Baterie litowo-jonowe na okrę­tach pod­wod­nych

Ōryū – pierwszy bojowy okręt podwodny świata wyposażony jedynie w akumulatory Li-ion.

Ōryū – pierw­szy bojowy okręt pod­wodny świata wypo­sa­żony jedy­nie w aku­mu­la­tory Li-ion.

5 marca 2020 r. w bazie mor­skiej w Kobe w pre­fek­tu­rze Hyogo pod­nie­siono ban­derę Japońskich Morskich Sił Samoobrony na okrę­cie pod­wod­nym Oryu. Wydarzenie to na pierw­szy rzut oka wydaje się nie mieć szcze­gól­nego zna­cze­nia zwa­żyw­szy, że nie jest to jed­nostka nowego typu, lecz kolejna w serii okrę­tów typu Soryu. Oryu jest jed­nak pierw­szym bojo­wym kon­wen­cjo­nal­nym okrę­tem pod­wod­nym świata, na któ­rym zain­sta­lo­wano bate­rie ogniw litowo-jono­wych, sta­no­wiące jedyny „maga­zyn” prądu elek­trycz­nego.

Wspomniany na wstę­pie Ōryū (SS 511) jest przed­ostat­nim, jede­na­stym okrę­tem typu Sōryū (16SS), a jed­no­cze­śnie pierw­szym z koń­czą­cej go pary, okre­śla­nej jako Sōryū Mk II (27SS). Wszedł on w skład 1. Flotylli Okrętów Podwodnych z bazą w Kure w pre­fek­tu­rze Hiroszima. Zbudowała go stocz­nia Mitsubishi Heavy Industries (MHI) w Kobe, jako szó­sty okręt tego typu powstały w tym zakła­dzie. Położenie stępki odbyło 16 listo­pada 2015 r., a wodo­wa­nie 4 paź­dzier­nika 2018 r. Koszt budowy okrętu zamknął się kwotą 66 mld JPY (ok. 536,7 mln USD). Dla porów­na­nia budowa wcze­śniej­szych, z bate­riami ogniw (aku­mu­la­to­rów) kwa­sowo-oło­wio­wych (Pb lub LAB – Lead Acid Battery), to wyda­tek rzędu 502 mln USD. Nowa gene­ra­cja ogniw litowo-jono­wych (Li-ion albo LIB – Lithium Ion Battery) tra­fiła nie tylko do jam bate­ryj­nych Ōryū, wypeł­nio­nych dotych­czas aku­mu­la­to­rami Pb, ale i do prze­działu wcze­śniej zaj­mo­wa­nego przez cztery sil­niki spa­li­nowe V4-275R sys­temu Stirlinga, pro­duk­cji Kawasaki-Kockums, dzia­ła­jące w obiegu zamknię­tym, nie­za­leż­nym od dostępu powie­trza atmos­fe­rycz­nego (AIP, air inde­pen­dent pro­pul­sion).

Pojawienie się Ōryū sta­nowi prze­łom w kon­struk­cji kon­wen­cjo­nal­nych okrę­tów pod­wod­nych, porów­ny­walny z wdro­że­niem napę­dów AIP, ale i począ­tek dys­ku­sji o bez­pie­czeń­stwie tego roz­wią­za­nia.

5 marca 2020 r., baza morska w Kobe. Podniesienie bandery Japońskich Morskich Sił Samoobrony na okręcie podwodnym Ōryū.

5 marca 2020 r., baza mor­ska w Kobe. Podniesienie ban­dery Japońskich Morskich Sił Samoobrony na okrę­cie pod­wod­nym Ōryū.

Akumulatory na okrę­tach pod­wod­nych

Intensywna eks­plo­ata­cja okrę­tów pod­wod­nych (OP) prze­bie­ga­jąca w naj­trud­niej­szych z moż­li­wych warun­kach, powo­duje że wszyst­kie ich urzą­dze­nia i sys­temy muszą dzia­łać pra­wi­dłowo, a co naj­waż­niej­sze nie­za­wod­nie. Spośród dużej liczby sys­te­mów zain­sta­lo­wa­nych na każ­dym z nich, na szcze­gólną uwagę ze względu na bez­pie­czeń­stwo żeglugi, zasłu­guje układ napę­dowy, w tym przede wszyst­kim te jego pod­sys­temy, które odpo­wia­dają za wytwa­rza­nie i maga­zy­no­wa­nie ener­gii elek­trycz­nej. W przy­padku kon­wen­cjo­nal­nych OP szcze­gól­nie ten drugi pod­sys­tem ma duże zna­cze­nie.

