Автоматизация процессов управления и появление энергоёмких боевых средств выдвинули на первый план задачи генерирования и эффективного использования энергии при создании надводных кораблей и подводных лодок (ПЛ). Требование повышенной энерговооруженности надводных кораблей и ПЛ всегда было актуальной проблемой для ВМС, а рост потребностей в энергоресурсах существенно опережал развитие технологий выработки энергии.
Одним из путей повышения энерговооруженности и эффективности использования энергии становится применение накопителей энергии, разработка которых стала приоритетным направлением совершенствования кораблей.
В частности, в США в рамках концепции создания «полностью электрического корабля» ведутся работы по программе Energy Magazine Mk II, предусматривающей создание литий-ионных аккумуляторов. Исследуется также возможность «гибридного варианта» аккумуляторных батарей из разнотипных аккумуляторов.
При этом решаются две задачи – обеспечение общекорабельных потребностей и создание запасов энергии для работающих в импульсном режиме систем и комплексов (лазерное оружие, электромагнитные артиллерийские установки, катапульты и аэрофинишеры авианосцев, системы радиоэлектронной борьбы, радиолокационные системы, гидроакустические комплексы и т. д.).
Главным источником энергии для будущего применения на «полностью электрическом корабле» считается генератор «фактической мощности». В настоящее время разрабатывается модуль перспективного генератора APGM (Advanced Power Generation Module). Предполагается, что его испытания начнутся в 2022-2023 гг. По мнению специалистов Управления кораблестроения и вооружения ВМС США NAVSEA, в перспективе предпочтение будет отдано электроэнергетическим системам постоянного тока и среднего напряжения.
Накопители энергии характеризуются объемом запасенной энергии, скоростью ее накопления и отдачи, удельной плотностью, сроком хранения, надежностью, а также стоимостью изготовления и обслуживания.
По типу используемой энергии и способу её накопления/расхода накопители подразделяются на электрохимические и электрические, механические, химические и тепловые.
Наиболее актуальными для военного кораблестроения считаются первые три вида накопителей. Анализ характеристик, приведенных в таблице, дает основание полагать, что накопители кинетической энергии – наиболее «гибкие» системы, отличающиеся высокими эксплуатационными характеристиками. В большинстве случаев они могут стать выгодным решением при замещении электрохимических систем накопления.
Электрохимические и электрические накопители энергии
Свинцово-кислотные (СК) аккумуляторы используются практически на всех ПЛ, как атомных, так и неатомных. В частности, на атомных ПЛ ВМС США используются герметизированные СК аккумуляторы VRLA (Valve Regulated Lead-Acid) ёмкостью более 30 А/час фирмы ExidTechnologies Earns. Они имеют специальные предохранительные клапаны, стравливающие выделяющиеся газы при избыточном давлении 100-200 мБар. Фирма выпускает три типа аккумуляторов VRLA с номинальным напряжением элемента 2,0 В: PDX-57, ASB-49 и LLL-69.
Ведутся работы по совершенствованию аккумуляторов. Например, фирма Epsilor (Израиль) производит крупномасштабные СК аккумуляторы энергоёмкостью более 250 кВт/час. для аккумуляторных батарей ПЛ. На международном рынке появились СК герметичные аккумуляторы AGM (Absorbed glass mate) с непроливаемым гелиевым электролитом в стекловолоконном пакете. Они снабжены рекомбинатором водорода, который превращает выделяющийся в процессе электролиза газ в воду и компенсирует потерю электролита при перезарядке.
Аккумуляторы не требуют обслуживания, строгой ориентации при установке, их ресурс составляет 3-5 лет. Между тем, при длительной или ускоренной зарядках они перегреваются, повышая при этом газовыделение, что может привести к взрыву.
