Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
<strong>Technika</strong> morska<br />
Baterie litowo-jonowe na okrętach podwodnych<br />
Rewolucja czy niebezpieczny eksperyment?<br />
Marcin Chała<br />
5 marca <strong>2020</strong> r. w bazie morskiej<br />
w Kobe w prefekturze Hyogo ¯<br />
podniesiono banderę Japońskich<br />
Morskich Sił Samoobrony na okręcie<br />
podwodnym Oryu. ¯ ¯ Wydarzenie to na<br />
pierwszy rzut oka wydaje się nie mieć<br />
szczególnego znaczenia zważywszy,<br />
że nie jest to jednostka nowego typu,<br />
lecz kolejna w serii okrętów typu Soryu. ¯ ¯<br />
Oryu ¯ ¯ jest jednak pierwszym bojowym<br />
konwencjonalnym okrętem podwodnym<br />
świata, na którym zainstalowano baterie<br />
ogniw litowo-jonowych, stanowiące<br />
jedyny „magazyn” prądu elektrycznego.<br />
Ilustracje w artykule: Japońskie Morskie Siły<br />
Samoobrony, GS Yuasa, MW Republiki Korei, FAAM,<br />
Naval Group, Tomasz Grotnik.<br />
Wspomniany na wstępie Ōryū (SS 511)<br />
jest przedostatnim, jedenastym okrętem<br />
typu Sōryū (16SS), a jednocześnie<br />
pierwszym z kończącej go pary, określanej jako<br />
Sōryū Mk II (27SS). Wszedł on w skład 1. Flotylli<br />
Okrętów Podwodnych z bazą w Kure w prefekturze<br />
Hiroszima. Zbudowała go stocznia Mitsubishi<br />
Heavy Industries (MHI) w Kobe, jako szósty okręt<br />
tego typu powstały w tym zakładzie. Położenie<br />
stępki odbyło 16 listopada 2015 r., a wodowanie<br />
4 października 2018 r. Koszt budowy okrętu zamknął<br />
się kwotą 66 mld JPY (ok. 536,7 mln USD). Dla<br />
porównania budowa wcześniejszych, z bateriami<br />
ogniw (akumulatorów) kwasowo-ołowiowych (Pb<br />
lub LAB – Lead Acid Battery), to wydatek rzędu<br />
502 mln USD. Nowa generacja ogniw litowo-jonowych<br />
(Li-ion albo LIB – Lithium Ion Battery) trafiła<br />
nie tylko do jam bateryjnych Ōryū, wypełnionych<br />
dotychczas akumulatorami Pb, ale i do przedziału<br />
wcześniej zajmowanego przez cztery silniki spalinowe<br />
V4-275R systemu Stirlinga, produkcji Kawasaki-Kockums,<br />
działające w obiegu zamkniętym, niezależnym<br />
od dostępu powietrza atmosferycznego<br />
(AIP, air independent propulsion).<br />
Pojawienie się Ōryū stanowi przełom w konstrukcji<br />
konwencjonalnych okrętów podwodnych,<br />
porównywalny z wdrożeniem napędów AIP, ale<br />
i początek dyskusji o bezpieczeństwie tego rozwiązania.<br />
Akumulatory na okrętach podwodnych<br />
Intensywna eksploatacja okrętów podwodnych<br />
(OP) przebiegająca w najtrudniejszych z możliwych<br />
warunkach, powoduje że wszystkie ich urządzenia<br />
i systemy muszą działać prawidłowo, a co<br />
Ōryū – pierwszy bojowy okręt podwodny świata wyposażony jedynie w akumulatory Li-ion.<br />
najważniejsze niezawodnie. Spośród dużej liczby<br />
systemów zainstalowanych na każdym z nich, na<br />
szczególną uwagę ze względu na bezpieczeństwo<br />
żeglugi, zasługuje układ napędowy, w tym<br />
przede wszystkim te jego podsystemy, które odpowiadają<br />
za wytwarzanie i magazynowanie<br />
energii elektrycznej. W przypadku konwencjonalnych<br />
OP szczególnie ten drugi podsystem ma<br />
duże znaczenie.<br />
Stosowane do tej pory powszechnie na jednostkach<br />
podwodnych akumulatory Pb wynalezione<br />
zostały przez francuskiego fizyka Gastona<br />
Plantègo w 1859 r., a już w 1888 r. Polak, inżynier<br />
