Το επόμενο διάστημα το κύριο πρόγραμμα που θα μας απασχολήσει όσον αφορά το Πολεμικό Ναυτικό θα είναι ο υποβρύχιος στόλος και πιο συγκεκριμένα το πρόγραμμα αναβάθμισης μέσης ζωής των υπάρχοντων υποβρυχίων Τ-214ΗΝ όπως και το πρόγραμμα απόκτησης νέων υποβρυχίων. Το οποίο όπως φαίνεται ίσως να τρέξει πιο γρήγορα λόγω της τεράστιας ανάγκης αντικατάστασης των παλαιότερων ελληνικών υποβρυχίων κλάσης Τ-209. Μια διαδικασία όχι τόσο εύκολη λόγω των μεγάλων ιδιαιτεροτήτων του όπλου αλλά και των χαρακτηριστικών των υπό προσφορά υποβρυχίων. Στο πλαίσιο αυτό αποφασίσαμε μέσα από την ιστοσελίδα του Defencereview.gr να κάνουμε μια όσο το δυνατόν αναλυτικότερη παρουσίαση των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών των υποβρυχίων που πρόκειται να μας απασχολήσουν το επόμενο διάστημα. Η αρχή έγινε με την ανάλυση των μεταφερόμενων όπλων και επιλογών που προσφέρει η κάθε κλάση και μπορείτε να διαβάσετε ΕΔΩ.
Στο σημερινό άρθρο θα αναλύσουμε ίσως μία από τις πιο κρίσιμες πτυχές των νέων υποβρυχίων που είναι οι μπαταρίες. Ποιες διαθέσιμες τεχνολογίες υπάρχουν, τι προσφέρει η κάθε τεχνολογία και εάν οι νέας γενιάς μπαταρίες είναι σε θέση να αντικαταστήσουν πλήρως τα συστήματα αναερόβιας πρόωσης.
Πριν ξεκινήσουμε την παρουσίαση και την ανάλυση των επιλογών θα πρέπει να θέσουμε τους βασικούς ορισμούς που χρησιμοιποιούνται όταν αναφερόμαστε σε μια μπαταρία. Οι ορισμοί αυτοί είναι:
- SoC, State of Charge: Κατάσταση Φόρτισης, Είναι το ποσοστό της ενέργειας που απομένει στην μπαταρία.
- C-Rate, Current rate: Ρυθμός Ρεύματος, Είναι ο ρυθμός φόρτισης ή εκφόρτισης και εκφράζεται ως συνάρτηση της ονομαστικής χωρηστικότητας
- DoD, Depth of Discharge: Βάθος Εκφόρτισης, Είναι το ποσοστό της ενέργειας το οποίο μπορεί πραγματικά να χρησιμοποιηθεί ως προς το 100% της χωρητικότητας μιας μπαταρίας.
- SoH, State of Health: Κατάσταση Υγείας, Είναι το υπόλοιπο της χωρητικότητας ως συνάρτηση της χωρητικότητας όταν η μπαταρία ήταν καινούρια. π.χ. 80% SoH
- BoL / EoL: Begin and End of (design) Life: Έναρξη και Λήξη διάρκειας ζωής, Η μπαταρία έχει σχεδιαστεί ώστε να μπορεί να κάνει την ίδια BoL με την EoL, μετά την EoL είτε χάνουμε ισχύ είτε ενέργεια.
Από τους παραπάνω ορισμούς στο σημερινό άρθρο θα μας απασχολήσουν κατά κύριο λόγο το C-Rate και το DoD, δύο πολύ βασικοί παράγοντες επιλογής μιας μπαταρίας, όπως επίσης η ενεργειακή πυκνότητα ανά κιλό (Wh/kg) και ο μετρίσιμος αριθμός κύκλων φόρτισης-εκφόρτισης στο 80% SoH.