Серебряно-цинковые (СЦ) аккумуляторы, анод которых выполнен из спрессованного порошка оксида серебра AgO, а катод – из смеси оксида цинка (ZnO) и цинкового порошка (Zn); в качестве электролита применён химически чистый гидроксид калия (КОН) плотностью 1,4 кг/м3 без добавок. Аккумуляторы отличаются низким внутренним сопротивлением и большой удельной энергоемкостью – 150 Вт/час./кг, а также способностью отдавать в нагрузку большие токи. Используются в военно-морской технике (в торпедах), авиации, космической отрасли, геофизическом и геологическом оборудовании. Главное препятствие созданию мощных серебряно-цинковых накопителей для применения на кораблях ВМС – их высокая стоимость.
Параметры СЦ аккумуляторов:
теоретическая/практическая удельная массовая энергоёмкость .... 425/150 Вт/час./кг
удельная объемная энергоемкость .............................................650 Вт·/час./дм3
рабочее напряжение ....................................................................... 1,55 В
рабочая температура ...................................................................от -30°С до +70°С.
Преимущества СЦ аккумуляторов: высокая механическая прочность, кратковременность разрядных режимов большими токами, длительность хранения в заряженном состоянии (саморазряд 5-15 % в месяц), высокая удельная энергия (в 3-4 раза больше, чем у СК аккумуляторов), умеренные массогабаритные характеристики. Недостатки: высокая стоимость, ограниченный ресурс (до 100 циклов), повышенное газовыделение.
Литий-ионные (ЛИ) аккумуляторы появились на коммерческом рынке в 1991 г. Несмотря на высокие удельные характеристики, до 2005 г. они применялись, в основном, в портативных устройствах с ограниченным числом элементов. Причиной этого было использование в качестве катода дорогого и взрывоопасного оксида лития-кобальта (LiCoO2). При этом требовалась сложная система контроля и управления для предотвращения чрезмерного разогрева, высоких значений токов заряда-разряда и существенной разницы напряжения между отдельными элементами батареи.
Нарушение любого из этих требований приводило к взрыву аккумулятора. Ситуация кардинально изменилась с появлением новых катодных материалов и систем управления процессом заряда-разряда. Повысились безопасность и ресурс, снизилась себестоимость без изменения энергоёмкости. В последнее время ЛИ аккумуляторы находят всё большее применение не только в портативных устройствах, но и на электротранспорте, в космической и авиационной технике, военном кораблестроении.
Основными мировыми производителями ЛИ аккумуляторных батарей считаются компании GS Yuasa и Toshiba (Япония); LTC, Altair-Nano, Saft, Arotech (США); Epsilor (Израиль); Kokam (Южная Корея). Все эти фирмы разрабатывают ЛИ аккумуляторные батареи для ПЛ и проводят НИОКР, направленные на снижение их стоимости до уровня СК батарей.
Для ЛИ аккумуляторов характерны высокая энергоёмкость, быстрый заряд, сохранение напряжения и тока потребления практически до конца разряда, глубокие циклы заряда-разряда (70-80%), низкий саморазряд, отсутствие эффекта памяти, не требуют обслуживания.
По сравнению с СК аккумуляторами ЛИ имеют в три раза большую плотность энергии на единицу массы и в шесть раз – на единицу объёма. Вместе с тем ЛИ аккумуляторы имеют ряд недостатков:
– чувствительность заряда и разряда к температуре окружающей среды. Оптимальной считается +20°С. Заряд при температуре ниже +5°С и разряд – ниже 0°С не рекомендуются;
– зависимость мощности от температуры.
При температуре ниже 0°С мощность снижается до 40-50 %. Для решения этой проблемы созданы аккумуляторы с внутренним подогревом;
– выход из строя при полной разрядке;
– опасность зарядки рядом с горячими предметами (радиаторами, печками и др.);
– чувствительность к току и напряжению заряда;
– быстрое устаревание – через два года хранения теряется 20% ёмкости. Оптимальный объем в режиме хранения – заряд 40% от ёмкости при температуре 0-10°С;
– возникновение при неисправности химических реакций с выделением тепла, кислорода и горючих газов, самовозгорание, которое не поддаётся тушению традиционными средствами. Тактика тушения – понижение температуры аккумулятора и предотвращение распространения огня.
