia FC (Fuel Cell) mais antiga de uso comercial em uso. No entanto, a tecnologia tem visto melhorias constantes ao longo dos anos e mantém certas vantagens em relação a outros tipos de FC.

A PAFC tem uma vida útil muito maior do que qualquer outro tipo de FC comercialmente viável e tem uma tolerância muito melhor às impurezas nos reagentes utilizados, mesmo quando comparados às células de combustível de membrana de polímero eletrolítico (PEMFC).

Naturalmente, a PAFC também possui suas desvantagens em relação às PEMFCs e aos tipos de FC mais contemporâneas. As temperaturas de operação da PAFC são geralmente mais altas em comparação com a PEMFC e a relação entre potência e peso total é menor. Uma comparação da PAFC em relação a outros tipos de FC é dada na Fig. 4 abaixo.

Fig. 4: Comparação da PAFC com outros tipos de FC. Fonte: NMRL

De qualquer forma, a tecnologia PAFC evoluiu para se tornar uma opção bastante útil para o fornecimento de energia off-grid baseado em terra. O que o NMRL fez é desenvolver o conhecimento básico relacionado com a PAFC para criar pilhas PAFC autóctones que sejam robustas e compactas o suficiente para serem adequadas para aplicações marinhas subaquáticas com as margens de segurança relevantes.

Um desafio típico com PAFCs é a necessidade de lidar com seu eletrólito ácido corrosivo, mantendo a concentração do mesmo. Isso requer o desenvolvimento de materiais especiais resistentes à corrosão e engenharia detalhada de componentes, ambos realizados manualmente no NMRL. De fato, o NMRL registrou uma série de patentes de inovação no caminho do desenvolvimento de stacks PAFC autóctones relacionadas aos catalisadores utilizados, selantes, matriz de suporte de ácido, papel carbono, etc. Muitos avanços também foram feitos em sistemas de gerenciamento de ácido.

O impulso do desenvolvimento obviamente foi sobre a redução de custos, uma vez que os materiais especiais utilizados em uma PAFC não são exatamente baratos. Por exemplo, o NMRL desenvolveu materiais de placas de distribuição de gás grafito de baixo custo para uso em suas pilhas de PAFC. O NMRL também fez experimentos com géis microporosos especiais à base de siloxano que aumentam a retenção de água para evitar a perda de vida de projeto que as PAFCs devem sofrer com freqüentes paradas/iniciações.

A PAFC do NMRL também opera a uma temperatura mais baixa do que as PAFC de geração mais avançada, aparentemente. Isso, claro, ajuda a reduzir a carga de energia parasitária do sistema AIP abaixo daquele de um sistema baseado em PAFC legado, com o benefício simultâneo de uma maior saída líquida disponível para fins propulsores.

Produção autóctone

É importante lembrar, o desenvolvimento de pilhas PAFC autóctones pelo NMRL foi feito em estreita cooperação com a indústria indiana. Na verdade, as PAFCs do NMRL são os primeiros exemplos de industrialização bem-sucedida de qualquer tipo de FC na Índia.

O NMRL transferiu a tecnologia da PAFC para a Thermax Ltd, localizada em Pune, que iniciou a produção com o fornecimento de vinte e quatro unidades de PAFC de 3 kW para uso cativo no NMRL através de um arranjo de recompra. De acordo com a CSIR, as instalações da Thermax são fornecidas com todos os módulos de sub-fabricação para fabricar eletrodos a partir de matérias-primas básicas, montá-los sob a forma de pilhas de células de combustível e realizar testes elaborados de cada pilha para atender aos rigorosos requisitos de controle de qualidade do NMRL necessários para estabelecimentos de defesa”.

Parece que a mão-de-obra qualificada em grande escala para a fabricação de células de combustível também foi desenvolvida no curso da industrialização da tecnologia PAFC do NMRL.

Fig. 5: A N11, uma pilha PAFC de 11,5 kW desenvolvida para a solução AIP do NMRL. Fonte: NMRL

NMRL e Thermax já se uniram na produção da pilha NFC N11, de 11,5 kW, de uso naval, mostrada abaixo, que tem uma estrutura de casulo robusta e passou por testes de choque e vibração que podem ocorrer durante intensas operações subaquáticas. Tais pilhas PAFC paralelas/conectadas em série podem ser usadas para níveis de geração de energia de até 500 kW, sublinhando assim a modularidade da solução AIP do NMRL, que também pode ser usada em outros submarinos além do Scorpene.

