Silnik Stirlinga kontra ogniwa paliwowe i akumulatory litowo-jonowe na okrętach podwodnych

Od czasu wynalezienia silnika Stirlinga minęły już dwa stulecia, a pomimo wielkich nadziei, jakie pokładał w nim jego wynalazca Robert Stirling, nie znalazł masowego zastosowania. Miał wyprzeć niebezpieczną maszynę parową i nie dał rady. Tym bardziej nie mógł konkurować z silnikiem spalinowym.

Należy zaznaczyć, że podawane w Wikipedii dane o jakoby wyższej sprawności silnika Stirlinga nad silnikami spalinowymi są pewną manipulacją. Gdyby to była prawda, silnik Stirlinga wyparłby przynaj­mniej w części zastosowań silnik spalinowy. Manipulacja polega na nieuwzględ­nie­niu rozmiarów i masy porównywanych silników. Jeżeli silnik Stirlinga ma mieć przyzwoitą sprawność, musi mieć duże wymienniki ciepła, szczególnie chłodnicę.

Jeżeli postawimy warunek, że porównywane silniki mają mieć tę samą moc i silnik Stirlinga nie może przekroczyć rozmiarów i masy silnika spalinowego, porównanie sprawności będzie jedno­znacz­nie niekorzystne dla silnika Stirlinga. Potwierdzenie mamy w gamie zastosowań. Tłokowy silnik spalinowy w różnych modyfikacjach stosuje się do napędzania zarówno narzędzi typu kosiarka do trawy o mocy jednego kilowata, jak i statków, gdzie moc mierzy się w megawatach.

A gdzie stosuje się silnik Stirlinga? Na przestrzeni dwóch stuleci bardzo ograniczone zastosowanie znalazł jako źródło napędu niewielkiej mocy w systemach stacjonarnych, gdzie rozmiary i masa silnika nie mają wielkiego znaczenia. W systemach mobilnych próby zastosowania ograniczyły się do bardzo niewielu prototypów.

Skoro to taki badziew, dlaczego Saab zdecydował się zastosować go na okrętach podwodnych? Odpowiedź jest prosta: ze względu na zalety, których nie mają inne silniki spalinowe.

Jedną z najważniejszych zalet jest stała ilość gazu roboczego w ogrzewanym cylindrze i chłodnicy, który, cyrkulując w zamkniętym obiegu, nagrzewa się od zewnętrz­nego źródła ciepła i zwiększając objętość, popycha tłok, przechodzi do chłodnicy, gdzie schładza się, zmniejsza objętość i wraca do nagrzewnicy cylindra na następny cykl pracy.

Gdyby do pracy pod wodą próbować wykorzystać silnik Diesla przezna­czony do poruszania się na powierzchni, głównym problemem będzie nie paliwo i nie tlen, ale gaz roboczy. W tłokowym sil­niku spalinowym tylko niewielka ilość tlenu uczestniczy w reakcji chemicz­nej spalania rozpylo­nych węglo­wodo­rów w cylindrze. Ciepło spalania ogrzewa azot wtłoczony do cylindra razem z tlenem z powietrza jako gaz roboczy. Cała ta mieszanina gazów rozpręża się pod wpływem ciepła i popycha tłok.

Odkąd rozpoczęliśmy finansowanie Konfliktów przez Patronite i Buycoffee, serwis pozostał dzięki Waszej hojności wolny od reklam Google. Aby utrzymać ten stan rzeczy, potrzebujemy 2000 złotych miesięcznie.

Możecie nas wspierać przez Patronite.pl i przez Buycoffee.to.

Rozumiemy, że nie każdy może sobie pozwolić na to, by nas sponsorować, ale jeśli wspomożecie nas finansowo, obiecujemy, że Wasze pieniądze się nie zmarnują. Nasze comiesięczne podsumowania sytuacji finansowej możecie przeczytać tutaj.