Несмотря на столь серьёзные недостатки, ЛИ аккумуляторы считаются весьма перспективными накопителями энергии. В настоящее время ряд компаний уже выпускает ЛИ аккумуляторы для бесперебойного питания, в качестве резервных и аварийных, для буферного аккумулирования электроэнергии. Высокие удельные характеристики ЛИ аккумуляторов позволяют размещать их в стандартных контейнерах.
В 2007 г. фирма Saft Batteries (США) по заданию компании General Dynamic’s Electric Boat в рамках программы Tango-Bravo разработала и поставляет ЛИ аккумуляторы в качестве источников энергии для электроприводов вертикального и горизонтальных рулей атомных ПЛ типа «Virginia» ВМС США. В нормальных условиях эти электроприводы запитаны от корабельной электроэнергетической системы, при пиковых нагрузках и в аварийных ситуациях – от системы хранения энергии. ЛИ аккумуляторы имеют низкое внутреннее сопротивление и высокий электрохимический потенциал (до 4,2 В), что соответствует требованиям автоматизированной системы управления рулевыми устройствами ПЛ. Кроме того, они легкие, компактные и имеют большой ресурс.
Компания Altair-Nano (США) выпускает полностью автономные (Alti-ESS) контейнерные группы ЛИ аккумуляторов. Мощность группы ЛИ аккумуляторных батарей – 1,0 МВт, длина – 16,2 м, они управляются с обособленного пульта Power Control System.
Фирма Epsilor (Израиль) выпускает литий-ионные блоки аккумуляторных батарей с высокой плотностью энергии, которые отвечают требованиям безопасности ПЛ, для чего ею разработана система управления аккумуляторными батареями и её зарядом BMS (Battery Management System). Зарядное устройство пригодно для палубного и внутрикорпусного монтажа, аккумуляторы и зарядные устройства способны противостоять высоким температурам, ударам, вибрации и отвечают требованиям индустриального применения.
Удельная массовая энергоемкость блока аккумуляторной батареи фирмы Epsilor составляет ≥240 Вт/час/кг, рабочий температурный диапазон – от -55°C до +60°C; они имеют небольшую массу и высокую надёжность.
Литий-ионные аккумуляторы, разработанные немецким филиалом GAIA Advanced Lithium Battery Systems компании LTC (Lithium Technology Corporation), США, компонуются в модули, состоящие из 23 аккумуляторов. Габариты модуля – 500×290×1450 мм, масса – 385 кг, энергоемкость – 40 кВт/час, напряжение – 82,8 В, максимальный ток потребления (разряда) – 320 А. Десять таких модулей, соединённых последовательно, формируют группу аккумуляторных батарей, пригодную к применению на ПЛ.
Среди литий-ионных систем накопления энергии особое положение занимают литий-титанатные (Li4Ti5O12) аккумуляторы, обладающие преимуществами перед другими системами, в том числе:
– электрохимической стабильностью, достигающей до 1 000 000 циклов заряд-разряд
Контейнерная группа ЛИ аккумуляторных батарей компании Altair-Nano при 10% разряде и до 18 000 циклов – при 80-100 % разряде;
– большим расчётным сроком службы (20-30 лет);
– высоким значением токов заряда-разряда (до 10°С, где С – величина ёмкости элемента).
При максимально допустимом токе уровень 80 % ёмкости достигается за 10 мин. даже при температуре -30 °C и др.
В 2015 г. специалистами кафедры механики и материаловедения Международного университета Флориды (Miami, шт. Флорида, США) были разработаны высокоэффективные электроды для литий-титанатных аккумуляторов из композитного материала, включающего наноразмерные частицы литий-титаната, кремния и смеси полиакриловой кислоты (РАА) с сажей (carbon black) «Super P Li».
В ходе исследований первые две составляющие (литий-титанат и кремний) варьировались по массе в пределах 0-70 %, а масса третьей составляющей сохранялась постоянной на уровне 30% (15% полиакриловой кислоты и 15% сажи «Super P Li»).
По мнению зарубежных специалистов, в подводном кораблестроении переход от СК аккумуляторных батарей к ЛИ неизбежен и займёт до 15 лет. Лидирует в этом направлении Япония.
