Vergleich U-Boot Konzepte

Neue Stirlingmotor Technologie vs. Konventioneller Antrieb + AIP

1. U-Boot Konzept mit konventionellem Antrieb + AIP:


U216-Konzept mit PEM-Air Independent Propulsion

2. U-Boot Konzept mit Neuer Stirling Anlage:

U216-Konzept mit Stirlingmotor
Grössenverhältnisse soweit wie möglich an realistische Verhältnisse des U-216 angepasst
X= gewonnener Raum im Vergleich zur AIP-Version

Typische Merkmale und Eigenschaften:

1. U-Boot Konzept mit Verbrennungsmotor + AIP

  • Der Propeller ist elektrisch angetrieben. Es gibt drei Quellen für die elektische Energie, die alternativ oder kombiniert zum Einsatz kommen:

    - Hauptmaschine, ausgeführt als Diesel GenSet
    - Batterien
    - AIP (Air indedendant propulsion), ausgeführt als H2-Brennstoffzellen-Anlage

  • Ein zusätzlicher Rumpfabschnitt mit einem AIP ist installiert. Das AIP verwendet Brennstoffzellen und benötigt Tanks für flüssigen Sauerstoff und Speicher für H2 (Metallpulver, an dem Wasserstoff chemisch angelagert wird, wie Magnesium­borhydrid mit 15 Gew.-% H2)
  • Die Hauptmaschine(n) (etwa MTU 396 mit 1900 kW) wird für die Überwasserfahrt eingesetzt. AIP mit ca. 360 kW werden für Tauchfahrt oder das Verbleiben unter Wasser verwendet.
  • AIP erlaubt normalerweise Geschwindigkeiten unter Wasser bis zu ca. 4 Knoten für ca.. 15...20 Tage. Grosse Reichweiten bei Marschgeschwindigkeit sind nur aufgetaucht mit dem Hauptantrieb möglich.
  • Die Erzeugung von 1000 kWh durch das AIP erfordert ca. 55 kg H2, Speicherkapazität von Metallhydrid von ca. 380 kg sowie ca. 460 kg O2.
  • Im äußeren Rumpf-Bereich wird Kryo-Sauerstoff gespeichert. Da die H2-Speicherung aufgrund von Gewicht und Platz begrenzt ist, wird die Onboard-Produktion von H2 durch Reformeranlagen in Betracht gezogen.

2. U-Boot Konzept mit Neuer Stirling Anlage

  • Der Propeller ist elektrisch angetrieben. Es gibt zwei Quellen für die elektische Energie, die alternativ oder kombiniert zum Einsatz kommen:

    - Hauptmaschine, ausgeführt als Neue Stirling Anlage-GenSet
    - Batterien

  • Ein Motor für alle Zwecke, eine zusätzliche Rumpfsektion mit AIP-Antrieb ist nicht erforderlich. Das Neue Stirling Technologie-GenSet erzeugt bei Über- und Unterwasser­fahrt elektrischen Strom.
  • Im äußeren Abschnitt wird komprimierter Sauerstoff zur Verbrennung des Kraftstoffs bei Tauchfahrt gespeichert. Die Dekompression des O2 wird zur Erzeugung zusätzlicher elektrischer Leistung durch eine Turbine und zur Erzeugung von Tiefst­temperaturen zur Kühlung des Triebwerks (reduzierte Kühlwasser­temperatur, Erhöhung der Temperatur­differenz der Stirling-Anlage und somit Wirkungsgrad­verbesserung) sowie zur Reduzierung der Wärme­signatur genutzt.
  • Die Erzeugung von 1000 kWh durch die New Stirling Anlage erfordert ca. 145 kg Diesel­kraftstoff sowie ca. 83 kg O2. Dies ist insgesamt nur ein Viertel von dem Gewicht der mitgeführten Stoffe im Vergleich zur Verwendung von H2-Brennstoffzellen.
  • Große Batteriekapazitäten sind nicht erforderlich, da für die Erzeugung von enormen 100.000 kWh nur 8300 kg O2 bei 335 bar ( 19,5 m3 Berechnung des Realgasfaktors 1.0335531 und der Dichte 425.52 kg/m3 auf Basis der abgeleiteten Van der Waals-Gleichung nach Redlich-Kwong-Soave. ) bei Tauchfahrt benötigt werden. Li-Ionen-Akkus würden für diese Energie 200 m3 benötigen. Die O2-Tanks in der Skizze oben (ca. 2x45m3) würden zur Erzeugung von 500 000 kWh reichen, also in etwa soviel Energie, wie bislang an Treibstoff für Überwasserfahrt mit sich geführt wird.

    Fazit: Es ist effizienter, Platz für O2 als für Batterien oder H2 zu nutzen. Dann gibt es keinen Unterschied mehr zwischen Reichweite unter Wasser oder über Wasser.
  • Zwei oder mehr mittelgroße New Stirling GenSets teilen sich einen gemeinsamen Regenerator. Wird nur wenig Strom benötigt, ist nur ein New Stirling GenSet in Betrieb. Es nutzt jedoch die gesamte Größe und Kapazität des gemeinsamen Regenerators und dessen Leistung. Wirkungs­grad und Wärme­signatur sind optimiert.
  • Insgesamt bietet ein Neuer Stirling-Motor eine bessere Leistung (Reichweite und Dauer­geschwindigkeit unter Wasser, Kraftstoff­verbrauch, Antriebs­leistung), deutlich weniger Komplexität und extrem weniger Platzbedarf zugunsten Speicherung von Energie­trägern. Folglich ist ein Neuer Stirling-Antrieb offensichtlich auch deutlich weniger kostenträchtig.
    Der gewonnene Raum (siehe Darstellung oben) reicht beispielsweise zur Installation einer Senkrechtstartanlage Mk 41 mit acht Zellen für Flugkörper .
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