Należy zauważyć, że ilość azotu w tym procesie jest mniej więcej cztery razy większa niż ilość tlenu uczest­ni­czą­cego w spalaniu paliwa. A skąd wziąć azot albo inny gaz roboczy pod wodą? Magazyno­wać czterokrot­nie większe ilości niż ilość tlenu? Schładzać spaliny i kierować je z dodat­kiem świeżego tlenu z powro­tem do cylindrów silnika w charakterze gazu roboczego? Już na wstępie tych rozważań widać, że problem z gazem roboczym dyskwa­li­fi­kuje silniki tłokowe ze spalaniem paliwa wewnątrz cylindrów. Rezygnując z takiego rozwiązania na rzecz dodatkowych akumulatorów kwasowo-ołowiowych, osiągnie się lepsze efekty wydłużenia czasu przebywania pod wodą.

Kolejną zaletą silnika Stirlinga jest dowolny rodzaj paliwa. Przy odrobinie inwencji twórczej dla zastosowań stacjonarnych można nawet skonstruować silnik napędzany drewnem opałowym. Do zastosowań na okrętach podwodnych jak najbardziej będzie się nadawał olej napędowy, pobierany z tych samych zbiorników, z których zasilane są okrętowe silniki Diesla podczas poruszania się na powierzchni.

Jeszcze jedną zaletą jest praktycznie bezgłośna praca silnika Stirlinga. Silnik nie ma zaworów w cylindrze, które w silnikach spalinowych, zamykając się i otwierając przy każdym ruchu tłoka, generują dźwięk, zlewający się w ciągły warkot. Kolejnym źródłem dźwięku w silniku spalinowym są gwałtowne skoki ciśnienia podczas zapalania się mieszanki paliwowo-powietrznej w cylindrze i rozprężania się gazów wydechowych w tłumiku. W silniku Stirlinga wzrost i spadek ciśnienia gazu roboczego popychającego tłok następuje płynnie, stąd dużo cichsza praca. Gazy spalinowe wyda­lane są jednostajnym strumieniem, stąd nie ma nawet potrzeby stosowania tłumika, który w silnikach tłokowych, jak sama nazwa wskazuje, tłumi dźwięk.

Wszystkie te zalety powodują, że silnik Stirlinga jest jedynym rodzajem silnika tłokowego, nadającym się do zastosowania na okrętach podwodnych w systemie AIP (Air-Independent Propulsion).

Konkurencyjnym rozwiązaniem wobec silnika Stirlinga w napędach AIP jest turbina parowa, gdzie ilość gazu roboczego (pary), obracającego turbinę, również jest stała. Jako źródło ciepła można wykorzystać reaktor jądrowy albo kocioł, przystosowany do spalania paliwa w atmosferze tlenu. Reaktor jądrowy z powo­dze­niem jest stosowany na dużych okrętach podwodnych wielu producen­tów (najmniejsze okręty podwodne o napędzie jądrowym to francuskie Rubisy o wyporności w zanu­rze­niu 2600 ton i długości 74 metrów), a drugie rozwiązanie zrealizowane zostało tylko na zamówienie Pakistanu w formie francuskiego systemu MESMA.

Obecne konstrukcje silnika Stirlinga różnią się od dwustuletniego pierwowzoru i stosują rozwiąza­nia techniczne niedostępne w tamtych czasach. Dla poprawy efektywności jako gazu roboczego używa się helu, który ze względu na swoją wysoką przewodność cieplną najefektywniej zamienia energię cieplną w mecha­niczną, a na dodatek to gaz obojętny. Nawet przy wysokiej temperaturze nie wstępuje w reakcję chemiczną z częściami składowymi silnika, a w razie roz­szczel­nie­nia silnika i ucieczki helu nie spowoduje zatrucia załogi. Efektywniejszy od helu mógłby być tylko wodór, ale ten z kolei jest aktywny chemicznie, niebezpieczny w przecho­wy­wa­niu i z tych powodów do takich zastosowań się nie nadaje. Dalszą poprawę efektywności uzyskuje się przez podwyższenie ciśnienia gazu roboczego. Zagęszczony hel pod wysokim ciśnieniem lepiej odbiera i oddaje ciepło w wymien­ni­kach i energiczniej popycha tłok.

