İdealab’dan Sessiz Denizaltılar için Devrim Yaratacak Teknoloji!

İdealab’dan Sessiz Denizaltılar için Devrim Yaratacak Teknoloji!

“Süperkritik Karbondioksit (sCO2) Güç Çevrimi ile Havadan Bağımsız Tahrik (AIP) Sistemi”

Bir denizaltı, görev süresinin tamamına yakınını su altında geçirebilmek üzere tasarlanmaktadır. Öte yandan sürekli su altında seyri sağlamakta bazı teknolojik zorluklar bulunmaktadır. Eski nesil diyebileceğimiz denizaltılar, seyirlerinin büyük bölümünü bir gemi gibi su üstünde yapan ancak hedefe yaklaşmak ve saldırmak ya da kaçmak için kısa sürelerle dalabilen araçlardı.

2.dünya savaşı ile birlikte bu alanda büyük gelişmeler yaşandı. Almanların öncülük ettiği denizaltı tahrik sistemi geliştirme sürecinde: Walter türbini, Kapalı devre dizel motorlar, Nükleer reaktörler, Stirling motoru, Kapalı devre buhar türbinleri ve yakıt hücreleri kullanılmaya başlandı. Bu teknolojilerin tamamı, denizaltının “Havadan Bağımsız” yani en uzun sürede su altında kalmasını hedefleyen teknolojiler oldu.

Denizaltının akustik olarak da tespit edilmesini zorlaştıran AIP, elektrik motorunu ve diğer elektrik sistemlerini, pilleri kullanmadan çalıştırmasına olanak sağlar. Dizel motorları çalıştırarak pilleri şarj etmesi için, şnorkel yaparak su üstüne çıkma sıklığını azaltır. Havalandırma için kısa süreliğine şnorkel yapması gerekse de klasik dizel-elektrikli denizaltılara göre çok daha kısa süre su üstünde görünürler. Askeri operasyonlar sırasında da taktik durum su üstüne çıkmayı engelliyorsa normalden daha uzun süre su üstüne çıkmayı erteleyebilir. Böylece denizaltı, komutanına daha fazla esneklik kazandırarak daha uzun süre su altında kalabilir. Halen dünya genelinde, 50’den fazla AIP denizaltısı bulunmaktadır ve bu sayı, önümüzdeki on yılda, iki katına çıkması beklenmektedir.

Nükleer hariç, konvansiyonel AIP sistemleri ile bugüne kadar uzun sualtında kalma sürelerine erişmek mümkün olamadı. Bunun nedeni, denizaltıyı sevk etmek için gereken güç yoğunluğuna ulaşabilen bir sistem geliştirilememiş olmasıydı. Ancak Süperkritik Karbondioksit çevrimleri ile bu durum yakın zamanda değişecek gibi gözüküyor. Nasıl mı?

Süperkritik Karbondioksit Nedir?

Kritik basınç ve kritik sıcaklık noktasının üzerinde tutulan karbondioksitin, akışkan halidir. Bu noktadaki yoğunluk, bir sıvınınkine benzer ve böylece:

• Bir kompresörde ihtiyaç duyulan pompalama gücünün önemli ölçüde azaltılmasına,
• Termal enerji-elektrik enerjisi dönüşüm verimliliğinin daha az iş gerektirmesi sayesinde önemli ölçüde arttırılmasına olanak tanır.

İdeaLab Çözümü

Buhar yerine, süperkritik karbondioksit kullanan, kapalı yeniden sıkıştırmalı Brayton çevrimi (RCBC) adı verilen bir konfigürasyonda, termal enerji-elektrik enerjisi dönüşüm teknolojisini geliştirmektedir. Bu sayede buharlı Rankine çevrimine kıyasla çarpıcı bir şekilde dönüşüm verimliliğinin arttığı gösterilmiştir. Denizaltı tahrik sistemleri sözkonusu olduğunda ise, yüksek güç yoğunluklu ve oldukça kompakt bir turbo makine ortaya çıkmaktadır.

Sistem bazında artan verimlilik; termal kaynağa (doğal gaz, nükleer, güneş ya da kömür) bakılmaksızın, aynı termik girdi için daha fazla enerji/güç çıktısı anlamına gelir. Yakıt maliyetleri de İdeaLab çözümü ile oldukça azalmaktadır. Uygulama alanı deniz platformları ya da karasal enerji üretim sistemleri de olsa bu durum geçerlidir.

AIP olarak İdealab’in sCO2 Güç çevriminin, Rakip sistemlere göre Avantajları

En önemlisi, elbette, sistemin % 25 daha yüksek güç yoğunluğuna sahip olmasıdır.

İdealab AIP güç sistemi, güç yoğunluğu ile ön plana çıkarken, sistemin ağırlığı da FuelCell (yakıt hücresi) ve Stirling gibi rakip AIP teknolojilerinin yarısını bile geçmiyor.

Diğer bir avantaj ise sCO2’nin kullanılmasının, yakın rakip yakıt pillerine kıyasla yaklaşık 7 puan verimlilik artışı sağlamasıdır (Aynı termik girdi için, artan elektrik / güç üretimi ile sonuçlanır).

İdealab sCO2 AIP sistemi, gemide herhangi bir CO2 emisyon pompası sistemi olmadan, 1.200 m derinlik sağlayan, yüksek basınç boru hatlarından oluşur. İstenildiği takdirde gemi içinde de Karbondioksit depolanabilir.

