O sistema de propulsão híbrida AMPS(N) para submarinos
ARA Santa Cruz, TR-1700
O sistema com reator de baixa potência foi oferecido para equipar submarinos diesel-elétricos do porte do TR-1700, a classe do ARA Santa Cruz e ARA San Juan
O sistema de propulsão híbrida nuclear/diesel-elétrica denominado Naval Autonomous Marine Power Source AMPS(N) foi desenvolvido no Canadá pelo ECS Group of Companies. Basicamente, tratava-se de um pequeno reator nuclear capaz de manter uma carga contínua das baterias do submarino, oferecendo uma capacidade de produção de energia independente da atmosfera.
Extremamente silencioso, o sistema canadense utilizava evaporadores de freon e turbo-alternadores, em lugar dos geradores de vapor e turbinas de um submarino nuclear “puro” equipado com reator de água pressurizada. O AMPS(N) utilizava combustível nuclear com baixo teor de enriquecimento (20% de U-235) e água como refrigerante primário.
Este sistema seria instalado em um “plug” (seção de casco de pressão) com aproximadamente 7,8 metros de comprimento, o qual seria adaptado a um moderno submarino convencional de ataque com capacidade oceânica, acrescentando cerca de 250 toneladas ao deslocamento submerso. Segundo informes na época que em que o sistema foi oferecido, um submarino de 1.700 toneladas novo ou convertido equipado com uma versão do AMPS(N) capaz de produzir uma potência útil de 500 kW, poderia manter uma velocidade de cruzeiro submerso de aproximadamente 8 nós, pela duração de uma patrulha, sustentando toda a carga de serviços de bordo e mantendo as baterias carregadas.
Um submarino de propulsão híbrida (SSn) teria uma autonomia de imersão virtualmente ilimitada, pelo menos em relação ao combustível do seu reator compacto. Entretanto, ao contrário de um reator de água pressurizada, que produz energia elétrica em abundância, o sistema híbrido não seria capaz de renovar o suprimento de oxigênio no interior do submarino, através da decomposição da água do mar por eletrólise.
Os custo de aquisição, operação e manutenção do sistema AMPS(N) seriam consideravelmente inferiores aos de um reator de água pressurizada do tipo usado em um submarino nuclear de ataque (SSN).
FONTE: Revista Segurança & Defesa/COLABOROU: Alexandre Fontoura
No texto, penultimo paragrafo:
“Entretanto, ao contrário de um reator de água pressurizada, que produz energia elétrica em abundância, o sistema híbrido não seria capaz de renovar o suprimento de oxigênio no interior do submarino, através da decomposição da água do mar por eletrólise.”
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Como infante, portanto não entendendo nada mesmo de submarinos, qual a vantagem estratégica e tática desse sistema híbrido?
Gonçalo, a vantagem de qualquer propulsão AIP independente da atmosfera, seja ela nuclear, de célula de combustível ou de circuito fechado Stirling, é reduzir a taxa de indiscrição do submarino convencional. Com a propulsão AIP o submarino convencional (SSK) aumenta em muito os intervalos entre cada uso do snorkel, pois possui uma fonte alternativa de energia além das baterias. Mantendo as baterias carregadas enquanto usa a propulsão AIP, o submarino convencional conta com uma reserva de energia para poder acelerar em velocidade máxima com o objetivo de atacar outros alvos ou escapar de torpedos lançados contra ele. Um submarino convencional… Read more »
Na foto abaixo, um submarino classe Walrus usando o snorkel:
Curiosíssimo. O que foi feito desta proposta? E existiriam outras formas de transformar a energia térmica da fissão diretamente em eletricidade, dispensando alternadores? O que impede alcançar maior velocidade submersa com motor elétrico?
Alex, existem outras formas, mas são muito menos eficientes.
Uma questão interessante: talvez seja interessante desenvolver este tipo de “AIP” de forma que ele tivesse um certo grau de comunalidade com reatores maiores, assim quem não tem dinheiro pra comprar e manter um nuclear puro, compra um híbrido, e quem tem os dois, teria uma melhor logística de reposição de peças ( considerando o nosso caso onde ” em tese” dominariamos a cadeia de produção e não sofreriam os com embargos neste item).
