Der Großteil der modernen U-Boote ist mit dieselelektrischen Kraftwerken ausgestattet. Solche Geräte haben charakteristische Nachteile, weshalb nach bequemen und rentablen Alternativen gesucht wird. Wie die Praxis zeigt, ermöglicht es der moderne Stand der Technik, effiziente Kraftwerke für nichtnukleare U-Boote zu realisieren, und wir sprechen von Systemen unterschiedlicher Architekturen.
Probleme und Lösungen
Der Hauptnachteil dieselelektrischer U-Boote ist das regelmäßige Aufladen der Batterien mittels eines Dieselgenerators. Dazu muss das U-Boot an die Oberfläche schweben oder sich in Periskoptiefe bewegen – was die Wahrscheinlichkeit einer Entdeckung durch den Feind erhöht. Gleichzeitig überschreitet die Dauer des Tauchens mit Batterien in der Regel mehrere Tage nicht.
Eine naheliegende Alternative zu Diesel ist ein Kernkraftwerk, dessen Einsatz jedoch aufgrund der Komplexität und der hohen Kosten nicht immer möglich und gerechtfertigt ist. In diesem Zusammenhang wird seit mehreren Jahrzehnten das Thema der Schaffung luftunabhängiger Kraftwerke (VNEU) mit den gewünschten Eigenschaften und ohne die Nachteile dieselelektrischer Systeme untersucht. Eine Reihe neuer Technologien dieser Art wurden erfolgreich in Betrieb genommen, weitere werden in naher Zukunft in Betrieb genommen.
Im Allgemeinen gibt es mehrere Ansätze zur Schaffung von VNEU. Die erste besteht darin, den Dieselgenerator mit einem anderen Motor umzubauen, der weniger Anforderungen an die einströmende Luft stellt. Die zweite schlägt die Erzeugung von Elektrizität mit der sogenannten vor. Brennstoffzellen. Die dritte besteht darin, Batterien zu verbessern, inkl. bis hin zur Ablehnung der eigenen Generation.
Stirlings Alternative
Das erste nicht-nukleare U-Boot mit vollwertiger VNEU, das 1996 in Dienst gestellt wurde, war das schwedische Schiff Gotland. Dieses U-Boot hatte eine Länge von 60 m und eine Verdrängung von 1600 Tonnen und trug auch 6 Torpedorohre von zwei Kalibern. Sein Kraftwerk wurde auf Basis eines serienmäßigen Diesel-Elektromotors gebaut und mit neuen Komponenten ergänzt.
Für den Oberflächenbetrieb und die Stromerzeugung sorgen zwei MTU 16V-396 Dieselmotoren und ein Paar Hedemora V12A / 15-Ub-Generatoren. Der Propeller wird in allen Modi von einem Elektromotor angetrieben. In einer untergetauchten Position startet das U-Boot anstelle von Dieselmotoren einen Stirling-Motor des Typs Kockums v4-275R, der flüssigen Kraftstoff und verflüssigten Sauerstoff verwendet. Das Reservat des letzteren ermöglicht es Ihnen, bis zu 30 Tage unter Wasser zu bleiben, ohne aufsteigen zu müssen. Außerdem ist der Stirling-Motor leiser und entlarvt das U-Boot auch nicht.
Drei neue U-Boote wurden nach dem Gotland-Projekt gebaut; das zweite und dritte Gebäude wurden 1997 in Betrieb genommen. Anfang der 2000er Jahre wurde ein Projekt mit dem Södermanland-Code umgesetzt. Es sah die Modernisierung von zwei dieselelektrischen U-Booten des Typs Västergötland mit der Installation von VNEU aus dem Gotland-Projekt vor. Japan interessierte sich für schwedische Entwicklungen. In Lizenz baute sie VNEU für U-Boote des Typs "Soryu" zusammen. Aufgrund ihrer großen Abmessungen und ihres Hubraums tragen japanische U-Boote vier v4-275R-Motoren gleichzeitig.
U-Boot-Turbinen
Während der Entwicklung des Scorpène-Projekts schlugen französische Schiffbauer eine eigene Version von VNEU auf Basis eines alternativen Motors vor. Eine solche Anlage namens Module d'Energie Sous-Marine Autonome (MESMA) wurde potentiellen Kunden für den Einsatz auf neu gebauten U-Booten angeboten.