Standart uygulamada 4MW’a kadar elektrik gücü sağlayan bir AIP güç modülü tasarlanmıştır. Çekiş sistemi, 4MW’lık enerji yükselmesini sürüş sistemine yönlendirilebilecek şekilde yapılandırılmıştır. Bu özellik, azami güç drenajı problemleri nedeniyle düşük hızları kısıtlayan diğer mevcut AIP teknolojilerine göre, ciddi bir avantaj sağlamaktadır.

Yenilikçi hibrid katalitik yanma odası sayesinde, yakıt olarak: Dizel, JP-8 veya sıvılaştırılmış doğal gaz kullanılabilir. 100 ton dizel yakıtlı kavramsal görev analizine dayanan sCO2 AIP sistemi, potansiyel olarak denizaltıya 90 günlük görev süresi ve yakıt ikmalleri arasında 20.000 km’lik seyir mesafesi sağlayabilir.

Ayrıca, yüksek hızlı turbo makineye sahip bu tasarım, Stirling motorlu bir dizel ana makinanın sahip olduğu tüm gürültü endişelerini ortadan kaldırır. Böylece denizaltıya, hem nükleer olmayan araçlar arasında en yüksek su altında kalma süresini sağlar, hem de eşsiz bir sessiz seyir yeteneği kazandırır.

Zorluklar

Bütün bu avantajlar, doğal olarak yeni zorlukları beraberinde getiriyor. sCO2 AIP güç çevriminden yararlanılmadan önce, hazır ve güvenilir olduğu gösterilmelidir. Bu bağlamda İdealab, prototip bir sistem geliştirerek tam ölçekli saha uygulaması için, şu misyonu üstlenmiş durumda:

2019 yılı sonunda kadar, 1 MW’a kadar sCO2 Brayton güç dönüşüm sisteminin karasal testlerini tamamlamak!

Bu misyonu destekleyecek şekilde devam eden faaliyetler şunları içeriyor:

• Var olan bileşenlerin (rulmanlar ve sızdırmazlık elemanları) uygulanabilir ve malzemelerinin uygun olduğunun doğrulanması,
• Geniş çalışma parametreleri ve uygulamaların desteklenmesi,
• Mevcut teknolojileri yeni bir uygulamaya entegre etmek ve ölçeklendirmek,
• Kritik noktada çalışma için sağlam çalışma prosedürleri geliştirilmesi.

Gelecekteki Uygulamalar

sCO2 güç çevrimleri, potansiyel olarak çok çeşitli güç üretme uygulamaları için geçerlidir: Nükleer enerji, konsantre güneş enerjisi, fosil yakıt kazanları, jeotermal ve yüzer gemi tahrik sistemleri. Bu alanlar, sCO2 çevrimleri için uygun uygulamalar olarak belirlendi ve çok yakında geleneksel buharlı Rankine çevrimlerinin yerini alacak. Dünya üzerinde büyük ve küçük ölçekli birçok üniversite, araştırma ve imalatçı firmalar ve kamu kuruluşları sCO2 teknolojisine odaklanmış durumda. Askeri ve ticari uygulamaları ile önümüzdeki dönemde verimlilik sıçraması yaptırabilecek ana teknoloji geliştirme konuları arasında çoktan yerini aldı!

Türkiye için kritikliği ve sağlayacağı avantajlar

Süperkritik karbondioksit çevrimleri ile Türkiye’nin kazanacağı teknolojiler aynı zamanda farklı alanlarda da kullanıma açık yataklama, sızdırmazlık elemanları, turbo makineler ve jeneratörler olacaktır. Bunun ötesinde, aslında bir kapalı çevrim gaz türbini olan bu motorun üretimi, kompakt yapısı sayesinde Türkiye imkanları ile imal edilebilir şartlarda ve büyük yatırımlar gerektirmemektedir. Askeri teknolojilerde ülkemizin bulunduğu seviyeye sınıf atlatacak ve sadece denizaltılarımız için değil, tüm milli yüzer platformlar için ana tahrik sistemi üretme ve dışa bağımlılıktan kurtulma imkânı sağlayacaktır.

ARGE aşaması SSM desteği ile tamamlanan “Süperkritik karbondioksit çevrimli güç sistemi” karasal testlere başlamak için tüm detayları ile İdealab tarafından tasarlanmış durumdadır. Teknik resimleri, malzeme haritaları, kontrol sistemi, tedarikçi seçimine kadar detaylı bir altyapı mevcut durumdadır. Gereken destek sağlandığı takdirde kısa süre içinde tamamlanan karasal testleri takiben deniz aracına uyarlama fazına geçilebilecektir. Yerli ve milli imkanlarla seri üretimi gerçekleştirilebilecek bu sistem, İdealab’ın uzun vadeli yol haritasında ülkemiz için ticarileşme potansiyeli yüksek durumdadır. Sivil yüzer platformlarda uygulanabileceği gibi; çimento tesisleri, cam ve çelik tesisleri, kimya/petrokimya üretim fabrikaları vb. büyük ölçekli enerji ihtiyaçları karşılayabilecek esnek yakıtlı bir sistem olabilme özelliğini taşımaktadır.