Propulsão Submarina - AIP #059

artigo de Clavis Prophetarum publicado em 06/10/2008

Embora sejam um meio furtivo por essência, os submarinos de propulsão convencional (diesel-elétrica) têm que subir à superfície com regularidade para recarregaram as suas baterias através do recurso a geradores que consomem diesel e ar. Cada minuto que passam à superfície torna-os susceptíveis a serem detectados por aviões de reconhecimento ou por navios de guerra, por isso, é importante que um navio deste tipo permaneça submerso a maior quantidade de tempo possível. Foi para resolver este problema que foram concebidos os sistemas AIP “Air Independent Propulsion” ou “Propulsão Independente do Ar”, sendo que – por alguma razão, o acrónimo que é usado em português é mais o AIP do que o… PIA. De qualquer forma, e passando de raspão a piadinha rasteira, a verdade é que os sistemas AIP têm como objectivo a geração de eletricidade mesmo quando o submarino está submerso, recarregando as baterias do navio, ou assegurando diretamente a propulsão e alimentando os sistemas (bélicos e de manutenção de vida) com energia elétrica.

Um dos sistemas AIP mais usados atualmente são os que usam células de combustível (fuel cells na terminologia anglosaxónica), que consistem em conversores de energia eletroquímica que transformam energia química de um determinado combustível armazenado no submarino e o cruzam com um oxidante, gerando assim eletricidade. Existem pelo menos seis combinações de sistemas de células de combustível, não sendo nenhuma particularmente vantajosa sobre as outras (o que justifica esta amplitude de opções), ainda que uma possa ser mais vantajosa do que outra, em determinadas condições ou requisitos locais.

A propulsão AIP vem responder aquela que é a grande dificuldade dos submarinos de propulsão nuclear: o seu grande custo é proibitivo para qualquer outro país que não tenha grandes recursos financeiros à sua disposição, os EUA, por exemplo, um estudo de 1998 estimava que até então o país tinha gasto 320 biliões de dólares nos seus submarinos nucleares, dos quais 46 biliões em pesquisa, desenvolvimento, testes, fabricação e na operação da propulsão nuclear. Estes custos incluem também toda a pesada estrutura de suporte (fabricação de reactores, manutenção e fabricação e armazenagem de combustível nuclear). É esta escala de necessidades que tem levado a que apenas as grandes potencias nucleares tenham submarinos com este tipo de propulsão… É que não é fácil reunir os 650 milhões de dólares que a Índia (por exemplo) pagou por um “project 971 Shchuka B (NATO codename Akula) em 2004… Por isso, é razoável que se tenham buscado outras formas de equipar submarinos com sistemas de propulsão que – como o nuclear – não precisem de ar para funcionar, e que adicionalmente possam oferecer o mesmo tipo de raio de ação atualmente disponibilizados na propulsão nuclear. É claro que ainda não há nenhum sistema AIP capaz de oferecer características idênticas a um sistema de propulsão nuclear… alguns conseguem durante curtos períodos de tempo oferecer velocidades comparáveis ou capacidades para se manter submerso durante períodos de tempo comparáveis, mas todos enfrentam o problema do espaço limitado dentro de um submarino e as substâncias aqui armazenadas são tóxicas, enquanto que as barras de urânio estão apenas dentro do reactor durante anos, e não em depósitos que são renovados sempre que o submarino é abastecido no porto…

Geralmente, a AIP é uma fonte de propulsão auxiliar, pelo que muitos submarinos que oferecem são também comercializados sem AIP e não há atualmente nenhum submarino que use a AIP em exclusividade, como sucede com os submarinos de propulsão nuclear. De qualquer forma temos também que ter em consideração que um reator nuclear de submarino gera mais de 20 megawatts, havendo mesmo uma nova geração de reatores russos para submarinos que terá mais de 70 megawatts de potencia (ver AQUI). Comparativamente, um sistema AIP não consegue sequer gerar 1 MW, o que explica a lacuna de desempenho comparativo entre os dois sistemas…

Como referimos, não existe um único “sistema AIP”. Atualmente existem quatro sistemas concorrentes.

Motores de Diesel de Circuito Fechado:

Um sistema destes (“closed-cycle diesel” (CCD)) tem um motor diesel convencional que funciona de forma normal na superfície ou com osnorkel (essencialmente um tubo respirador que alimenta com ar o motor diesel do submarino). Quando submerso, os sistemas CCD substituem o ar atmosférico por uma mistura de oxigénio que é conservado liqueifeito a baixas temperaturas em tanques especiais, juntamente com um gás inerte e produtos de exaustão reciclados. Os produtos resultantes da combustão são arrefecidos e separados nos seus componentes com o gás raro (árgon, geralmente) armazendo para reutilização sendo o resto enviado para o mar.