Além disso, a arquitetura modular do NMRL ultrapassa um sistema composto, uma vez que, mesmo que um dos módulos falhe, o sistema de controle para pilhas de PAFC pode reconfigurar as unidades operacionais remanescentes para continuar a fornecer potência, embora com um quantum reduzido. Isso aumenta naturalmente a capacidade de sobrevivência do sistema, o que é de extrema importância quando se usa para impulsionar um submarino furtivamente.

Fig. 6: Plug AIP ou seção do NMRL para os submarinos classe Scorpene da Marinha Indiana. Fonte: NMRL

Para o Scorpene e além

O protótipo AIP atual testado no NMRL foi otimizado para a forma e ajuste do casco do Scorpene (veja a Fig. 6 abaixo), embora os módulos que se encaixem em outras dimensões de casco também possam ser projetados.

Este AIP está em conformidade com o padrão típico de que seu comprimento seja inferior a 10% do casco destinado e é um plug cilíndrico que tem flutuação neutra e provavelmente pesa menos de 300 toneladas. Obviamente, o AIP do NMRL não possui máquinas rotativas pesadas e o NMRL confia que o módulo “mantém o silêncio relativo e mantém suas características discretas” em todo o envelope da plataforma.

Como tal, o desenvolvimento de um sistema AIP autóctone pela DRDO e sua completa industrialização doméstica é um marco significativo no desenvolvimento da tecnologia de FC na Índia. Além do programa Scorpene, qualquer projeto de submarino diesel-elétrico escolhido para construção no Projeto 75I também é provável que seja um destinatário da solução AIP do NMRL.

FONTE: Delhi Defence Review

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Flamenguista
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Flamenguista

Comentários criticando a nossa marinha por nao ter optado por AIP em tres….dois….um….

Helio
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Helio

Eu não…. Até porque o timing era outro.
Mas não custa nada pensar desde já numa futura adaptação, láaaaa na frente, pois os indianos vão testar a mesma antes.

Carlos Alberto Soares
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Carlos Alberto Soares

Bela matéria, texto idem.
Mais fácil ir na Alemanha e comprar 10 Sub AIP SHPF com uma ótima missilica e lançamento vertical idem.
Pronto. Mais rápido, seguro e de menor custo.
Ou os Sub dos Japas, muito bons também.

Bardini
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Bardini

A Índia vai ter que correr atrás se quiser encarar a China: http://cimsec.org/pla-navys-plan-dominance-subs-shipborne-asbms-carrier-aviation/34497

LucianoSR71
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LucianoSR71

Modestamente, acho que a tecnologia AIP ainda tem muito o que evoluir. Na fig.4, por exemplo, temos 2 tecnologias em desenvolvimento ( SOFC e MCFC ), mal comparando é como tivemos uma evolução muito grande e rápida nos processadores do PCs – 386 / 486 / Pentium, etc. Então nada impede de que no futuro a MB chegue a conclusão que já existe uma opção madura, segura e de custo/benefício adequado e incorpore em novos submarinos ou nos que estão sendo construidos agora, quando da manutenção das baterias, já que o casco tem que ser cortado.

Nunao
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Nunao

LucianoSR71,
Diferentemente dos submarinos Tipo 209, no caso do Scorpene não é previsto corte completo e separação de seções do casco para a manutenção e substituição de motores e baterias. Isso se fará pela retirada de uma grande “placa” do casco (grosso modo, uma evolução do sistema usado, por exemplo, para manutenção dos antigos Oberon). Já para instalação de uma seção extra com AIP, aí sim seria necessário o corte e separação.

LucianoSR71
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LucianoSR71

Nunao 25 de outubro de 2017 at 14:19
Obrigado pela informação. Então me parece que esse método permite uma manutenção de meia-vida mais rápida e barata, é isso? Outra coisa, quer dizer que nos classe Oberon também não precisava passar a faca nele todo?