Первой в мире неатомной ПЛ с ЛИ аккумуляторными батареями (взамен СК аккумуляторных батарей и воздухо-независимой энергоустановки – двигателя Стирлинга) стала неатомная ПЛ типа «Souryu» – SS 511 «Oryu» (спущена на воду 04.10.2018), которая передана ВМС Японии в марте 2020 г. Строительство велось на верфи Kobe Shipyard & Machinery Works корпорации Mitsubishi Heavy Industries. Предполагается построить всего три ПЛ этого типа (SS 511-SS 513), а затем перейти к новому проекту.
Контрактная стоимость 11-й ПЛ типа «Souryu» SS 511 с ЛИ аккумуляторными батареями составляет 566 млн. дол. против 454 млн. дол. для предыдущей ПЛ с воздухо-независимой энергетической установкой (SS 510). Основная часть превышения стоимости приходится на ЛИ аккумуляторные батареи и соответствующие электрические системы.
В Китае разработан модуль ЛИ аккумуляторных батарей WB-LYP10000AHA для неатомных ПЛ типа «Yuan», оснащенных воздухо-независимой энергетической установкой (построено 18 неатомных ПЛ).
По мнению экспертов, «с таким модулем удельная емкость элемента при различных составах композитного материала ПЛ типа «Yuan» может пройти 3 300 мор. миль или находиться под водой без хода около 800 час., т. е. среднее потребление энергии ПЛ без хода составляет 38 кВт/час».
Емкостные конденсаторы (ЕК) считаются наиболее мощными энергетическими источниками. Они надежны в работе, имеют высокую эффективность расхода накопленной энергии, допускают широкую возможность изменения параметров импульса, однако предназначены только для работы в режиме генерирования периодических импульсов.
Для зарядки ЕК могут быть использованы маломощные зарядные устройства. Вследствие малой удельной энергоёмкости (360 Вт/час./г–1 100 Вт/час./г) создание ЕК с запасаемой энергией более 36 МВт/час связано с существенными трудностями.
Фирма Maxwell Laboratories, Inc (США) выпускает два типа бесфольговых коммерческих конденсаторов – СМ и СН. Плотность энергии в них обеспечена благодаря применению перспективных металлизированных диэлектриков. В Японии для таких устройств используется пластмассовый диэлектрик на основе фтористых соединений поливинилидена PVDF, работающий в широком температурном диапазоне (от -30°C до +140°C) и обладающий стойкостью к воздействию почти всех органических и неорганических сред. Особенность ЕК – мало-индуктивная изолирующая вставка в металлическом корпусе, обеспечивающая низкое внутреннее сопротивление.
Номинальное напряжение конденсаторов серии CM – 25 кВ; максимальная энергоемкость стандартной банки – 180 кВт/час (имеются возможности повышения энергоемкости);
время разряда – более 0,5 мсек.;
амплитудные значения пиковых токов – до 50 кА.
Конденсаторы серии CH имеют номинальное напряжение 50 кВ, время разрядки более 100 мксек., амплитудное значение пиковых токов – 100 кА. Поскольку ЕК отдают энергию в кратковременном режиме, сформированные из них батареи в военном кораблестроении могут быть применены для обеспечения энергией электромагнитных пушек, лазерного оружия, систем радиоэлектронной войны и радиоэлектронной борьбы.
Суперконденсатор – импульсное электрохимическое устройство, предназначенное для компенсации быстрых переходных процессов в различных электрических схемах. От аккумуляторов различных типов он отличается существенно меньшей удельной энергоемкостью (единицы Вт/час./кг) и повышенной удельной мощностью (2-10 кВт/кг). Процесс накопления энергии осуществляется за счет разделения заряда на двух электродах с большой разностью потенциалов между ними.
Поскольку химических превращений веществ в процессе работы суперконденсатора не происходит (если не допускать превышения зарядного напряжения), ресурс системы достаточно велик и может превышать 100 000 циклов заряда-разряда. Учитывая вышеупомянутые особенности суперконденсаторов, целесообразно их использование в гибридных схемах совместно с аккумуляторами, когда суперконденсатор работает на подзарядку последних (он реагирует на короткие пики генерации или потребления электроэнергии, увеличивая ресурс аккумулятора и снижая время отклика всей системы на внешние воздействия).