Stosowane do tej pory powszech­nie na jed­nost­kach pod­wod­nych aku­mu­la­tory Pb wyna­le­zione zostały przez fran­cu­skiego fizyka Gastona Plantègo w 1859 r., a już w 1888 r. Polak, inży­nier Stefan Drzewiecki, uzna­wany za jed­nego z pio­nie­rów żeglugi pod­wod­nej, zapre­zen­to­wał pro­jekt pierw­szego na świe­cie OP o napę­dzie elek­trycz­nym. Pierwszym zbu­do­wa­nym okrę­tem pod­wod­nym, wyko­rzy­stu­ją­cym do poru­sza­nia się w poło­że­niu pod­wod­nym ener­gię zgro­ma­dzoną w aku­mu­la­to­rach, był USS Holland (SS 1), zapro­jek­to­wany przez Irlandczyka Johna Philipa Hollanda i zwo­do­wany 17 maja 1897 r.

Mając na uwa­dze czas, jaki upły­nął od tam­tego wyda­rze­nia, nie powinno dzi­wić stwier­dze­nie, że tech­no­lo­gia ogniw Pb uzna­wana jest obec­nie za „wyczer­paną”, nie­ma­jącą moż­li­wo­ści dal­szej, zna­czą­cej ewo­lu­cji. Jeśli cho­dzi o kwe­stię roz­woju gal­wa­nicz­nych ogniw elek­tro­che­micz­nych, cie­ka­wostką może być fakt, że obec­nie pro­du­ko­wane aku­mu­la­tory tej klasy cechują się pojem­no­ścią zale­d­wie o 10% więk­szą od ogniw sprzed nie­mal trzech dekad. Idąc dalej tym tro­pem oka­zuje się, że para­metr ten nie­wiele wzrósł od cza­sów II wojny świa­to­wej i wpro­wa­dze­nia do służby w Kriegsmarine rewo­lu­cyj­nych Elektrobootów typu XXI.

Ogniwa elek­tro­che­miczne nowej gene­ra­cji do zasto­so­wań na OP to, wspo­mniane już na wstę­pie, aku­mu­la­tory litowo-jonowe. Przedstawianie ogniw Li-ion w kon­tek­ście nowo­ści może być zaska­ku­jące, szcze­gól­nie że w życiu codzien­nym od ponad trzech dekad ota­czają nas urzą­dze­nia nimi zasi­lane, jed­nak dla pod­wod­nia­ków to fak­tycz­nie rewo­lu­cja.

Na wstę­pie warto sobie przy­po­mnieć czym jest aku­mu­la­tor litowo-jonowy. Jest to ogniwo, w któ­rym jedna z elek­trod wyko­nana jest z poro­wa­tego węgla, pod­czas gdy druga z tlen­ków metali. Najczęściej elek­troda ujemna (anoda) wyko­nana jest z gra­fitu, pod­czas gdy dodat­nia (katoda) z jed­nego z trzech mate­ria­łów: tlenku kobaltu z jonami litu, fos­fo­ra­nów litowo-żela­zo­wych lub tlen­ków litowo-man­ga­no­wych. Rolę elek­tro­litu speł­nia nato­miast ciecz zawie­ra­jąca mie­sza­ninę węgla­nów orga­nicz­nych, takich jak: diok­so­lan (węglan ety­lenu) lub węglan die­tylu, zawie­ra­jąca związki jonowe. Jego zróż­ni­co­wany skład może zawie­rać mniej lub bar­dziej szko­dliwe związki che­miczne, w tym LiPF₆ czyli sze­ścio­flu­oro­fos­fo­ran litu lub LiBOB – bis (szcza­wiano) boran litu. Elektrolit może mieć także postać stałą lub żelu, np. w ogni­wach litowo-poli­me­ro­wych (LiPo).

Najważniejszymi cechami ogniw Li-ion, które pre­de­sty­nują je do zasto­so­wa­nia na OP są m.in.: pojem­ność i gęstość ener­ge­tyczna, więk­sza 10 – 12 razy niż w aku­mu­la­to­rach Pb, a także o ponad połowę mniej­sza war­tość pro­cesu samo­roz­ła­do­wa­nia na pozio­mie ok. 1,5 – 2% na mie­siąc (w porów­na­niu do > 5% dla star­szych ogniw). Niemniej istotny dla zasto­so­wań na OP jest także brak wydzie­la­nia się wodoru w trak­cie łado­wa­nia. Warto w tym miej­scu przy­po­mnieć, że jed­nym z fun­da­men­tal­nych para­me­trów cechu­ją­cych ogniwa elek­tro­che­miczne to, poza pojem­no­ścią (Ah) i zgro­ma­dzoną ener­gią (Wh), wolu­me­tryczna oraz gra­wi­me­tryczna gęstość zma­ga­zy­no­wa­nej ener­gii (odpo­wied­nio Wh/dm³ i Wh/kg). Opisują one wiel­kość ener­gii zgro­ma­dzo­nej przez ogniwo odnie­sione odpo­wied­nio do jego obję­to­ści i masy. Inną cechą, nie do prze­ce­nie­nia w cia­snych i mocno upa­ko­wa­nych róż­nymi sys­te­mami kadłu­bach OP, jest to, że ogniwa Li-ion są też znacz­nie lżej­sze i mogą wystę­po­wać w nie­mal dowol­nym kształ­cie, dzięki czemu ich umiej­sco­wie­nie jest łatwiej­sze. Za sprawą roz­bu­do­wa­nych sys­te­mów kon­tro­l­nych mogą one być łado­wane wyso­kim prą­dem przez cały czas, co umoż­li­wia skró­ce­nie czasu ich rege­ne­ra­cji zarówno pod­czas mar­szu na powierzchni, jak i w zanu­rze­niu na chra­pach. Przedstawiciele Japońskich Morskich Sił Samoobrony twier­dzą, że 672 ogniwa Li-ion na Ōryū mogą zostać nała­do­wane do 80% swo­jej nomi­nal­nej pojem­no­ści w zale­d­wie 84 minuty (w przy­padku star­szych aku­mu­la­to­rów czas ten wyno­sił 162 minuty). Dodatkową korzy­ścią w porów­na­niu do „kwa­só­wek” jest fakt, że przy dużym obcią­że­niu pojem­ność ogniw Pb ulega szyb­kiemu spad­kowi, pod­czas gdy Li-ion są tej wady pozba­wione, a mając to na uwa­dze dowódca może opty­mal­nie pla­no­wać dzia­ła­nia okrętu pod wodą przy każ­dej pręd­ko­ści.