Alex, a potência baixa do reator é o que impediria de manter velocidades submersas mais elevadas do que 8 nós sem exaurir as baterias.
8 nós era o limite para esse reator de baixa potência manter as baterias carregando e o submarino em movimento e com seus demaus sistemas funcionando. Acima disso, só gastando a energia armazenada nas baterias, como seria o caso do submarino diesel-elétrico convencional sem esse sistema.
Obrigado pela matéria.
Algum sistema deste tipo ou ele mesmo já foi instalado em algum submarino convencional ?
Seria possível instalar um semelhante a este nos nossos scorpene ?
Gonçalo Jr.,
Quando um submarino convencional vai próximo à superfície esnorquear, ele passa a usar os geradores a dísel para alimentar suas baterias, o que gera muito ruído tornando o submarino bastante vulnerável. Além de limitar muito a capacidade seus sonares, devido também ao ruído do motores.
Mas se o reator não pode renovar a água, o submarino teria que subir para tomar ar, igual aos diesel elétricos, afinal, por quanto tempo ele ficaria submerso?
Talvez isso seja interessante num futuro de submarinos autônomos, agora, pelo menos na minha visão de ignorante do assunto, esse tipo de propulsão não faz sentido uma vez que o calcanhar de Aquiles dos submarinos convencionais é o tempo de submersão e a velocidade, não a assinatura acústica.
Hélio,
Dependendo do custo, faz muito sentido sim. O tempo para trocar o ar na superfície é muito mais curto do que recarregar baterias e sem dúvida muito mais discreto e não compromete o uso do sonar passivo. Para patrulha 8 nós é uma ótima velocidade pois não “ensurdece” o submarino e ele ainda fica completamente pronto para o combate com as baterias completamente carregadas.
Galante/Nunão, algum SSK faz ou já fez uso deste sistema ou sistema parecido, ou seja, nuclear ?
Hélio, para apenas renovar o ar no interior do submarino o tempo de exposição é bem menor do que o necessário para recarregar baterias.
A vantagem desse reator de baixa potência para módulo de AIP ao invés de outros é que, no caso do nuclear, a produção de energia (apesar de relativamente baixa como em outros sistemas AIP) não é limitada por combustível, oxidante, hidrogênio etc (conforme o tipo) carregados a bordo.
Penso inclusive, que o sub poderia abrir mão dos grandes geradores a dísel, deixando apenas um gerador dísel menor de emergência e instalar um sistema AIP Nuclear desse mais avançado e de maior potência.
ECosta, você acabou de descrever praticamente um submarino nuclear.
Olá Alex. Excelente pergunta. Existem alguns semicondutores que são capazes de absorver neutrons que em tese poderiam ser usados para converter a energia de cinética deles em energia elétrica, mas a eficiência é muito baixa (só uma parte dos nêutrons emitidos por uma reação nuclear seriam aproveitados). Além disso, a maior parte da energia de uma reação nuclear é dissipada por calor. Também existem dispositivos termoelétricos que geram energia elétrica a partir de gradientes de temperatura, então seria necessário manter o lado de fora do dispositivo permanentemente refrigerado. Acho que isso cria um problema de engenharia pouco robusto. O mais… Read more »
Olá Alex. A propósito, o Nunão matou a charada. A potência é quantidade de energia que o reator disponibiliza por tempo (1 W = 1 J por segundo). Se a potência é baixa, só vai ter energia para fazer algumas coisas. Isso limita o uso. Sabe aquela história de nunca ligar o microondas junto com o chuveiro elétrico porque derruba o disjuntor? riso. Se o reator é de baixa potência (o texto diz 500 kW) só dá para fazer as coisa até este limite (na verdade, abaixo disso por segurança). Para ter uma comparação, o reator do PWR planejado para… Read more »
Isso, Camargoer, ou quase isso. Pelo que sei, o SNBR deverá ter reator com potência de 48MW, mesma classe de potência de submarinos franceses classe Rubis.
Olá Nunão. Em termos de comparação, um reator com 48 MW abasteceria uma cidade de 360 mil habitantes, enquanto o reator de 500 kW seria suficiente para uma cidadezinha de 3600 habitantes. Acho que isso dá uma dimensão da diferença entre um reator PWR e o AMPS(N).
