U-Boot-Technologie der Zukunft ‑ Vom Bedarf zur Lösung

U31 der Klasse U212A U-BOOT- bei Überwasserfahrt (Fotos/Grafiken: HDW) TECHNOLOGIE DER ZUKUNFT VOM BEDARF ZUR LÖSUNG Peter Hauschildt H eute und zukünftig wird dem U-Boot ein immer breiteres Spektrum an Auf- gaben abverlangt, von Maßnahmen gegen Terroristen auf See über U-Jagd und Kampf gegen Schiffe bis zur Unterstützung für Einsätze an Land. Diese Aufgaben fin- den vorwiegend in den schwierigen Bedin- gungen der Küstengewässer statt, setzen jedoch heute mitunter weite Anfahrtswe- ge bis zu den Krisenschauplätzen der Welt voraus. Der Beitrag beschreibt wichtige Aspekte und neue Entwicklungen in der U-Boot- Technologie. Antrieb – AIP Nicht-nukleare U-Boote sind aufgrund ihrer ausgezeichneten Manövrierfähigkei- ten für Einsätze in Küstengewässern beson- ders geeignet. Mit einem modernen außen- luftunabhängigen Antriebssystem (air-in- dependent propulsion = AIP) kann das U- Boot tiefgetaucht lange Zeit im Operations- gebiet verweilen. AIP ist der Schlüssel zur faktischen Unentdeckbarkeit: Das U-Boot kann Aufgaben im Bereich der Aufklärung, Überwachung und Erkundung sowie zum Verbringen von Spezialkräften mit einem extrem niedrigen Entdeckungsrisiko aus- führen. ThyssenKrupp Marine Systems (TKMS) bietet heute die einzigen voll ausgereiften AIP-Systeme: Den Stirling-Motor, ein seit 20 Jahren im aktiven Einsatz befindliches AIP-System, und die PEM-Brennstoffzelle (BZ), ein hoch entwickeltes AIP-System, das Die AIP-Systeme von TKMS, der Stirling-Motor (links) und die Brennstoffzelle (oben). 14 MARINEFORUM 9-2009 heute weltweit bei mehreren Marinen im dem sogenannten Reformat ausgefiltert. Das Verfahren findet unter erhöhtem Einsatz ist. Die Restgase aus der Membranfiltereinheit Druck statt, um die Abgasausbringung bei Die Forderung einiger Marinen nach län- enthalten immer noch brennbare Kompo- den meisten Tauchtiefen ohne zusätzlichen geren Einsatzzeiten und höherer AIP-Ge- nenten, die mit reinem Sauerstoff verbrannt Kompressor erreichen zu können. Der im schwindigkeit führt zu einer Nachfrage nach werden, um die für die Reformierung be- Reformer erzeugte Wasserstoff ist von sehr mehr an Bord mitgeführter AIP-Energie. nötigte Wärme zu erzeugen. hoher Qualität und eignet sich für die di- Beiden genannten Systemen sind in dieser Hinsicht Grenzen gesetzt, dem Stirling- Demonstrationsanlage eines 240-kW-Methanolreformers Motor hauptsächlich durch den Sauerstoff- bedarf und der Brennstoffzelle (BZ) vorwie- gend durch das Gewicht der Wasserstoffla- gerung in Metallhydridzylindern. Um diese Begrenzung des BZ-Systems zu überwinden, entwickelt TKMS einen Me- thanolreformer. Der Methanolreformer er- zeugt den Wasserstoff für den Betrieb der Brennstoffzelle an Bord, wodurch die Me- tallhydridzylinder nicht mehr erforderlich sind. Die an Bord mitgeführten Energiere- serven können somit einfach erhöht wer- den, ohne das U-Boot wesentlich vergrö- ßern zu müssen. Ein weiterer Vorteil liegt in der vereinfachten Logistik, da Methanol flüssig und weltweit zu günstigen Preisen erhältlich ist. Das zurzeit entwickelte System basiert auf der Dampfreformierung von Methanol, wobei ein wasserstoffreiches Gasgemisch im Reformer erzeugt wird. In einem weite- ren Schritt wird der größte Anteil des Was- serstoffs mit einer Membranfiltereinheit aus rekte Nutzung in den bewährten Siemens- für den Markt zugänglich. Durch die Ver- Maßnahmen im Bordnetz berücksichtigt Brennstoffzellenmodulen. wendung von Hochleistungsbatterien auf werden müssen. Bei Howaldtswerke-Deutsche Werft GmbH