Νέα Υποβρύχια για το Πολεμικό Ναυτικό: Συγκριτική ανάλυση δυνητικών επιλογών και τεχνολογιών

 Αναστάσιος Παπανδρέου

Τεχνολογίες πρόωσης συμβατικών υποβρυχίων – Τεχνική Ανάλυση και παρουσίαση συστημάτων

Ο ακρογωνιαίος λίθος της επιβίωσης και της εκτέλεσης της αποστολής ενός υποβρυχίου είναι η δυνατότητα αθόρυβης πλεύσης και η ικανότητα να παραμένει αθέατο για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Για την επίτευξη των παραπάνω, μεγάλο ρόλο παίζει το σύστημα πρόωσης που διαθέτει. Ήδη από το 1930 είχαν ξεκινήσει προσπάθειες για την ανάπτυξη διαφόρων συστημάτων πρόωσης προς την κατεύθυνση αυτή που έφτασαν ως την πυρηνική πρόωση. Μια τεχνολογία πολύ ακριβή, τεχνικά δύσκολη με μεγάλες ιδιαιτερότητες στην διαχείρισή της.

Όσον αφορά τα συμβατικής πρόωσης υποβρύχια, τα λεγόμενα diesel-electric, η αρχή λειτουργίας τους είναι η χρήση ναυτικών μηχανών ντίζελ εσωτερικής καύσης για κίνηση στην επιφάνεια και κάτω από αυτή (snorkeling) και για φόρτιση των μπαταριών και η χρήση των μπαταριών για αθέατη και αθόρυβη πλεύση κάτω από την επιφάνεια.  Σήμερα οι διαθέσιμες τεχνολογίες για αθέταη και αθόρυβη πλεύση, που υπάρχουν για τα υποβρύχια συμβατικής πρόωσης είναι τα συστήματα αναερόβιας πρόωσης (Air Independent Propulsion, AIP) και οι μπαταρίες νέας γενιάς. Τα συστήματα αυτά έχουν αλλάξει τα τελευταία χρόνια τις επιχειρησιακές ικανότητες των συμβατικών υποβρυχίων από τη στιγμή που αυτά μπορούν να παραμένουν κάτω από την επιφάνεια της θάλασσας για πολύ μεγαλύτερα διαστήματα σε σύγκριση με τα παλαιότερης γενιάς συμβατικά υποβρύχια.

Συστήματα Αναερόβιας Πρόωσης (Air Independent Propulsion, AIP)

Πρώτες εφαρμογές συστημάτων αναερόβιας πρόωσης έκαναν την εμφάνισή τους στα μέσα με τέλη της δεκαετίας του 1990. Τρεις ήταν οι τεχνολογίες που εφαρμόστηκαν σε υποβρύχια συμβατικής πρόωσης. Το σύστημα με κινητήρα εσωτερικη΄ς καύσης τύπου Stirling που ανέπτυξε η σουηδική Kockums για τα υποβρύχια Gotland, το σύστημα MESMA που ανέπτυξε η γαλλική DCNS για τα υποβρύχια Agosta B και Scorpene και το σύστημα κυψελών καυσίμου PEMFC που ανέπτυξε η γερμανική Siemens για τα υποβρύχια U212 & T-214.