Pelo que eu sei o reator é a maior fonte de barulho ou uma das maiores, entao penso eu que um submarino híbrido desse acabaria com a furtividade do mesmo e apesar de ser mais barato que um propriamente nuclear deve ser mais caro que um com AIP e mais barulhento tbm, deve ser por isso que ngm usa.
Augusto, a geração de ruido depende da tecnologia do reator, de todo o ciclo do vapor e turbinas, e se o(s) eixo(s) de propulsão são ligados mecanicamente às turbinas por uma caixa de redução, esta sim uma das maiores geradoras de ruído em submarinos nucleares mais antigos.
Projetos mais novos, em que se consegue isolar melhor as turbinas como fontes de ruído, e em que essas funcionam como turbogeradores alimentando motores elétricos, a geração de ruído é muito menor.
Isso, Camargoer. E vale lembrar que, quando pensamos em propulsão, a potência precisa crescer em proporções muito maiores para incrementos cada vez menores na velocidade. Assim, se 500KW bastariam para uma baixa velocidade (a matéria diz 8 nós, achei até muito pra uma potência relativamente tão baixa), para se atingir pouco mais de 20 nós submerso um submarino pequeno como um IKL 209 1200 precisa chegar à potência máxima de seu motor elétrico de cerca de 3000KW (ou 3 MW) E para chegar perto de 30 nós, um submarino nuclear como o SNBR (muito maior que um IKL 209) precisa… Read more »
Augusto, reator não faz barulho. As fontes de ruído na propulsão nuclear são as bombas do sistema de refrigeração, as turbinas e engrenagens redutoras.
Grato ao Thiago, ao Fernando ‘Nunão’ de Martini e ao Camargoer pelas respostas. O freon não está proibido como fluido frigorigeno? O compressor do circuito refrigerante demandaria muita eletricidade, já que (suponho) em funcionamento contínuo? Abraço a todos.
Vlw, pelas correções, mas ainda acho que o custo benefício nao valeria em detrimento a um AIP de hj, pelo menos ngm adota.
Percebi que o texto se refere ao reator e à empresa no pretérito. Tal reator não é mais oferecido ? A empresa não mais existe ?
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Considerando um limite de 7 dias de ar, multiplicado por 24 horas vezes 8 nós/hora = 1344 nós = 2492 km sem emergir !
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Desconheço a proporção entre variação de potência e velocidade na água. No ar, para cada variação “x” de velocidade, a variação de potência é de “x” elevado ao cubo.
Vale salientar que nenhum sistema AIP é capaz de produzir O2
Olá Alex. Desde 2010, o freon (R-22) está sendo substituído por outros gases que não agridem a camada de ozônio. Não lembro quando ele será totalmente banido, mas deve ser logo. Por outro lado, os TR17000 foram fabricados na década de 80 quando se acreditava que o freon era inofensivo. Eu não sei dizer ser o sistema proposto usaria o ciclo de compressão e descompressão da geladeira, mas acho que ele usaria a expansão do gás devido o aquecimento para gerar um diferencial de pressão na turbina ligada ao gerador elétrico, talvez usando o próprio mar como meio refrigerante para… Read more »
Ação esse sistema não foi oferecido ao Brasil também? Ainda faria sentido custo benefício entrar em um projeto desses?
Estamos desenvolvendo um reator nuclear nacional e um SSN… PQ gastar dinheiro com um projeto caro desses, se podemos ter algo melhor?