Obecnie dla okrę­tow­nic­twa dostępne są dwie gene­ra­cje ogniw Li-ion. Do naj­star­szej należą m.in. bate­rie litowo-niklowo-kobal­towo-alu­mi­niowe, znane jako NCA (LiNiCoAlO₂), litowo-żela­zowo-fos­fo­ra­nowe LFP (LiFePo₄) i litowo-tyta­nowe LTO (Li₄Ti₅O₁₂). Przedstawicielem dru­giej, ulep­szo­nej gene­ra­cji są aku­mu­la­tory litowo-tyta­nowe, zawie­ra­jące nio­bian TNO (TiNb₂O₇). Prace nad TNO szcze­gól­nie inten­syw­nie pro­wa­dzi japoń­ska Toshiba, podob­nie jak nad bate­riami SCIB (Super Charge Ion Battery), któ­rych pro­to­typ zapre­zen­to­wano na pary­skim salo­nie Euronaval 2018.

Idealne do okrę­tów pod­wod­nych?

Mimo że w urzą­dze­niach codzien­nego użytku ogniwa Li-ion obecne są od lat, to uznać je należy za źró­dło ener­gii o sto­sun­kowo małej doj­rza­ło­ści kon­struk­cyj­nej, mniej bez­pieczne od zna­nych i roz­wi­ja­nych od prze­szło 100 lat aku­mu­la­to­rów Pb. Z dru­giej strony są ich naj­lep­szą i póki co jedyną alter­na­tywą.

Czynnikiem, który zmniej­sza wydaj­ność ogniw Li-ion jest tem­pe­ra­tura, zarówno zbyt niska, jak i zbyt wysoka. O ile pierw­sza z nich nie grozi poważ­nymi kon­se­kwen­cjami, to ich prze­grza­nie może być bar­dzo nie­bez­pieczne. Stąd dużym wyzwa­niem dla inży­nie­rów jest zapew­nie­nie opty­mal­nego i wydaj­nego chło­dze­nia. Co cie­kawe, bez­pieczne „okno” do eks­plo­ata­cji ogniw Li-ion zawiera się w prze­dziale napięć od 2 do 4 V i tem­pe­ra­tur od 0 do 80°C, opty­malna tem­pe­ra­tura łado­wa­nia wynosi z kolei od 5 do 45°C. Każda ano­ma­lia zwięk­sza praw­do­po­do­bień­stwo nie­od­wra­cal­nego uszko­dze­nia ogniw, a w przy­padku wzro­stu napię­cia i tem­pe­ra­tury (> 200°C) także może spo­wo­do­wać poważne zagro­że­nie dla życia i zdro­wia załogi. Najbardziej kata­stro­falne skutki w przy­padku eks­plo­ata­cji LIB może przy­nieść nie­kon­tro­lo­wany wzrost tem­pe­ra­tury wewnątrz ogniw, pro­wa­dzący do powsta­nia samo­utrzy­mu­ją­cych się egzo­ter­micz­nych reak­cji che­micz­nych. Prowadzą one do dal­szego uwal­nia­nia się jesz­cze więk­szych ilo­ści cie­pła (reak­cja łań­cu­chowa), a w efek­cie do powsta­nia zja­wi­ska tzw. ter­micz­nego roz­bie­ga­nia bate­rii, skut­ku­ją­cego eks­plo­zją. W przy­padku okrę­tów pod­wod­nych, na któ­rych znaczna liczba ogniw zgro­ma­dzona jest wewnątrz jam bate­ryj­nych (w skraj­nych przy­pad­kach nawet 300 – 400 ton!), reak­cja w jed­nym z nich bar­dzo szybko może dopro­wa­dzić do prze­grza­nia w kolej­nych i powsta­nia wspo­mnia­nej reak­cji kaska­do­wej.

  • Marcin Chała

To jest skrócona wersja artykułu.

CZYTAJ E-WYDANIE KUP WYDANIE PAPIEROWE