Das MESMA-Projekt schlug ein spezielles Dampfturbinentriebwerk vor, das mit Ethanol und Druckluft betrieben wird. Durch die Verbrennung des Alkohol-Luft-Gemisches sollte Dampf für die Turbine erzeugt werden, die den Generator antreibt. Es wurde vorgeschlagen, Verbrennungsprodukte in Form von Kohlendioxid und Wasserdampf unter hohem Druck über den gesamten Betriebstiefenbereich über Bord zu leiten. Berechnungen zufolge könnte das U-Boot Scorpène mit VNEU MESMA bis zu 21 Tage unter Wasser bleiben.
Die MESMA-Anlage wurde verschiedenen Kunden angeboten. So war beispielsweise der Einsatz im Scorpène-Kalvari-Projekt für Indien geplant. Die Pilotanlage zeigte jedoch eine unzureichende Leistung und das Interesse an dem Projekt war stark zurückgegangen. Dadurch sind die neuen französischen Diesel-Elektro-U-Boote weiterhin mit Dieselmotoren ausgestattet – obwohl die Entwickler bereits eine erneute Modernisierung mit der Einführung anderer vielversprechender Lösungen angekündigt haben.
2019 kündigten russische Schiffbauer die Entwicklung einer grundlegend neuen VNEU auf Basis eines geschlossenen Gasturbinentriebwerks an. Es enthält Tanks für verflüssigten Sauerstoff: Er verdampft und wird dem Motor zugeführt. Es wird vorgeschlagen, dass Abgase nur dann eingefroren und ausgestoßen werden, wenn sie in einem sicheren Bereich auftauchen. Eine ähnliche VNEU wird im Rahmen des Projekts P-750B entwickelt.
Brennstoffzelle
Ende der 90er Jahre hatte Deutschland eine eigene Version von VNEU entwickelt. 1998 begann der Bau des Kopf-U-Boots des neuen Projekts Typ 212, das mit einem ähnlichen System ausgestattet war. Das deutsche Projekt beinhaltete den Einsatz des Siemens SINAVY-Systems, das einen Elektromotor und Wasserstoff-Brennstoffzellen kombiniert. Für die Bewegung an der Oberfläche wurde ein Dieselgenerator beibehalten.
Der SINAVY-Komplex umfasst Siemens PEM-Protonenaustausch-Brennstoffzellen auf Basis von Metallhydrid aus einem Flüssigsauerstofftank. Für zusätzliche Sicherheit befinden sich Metallhydrid- und Sauerstoffbehälter im Zwischenraum zwischen den robusten und leichten Gehäusen. Während des Betriebs der VNEU wird der aus dem Metallhydrid gewonnene Wasserstoff zusammen mit Sauerstoff speziellen Membranen und Elektroden zugeführt, wo Strom erzeugt wird.
Die Autonomie des U-Bootes "212" beträgt 30 Tage. Ein wichtiger Vorteil von VNEU SINAVY ist die nahezu vollständige Geräuschfreiheit im Betrieb bei ausreichend hoher Leistung. Gleichzeitig ist es schwierig herzustellen und zu betreiben und hat auch andere Nachteile.
Für die deutsche Marine wurden sechs U-Boote vom Typ 212 gebaut. 2006-2017. vier dieser Schiffe wurden in der spanischen Flotte in Dienst gestellt. Auf Basis von „212“entstand das Projekt „214“, das den Erhalt der bestehenden VNEU vorsieht. Solche U-Boote sind auf dem internationalen Markt sehr beliebt. Bestellungen aus vier Ländern für mehr als 20 Boote. 15 Schiffe wurden bereits gebaut und an Kunden ausgeliefert.
Anzumerken ist, dass VNEU auf Basis von Brennstoffzellen nicht nur in Deutschland entwickelt wird. Parallel zum MESMA-Projekt in Frankreich wurde eine Variante des U-Bootes Scorpène mit dem Einsatz von Brennstoffzellen entwickelt. Es waren diese U-Boote, die nach Indien verkauft wurden. Jetzt entstehen Elemente einer neuen Generation. Zuvor wurde berichtet, dass seine Brennstoffzellen in Russland entwickelt werden. Eine solche VNEU hat bereits Prüfstandstests bestanden und wird künftig auf einem Versuchsschiff getestet.