Olá Bardini. Acho que é isso mesmo. Já dominamos o clclo de combustivel, o protótipo do reator está quase pronto, o estaleiro está quase pronto e o casco está comprado. O ponto de não-retorno ficou lá trás…
Bardini, – Meu questionamento é um pouco ao contrário… Será que vale a pena investir em um SSN se pudermos adaptar nossos scorpene de modo a eliminar ou reduzir satisfatoriamente suas limitações como SSK ? Imagina a economia que seria… – Quando vemos um SSK por dentro podemos observar o tamanho que os seus geradores ocupam. Este espaço não poderia ser ocupado por um pequeno reator mais sofisticado do que este da década de 80, substituindo a necessidade de snorkel para a carga das baterias ? – Estou levando em conta que o submarino produza uma velocidade de cruzeiro de… Read more »
Delfim Sobreira 27 de novembro de 2017 at 21:04 Essa também é a minha dúvida, será que a tecnologia foi abandonada? As quantas anda hoje em dia. Pelo o que o nunão e o ECosta explicaram, isso seria uma boa alternativa aos sub nucleares por um preço bem menor (porém maior que os AIP[?]). Fico pensando o quão vantajoso seria essa tecnologia num submarino barato e silencioso como o gotland. A questão que fica no ar é justamente o custo e a manutenção, claro, avaliando que certos sistemas AIP são caros, grandes, complexos e não lá muito eficientes como é… Read more »
ECosta 27 de novembro de 2017 at 22:09
Você não entendeu amigo. O investimento no SSN JÁ FOI FEITO. Trata-se de um programa que iniciou-se em 1979, com o domínio do ciclo do combustível. Como disse o camargoer, o ponto de não retorno já foi ultrapassado há muito tempo
Hélio 27 de novembro de 2017 at 22:10
Helio, acredito que você foi direto ao ponto. Trata-se de um sistema que tem todas as desvantagens e custos da propulsão nuclear, sem entregar uma performance melhor do que a de um moderno submarino AIP
Camargoer
Ponto de não-retorno de quê ? De não se pensar mais em subs convencionais ? Seria legal mas haja $$$.
Um mínimo de 3 subnucs custariam tanto que talvez nem para OPV sobraria.
Delfim Sobreira 27 de novembro de 2017 at 22:19
Acontece que a maior parte do dinheiro já foi gasto. Matar esse programa agora é que seria o maior prejuízo da história
Colegas Já li muitas explicações do Galante e do Nunão sobre as vantagens de um submarino com propulsão nuclear sobre os AIP e convencionais, principalmente em relação à velocidade. Recomendo a recente entrevista do Galente ao Sergio Albuquerque no GGN.
https://jornalggn.com.br/blog/sergio-da-motta-e-albuquerque/o-que-nao-foi-dito-sobre-o-submarino-desaparecido-ara-san-juan
O SNBR, ao que indicam as informações, poderá usar e abusar de uma velocidade do patamar dos ~25 nós, submerso. Sem restrições. É um navio que pode operar regularmente patrulhas da ordem de 3 meses sem emergir, ou até mais, se necessário. Pq trocaríamos isso por um outro projeto caro, complexo e que entregaria menos?
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Se esse sistema fosse vantajoso, alguém já teria adotado, o que não é o caso.
Olá Colegas. Há um post de 2008 que ainda deve ser consultado por aqueles que se interessam sobre a construção de um submarino nuclear para a MB.
http://www.naval.com.br/blog/destaque/submarinos/submarino-nuclear-brasileiro-quo-vadis/
Ao meu ver, claro, dependendo da viabilidade econômica, é que os 2 sistemas poderiam ser empregados, tanto o nuclear para defesa além da ZEE quanto o híbrido, para dentro na ZEE. O problema é que sabemos pouco sobre a tecnologia, nem sabemos se ela ainda existe, talvez se ela se desenvolvesse ou se tiver se desenvolvido, as vatagens sobre o AIP se fariam maiores.
Olá, Lembrei-me da dissertação do Ohara Nagashima “UMA ANÁLISE DO POTENCIAL DISSUASÓRIO DO SUBMARINO DE PROPULSÃO NUCLEAR BRASILEIRO:o cenário hipotético do litoral atlântico da África” que pode ser baixada pela internet. Eu li e aprendi muito.
– Um AIP convencional tem condições de manter uma velocidade de 8 nós e o submarino não precisará mais snorkear para carregar suas baterias ?
– Que eu saiba o AIP convencional exigiria uma certa logística para o reabastecimento do sistema em outros portos. Já li artigo em que almirante falava da inviabilidade desta logística para o Brasil.
– Não consigo imaginar quantos scorpenes poderiam ser produzidos com a economia de um SSN.
– Porém para atuar de forma esterna, em outros continentes, ai sim… o SSN tem a vantagem de uma velocidade de cruzeiro bem melhor.