К суперконденсаторам относятся ионисторы и молекулярные накопители энергии.
Ионистор – двухслойный электрохимический конденсатор с органическим или неорганическим электролитом, в котором «обкладками» служит двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита. Функционально он представляет собой гибрид конденсатора и химического источника тока.
С появлением ионисторов (1970-е годы) стало возможным использовать конденсатор в электрических цепях не только как преобразующий элемент, но и как источник напряжения. Они широко применяются в электронных устройствах в качестве резервных источников питания.
Ионисторы положительно отличаются от других накопителей энергии:
– большими максимальными токам зарядки/разрядки,
– простотой зарядного устройства,
– долговечностью (100 000 циклов заряда/разряда);
– отсутствием быстрого саморазряда и перегрева;
– большим ресурсом (40 000 час.) и незначительным снижением емкости;
– малой токсичностью материалов (кроме органических электролитов),
– неполярностью остаточного напряжения, – работоспособностью как при низких, так и при высоких температурах,
– высокой механической и циклической прочностью.
Недостатки ионисторов: высокая стоимость, большие разрядные токи, сниженная (по сравнению с аккумуляторами) удельная энергоемкость (4-6 Вт/час/кг против 180-240 Вт/час/кг у ЛИ аккумуляторов), зависимость напряжения от уровня заряда, возможность выгорания внутренних контактов при коротких замыканиях (для ионисторов большой емкости) и при низком внутреннем сопротивлении; низкое рабочее напряжение в сравнении с конденсаторами других типов; существенно больший (по сравнению с аккумуляторами) саморазряд – ок. 1,0 мкА; меньшая скорость отдачи заряда по сравнению с другими конденсаторами.
В 2006 г. в Массачусетском технологическом институте (Massachusetts Institute of Technology) проведены испытания аккумулятора на основе ионистора, в котором в пористый материал были введены наночастицы железа. За счет создания туннельного эффекта полученный двойной электрический слой пропускал электроны в два раза быстрее. Группа учёных из Техасского университета в Остине (University of Texas, Austin) получила новый материал – «пористый объемный углерод», обладающий свойствами суперконденсатора. Обработка этого материала гидроксидом калия привела к созданию в углероде большого количества малоразмерных пор, которые в сочетании с электролитом хранят «колоссальный» электрический заряд. В 2008 г. в Индии создан опытный образец ионистора на основе графеновых электродов, обладающий удельной энергоёмкостью до 32 Вт/час/кг, сравнимой с таковой для СК аккумуляторов (30-40 Вт/час/кг).
В 2011 г. в Южной Корее был изготовлен суперконденсатор с применением графена и азота, что обеспечило удвоенную ёмкость по сравнению с традиционными источниками энергии того же класса.
Учёные Центра нанотехнологий при Университете Центральной Флориды (University of Central Florida, Orlando, шт. Флорида, США) разработали гибкий ионистор, состоящий из нанометровых проволок, покрытых оболочкой из двумерных дихалькогенидов (MX2). Такой суперконденсатор выдерживает более 30 тыс. циклов зарядки. Несмотря на то, что ионисторы появились относительно недавно, их изготовление налажено многими зарубежными и отечественными производителями. В настоящее время они применяются на автотранспортных средствах, в медицинской и бытовой технике.
По мнению сотрудников Массачусетского технологического института, в «…скором времени ионисторы смогут заменить традиционные аккумуляторы».
Накопители энергии на основе молекулярных конденсаторов (молекулярные накопители энергии) – новый тип, который в настоящее время проходит этап разработки и испытаний опытных образцов. Практическое применение нашёл лишь сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии (СПИНЭ) небольшой энергоёмкости – до 106 Дж (0,029 Вт/час).
Прогнозируется, что широкое внедрение этого типа накопителей возможно в 2020-х годах после того, как они будут созданы на базе высокотемпературных сверхпроводников. При этом отмечаются такие их положительные качества как быстродействие, большая удельная энергоёмкость, высокий КПД, возможность полной автоматизации процесса ввода-вывода электрической энергии, возможность применения для регулирования активной и реактивной мощности электроэнергетической системы.