Stefan Drzewiecki, uznawany za jednego z pionierów<br />
żeglugi podwodnej, zaprezentował projekt<br />
pierwszego na świecie OP o napędzie elektrycznym.<br />
Pierwszym zbudowanym okrętem podwodnym,<br />
wykorzystującym do poruszania się<br />
w położeniu podwodnym energię zgromadzoną<br />
w akumulatorach, był USS Holland (SS 1), zaprojektowany<br />
przez Irlandczyka Johna Philipa Hollanda<br />
i zwodowany 17 maja 1897 r.<br />
Mając na uwadze czas, jaki upłynął od tamtego<br />
wydarzenia, nie powinno dziwić stwierdzenie, że<br />
technologia ogniw Pb uznawana jest obecnie za<br />
„wyczerpaną”, niemającą możliwości dalszej, znaczącej<br />
ewolucji. Jeśli chodzi o kwestię rozwoju<br />
galwanicznych ogniw elektrochemicznych, ciekawostką<br />
może być fakt, że obecnie produkowane<br />
akumulatory tej klasy cechują się pojemnością zaledwie<br />
o 10% większą od ogniw sprzed niemal<br />
trzech dekad. Idąc dalej tym tropem okazuje się,<br />
że parametr ten niewiele wzrósł od czasów II wojny<br />
światowej i wprowadzenia do służby w Kriegsmarine<br />
rewolucyjnych Elektrobootów typu XXI.<br />
Ogniwa elektrochemiczne nowej generacji do<br />
zastosowań na OP to, wspomniane już na wstępie,<br />
akumulatory litowo-jonowe. Przedstawianie<br />
ogniw Li-ion w kontekście nowości może być zaskakujące,<br />
szczególnie że w życiu codziennym od<br />
ponad trzech dekad otaczają nas urządzenia nimi<br />
zasilane, jednak dla podwodniaków to faktycznie<br />
rewolucja.<br />
Na wstępie warto sobie przypomnieć czym jest<br />
akumulator litowo-jonowy. Jest to ogniwo, w którym<br />
jedna z elektrod wykonana jest z porowatego<br />
węgla, podczas gdy druga z tlenków metali. Najczęściej<br />
elektroda ujemna (anoda) wykonana jest<br />
z grafitu, podczas gdy dodatnia (katoda) z jednego<br />
z trzech materiałów: tlenku kobaltu z jonami<br />
litu, fosforanów litowo-żelazowych lub tlenków litowo-manganowych.<br />
Rolę elektrolitu spełnia natomiast<br />
ciecz zawierająca mieszaninę węglanów<br />
organicznych, takich jak: dioksolan (węglan etylenu)<br />
lub węglan dietylu, zawierająca związki jonowe.<br />
Jego zróżnicowany skład może zawierać mniej<br />
lub bardziej szkodliwe związki chemiczne, w tym<br />
LiPF₆ czyli sześciofluorofosforan litu lub LiBOB–bis<br />
(szczawiano) boran litu. Elektrolit może mieć także<br />
postać stałą lub żelu, np. w ogniwach litowo-polimerowych<br />
(LiPo).<br />
Najważniejszymi cechami ogniw Li-ion, które<br />
predestynują je do zastosowania na OP są<br />
m.in.: pojemność i gęstość energetyczna, większa<br />
10–12 razy niż w akumulatorach Pb, a także<br />
o ponad połowę mniejsza wartość procesu samorozładowania<br />
na poziomie ok. 1,5–2% na miesiąc<br />
(w porównaniu do > 5% dla starszych ogniw). Niemniej<br />
istotny dla zastosowań na OP jest także brak<br />
wydzielania się wodoru w trakcie ładowania. Warto<br />
w tym miejscu przypomnieć, że jednym z fundamentalnych<br />
parametrów cechujących ogniwa<br />
elektrochemiczne to, poza pojemnością (Ah)<br />
i zgromadzoną energią (Wh), wolumetryczna oraz<br />
grawimetryczna gęstość zmagazynowanej energii<br />
(odpowiednio Wh/dm³ i Wh/kg). Opisują one<br />
92 <strong>Wojsko</strong> i <strong>Technika</strong> • Sierpień <strong>2020</strong><br />
www.zbiam.pl
Change language