Batteriebetriebenes U-Boot
Das Erscheinen grundlegend neuer Motoren und Generationsmittel schließt die Notwendigkeit einer Weiterentwicklung bestehender Technologien und Aggregate nicht aus. Somit behalten Akkumulatoren bereits bekannter und beherrschter Typen einen hohen Wert. In vielversprechenden Projekten gelten sie sogar als einzige Energiequelle für alle Systeme.
Im japanischen Schiffbau werden kuriose Prozesse beobachtet. Japan war eines der ersten Länder, das VNEU mit einem Stirling-Motor beherrschte, jedoch in den Jahren 2015 und 2017. zwei U-Boote des modifizierten Soryu-Projekts wurden ohne solche Systeme verlegt. Platz für Standardbatterien und VNEU-Einheiten wurde für moderne Lithium-Ionen-Batterien geschaffen. Aus diesem Grund wurde die Tauchdauer im Vergleich zu den Batterien der vorherigen Generation verdoppelt.
Seit 2018der Bau von U-Booten des neuen Taigei-Projekts, das ursprünglich mit einer dieselelektrischen Anlage und Lithium-Ionen-Batterien entwickelt wurde, ist im Gange. Das Leitschiff des neuen Projekts ist bereits vom Stapel gelaufen, seit letztem Jahr sind zwei weitere Rümpfe im Bau. Insgesamt ist geplant, sieben U-Boote mit Abnahme ab 2022 zu bauen.
Es gibt viele Projekte von ultrakleinen U-Booten, die nur mit Batterien ausgestattet sind. In Zukunft könnte diese Architektur in "großen" Projekten Anwendung finden. Kürzlich präsentierten französische Schiffbauer das Konzeptprojekt SMX31E, das viele der gewagtesten Entscheidungen vereint. Insbesondere erhielt das U-Boot nur Batterien mit ihrer Platzierung in allen verfügbaren Bänden, inkl. zwischen robusten und leichten Karosserien. Die Batterien müssen vor der Seefahrt an der Basis aufgeladen werden.
Es wird geschätzt, dass der SMX31E bei voller Ladung 30-60 Tage unter Wasser bleiben kann, je nach Fahrgeschwindigkeit und Gesamtenergieverbrauch. Gleichzeitig ist geplant, die volle Funktionsfähigkeit aller Standard- und Zusatzgeräte, Komplexe etc.
Im Evolutionsprozess
So wurden in den letzten Jahrzehnten im Bereich der VNEU für nichtnukleare U-Boote erhebliche Fortschritte erzielt. Es wurden verschiedene Varianten solcher Systeme mit bestimmten Eigenschaften und Vorteilen entwickelt, getestet, in Projekte eingeführt und in Betrieb genommen. Allerdings haben auch die neuesten luftunabhängigen Installationen gewisse Nachteile. Sie bleiben komplex und teuer, sowohl in der Herstellung als auch im Betrieb.
Trotz der Vorteile in taktischen und technischen Eigenschaften können Nicht-U-Boote mit VNEU dieselelektrische U-Boote "traditioneller" Architektur noch nicht ersetzen. Letztere entwickeln und nutzen zudem modernste Technologien und Komponenten. Ein markantes Beispiel für einen solchen Wettbewerb zwischen verschiedenen Klassen ist die Entwicklung der japanischen U-Boot-Flotte, die auf einem neuen technischen Niveau zum dieselelektrischen Schema zurückgekehrt ist.
Offenbar wird der Wettbewerb zwischen luftunabhängigen und dieselelektrischen Anlagen auf absehbare Zeit weitergehen – und einen klaren Favoriten gibt es noch nicht. Gleichzeitig ist es offensichtlich, dass die Marinen der Welt die Gewinner sind. Sie erhalten die Möglichkeit, die beste Option für das Kraftwerk auszuwählen, das alle Anforderungen am besten erfüllt.