Принципиальное преимущество СПИНЭ состоит в том, что энергия в нём запасается и хранится в том же виде, в каком будет использоваться (электромагнитном) и не требует преобразований, связанных с потерями и временными затратами.
По этой причине они обладают уникальной возможностью практически мгновенного перехода из режима накопления в режим разряда.
Источники бесперебойного питания электроэнергетической системы на основе СПИНЭ созданы в США, Германии, Италии, Японии. Они продемонстрировали надёжную и эффективную работу по стабилизации провалов напряжения в сетях.
В военном кораблестроении СПИНЭ и, возможно, другие типы молекулярных накопителей в будущем могут найти применение для обеспечения энергией электромагнитных артиллерийских установок и катапульт, лазерного оружия, аэрофинишеров.
Физические (механические) накопители энергии
К физическим накопителям энергии относятся гравитационные (жидкостные, твёрдотельные, сыпучие материалы), пружинные и пневматические (баллоны сжатого газа, аккумуляторы пара под давлением) накопители потенциальной энергии, а также механические накопители кинетической энергии в виде вращающегося на оси твёрдого тела (маховики, супермаховики, маятники).
Накопители потенциальной энергии и маятниковые накопители кинетической энергии представляют собой несложные конструкции с низкими удельными характеристиками и большими габаритами, поэтому в кораблестроении, за исключением баллонов высокого давления, имеют весьма ограниченное применение.
Напротив, маховиковые накопители кинетической энергии обладают высокими удельными характеристиками (удельная энергоемкость - до 4,2 кВт/час/кг), которые выше таковых у электрохимических и электрических накопителей, и, по мнению зарубежных специалистов, весьма перспективны для военного кораблестроения.
Супермаховик. Суть супермаховика заключается в том, что он изготовлен не монолитным, а из тонких лент (стальных, кевларовых, пластиковых, стекловолоконных, углеродистых, из наноматериалов и пр.). За счёт этого обеспечивается высокая прочность на разрыв и безопасность эксплуатации. При физическом разрушении супермаховик не разлетается на части, как монолитный, а разрушается частично. При этом отделившиеся части тормозят барабан и предотвращают дальнейшее разрушение. Для снижения потерь на трение супермаховик помещается в вакуумированный кожух или используются магнитные подвесы. Для разгона супермаховика и приёма от него энергии применяется мотор-генератор, у которого статором служит барабан маховика, а ротором – ось вращения. КПД подобного преобразователя оценивается в 98 %.
Национальная лаборатория Lawrence Livermore National Laboratory (США) разработала малогабаритный супермаховиковый накопитель из высокопрочного углепластика. Удельная энергоемкость маховика – 545 Вт/час/кг, энергоёмкость – 1,0 кВт/час., мощность – 100 кВт, скорость вращения – 60 000 об./мин.
Устройство, включая корпус, мотор-генератор с магнитной подвеской, маховик и ступицу, имеет высоту 40 см, диаметр 17,9 см, объём 40 л и массу 75 кг. Средняя удельная энергоемкость агрегата –14 Вт/час/кг, удельная мощность – 1,33 кВт/кг, КПД – 92 %.
Ленточная конструкция супермаховика позволяет сочетать в нём функции кинетического накопителя и суперконденсатора-накопителя электрической энергии с высокими удельными показателями.
Существенная особенность маховиковых накопителей – гироскопический эффект, который снимается применением универсальных шарнирных опор типа «карданов подвес». На плавсредствах они при необходимости могут одновременно работать как успокоители качки.
В целом супермаховики ещё не получили достаточно широкого распространения, в настоящее время идет поиск и разработки технологий и их экспериментальная отработка.
Тем не менее, отмечается, что супермаховики – «… один из наиболее перспективных видов накопителей энергии среди всех других накопителей».
#подводная лодка #технология #молекулярные накопители #кораблестроение #литий-ионный аккумулятор #сверхпроводник #супернакопитель #наука #автономность #углепластик