Το σουηδικό σύστημα AIP στηρίζεται σε έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης τύπου Stirling. Ο κινητήρας Stirling είναι μια μηχανή κλειστού κύκλου και έχει την ίδια θεωρητική θερμοδυναμική αποδοτικότητα με τον κύκλο Carnot αλλά παράγει μεγαλύτερο ειδικό έργο. Στο σύστημα της Kockum, το οξυγόνο παρέχεται στον κινητήρα από μια ενσωματωμένη μονάδα υγροποιημένου οξυγόνου LOX. Για καύσιμο χρησιμοποιείται το πετρέλαιο, αλλά για την ελαχιστοποίηση των προβλημάτων διάβρωσης και ρύπανσης στον εναλλάκτη θερμότητας καύσης προτιμώνται καύσιμα χαμηλής περιεκτικότητας σε θείο. Το μίγμα καυσίμου, οξυγόνου και ανακυκλοφορούμενου αερίου καύσης καίγεται σε θάλαμο ο οποίος είναι υπό πίεση 20-30 ατμόσφαιρες, έτσι ώστε τα ανεπιθύμητα καυσαέρια να μπορούν να απορριφθούν στη θάλασσα σε βάθη έως περίπου 200-250 μέτρα, χωρίς να απαιτείται συμπιεστής αερίου. Η απουσία εσωτερικών εκρήξεων μέσα στους κυλίνδρους κατά τη διάρκεια της καύσης τον κάνουν έναν σχετικά αθόρυβο κινητήρα. Οι μετρήσεις θορύβου που έγιναν από το US Navy πριν από περίπου 25 χρόνια έδειξαν ότι ο κινητήρας stirling είναι δεκαπέντε φορές πιο αθόρυβος σε σύγκριση με έναν κοινό κινητήρα εσωτερικής καύσης. Σήμερα η SAAB προσφέρει τον νεότερης γενιάς κινητήρα Kockum V4 275R MkV Stirling ο οποίος θα έχει καλύτερη απόδοση σε σύγκριση με το προηγούμενο μοντέλο. Συγκριτικά θα έχει μικρότερη κατανάλωση και θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μεγαλύτερα βάθη, έως 250 μέτρα.

Το γαλλικό σύστημα ΑΙΡ, Module d’Energie Sous-Marine Autonome (MESMA) προσφέρεται από τη Naval Group για τα υποβρύχια κλάσης Scorpène. Πρόκειται ουσιαστικά για μια τροποποιημένη έκδοση του συστήματος πυρηνικής πρόωσης με θερμότητα που παράγεται από αιθανόλη και οξυγόνο. Η καύση της αιθανόλης και του αποθηκευμένου οξυγόνου, σε πίεση 60 atm, παράγει ατμό που τροφοδοτεί μια συμβατική μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με τουρμπίνα. Αυτός είναι ουσιαστικά ένας συμβατικός στροβιλο-εναλλάκτης κύκλου Rankine που τροφοδοτείται από ατμό. Αυτή η πυροδότηση με πίεση επιτρέπει την αποβολή του διοξειδίου του άνθρακα των καυσαερίων στη θάλασσα σε οποιοδήποτε βάθος χωρίς να χρειάζεται η χρήση συμπιεστή καυσαερίων.

Κύκλος λειτουργίας του συστήματος MESMA AIP

Το συγκεκριμένο σύστημα έχει μικρότερη απόδοση (25%) σε σχέση με τα αντίστοιχα γερμανικά (55%) συστήματα AIP καταναλώνοντας ταυτόχρονα περισσότερο καύσιμο γι’ αυτό το λόγο και η Naval Group αναπτύσσει επίσης μονάδες AIP κυψελών καυσίμου υδρογόνου δεύτερης γενιάς για τα μελλοντικά υποβρύχια συμβατικής πρόωσης.

Οι Γερμανοί ήταν οι πρώτοι οι οποίοι προσέφεραν ως σύστημα αναερόβιας πρόωσης ένα σύστημα βασισμένο σε τεχνολογία κυψελών καυσίμου. Υπάρχουν διάφορες τεχνολογίες κυψελών καυσίμου διαθέσιμες σήμερα αλλά η πιο αποδοτική και παράλληλα πιο κατάλληλη για εφαρμογή σε υποβρύχια είναι οι κυψέλες καυσίμου με μεμβράνες ανταλλαγής πρωτονίων.

Σύστημα PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells)

Οι κυψέλες καυσίμου με μεμβράνη ηλεκτρολυτών πολυμερούς  που ονομάζονται επίσης κυψέλες καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (Proton Exchange Membrane, PEM), χρησιμοποιούν ως ηλεκτρολύτη μια μεμβράνη πολυμερούς αγωγιμότητας πρωτονίων. Αυτές οι κυψέλες λειτουργούν σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες (80oC) και μπορούν να αλλάξουν γρήγορα την έξοδό τους για να καλύψουν τις απαιτήσεις ισχύος μετατόπισης. Ως καύσιμο χρησιμοποιείται καθαρό υδρογόνο Η2 και οξυγόνο Ο2 που αντιδρούν μεταξύ τους και παράγουν ρεύμα (e–) και νερό.  (2Η2 + Ο2 -> 2Η2Ο).

