Το επόμενο μεγάλο εξοπλιστικό πρόγραμμα του Ναυτικού θα είναι το πρόγραμμα απόκτησης νέας γενιάς υποβρυχίων τα οποία θα αντικαταστήσουν τα γηρασμένα Τ-209/1100 και Τ-209/1200 τα οποία αισίως κουβαλάνε πέντε δεκαετίες επιχειρησιακής δράσης στις ελληνικές θάλασσες. Οι διεκδικητές του προγράμματος έχουν αρχίσει δειλά δειλά να κάνουν την εμφάνισή τους κάνοντας παρουσιάσεις στους έλληνες επιτελείς. Στον αγώνα που θα δωθεί για το νέο συμβόλαιο,  τρία είναι τα βασικά αντικείμενα στα οποία θα κονταροχτυπηθούν οι επίδοξοι μνηστήρες, τα ηλεκτρονικά, τα όπλα και το σύστημα πρόωσης.

Στο σημερινό άρθρο θα αναλύσουμε τα συστήματα πρόωσης και πως αυτά μπορούν να επηρεάσουν σοβαρά την τελική απόφαση. Όλα τα υποβρύχια που προσφέρονται στο πολεμικό ναυτικό μπορούμε να θεωρήσουμε ότι όσον αφορά τα ηλεκτρονιά, τα οπτικά και τα όπλα κυμαίνονται πάνω κάτω στα ίδια επίπεδα με εξαίρεση την δυνατότητα ή όχι βολής στρατηγικών όπλων. Όμως στα συστήματα πρόωσης συναντάμε μεγάλες διαφορές τεχνολογιών. Ο ακρογωνιαίος λίθος της επιβίωσης και της εκτέλεσης της αποστολής ενός υποβρυχίου είναι η δυνατότητα αθόρυβης πλεύσης και η ικανότητα να παραμένει αθέατο για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Για την επίτευξη των παραπάνω, μεγάλο ρόλο παίζουν τα συστήματα πρόωσης που διαθέτουν τα υποβρύχια. Ήδη από το 1930 είχαν ξεκινήσει προσπάθειες για την ανάπτυξη διαφόρων συστημάτων πρόωσης προς την κατεύθυνση αυτή που έφτασαν ως την πυρηνική πρόωση. Μια τεχνολογία πολύ ακριβή, τεχνικά δύσκολη με μεγάλες ιδιαιτερότητες στην διαχείρισή της.

Όσον αφορά τα συμβατικής πρόωσης υποβρύχια, τα λεγόμενα diesel-electric, η αρχή λειτουργίας τους είναι η χρήση ναυτικών μηχανών ντίζελ εσωτερικής καύσης για κίνηση στην επιφάνεια και κάτω από αυτή (snorkeling) και για φόρτιση των μπαταριών και η χρήση των μπαταριών για αθέατη και αθόρυβη πλεύση κάτω από την επιφάνεια.  Σήμερα οι διαθέσιμες τεχνολογίες που υπάρχουν για τα υποβρύχια συμβατικής πρόωσης είναι τα συστήματα αναερόβιας πρόωσης (Air Independent Propulsion, AIP) και οι μπαταρίες νέας γενιάς. Τα συστήματα αυτά έχουν αλλάξει τα τελευταία χρόνια τις επιχειρησιακές ικανότητες των συμβατικών υποβρυχίων από τη στιγμή που αυτά μπορούν να παραμένουν κάτω από την επιφάνεια της θάλασσας για πολύ μεγαλύτερα διαστήματα σε σύγκριση με τα παλαιότερης γενιάς συμβατικά υποβρύχια.