Μπαταρίες Μολύβδου Οξέος – LAB (Lead Acid Battery)
Όλα τα υποβρύχια συμβατικής πρόωσης μέχρι σήμερα φέρουν μπαταρίες μολύβδου-οξέος. Η πρώτη επαναφορτιζόμενη μπαταρία ήταν μια μπαταρία μολύβδου-οξέος, που εφευρέθηκε από τον Gaston Planté το 1859. Οι μπαταρίες μολύβδου έχουν μεγάλη δημοτικότητα λόγω του χαμηλού κόστους, της στιβαρότητας και της χαμηλής αυτοεκφόρτισης. Στον αντίποδα τα μειονεκτήματά τους είναι η χαμηλή ενεργειακή τους πυκνότητα και οι αρνητικές περιβαλλοντικές τους επιπτώσεις. Οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος αποτελούνται από μια άνοδο μετάλλου μολύβδου και μια κάθοδο διοξειδίου του μολύβδου. Ο ηλεκτρολύτης αποτελείται από θειικό οξύ. Καθώς η μπαταρία αποφορτίζεται, τα δύο ηλεκτρόδια αντιδρούν σε θειικό μόλυβδο και το θειικό οξύ αντιδρά σε νερό. Κατά τη διάρκεια της φόρτισης απελευθερώνεται αέριο υδρογόνο και οξυγόνο λόγω της ηλεκτρόλυσης του νερού, το οποίο εξαερίζεται από τα ανοίγματα στο πάνω μέρος της μπαταρίας. Αυτό σημαίνει ότι οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος πρέπει να ξαναγεμίζονται, κάτι που απαιτεί τακτική συντήρηση. Για την αντιμετώπιση αυτού έχουν σχεδιαστεί νέου τύπου μπαταρίες μολύβδου-οξέος με ρυθμιζόμενη βαλβίδα (VRLA), όπου ο ηλεκτρολύτης αντικαθίσταται από ένα τζελ. Ωστόσο, αυτός ο τύπος μπαταρίας έχει σχεδιαστεί με χαμηλή πιθανότητα υπέρτασης για να αποτρέπει την παραγωγή αερίου κατά τη φόρτιση. Λόγω της διάβρωσης της καθόδου, μια μπαταρία μολύβδου-οξέος είναι ικανή για 500-800 κύκλους το οποίο σημαίνει μια διάρκεια ζωής μπαταρίας 5-8 χρόνια. Επίσης, σύμφωνα με ανοιχτές πηγές το C-Rate μιας μπαταρίας μολύβδου οξέος είναι 0.2C, το DoD είναι 50-60%, η ενεργειακή πυκνότητα 30-50 Wh/kg και το βάρος ενός στοιχείου μπαταρίας υποβρυχίου είναι 350-500 κιλά.
Μπαταρίες Ιόντων Λιθίου – LIB (Lithium Ion Battery)
Σήμερα οι νέα τάση είναι η χρήση των μπαταριών νέας γενιάς ιόντων λιθίου. Το λίθιο είναι το ελαφρύτερο μέταλλο από όλα τα μέταλλα και έχει ένα από τα υψηλότερα ηλεκτρικά δυναμικά. Στις μπαταρίες ιόντων λιθίου, τα θετικά φορτισμένα ιόντα λιθίου (Li+) μετακινούνται από την άνοδο στην κάθοδο κατά την εκφόρτιση. Αυτά τα χαρακτηριστικά παρέχουν τη μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα από άποψη όγκου και βάρους. Επίσης, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν χαμηλό βαθμό συντήρησης και δεν απαιτείται προγραμματισμένη κυκλική χρήση για να διατηρηθεί η επιθυμητή διάρκεια ζωής τους. Η γήρανση συμβαίνει στις μπαταρίες ιόντων λιθίου, με αποτέλεσμα την επιδείνωση της χωρητικότητας της μπαταρίας.
Γενικά, ένα πολύ μεγάλο μειονέκτημα μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου είναι η πιθανότητα θερμικής διαφυγής. Αυτή η διαδικασία μπορεί να συμβεί όταν πυροδοτούνται εξώθερμες χημικές αντιδράσεις λόγω φυσικής ή ηλεκτρικής κατάχρησης, όπως βραχυκύκλωμα, εξωτερική θέρμανση ή υπερβολική (απο)φόρτιση. Τα αποτελέσματα μιας θερμικής διαφυγής είναι υψηλές θερμοκρασίες, σχηματισμός τοξικών αερίων και ο κίνδυνος έκρηξης και πυρκαγιάς.
Τα βασικά πλεονεκτήματα των μπαταριών αυτών σε σύγκριση με τις μπαταρίες μολύβδου-οξέος είναι:
- Μικρότερο Βάρος
- Μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα που αποδίδει μεγαλύτερη αποθήκευση ενέργειας στον ίδιο όγκο.