Basis der Lithium-Polymer-Technologie ge- Zurzeit haben TKMS und GAIA die ers- (HDW) wurde vor einigen Jahren die De- winnt das U-Boot der Zukunft nicht nur an ten 500-Ah-Zellen getestet und fahren mit monstrationsanlage eines Methanolreformers Ausdauer bei langsamer Fahrt wie durch der Prüfung der ersten Batteriemodule in aufgestellt. Zurzeit arbeitet HDW an der End- AIP, sondern vor allem für Höchstgeschwin- voller Größe und Teilbatterien sowie des entwicklung aller Komponenten, damit sie digkeit und bei Marschfahrt. Batterie-Managementensystems fort. für den Einsatz an Bord eines U-Boots geeig- Seit Lithium-Polymer-Batterien in elek- net sind – eine große Herausforderung ange- tronischen Gebrauchsgegenständen wie Kompositpropeller sichts der Notwendigkeit, eine verfahrens- Mobil- und drahtlosen Telefonen oder Lap- technische Anlage in die geschlossene Atmo- tops aus unserem Alltag nicht mehr wegzu- Ein limitierender Faktor der üblicherwei- sphäre eines U-Boots zu integrieren. Der denken sind, wurden große Fortschritte ge- se verwendeten Materialien Bronze oder So- Methanolreformer selbst wird hierbei mit di- macht, die Sicherheitsprobleme der ersten noston ist ihre relativ niedrige Material- versen Sicherheitsvorkehrungen versehen,um Zeit durch moderne Bauweisen mit Poly- dämpfung. die Besatzung vor schädlichen Gasen und merelektrolytzellen und Batterie-Manage- Um den vom Propeller verursachten Ei- Flüssigkeiten zu schützen. ment-Systeme zu lösen. gengeräuschpegel, der durch neue Sensoren Mit der Entwicklung des Methanolrefor- Ein notwendiger Schritt für die U-Boot- zur tieffrequenten Identifizierung immer mers verbindet HDW die Vorteile von AIP- Anwendung liegt in der Vergrößerung der mehr an Bedeutung gewinnt, so gering wie Brennstoffzellensystemen mit den Vorteilen Zellen: gegenüber dem heutigen Stand der möglich zu halten, war ein anderes Materi- eines flüssigen Brennstoffs, wodurch dem Technik um eine Größenordnung. Die da- al erforderlich. Kunden eine weitere Alternative im Bereich raus resultierenden Herausforderungen an Daher wurde bei HDW die Entwicklung der AIP-Technologie bei TKMS geboten wird. die Produktionstechnologie wurden in einer eines Kompositpropellers begonnen. In gemeinsamen Entwicklung mit der deut- einem ersten Schritt wurde die technische Hochleistungsbatterien schen Firma GAIA bewältigt. Machbarkeit nachgewiesen, indem ein Pro- Mit diesen neuen Batteriemodulen kann peller auf Basis von CFK mit identischen Durch Hochleistungsbatterien auf Lithi- die Batteriekapazität bei gleichbleibendem Abmessungen des Propellers der U-Boot- umbasis wird in nächster Zeit ein weiterer Batterieraum im Vergleich zur traditio- Klasse 206A gebaut wurde. Langzeit-Funk- Meilenstein moderner U-Boot-Technologie nellen Bleibatterie um etwa das doppelte tionsnachweisprüfungen an Bord eines im für Langzeitentladung und das Vierfache Dienst befindlichen 206A-U-Boots der Neue Lithiumbatterie für U-Boote für Höchstgeschwindigkeit erhöht wer- Deutschen Marine haben die Machbarkeit den. Dabei sind Lithiumbatterien erheb- insbesondere hinsichtlich der Verbindung lich leichter als Bleibatterien, sodass sie der CFK-Blätter mit der Nabe aus Metall er- sich für die Verwendung zusammen mit folgreich erwiesen. den schweren Metallhydridzylindern zur Als Folgeschritt wurde ein neuer Propel- Wasserstofflagerung für die BZ-Anlage an- ler mit hoher Materialdämpfung gebaut, der bieten, da der U-Boot-Entwerfer die Mög- jetzt auf einem U-Boot der Klasse 212A ge- lichkeit erhält, die mitgeführte Energie- testet wird.