Είναι πολύ σημαντικό να καταλάβουμε καταρχήν επιχειρησιακά πόσο σημαντική είναι η δυνατότητα μεγάλης διάρκειας αθέατης πλεύσης για ένα υποβρύχιο. Και ειδικά στο δικό μας επιχειρησιακό περιβάλλον (Αιγαίο και Ανατολική Μεσόγειος) όπου με δεκάδες drone, αεροσκάφη, πλοία, και δορυφόρους τηλεσκόπησης θεωρείται ιδιαίτερα περιορισμένο. Δηλαδή ένα υποβρύχιο θα πρέπει να έχει τη δυνατότητα να ξεκινήσει από τον ναύσταθμο, να μεταβεί στο χώρο περιπολίας του να παραμείνει εκεί αθέατο και ει δυνατόν να επιστρέψει αθέατο πίσω στη βάση. Σήμερα, τα σύγχρονα diesel-electric υποβρύχια το επιτυγχάνουν αυτό με τη χρήση συστημάτων AIP και μπαταρίες ιόντων λιθίου. Όλοι ή σχεδόν όλοι οι κατασκευαστές με τον παραπάνω συνδυασμό δίνουν διάρκεια πλεύσης σε κατάδυση της τάξης των τριών εβδομάδων. Με τα συστήματα αυτά ένα υποβρύχιο έχει τη δυνατότητα να μεταβεί αθέατο στο Καστελόριζο να κάνει περιπολία για δύο εβδομάδες και να επιστρέψει αθέατο στη βάση του. Κάτι τέτοιο δίνει τεράστιο τακτικό πλεονέκτημα σε μια περιοχή όπου επιχειρούν δεκάδες εχθρικοί αισθητήρες. Επομένως, σε ένα σύγχρονο επιχειρησιακό περιβάλλον το σύστημα πρόωσης έχει την ίδια βαρύτητα με τους υπόλοιπους παράγοντες στην επιλογή ενός υποβρυχίου.    

Οι τεχνολογίες ΑΙΡ οι οποίες έχουν κερδίσει ως επιλογές στα υποβρύχια είναι βασικά δύο. Το σύστημα αναερόβιας πρόωσης με βάση τον κινητήρα τύπου Stirling και το σύστημα που είναι βασιμένο επάνω στις κυψέλες υδρογόνου τύπου PEM (Polymer Electrolyte Membrane). Όπως φαίνεται και στον παρακάτω πίνακα τα συστήματα τύπου PEM έχουν κερδίσει κατά κράτος τον κινητήρα Stirling και αυτό διότι έχουν μηδενική παραγωγή θορύβου και παράλληλα δεν έχουν περιορισμό βάθους στη λειτουργία τους όπως έχει ο κινητήρας Stirling. Αν και η Saab σήμερα προσφέρει τον 5^ης γενιάς κινητήρα Stirling στα υπερσύγχρονα υποβρύχια της τύπου Α26 με πολύ καλύτερες επιδόσεις σε σύγκριση με προηγούμενης γενιάς κινητήρες, ο περιορισμός των 250 μέτρων μέγιστο βάθος επιχειρησιακής χρήσης είναι ένα σοβαρό μειονέκτημα για θαλάσσια περιβάλοντα πέραν της Βαλτικής θάλασσας.

Από την άλλη, οι κυψέλες υδρογόνου κερδίζουν συνεχώς έδαφος και γι αυτό σήμερα χώρες όπως η Ιταλία, η νότια Κορέα, η Ινδία αναπτύσουν τα δικά τους συστήματα ώστε να αποκτήσουν αυτοδυναμία από τα γερμανικά. Παράλληλα νέες τεχνολογίες και διατάξεις έχουν κάνει την εμφάνισή τους όπως το γαλλικό FC2G και το ισπανικό BEST τα οποία προσπαθούν μέσα από αναμορφωτές καυσίμων να επιτύχουν τη δημιουργία του απαραίτητου καύσιμου υδρογόνου μέσα στο υποβρύχιο. Κάνοντας μία παρένθεση, να προσθέσουμε ότι λόγω της παγκόσμιας επιταγής μείωσης του αποτυπώματος διοξειδίου του άνθρακα στη ναυτιλία, οι κυψέλες υδρογόνου προσφέρονται ως μία λύση. Αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα νέες τεχνολογίες κυψελών αλλά και διαχείρισης καυσίμων θα γίνονται τεχνολογικά διαθέσιμες στο μέλλον λόγω της έρευνας. Με αυτόν τον τρόπο νέες εξελιγμένες τεχνολογίες θα μπορούν να εφαρμοστούν στα υποβρύχια στο μέλλον.

