Celle a combustibile

In parole povere, la cella a combustibile e' un apparecchio di conversione elettrochimica che combina idrogeno ed ossigeno per produrre acqua, elettricita' e calore. Le celle a combustibile gia' vengono usate per una varieta' di applicazioni promettenti nelle industrie spaziali e automobilistiche e molte autorita' credono che le celle a combustibile offrono il miglior potenziale per lo sviluppo di impianti AIP in futuro. Esistono molte configurazioni alternative ma per la propulsione subacquea le celle a combustibile PEM (polymer electrolite membrane) hanno attratto l'attenzione a causa della bassa temperatura di funzionamento (80 gradi C) e calore refluo relativamente piccolo. In un apparecchio PEM l'idrogeno a pressione entra la cella all'anodo dove una catalizzatore al platino lo decompone in ioni H+ e 4 elettroni liberi. Gli elettroni lasciano l'anodo nel ciscuito esperno (il carico) sotto forma di corrente elettrica. Al catodo ogni molecola di ossigeno e' cataliticamente dissociata in atomi per mezzo degli elettroni che affluiscono dal circuito esterno. La membrana polimerica che separa gli elettrodi e' inattraversabile dagli elettroni ma consente agli ioni H+ di migrare verso il catodo dove si combinano con gli atomi di ossigeno dissociati per formare acqua. La reazione complessiva e' 2H2+O2=2H2O. L'unico prodotto di scarico della cella a combustibile e' acqua pura. Poiche' la tensione della singola cella e' circa 0.7 volt, gruppi di celle sono impacchettate insieme per ottenere una maggiore tensione. Gli stack di celle possono anche essere messi in parallelo per aumentare la corrente.

Il maggiore problema per gli impianti AIP a celle a combustibile e' lo stivaggio dei reagenti. Benche' l'ossigeno puo' essere stivato in sicurezza sotto forma liquida, lo stivaggio di idrogeno a bordo come liquido e' molto pericoloso. Una soluzione e' si trasportare l'idrogeno in accumulatori a idruri metallici a bassa pressione e temperatura ambiente. Un idruro metallico e' un composto di idrogeno e lega metallica nel quale gli atomi di idorgeno occupano posizioni interstiziali nella matrice del metallo ospite. Cambiando la temperatura e la pressione il gas puo' essere rilasciato o assorbito. Un altro approccio, meno efficiente, e' quello di generare idrogeno gassoso da un idrocarburo liquido, come combustibile diesel, kerosene o metanolo. Cio' richiede un apparecchio reformer nel quale una miscela di idrocarburi ed acqua e' vaporizzata e riscaldata sotto pressione per produrre una miscela di idrogeno e anidride carbonica.

Diverse industrie offrono celle a combustibile per impianti AIP. principalmente la Siemens tedesca, che sta collaborando con la HDW e la Fincantieri per l'installazione di celle a combustibile nei futuri battelli tedeschi e italiani U212. Tali impianti consistono di 9 moduli PEM ogni uno con una potenza di 34 kw. Con lo stivaggio a idruri metallici, il sistema e' in grado di assicurare una autonomia subacquea di 14 giorni e la possibilita' di navigare a 8 nodi con le sole celle a combustibile. La Siemens sta sviluppando la nuova generazione di moduli PEM con potenza di 120kw e 2 di questi saranno installati su battelli U214 della HDW, progettati come successori da esportazione della serie 212. Altre nazioni, come Russia e Canada stanno considerando moduli di celle a combustibile sia per nuove costruzioni che per retrofit su vecchi battelli.

Altri vantaggi sono il maggior rendimento ed il minor consumo specifico di ossigeno rispetto alle altre alternative.

La prospettiva AIP

Benche' sia un tributo al genio ingegneristico di Helmuth Walther lo sviluppo di un impianto AIP da 5000HP perfettamente funzionante, anche se problematico, nel 1945, la massima potenza sviluppata da moderni impianti AIP e' nell'ordine di 300kw. Per comparazione, l'impianto diesel-elettrico convenzionale dell'U212 sviluppa oltre 3000 HP ed un impianto nucleare tipico produce oltre 20000 HP. Poiche' la potenza richiesta per propellere un corpo sommerso varia col cubo della velocita', e' ovvio che almeno per il prossimo futuro gli impianti AIP saranno usati come complemento alle performance subacquee dei sommergibili convenzionali per basse velocita' e grandi autonomie. La prospettiva per l'AIP di diventare una completa alternativa agli impianti diesel o nucleari nel breve periodo e' piccola. Anche la frase "ciclo chiuso" e' fuorviante perche', eccetto le celle a combustibile, tutti gli impianti AIP devono espellere i gas di scarico fuori bordo, che limita sia la profondita' che l'invisibilita'.
Cio' nonostante non si deve minimizzare il pericoloso potenziale di sommergibili AIP sia per difesa costiera che per l'accesso a regioni litoranee. Se le loro caratteristiche sono sfruttate da operatori abili, i sommergibili AIP possono essere usati con efficacia in missioni con raggio corto e medio. Gli impianti AIP espandono drammaticamente il campo di efficacia tattica dei sommergibili diesel elettrici. Se le condizioni lo consentono essi possono transitare rapidamente sulla superficie senza consumare la capacita' di superiori performance subacquee. Sott'acqua, possono optare per navigazioni lunghe, lente e silenziose mantenendo le batterie cariche e quindi mantenedo la capacita' di accelerazioni ad alte velocita' per periodi significativi. Attraverso un'attenta gestione delle loro risorse possono ritornare a operazioni a bassa velocita' e ripetere il ciclo diverse volte durante settimane di immersione. Inoltre la tecnologia AIP e' in rapida evoluzione e alcuni esperti prevedono che la potenza generata da un impianto a celle a combustibile posso raddoppiare o triplicare nei prossimi anni, consentendo un piu' vantagioso rapporto tra velocita' e autonomia subacquea.
La flessibilita' tattica, le ridotte dimensioni e l'invisibilita' tipica-e i nuovi paradigmi operativi che i sommergibili AIP introdurranno nella guerra sottomarina- renderanno tali battelli un pericolo per i sommergibilisti abituati ad avversari nucleari o diesel-elettrici. La forza sottomarina degli USA deve comprendere tale pericolo-da dove viene, dove si sta sviluppando e come combatterlo.