Conheça o sistema AIP indiano para os submarinos Scorpene

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.

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.

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.

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.

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.

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