Hélio 27 de novembro de 2017 at 22:38
Sem dúvida, se pudéssemos ter tudo ao mesmo tempo, por que não? Mas é obvio que é preciso estabelecer prioridades, então é compreensível o foco no SSN
ECosta 27 de novembro de 2017 at 22:42
E a logística de um reator nuclear embarcado, mesmo que seja de baixa potência, seria mais barata do que a de um sistema AIP? O fato de que ninguém se interessou nesse sistema é bastante sugestivo
Para defender a região correspondente a ZEE, até um SSK sem AIP serve.
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Mesmo o sistema AIP é caro de adquirir e manter. Imagine um sistema hibrido, baseado em uma planta nuclear. Seria um navio tão caro quanto um SSN e pouca coisa mais efetiva que um SSK com AIP. Qual a vantagem de colocar dinheiro nisso?
Afinal, um reator de 500kw com urânio a 25% (não é bastante enriquecido?) É usado em que hoje em dia? Daí daria pra ter uma ideia de como seria manter reatores como esse.
Hélio 27 de novembro de 2017 at 22:53
Que eu saiba o reator do SSN brasileiro usará urânio enriquecido a 7%
O SNBR, se não me falha a memória, usará combustível enriquecido a 5%. Vai ter de parar a cada 5 anos para reabastecer. O combustível será mais barato e apresentará menos problemas para a questão do armazenamento do lixo radioativo.
Olá Colegas. Estava lendo um artigo de 2002 “Fuel cell systems for submarines: From the first idea to serial production” sobre o sistema de células combustível desenvolvido pela Siemens para os submarinos da HDW. Pelo que li (rapidamente) são modulos de aproximadamente 120 kW cada que podem ser combinados mas que consomem oxigênio e hidrogênio como combustível para produzir eletricidade. Um dos problemas é o armazenamento destes combustiveis porque enquanto o oxigênio pode ser estivado como líquido a baixíssima temperatura (o sistema precisa consusmir energia para manter o oxigenio resfriado), o hidrogenio é estocado usando hidretos de titãnio-ferro (que também… Read more »
Olá Bardini. Encontrei uma referência sobre 20% de enriquecimento. Isso diminuirá o número de recargas durante a vida útil do reator. Digite “Brasil fará combustível para submarino” para chegar na reportagem do Estadão.
Esse sistema não deve recarregar baterias já que por ser um sistema de produção de energia contínuo baterias não seriam necessárias (salvo de emergência). O ponto “negativo” é que não seria possível velocidades acima de 8 nós.
Em breve, os navios e barcos elétricos poderão retirar energia do próprio mar e nunca mais necessitarem de combustíveis fósseis ou minerais. A energia termoambiente é uma inovação tecnológica que converte calor ambiente em energia elétrica. O futuro, deleitem-se:
http://www.energiatermoambiente.com.br/projeto/navios-eletricos-movidos-a-energia-termoambiente-p2016-18
Já é passada a hora da MB passar a usar em seus projetos, ou no mínimo estudar isto seriamente, a propulsão elétrica, tanto na combinação com diesel, nuclear e essa nova vertente termoambiente. Também o uso de supercondutores para motores síncronos, canhões eletromagnéticos, catapultas eletromagnéticas,etc, e de arrasto trens, equipamentos médicos, etc. Em um meio com propulsão elétrica, seja com qual combinação for, vc pode projetar com sobra de energia para armas e equipamentos eletromagnéticos, além de menor assinatura acústica, menor consumo de combustível, a não necessidade de hélices de passo variável, reversão mais rápida e com maior torque desde… Read more »
Caro Adson. Li o site que você sugeriu e tem muita coisa errada. A primeira e mais evidente é a violação da segunda lei da termodinâmica. Por ser um processo irreversível (fora do equilíbrio), um sistema para realizar uma determinada quantidade de trabalho resulta na geração de uma quantidade de entropia. De modo simplificado, é a mesma descrição de um motocontínuo. Se por um lado ele é termodinamicamente inconsistente, a descrição dos elétrons no interior dos átomos é inconsistente com o que tem sido observado. No mínimo, o site é uma fraude. Sugiro o site os “opencourses” do MIT https://ocw.mit.edu/index.htm
Camargoer, sendo nosso cientista, rsrs, analise: http://www.energiatermoambiente.com.br/projeto/reciclador-de-calor-ambiente-parte-1-p2016-15