Embora sistemas CCD tenham sido investigados em vários países, só na Alemanha é que na Alemanha, em 1993 se realizou um teste com um AIP CCD, mas até hoje nenhum submarino foi lançado ao mar com um sistema AIP deste tipo. A empresa britânica “Marconi Marine”, comprada entretanto pela BAE Systems está a tentar comercializar um kit de transformação de motores diesel de submarinos convencionais em sistemas AIP CCD. O mercado existente é extenso, havendo só do Type 209, mais de 60 unidades funcionais em 13 países (sendo o Brasil um deles). Essa é precisamente a grande vantagem do CCD: a sua capacidade para ser instalado num submarino de propulsão convencional sem que este tenha que ser radicalmente reconstruído. Apesar disso, ainda não há clientes deste sistema nem nenhuma instalação no horizonte… É que os submarinos transformados ficariam com o seu uso operacional muito mais complexo, requerendo novas e caras instalações de superfície (oxigénio líquido mantido a muito baixas temperaturas, árgon, etc.)

Turbinas a vapor de Ciclo Fechado:

Em França decorrem trabalhos sobre um sistema AIP conhecido localmente como MESMA “Module d’Energie Sous-Marin Autonome”. O MESMA consiste numa turbina convencional alimentada pelo vapor gerado pela combustão de etanol (a partir de trigo) e oxigénio armazenado a uma pressão de 60 atmosferas. O dióxido de carbono gerado por esta combustão é expelido para fora do navio, como no sistema CCD. O MESMA pode teoricamente gerar mais potencia do que qualquer outro sistema AIP a eficiência do sistema é relativamente baixa e o consumo de oxigénio o maior de todos os sistemas semelhantes, o que tem um impacto severo nos submarinos equipados com MESMA. O submarino paquistanês PNS Hamza da classe “Agosta 90B” foi construído de raíz com este sistema e os outros dois submarinos paquistaneses da mesma classe deverão ser transformados para receber também o MESMA, o que significa que qualquer unidade desta classe pode ser transformada de forma a receber este sistema AIP. Além do Paquistão, a Espanha também opera quatro submarinos da mesma classe, pelo que poderia ser um cliente potencial para este upgrade, contudo, como a Espanha tem o seu próprio submarino, o excelente “Scorpene”, também ele capaz de incluir propulsão AIP MESMA, essa possibilidade perde credibilidade… Curiosamente, o fabricante (que com a saída da DCN ficou sendo apenas os estaleiros Navantia espanhóis) afirma que a versão AIP triplica o raio de ação submerso, com uma velocidade de apenas 4 nós e exige um aumento de 76,2 m contra 63,5 m e um aumento da tonelagem de 1870 toneladas a partir de 1590 toneladas, o que dá uma boa medida da escala das transformações exigidas pela instalação do MESMA…

Motores de Ciclo Stirling

No chamado “Ciclo Stirling”, o calor de uma fonte exterior é transferido para para um fluido (geralmente um gás inerte) e submetido a uma série de transformações termodinâmicas. A expansão do gás daqui resultante empurra um pistão e este reenvia-o para uma nova compressão, a qual, finalmente, pode gerar eletricidade. Esta abordagem é tão radical como a do MESMA já que como ela separa os processos de combustão daqueles que convertem o calor em trabalho mecânico e este, por sua vez, em eletricidade. A pressão da combustão é maior do que a da água e isto permite que os produtos se dissolvam na água sem uso de um compressor. Isto permite um grau diferente de controlo dos produtos de exautão e logo, do ruído gerado pelo sistema AIP o que pode ter um reflexo notável da capacidade do inimigo para detectar o navio enquanto submerso.

O AIP Stirling foi testado pela primeira vez em 1989, pela Suécia, pelaKockums, sendo o primeiro sistema deste tipo a ser testado. Por essa razão, este país escandinavo opera atualmente quatro navios deste tipo. O sistema tem a flexibilidade de poder ser instalado num submarino convencional diesel, como prova a sua instalação posterior nos submarinos suecos HMS Södermanland e HMS Östergötland. A instalação implicou a separação dos submarinos em duas metades e a instalação de uma nova secção central, aumentando o comprimento do submarino em 8 metros, um processo complexo e caro… Mas que provou que qualquer submarino diesel em operação no mundo pode receber um sistema AIP Stirling.