Fernando "Nunão" De Martini
Editor
Famed Member

Não precisava, era retirado um tipo de “tampão” rebitado no casco resistente. Conversando uma vez com dois almirantes da reserva, que em momentos de suas carreiras vivenciaram essas manutenções de submarinos da classe Oberon no AMRJ, me disseram que era muito trabalhoso realizar a retirada e a recolocação dessa placa. Creio que no caso do Scorpene essa placa seja soldada, necessitando de corte e posterior solda. Também seria uma tarefa delicada como a do corte do casco nos IKL, só que em menor escala e sem ter que separar seções inteiramente. Acho que escrevi sobre isso na matéria sobre a… Read more »

Nunao
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Nunao

LucianoSR71, encontrei matéria de anos atrás sobre o chamado “escotilhão” cortado e soldado no casco do Scorpene, e nela também há comentário meu sobre o similar do mesmo no Oberon, que era rebitado.

Nunao
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LucianoSR71
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LucianoSR71

Nunao 26 de outubro de 2017 at 0:00 Amigo, obrigado pela atenção. Li a matéria, fala apenas de manutenção dos motores: ” A instalação do Soft Patch, também chamado de escotilhão, abertura na parte superior do casco para a retirada dos motores de combustão principais”, não fala nas baterias, não é duvidando de vc, mas pelo que eu sei elas são bem grandes, pesadas, numerosas e ficam na parte inferior do casco, dá p/ passá-las por essa abertura que fica justamente na parte superior? Pelo jeito não é muito melhor que o corte total do casco, apesar de logicamente ser… Read more »

Fernando "Nunão" De Martini
Editor
Famed Member

LucianoSR71, as baterias também serão retiradas pelo escotilhão, tal qual se fazia em submarinos mais antigos por décadas e décadas. A dificuldade maior não é a retirada e acesso a baterias (elas são grandes, mas individualmente são colocadas e retiradas e vão se ajustando como caixas que se arrastam para o fundo de uma grande gaveta) seja nos IKL, Scorpene, Oberon ou diversos outros anteriores, e sim aos motores diesel e elétricos, muito maiores, mais pesados e de acesso complicado no submarino fechado, em relação às células de baterias, individualmente.

Carlos Alberto Soares
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Carlos Alberto Soares

LucianoSR71 26 de outubro de 2017 at 7:53
Os Âmis liberaram algo nas baterias que tem tecnologia sensível ?

Carlos Alberto Soares
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Carlos Alberto Soares
LucianoSR71
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LucianoSR71

Carlos Alberto Soares 26 de outubro de 2017 at 8:40
Sou o menos indicado p/ lhe responder, o Nunão, por exemplo é do ramo. Mas como o submarino é francês, creio que as baterias sejam também. Abs.

LucianoSR71
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LucianoSR71

Fernando “Nunão” De Martini 26 de outubro de 2017 at 9:23
Ou seja o que parece ser melhor do ponto de vista de ser menos invasivo, na verdade não é mais prático. Obrigado.

Fernando "Nunão" De Martini
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Famed Member

São abordagens diferentes para o mesmo problema, com vantagens e desvantagens em cada caso. De minha parte, não tenho como afirmar qual é melhor ou pior.

LucianoSR71
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LucianoSR71

Fernando “Nunão” De Martini 26 de outubro de 2017 at 10:41
Valeu.

Ronaldo de souza gonçalves
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Ronaldo de souza gonçalves

Para o Brasil está tecnologia não é viável no momento ,pois a velocidade que desenvolve e baixa,e nossas aguas são continentais.No caso se algum dia um reator que o brasil está fabricando possa ser reduzido em tamanho é peso isto sim seria interessante trocar os motores diesel, pelo atômico seria um sonho.Teriamos uns seis e não um subnuclear.

Bavaria Lion
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Bem

Se algum projeto autocne da Índia der resultado, eles terão algumas tecnologias exclusivas. Esse sistema de AIP, por exemplo, será inédito, apesar de utilizar células de combustível, será o unico AIP de ácido fosfórico (https://en.wikipedia.org/wiki/Phosphoric-acid_fuel_cell).
Se der certo, será um benchmark. Senão, bilhões de dólares perdidos. Vamos esperar…