Το υδρογόνο χρησιμοποιείται συνήθως ως καύσιμο γιατί έχει πολύ υψηλή θερμογόνο δύναμη σε σύγκριση με άλλα καύσιμα. Ενδεικτικά η θερμογόνος δύναμη του υδρογόνου Η2 είναι 120 MJ/kg τη στιγμή που το MGO (Marine Gas Oil) που χρησιμοποιείται στις ηλεκτρογεννήτριες έχει μόλις 42.8 MJ/kg όμως έχει έως πέντε φορές μικρότερη θερμική απόδοση κατ’ όγκο, το οποίο σημαίνει ότι για να παράξει την ίδια ενέργεια με το MGO χρειάζεται πέντε φορές μεγαλύτερο χώρο αποθήκευσης. Οι τρόποι αποθήκευσης του υδρογόνου είναι τρεις. Είτε υγροποιημένο στους -253oC όπου όμως έχει μεγάλες ενεργειακές απαιτήσεις, είτε ως πεπιεσμένο αέριο στα 700 bar πίεση το οποίο έχει μεγάλη επικινδυνότητα, είτε μέσα σε αναστρέψιμα μεταλλικά υδρίδια (συνήθως διάφορα μεταλλικά κράματα) όπου το υδρογόνο ανάλογα με την αλλαγή της θερμοκρασίας δεσμεύεται μέσα στους δεσμούς του υδριδίου ή αποδεσμεύεται και μ’ αυτόν τον τρόπο το υδρογόνο μπορεί να αποθηκευτεί και στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί στις κυψέλες καυσίμου ως καύσιμο. Αυτή η τεχνολογία των αναστρέψιμων μεταλλικών υδριδίων είναι η πιο πρόσφορη για χρήση στα υποβρύχια. Επίσης Το σύστημα αποθήκευσης υδριδίου δεν χρειάζεται καθόλου συντήρηση και επομένως μπορεί να τοποθετηθεί έξω από το κύριο κύτος πίεσης. Είναι το σύστημα που έχει επιλεγεί για την αποθήκευση υδρογόνου και είναι μέρος του συστήματος PEM Fuel Cell της Siemens. Ενδεικτικά, στα υποβρύχια U-212 υπάρχουν 18 δεξαμενές υδριδίου τοποθετημένες εξωτερικά του κελύφους πίεσης οι οποίες ζυγίζουν 4,4 τόνους η κάθε μία και έχουν όγκο 1200 λίτρα αποδίδοντας 1 MWh ενέργειας ανά δεξαμενή. Εναλλακτικά υπάρχει και η λύση της παραγωγής του απαραίτητου υδρογόνου μέσω της εξαγωγής του με τη διαδικασία του steam reformer από άλλα διαθέσιμα καύσιμα όπως το ντίζελ, η αιθανόλη και η μεθανόλη.

Fuel Cell Module Siemens BZM34 των υποβρυχίων U-212A

Αρχή λειτουργίας των PEMFC: Το καύσιμο υδρογόνου διοχετεύεται μέσω πλακών ροής πεδίου στην άνοδο στη μία πλευρά της κυψέλης καυσίμου, ενώ το οξυγόνο από τον αέρα διοχετεύεται στην κάθοδο στην άλλη πλευρά. Στην άνοδο ένας καταλύτης πλατίνας προκαλεί τη διάσπαση του υδρογόνου σε θετικά ιόντα υδρογόνου (πρωτόνια) και αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια. Η μεμβράνη πολυμερούς ηλεκτρολύτη (PEM) επιτρέπει μόνο στα θετικά φορτισμένα ιόντα να περάσουν μέσω αυτής στην κάθοδο. Τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια ταξιδεύουν κατά μήκος ενός εξωτερικού κυκλώματος στην κάθοδο, δημιουργώντας ηλεκτρικό ρεύμα. Στην κάθοδο, τα ηλεκτρόνια και τα θετικά φορτισμένα ιόντα υδρογόνου ενώνονται με το οξυγόνο για να σχηματίσουν νερό, το οποίο ρέει έξω από τις κυψέλες.