Η μέθοδος που χρησιμοποιούν τα γερμανικά υποβρύχια είναι η πιο απλή τεχνολογικά και στηρίζεται στην ένωση αποθηκευμένου οξυγόνου και υδρογόνου και την παραγωγή νερού και ηλεκτρικού φορτίου κατά την εισαγωγή των παραπάνω στοιχείων στις Κυψέλες Καυσίμου Μεμβράνης Πολυμερούς Ηλεκτρολύτη (PEMFC).

2H₂ + O₂ → 2H₂O

Τα συστήματα που προτείνουν όμως οι Γάλλοι FC2G και οι ισπανοί BEST είναι πιο περίπλοκα τεχνικά μιας και το ζητούμενο καύσιμο υδρογόνο για τις δικές τους Κυψέλες Καυσίμου παράγεται επάνω στο υποβρύχιο με την αναμόρφωση ντίζελ και Βιο-αιθανόλης αντίστοιχα.

Επισκόπηση αρχής λειτουργίας του FC2G

Το καύσιμο ντίζελ περνάει πρώτα από τον αναμορφωτή (reformer) όπου με τη βοήθεια υψηλής θερμοκρασίας, πίεσης και διοχέτευσης οξυγόνου και ατμού το καύσιμο αεριοποιείται  (atomization) έτσι ώστε να είναι δυνατή στη συνέχεια η απαγωγή των στοιχείων που απαρτίζουν τη δομή ενός καυσίμου diesel.

(1) C₁₂H₂₆ + 12H₂O-> 12CO + 25H₂ – Steam Reforming Reaction

Το προϊόν που προκύπτει από την πρώτη διεργασία είναι ένα συνθετικό αέριο πλούσιο σε υδρογόνο το οποίο περιέχει επίσης διοξείδιο του άνθρακα, μονοξείδιο του άνθρακα και ατμό. Στη συνέχεια το προϊόν αυτό διέρχεται μέσω ενός αντιδραστήρα «μετατόπισης ατμού» όπου γίνεται η μετατροπή του μονοξειδίου του άνθρακα σε διοξείδιο και αυξάνεται η συγκέντρωση του υδρογόνου στο αέριο.

(2) CO + H₂O -> CO₂ + H₂ – Water-Gas Shift Reaction

Στη συνέχεια περνάει μέσω μεμβρανών καθαρισμού όπου συγκρατούνται το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό, για να δώσει καθαρό υδρογόνο έτοιμο για τις κυψέλες καυσίμου. Το υδρογόνο αποθηκεύεται σε αεριζόμενο κλειστό χώρο που έχει σχεδιαστεί για να διασφαλίζει ότι οποιαδήποτε διαρροή μπορεί να ελεγχθεί με ασφάλεια. Στις κυψέλες καυσίμου το υδρογόνο ενώνεται με το οξυγόνο που είναι αποθηκευμένο σε χαμηλή θερμοκρασία ως υγρό στη δεξαμενή το οποίο πριν έχει αναμιχθεί με άζωτο αποδίδοντας έναν «συνθετικό αέρα», με αποτέλεσμα ένα μείγμα που είναι πολύ λιγότερο αντιδραστικό από το καθαρό οξυγόνο.

Η διαδικασία οδηγεί επίσης σε ένα υπολειμματικό αέριο που τροφοδοτείται σε έναν καταλυτικό καυστήρα για να θερμάνει ολόκληρο το σύστημα και να προθερμάνει τα αντιδραστήρια. Παρά το γεγονός ότι το τελικό υπολειμματικό αέριο είναι διαφορετικό από αυτό που παράγεται από ένα σύστημα Mesma AIP, η ομάδα της DCNS (σημερινή Naval Group) μπόρεσε να αξιοποιήσει κομμάτια του τμήματος του συστήματος Mesma για να διαλύσει γρήγορα αυτά τα απαέρια στο θαλασσινό νερό. «Το πρόγραμμα Mesma περιλάμβανε μια σημαντική προσπάθεια για τη διάλυση των καυσαερίων κοντά στο κύτος χωρίς να διακυβεύεται η ακουστική, οπτική ή θερμική υπογραφή του υποβρυχίου.