- Πολύ μικρό χρόνο φόρτισης
- Περισσότερους κύκλους φόρτισης
- Σχεδόν μηδενική ανάγκη συντήρησης
- Μεγαλύτερο χρόνο ζωής κατά περίπου
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες ανάλογα με την τεχνολογία της μπαταρίας και η κάθε μία έχει τα δικά της ενεργειακά χαρακτηριστικά
Μπαταρίες NMC (Nickel Manganese Cobalt Oxide), οι μπαταρίες αυτές είναι που χρησιμοποιούνται ευρέως σήμερα. Ο ρυθμός φόρτισης C-Rate είναι μέχρι 4C αλλά τυπικά συναντάμε 2-3C. Έχουν την υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα ανάμεσα στις μπαταρίες ιόντων λιθίου αλλά έχουν τη γρηγορότερη γήρανση όταν το SoH πέσει κάτω από το 80%. Είναι επιρρεπείς σε φαινόμενα όπως βραχυκύκλωμα, εξωτερική θέρμανση ή υπερβολική (απο)φόρτιση και για το λόγο αυτό δεν είναι κατάλληλες για χρήση στα υποβρύχια. Τέλος έχουν τη δυνατότητα μέχρι 5000 κύκλους φορτο-εκφόρτισης, τυπικά 2-3.000.
Μπαταρίες LFP (Lithium Iron Phosphate), οι μπαταρίες αυτές είναι νεότερης τεχνολογίας, ο ρυθμός φόρτισης C-Rate είναι μέχρι 2C αλλά τυπικά συναντάμε 1C. Είναι μέσης ενεργειακής πυκνότητας με δυνατότητα φορτο-εκφόρτισης έως 7.000 κύκλους. Η χημική σύσταση των μπαταριών αυτών είναι πιο σταθερή και επηρεάζεται ελάχιστα από φαινόμενα όπως βραχυκύκλωμα, εξωτερική θέρμανση ή υπερβολική (απο)φόρτιση με αποτέλεσμα να θεωρούνται κατάλληλες για χρήση σε υποβρύχια. Παραδείγματος χάριν οι μπαταρίες ιόντων λιθίου της ιταλικής FAAM που θα τοποθετηθούν στα νέα ιταλικα U-212 NFS θα είναι τύπου LFP.
Μπαταρίες LTO (Lithium Titanate Oxide), αυτή είναι η νεότερη τεχνολογία μπαταριών, πατέντα του ιαπωνικού κολοσσού TOSHIBA. Είναι ο τύπος μπαταριών που έχει τοποθετηθεί στα νέας γενιάς ιαπωνικά υποβρύχια τύπου Soryu και έχει αντικαταστήσει πλήρως τα συστήματα ΑΙΡ στον ιαπωνικό στόλο. Αυτού του τύπου οι μπαταρίες έχουν τη χαμηλότερη ενεργειακή πυκνότητα ανάμεσα στους τρεις τύπους μπαταριών ιόντων λιθίου αλλά έχουν το μεγαλύτερο ρυθμό φόρτισης 5C ενώ έχει αναφερθεί και δυνατότητα έως 10C και τεράστιο αριθμό κύκλων φορτο-εκφόρτισης (20.000) που πρακτικά σημαίνει έως 30 χρόνια ζωής για κάθε μπαταρία. Τέλος έχουν τη μεγαλύτερη χημική σταθερότητα που πρακτικά σημαίνει σχεδόν μηδενική πιθανότητα αλλοίωσης της μπαταρίας και θερμική διαφυγή (πυρκαϊα).
Σύγκριση μεταξύ μπαταριών Μολύβδου-Οξέος και Ιόντων Λιθίου.
Όπως φαίνεται και στον παραπάνω πίνακα, η διαφορά δυνατοτήτων μεταξύ των μπαταριών Μολύβδου οξέος και Ιόντων λιθίου είναι έως και χαοτική. Η τελική επιλογή ανάμεσα σε μπαταρία LFP και LTO έχει να κάνει με το επιχειρησιακό προφίλ άλλα και επι μέρους τεχνικά χαρακτηριστικά. Εδώ να αναφέρουμε επίσης ότι οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι έως και 50% ελαφρύτερες στον ίδιο όγκο σε σύγκριση με τις υπάρχουσες μπαταρίες. Αυτό οδηγεί σε μικρότερο μεταφερόμενο βάρος. Ενδεικτικά, τα υποβρύχια Τ-214 διαθέτουν 648 στοιχεία μπαταριών σε δύο συστοιχίες. Αυτό, με ένα βάρος στοιχείου περί τα 350-400 κιλά, οδηγεί σε συνολικό βάρος μπαταριών που φτάνει στους 230-260 τόνους περίπου. Αντίστοιχα οι μπαταρίες ιόντων λιθίου θα προσέθεταν στο υποβρύχιο μόλις 115-130 τόνους.