Αρχή λειτουργίας κυψελών καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (Proton Exchange Membrane, PEM)

Σήμερα η TKMS προσφέρει στην αγορά την τέταρτη γενιά (4GFC) του συστήματος PEMFC. Το νέο σύστημα ακολουθεί την ίδια φιλοσοφία λειτουργίας με τα συστήματα που είναι εγκατεστημένα στα γερμανικά υποβρύχια εδώ και 20 χρόνια, όμως θα είναι ελαφρύτερο, θα έχει μικρότερο χωροταξικό αποτύπωμα, πιο οικονομικό ενώ παράλληλα θα είναι πιο αποδοτικό. Επίσης θα είναι συμβατό και με τις νέας γενιάς μπαταρίες ιόντων λιθίου.

FC2G ΑΙΡ (Fuel Cells 2nd Generation Air Independent Propulsion) (Diesel Reforming Process)

Το FC2G ΑΙΡ είναι ένα δεύτερης γενιάς σύστημα αναερόβιας πρόωσης το οποίο στηρίζεται στην τεχνολογία Fuel Cells PEM (μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων). Η ιδιαιτερότητα του συγκεκριμένου συστήματος σε σύγκριση με αυτό της Siemens, είναι ότι το υδρογόνο δεν είναι αποθηκευμένο σε ειδική δεξαμενή μέσα στο υποβρύχιο, αλλά μέσω μιας σειράς διεργασιών (Steam Reforming) εξάγεται το υδρογόνο που χρειάζεται από το καύσιμο diesel που έχει στις δεξαμενές του το υποβρύχιο. Με αυτόν τον τρόπο το νέο σύστημα γλυτώνει βάρος και χώρο μέσα στο υποβρύχιο αλλά και απαλείφει το κόστος αγοράς υψηλής καθαρότητας υδρογόνου 99% που χρειάζεται το σύστημα Fuel Cells για να λειτουργήσει.

1. Αναμορφωτής που χρησιμοποιείται για την παραγωγή υδρογόνου από το ντίζελ. 2. Αντιδραστήρας «μετατόπισης ατμού» για την αύξηση της απόδοσης υδρογόνου και την εξάλειψη του μονοξειδίου του άνθρακα που παράγεται από τον αναμορφωτή 3. Μεμβράνες καθαρισμού του καυσίμου με εξαιρετικά καθαρό υδρογόνο 4. Κυψέλες καυσίμου παράγουν ηλεκτρική ενέργεια από υδρογόνο και οξυγόνο 5. Δεξαμενή αποθήκευσης οξυγόνου σε υγρή μορφή

Όπως φαίνεται και στις παραπάνω φωτογραφίες, το σύστημα αυτό λειτουργεί ως εξής:

Το καύσιμο diesel περνάει πρώτα από τον αναμορφωτή (reformer) όπου με τη βοήθεια υψηλής θερμοκρασίας, πίεσης και διοχέτευσης οξυγόνου και ατμού το καύσιμο αεριοποιείται  (atomization) έτσι ώστε να είναι δυνατή στη συνέχεια η απαγωγή των στοιχείων που απαρτίζουν τη δομή ενός καυσίμου diesel. Το προϊόν που προκύπτει από την πρώτη διεργασία είναι ένα συνθετικό αέριο πλούσιο σε υδρογόνο το οποίο περιέχει επίσης διοξείδιο του άνθρακα, μονοξείδιο του άνθρακα και ατμό, το οποίο διέρχεται στη συνέχεια μέσω ενός αντιδραστήρα «μετατόπισης ατμού» όπου γίνεται η μετατροπή του μονοξειδίου του άνθρακα σε διοξείδιο και αυξάνεται η συγκέντρωση του υδρογόνου στο αέριο. Στη συνέχεια περνάει μέσω μεμβρανών καθαρισμού όπου συγκρατούνται το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό, για να δώσει καθαρό υδρογόνο έτοιμο για τις κυψέλες καυσίμου. Το υδρογόνο αποθηκεύεται σε αεριζόμενο κλειστό χώρο που έχει σχεδιαστεί για να διασφαλίζει ότι οποιαδήποτε διαρροή μπορεί να ελεγχθεί με ασφάλεια. Στις κυψέλες καυσίμου το υδρογόνο ενώνεται με το οξυγόνο που είναι αποθηκευμένο σε χαμηλή θερμοκρασία ως υγρό στη δεξαμενή το οποίο πριν έχει αναμιχθεί με άζωτο αποδίδοντας έναν «συνθετικό αέρα», με αποτέλεσμα ένα μείγμα που είναι πολύ λιγότερο αντιδραστικό από το καθαρό οξυγόνο. Η διαδικασία οδηγεί επίσης σε ένα υπολειμματικό αέριο που τροφοδοτείται σε έναν καταλυτικό καυστήρα για να θερμάνει ολόκληρο το σύστημα και να προθερμάνει τα αντιδραστήρια. Παρά το γεγονός ότι το τελικό υπολειμματικό αέριο είναι διαφορετικό από αυτό που παράγεται από ένα σύστημα Mesma AIP, η ομάδα της DCNS μπόρεσε να αξιοποιήσει κομμάτια του τμήματος του συστήματος Mesma για να διαλύσει γρήγορα αυτά τα απαέρια στο θαλασσινό νερό. «Το πρόγραμμα Mesma περιλάμβανε μια σημαντική προσπάθεια για τη διάλυση των καυσαερίων κοντά στο κύτος χωρίς να διακυβεύεται η ακουστική, οπτική ή θερμική υπογραφή του υποβρυχίου. Ένα άλλο σημαντικό πλεονέκτημα του συστήματος FC-2G της Naval Group είναι ο αρθρωτός σχεδιασμός του. Πιο συγκεκριμένα, αυτό σημαίνει ότι όπως και ο προκάτοχός του, το σύστημα είναι συσκευασμένο ως ενιαίο τμήμα κύτους, γνωστό και ως μονάδα. Αυτό το τμήμα μήκους 10 μέτρων μπορεί να προσαρμοστεί σε οποιοδήποτε SSK με διάμετρο κύτους τουλάχιστον 6 μέτρα. Το μισό τμήμα της γάστρας καταλαμβάνεται από τη δεξαμενή υγροποιημένου οξυγόνου. Η μονάδα FC-2G μπορεί να ενσωματωθεί σε υποβρύχια νέας κατασκευής ή ως μέρος μετασκευής. Το σύστημα FC-2G είναι εξίσου συμβατό τόσο με μπαταρίες νέας γενιάς όσο και με συμβατικούς τύπους μολύβδου-οξέος.

BEST AIP (Fuel Cells 3rd Generation Air Independent Propulsion) (Bio-Ethanol Reforming Process)

Το σύστημα BEST AIP είναι ένα τρίτης γενιάς σύστημα αναερόβιας πρόωσης και ονομάζεται BEST (BioEthanol Stealth Technology). Τα κύρια στοιχεία του συστήματος είναι ένας αναμορφωτής βιο-αιθανόλης (Bio-Ethanol Reformer), ένα στοιχείο fuel cells απόδοσης 300 kW (στρατιωτικοποιημένη έκδοση του PEM (Polymer Membrane Fuel Cell) της αμερικάνικης Collins Aerospace και το καύσιμο που είναι βιο-αιθανόλη και υγροποιημένο οξυγόνο.