Το συγκεκριμένο σύστημα αν και πέρασε όλα τα δοκιμαστηκά τέστ το 2019 στο εργαστήριο με συνθήκες που προσομοιάζουν αυτές ενός υποβρυχίου, δεν έχει τοποθετηθεί μέχρι σήμερα σε κάποιο από τα υποβρύχια που έχει κατασκευάσει η εταιρία για πελάτες του εξωτερικού. Επομένως θα πρέπει να θεωρείται ένα σύστημα με ωρίμανση τεχνολογίας επιπέδου TRL 6. Σε σύγκριση με το ισπανικό BEST αυτό έχει μια λογική μιας και το γαλλικό ναυτικό διαθέτει μόνον υποβρύχια πυρηνικής πρόωσης και επομένως βιάζεται να τοποθετήσει το συγκεκριμένο σύστημα πρόωσης σε κάποιο δικό του υποβρύχιο αλλά διαθέτει μια τεχνολογία σχεδόν έτοιμη για κάποιον πελάτη του εξωτερικού.

Από την άλλη, οι ισπανοί έχουν ήδη εντάξει δύο υποβρύχια σε υπηρεσία με το δικό τους σύστημα. Μέχρι στιγμής δεν έχουν αναφερθεί κάποια προβλήματα μιας και το σύστημα ενδεχομένως να παρουσιάσει κάποιες παιδικές ασθένειες όπως όλα τα νέα συστήματα που πρωτομπαίνουν σε υπηρεσία.

Επισκόπηση αρχής λειτουργίας του BEST

Η βιο-αιθανόλη περνάει μέσα από τον αναμορφωτή όπου διασπάται με τη βοήθεια του οξυγόνου σε καθαρό υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα.

C₂H₅OH + O₂ -> 2CO₂ + 3H₂ – POX Reaction

Το καθαρό υδρογόνο σε μορφή αερίου περνάει μέσα από τα fuel cells όπου με την ένωση με καθαρό οξυγόνο παράγεται ρεύμα για την πρόωση και τις ανάγκες του υποβρυχίου και νερό. Τα απαέρια CO2 από τον αναμορφωτή διαφεύγουν προς το σύστημα απόρριψης ώστε να απορριφθούν στη συνέχεια εκτός του υποβρυχίου. Στο σύστημα αυτό ανακατεύονται με θαλασσινό νερό και αποβάλλονται στη θάλασσα. Το σύστημα έχει ικανότητα να λειτουργήσει σε όλα τα βάθη και σε όλες τις κλιματικές συνθήκες.

Το Υδρογόνο ως καύσιμο και η διαχείρισή του μέσα στο υποβρύχιο

Το υδρογόνο χρησιμοποιείται συνήθως ως καύσιμο γιατί έχει πολύ υψηλή θερμογόνο δύναμη σε σύγκριση με άλλα καύσιμα. Ενδεικτικά η θερμογόνος δύναμη του υδρογόνου Η₂ είναι 120 MJ/kg τη στιγμή που το MGO (Marine Gas Oil) που χρησιμοποιείται στις ηλεκτρογεννήτριες έχει μόλις 42.8 MJ/kg όμως έχει έως πέντε φορές μικρότερη θερμική απόδοση κατ’ όγκο, το οποίο σημαίνει ότι για να παράξει την ίδια ενέργεια με το MGO χρειάζεται πέντε φορές μεγαλύτερό χώρο αποθήκευσης.