Εάν υποθέσουμε ότι ένα υποβρύχιο σαν το Τ-214 με μπαταρίες μολύβδου οξέως έχει στη διάθεσή του 12000 kWh αυτό σημαίνει ότι:
Η ενεργειακή επάρκεια με DoD 55% είναι της τάξης των 6600 kWh. Με ταχύτητα περιπολίας τεσσάρων κόμβων υπολογίζουμε ότι η ανάγκη του ηλεκτροκινητήρα για την επίτευξη αυτής της ταχύτητας είναι περίπου 70kW. Επομένως υπολογίζουμε ότι με τις μπαταρίες μολύβδου οξέως ο χρόνος κατάδυσης είναι περίπου 95 ώρες ή τέσσερις περίπου μέρες. Εάν τώρα αντικαταστήσουμε τις υπάρχουσες μπαταρίες με ιόντων λιθίου NMC οι οποίες έχουν μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα αλλά και DoD 90% αυτό μας οδηγεί σε μία αρχική ενεργειακή δυνατότητα 12000 kWh x 1.5 = 18.000 kWh και με πραγματική διαθέσιμη ενέργεια 18.000 x DoD 90% = 16200 kWh. Επομένως με μπαταρίες NMC ο αντίστοιχος χρόνος κατάδυσης στις 230 ώρες ή 9,6 ημέρες.
Σήμερα ο χρόνος κατάδυσης ενός υποβρυχίου T-214 υπολογίζεται σε περίπου τρεις εβδομάδες. Με την υπάρχουσα διάταξη (ίδιο αριθμό στοιχείων χωρίς όμως AIP) ο χρόνος που επιτυγχάνεται είναι ο μισός. Όμως εάν στον χώρο που ελευθερώνεται από την απουσία του συστήματος AIP προστεθούν επιπλέον στοιχεία μπαταριών τότε ο χρόνος κατάδυσης αυξάνεται ανάλογα. Θεωρούμε ότι, τόσο οι Ιάπωνες όσο και Ολλανδοί που έχουν να καλύψουν τεράστιες θαλάσσιες αποστάσεις υπό κάλυψη, δεν θα υπονόμευαν τόσο πολύ το χρόνο υποβρύχιας πλεύσης των υποβρυχίων τους. Μην ξεχνάμε ότι τόσο το συμβατικής πρόωσης Barracuda όσο και το Soryu είναι πολύ μεγαλύτερα υποβρύχια σε μήκος πράγμα το οποίο μας οδηγεί στο συμπέρασμα ότι για να μπορέσουν οι Γάλλοι και οι Ιάπωνες να πιάσουν ή να ξεπεράσουν τις τρεις εβδομάδες σε κατάδυση μόνο με μπαταρίες, έχουν τοποθετημένο στα υποβρύχιά τους τουλάχιστον διπλασιο αριθμό στοιχείων μπαταρίας.
Επίσης πολύ σημαντική παράμετρος είναι και ο χρόνος φόρτισης. Όπως βλέπουμε στον πίνακα οι μπαταρίες NMC με C-Rate 1C έχουν πέντε φορές πιο γρήγορο χρόνο φόρτισης σε σύγκριση με τις μπαταρίες μολύβδου-οξέος με C-Rate 0,2C ενώ οι νεώτερες LTO έχουν έως και 25 φορές πιο γρήγορο χρόνο φόρτισης.
Εν κατακλείδι, η παραπάνω ανάλυση κατέδειξε τα πλεονεκτήματα των μπαταριών Ιόντων Λιθίου οι οποίες κατ όγκο διαθέτουν 100-120% μεγαλύτερη ενεργειακή επάρκεια και επομένως χρόνο σε κατάδυση σε σύγκριση με τις υπάρχουσες μπαταρίες. Υπό συγκεκριμένες προϋποθέσεις ένα υποβρύχιο εξοπλισμένο μόνο με μπαταρίες λιθίου μπορεί να φτάσει ή ακόμη και να ξεπεράσει τον συνδυασμό AIP-LAB, όχι όμως εύκολα τον συνδυασμό AIP-LIB με τον ίδιο αριθμό μπαταριών. Γενικά όμως, όσον αφορά την αποστολή ενός υποβρυχίου η χρήση μπαταριών Ιόντων Λιθίου μεταφράζεται σε μεγαλύτερη αυτονομία σε υποβρύχια πλεύση με χρήση μπαταριών. Μικρότερο χρόνο έκθεσης του υποβρυχίου κατά τη διάρκεια φόρτισης της μπαταρίας με την χρήση του πετρελαιοκινητήρα τόσο όσον αφορά το χρόνο φόρτισης όσο και λόγω του μικρότερου αριθμού φορτίσεων.