Κύκλος λειτουργίας συστήματος BEST AIP των ισπανικών υποβρυχίων S-80 Plus. (Πηγή: Navantia)

Αρχή λειτουργίας του είναι εξής: Η βιο-αιθανόλη περνάει μέσα από τον αναμορφωτή όπου διασπάται με τη βοήθεια του οξυγόνου σε καθαρό υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα. Το καθαρό υδρογόνο σε μορφή αερίου περνάει μέσα από τα fuel cells όπου με την ένωση με καθαρό οξυγόνο παράγεται ρεύμα για την πρόωση και τις ανάγκες του υποβρυχίου και νερό. Τα απαέρια CO2 από τον αναμορφωτή διαφεύγουν προς το σύστημα απόρριψης ώστε να απορριφθούν στη συνέχεια εκτός του υποβρυχίου. Στο σύστημα αυτό ανακατεύονται με θαλασσινό νερό και αποβάλλονται στη θάλασσα. Το σύστημα έχει ικανότητα να λειτουργήσει σε όλα τα βάθη και σε όλες τις κλιματικές συνθήκες.

Διάταξη δεξαμενών Βιο-Αιθανόλης (με κόκκινο χρώμα) και δεξαμενής οχξυγόνου LOX (με πράσινο χρώμα) του υποβρυχίου S-80 Plus. (Πηγή: Navantia)

Μπαταρίες υποβρυχίων

Μπαταρίες Μολύβδου Οξέος

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 200-300 κύκλους.

Μπαταρίες Ιόντων Λιθίου

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 αυτοεκφόρτιση είναι λιγότερο από 50% σε σύγκριση με τις μπαταρίες νικελίου-καδμίου. 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:

1. Μικρότερο Βάρος
2. Μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα που αποδίδει μεγαλύτερη αποθήκευση ενέργειας στον ίδιο όγκο.
3. Πολύ μικρό χρόνο φόρτισης
4. Περισσότερους κύκλους φόρτισης (5-6 φορές)
5. Σχεδόν μηδενική ανάγκη συντήρησης
6. Μεγαλύτερο χρόνο ζωής κατά περίπου 40%

Όσον αφορά την αποστολή ενός υποβρυχίου αυτό 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 τον χρόνο φόρτισης όσο και λόγω του μικρότερου αριθμού φορτίσεων.

Επίλογος

Οι νέες τεχνολογίες θα συμβάλουν ώστε τα συμβατικά υποβρύχια νέας γενιάς να έχουν αυξημένη διάρκεια πλεύσης κάτω από την επιφάνεια της θάλασσας σε σύγκριση με τα υπάρχοντα, σε επίπεδα που θα προσομοιάζουν εκείνη των πυρινοκίνητων υποβρυχίων. Ήδη η γαλλική Naval Group υπόσχεται για τα υποβρύχια Scorpene Evo διάρκεια συνεχόμενης πλεύσης σε κατάδυση περί τις 80 μέρες, μόνο με τη χρήση των μπαταριών νέας γενιάς ιόντων λιθίου. Γι’ αυτό και προσφέρουν τα συγκεκριμένα υποβρύχια χωρίς σύστημα AIP. Επομένως τα υποβρύχια που θα φέρουν σύστημα ΑΙΡ και μπαταρίες ιόντων λιθίου θα πρέπει να αναμένουμε πολύ μεγάλη διάρκεια πλεύσης σε κατάδυση. Όπως φαίνεται ο μόνος περιορισμός στο μέλλον, θα είναι η ανάδυση για την αναπλήρωση του οξυγόνου που χρειάζεται το πλήρωμα.

Βιβλιογραφία

1. IMarE Transactions vol 102 – Power Plant Development for Underwater Naval Vehicles up to 3000t Displacement.
2. Journal of Kones. Combustion Engines Vol 8, 2001 – Submarine Hybrid Propulsion Systems.
3. RINA Warship 2008 – Naval Submarines 9 – Hybrid Nuclear/Fuel-Cell Submarine.
4. Paper – Submarine Power and Propulsion – Trends and Opportunities – BMT Defence Service Ltd.
5. Paper – The Role of Fuel Cells in the Supply of Silent Power for Operations in Littoral Waters.
6. Technology and Science for the Ships of the Future (2022) – Near Future Submarine: Development of a Combined Air Independent and Lithium Battery Propulsion System (AI-LiB Propulsion System).
7. Proceedings WHEC2010 – Fuel Cell Methanol Reformer for Submarines.
8. TUDeltf – Thermal behaviour of lithium-ion batteries and the implications on submarine system design.

ΠΗΓΗ https://defencereview.gr