Οι τρόποι αποθήκευσης του υδρογόνου είναι τρεις. Είτε υγροποιημένο στους -253⁰C όπου όμως έχει μεγάλες ενεργειακές απαιτήσεις, είτε ως πεπιεσμένο αέριο στα 700 bar πίεση το οποίο έχει μεγάλη επικινδυνότητα, είτε μέσα σε αναστρέψιμα μεταλλικά υδρίδια (συνήθως διάφορα μεταλλικά κράματα) όπου το υδρογόνο ανάλογα με την αλλαγή της θερμοκρασίας δεσμεύεται μέσα στους δεσμούς του υδριδίου ή αποδεσμεύεται, και μ’ αυτόν τον τρόπο το υδρογόνο μπορεί να αποθηκευτεί και στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί στις κυψέλες καυσίμου ως καύσιμο. Αυτή η τεχνολογία των αναστρέψιμων μεταλλικών υδριδίων είναι η πιο πρόσφορη για χρήση στα υποβρύχια. Επίσης Το σύστημα αποθήκευσης του μεταλλικού υδριδίου δεν χρειάζεται καθόλου συντήρηση και επομένως μπορεί να τοποθετηθεί έξω από το κύριο κύτος πίεσης. Είναι το σύστημα που έχει επιλεγεί για την αποθήκευση υδρογόνου και είναι μέρος του συστήματος PEM Fuel Cell της Siemens. Ενδεικτικά, στα υποβρύχια U-212 υπάρχουν 18 δεξαμενές υδριδίου τοποθετημένες εξωτερικά του κελύφους πίεσης οι οποίες ζυγίζουν 4,4 τόνους η κάθε μία και έχουν όγκο 1200 λίτρα αποδίδοντας 1 MWh ενέργειας ανά δεξαμενή. Εναλλακτικά υπάρχει και η λύση της παραγωγής του απαραίτητου υδρογόνου μέσω της εξαγωγής του με τη διαδικασία του steam reformer από άλλα διαθέσιμα καύσιμα όπως το ντίζελ, η αιθανόλη και η μεθανόλη. Σε θεωρητική βάση η ποσότητα υδρογόνου ανά λίτρο που περιέχεται μέσα στο ντίζελ με εκείνη που μπορεί να αποθηκευτεί σε μια δεξαμενή μεταλλικού υδριδίου όπως αυτές που βρίσκονται τοποθετημένες στα ελληνικά υποβρύχια είναι περίπου η ίδια. Όμως η τιμή του ντίζελ είναι πολύ μικρότερη από την αντίστοιχη του καθαρού υδρογόνου. Ενδεικτικά η σημερινή μέση τιμή του ναυτικού ντίζελ (MGO) είναι στα 700 $/τόνος ή 1,2 $/λίτρο όταν οι αντίστοιχες τιμές του καθαρού υδρογόνου κυμαίνονται από τα 4,5-12 $/λίτρο (ανάλογα με την καθαρότητα και τον τρόπο παραγωγής). Αντίστοιχα η τιμή της βιο-αιθανόλης κυμαίνεται στα 5$/λίτρο.

Εν κατακλείδι, θεωρούμε ότι η αθόρυβη και αθέατη πλεύση ενός υποβρυχίου προς και από την περιοχή επιχειρήσεων είναι βασική παράμετρος για την επολογή ενός υποβρυχίου. Οι σημερινές σχεδιάσεις έχουν να επιδείξουν ικανότητα πλεύσης σε κατάδυση των νέας γενιάς diesel-electric υποβρυχίων με διάρκεια που φτάνει ή και υπερβαίνει τις τρεις εβδομάδες. Οπότε θεωρούμε ότι στη μελλοντική συγκριτική ανάλυση των στελεχών του πολεμικού ναυτικού οι τρεις εβδομάδες θα είναι η βάση πάνω στην οποία θα εξεταστούν οι διαγωνιζόμενες προτάσεις. Αν αυτό θα μπορεί να επιτευχθεί μόνο με μπαταρίες λιθίου ή συνδυασμό ΑΙΡ και μπαταριών θα είναι κάτι που θα εξεταστεί ξεχωριστά. Βέβαια να σημειώσουμε ότι το επίπεδο της τεχνολογίας, η πολυπλοκότητα, το κόστος και άλλα θα εξεταστούν ενδελεχώς πρην την απόδοση της βαθμολογίας στο κάθε σύστημα. Εν τέλει, η βαθμολογία της παραμέτρου αυτής θα συνυπολογιστεί και με τις υπόλοιπες για να βγει ο τελικός νικητής ή η τελική short list.