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.

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.