O sistema Stirling é o sistema AIP mais provado e testado de todos os sistemas AIP e essa é uma vantagem única que apresenta sobre todas as demais opções AIP a quem quer que esteja a avaliar uma opção para equipar os submarinos da sua Armada.

Sistemas AIP de Células de Combustível

Uma “célula de combustível” é um equipamento de conversão eletro-química que combina hidrogénio e oxigénio de forma a produzir água, eletricidade e calor. O termo é usado frequentemente como uma das soluções para o problema do transporte automóvel sem queima de combustíveis fósseis e é usado em todos os veículos mais ou menos experimentais da atualidade que utilizam o hidrogénio como combustível. Uma aplicação possível desta tecnologia é o AIP dos submarinos estando a haver trabalhos de investigação sobre esta abordagem. A abordagem é especialmente sedutora devido às baixas temperaturas (80 graus centígrados) exigidas e pela escassa emissão de calor.

O seu grande problema reside na armazenagem dos reagentes… O LOX (oxigénio líquido) é comum a outros sistemas AIP (como o Stirling) e pode ser armazendo com relativa facilidade, mas armazenar hidrogénio a altas pressões dentro de um submarino é algo perigoso… Uma solução pode ser conservá-lo em acumuladores de metal hidrido com baixas pressões e á temperatura do mar. Outra, será criar hidrogénio gasoso a partir de um combustível armazenado no submarino, como querosene ou metanol.

A líder mundial nesta tecnologia é a Siemens, a qual colaborou com os famosos estaleiros alemães Howaldtswerke Deutsche Werft (HDW) e com os italianos da para Fincantieri para desenvolver os submarinos U 212. Estes submarinos AIP, como o português Tridente têm nove células de combustível em série de 34 kilowatts cada, produzindo um total de 300 kilowatts. O sistema oferece 14 dias de navegação submersa a 8 nós. Uma nova geração do sistema, incluída nos submarinos U 214, é ainda mais potente.

Sabe-se que a Rússia e o Canadá também trabalham em sistemas AIP de células de combustível, mas ainda não têm submarinos funcionais com essa tecnologia.

Vantagens de um sistema AIP:

1. Requer espaço de instalação e armazenagem extenso no necessariamente reduzido casco do submarino

2. Mais barato de desenvolver, manter e construir que um sistema nuclear

3. A infraestrutura de suporte necessária é muito menos pesada do que a exigida pelos sistemas nucleares

4. Alguns sistemas AIP podem ser instalados em submarinos já em funções pela simples adição de uma secção ao casco.

5. Permite que um submarino equipado com AIP permaneça mais tempo submerso que um submarino de propulsão convencional

6. Os sistemas AIP emitem baixas vibrações (especialmente o Stirling) e são muito silenciosos apresentando também assinaturas infra-vermelhas muito baixas. Exatamente como os submarinos de propulsão nuclear.

Desvantagens de um sistema AIP:

1. As velocidades alcançadas são inferiores às dos submarinos equipados do propulsão nuclear, porque a potencia gerada é várias vezes inferior ao de um sistema de propulsão nuclear (1 para 70, nalguns casos)

2. A capacidade para se manter submerso durante longos períodos de tempo è inferior às dos submarinos equipados do propulsão nuclear

3. O combustível e o oxidante dos contentores que abastecem o sistema AIP são muito tóxicos (oxigénio líquido e hidrogénio peróxido)

4. No caso do AIP CCD, o submarino transformado é um sistema muito mais complexo e difícil de manter que a propulsão diesel convencional, e exige também instalações logísticas muito mais caras e complexas para armazenar o oxigénio líquido e o árgon.

Comparando umas e outras vemos que temos um sistema mais antigo e provavelmente mais fiável que é o sueco Stirling e um outro que parece ser o caminho de futuro para a propulsão AIP, que é o das células de combustível (hidrogénio) que equipam os novos submarinos da Armada portuguesa… Os outros sistemas são promissores e apresentam vantagens… Mas se tivesse que optar por um sistema AIP… Escolheria o dos U 209. Fica imensamente mais barato do que desenvolver (e construir) um submarino a propulsão nuclear, garante algumas das suas características (furtiva, operação submerso e parte da velocidade) e parece ter mais espaço para desenvolvimentos do que qualquer outra alternativa AIP atualmente conhecida.