W sieci w niektórych publikacjach zamieszczony jest schemat silnika Stirlinga na szwedzkim typie A26 Blekinge, na którym oprócz tlenu i paliwa przedstawiony jest zbiornik z azotem. Jego prawdopodobnym przeznaczeniem jako gazu obojętnego jest wypełnienie nagrzewnicy silnika i systemu rur po odcięciu dostarczania paliwa i tlenu w celach bezpieczeństwa.

Jako że silnik Stirlinga jest już wynalazkiem wiekowym, spróbujmy ocenić, czy w dobie ogniw pali­wo­wych i akumulatorów litowo-jonowych nie jest technologią przestarzałą do zastosowań AIP na okrętach podwodnych. Za podstawę porównania weźmiemy przyszły szwedzki A26 i spróbu­jemy zastąpić jego rodzimy system AIP ogniwami paliwowymi oraz akumulatorami litowo-jono­wymi. Oszacujemy, jak by się zmienił czas przebywania pod wodą bez wynurzania się, gdyby zastąpić jedną technologię AIP inną na tym samym okręcie o tej samej wyporności. Dla porównania tak kompletnie różnych technologii należy obliczyć ogólną masę paliwa, tlenu, zbiornika tlenu, instalacji silników Stirlinga i baterii akumu­la­torów na A26. W zwolnione miejsce o takiej samej masie spróbujemy upchnąć ogniwa paliwowe ze zbiornikiem wodoru, tlenu i baterią akumulatorów.

Na wstępie należy zaznaczyć, że autor nie posiada dostępu do żadnych tajnych danych na temat napędów AIP okrętów podwodnych i poniższe obliczenia oparte są na ogólnie dostępnych informa­cjach. Wyniki należy traktować jako szacunkowe dane, przydatne tylko dla porównania trzech technologii AIP. Obliczone poniżej masy tlenu, paliwa, ilości energii elektrycznej mają mało wspólnego z realnymi wartościami na realnych okrętach.

Obliczenia masy systemu AIP z silnikiem Stirlinga

Przyszły szwedzki A26 ma mieć trzy silniki Stirlinga, każdy o mocy 75 kW, co razem daje nam 225 kW. Okręt ma mieć możliwość przebywania pod wodą 18 dni, korzystając z napędu AIP. Mając te dane można oszacować ilość paliwa i tlenu, potrzebne do nieprzerwanej pracy. 225 kW × 24 h × 18 dni = 97 200 kWh – tyle energii wyprodukują trzy silniki Stirlinga pracujące z maksymalną mocą przez 18 dni. Silników okrętowych nie projektuje się „na styk” zapo­trze­bo­wa­nia na energię, tylko z pewnym nadmiarem. Podczas przebywania pod wodą średnie zapo­trze­bo­wa­nie na energię zapewne będzie mniejsze o jakieś 30%, co w przeliczeniu daje nam 68 040 kWh.

Przyjmijmy sprawność okrętowych silników Stirlinga na 30%. To opty­mis­tyczne założenie. Wartość 40% podawana w Wikipedii nie uwzględnia strat energii na wydalanie spalin pod wodą, na przemianę energii z mechanicznej na elektryczną w generatorze, na zmianę paramet­rów prądu i napięcia do zasilania silnika, obracającego śrubę. Zazwyczaj też najwyższa sprawność osiągana jest przy mniejszej mocy silnika niż podawana moc maksy­malna. Rzeczywista ostateczna sprawność będzie zapewne jeszcze mniejsza, ale dla szacunkowych danych nam wystarczy okrągłe 30%.

Sprawność 30% oznacza, że 30% energii zawartej w paliwie zamie­nione zostanie na energię elekt­ryczną. Pozostałe 70% zamieni się w ciepło i zostanie rozproszone w wodzie morskiej przez system chłodzenia silników. Mając te wartości, możemy obliczyć ilość energii zawartej w paliwie, które zostanie spalone w ciągu 18 dni: 68 040 kWh / 30% × 100% = 226 800 kWh.

1 kg oleju napędowego zawiera 12–13 kWh energii. Przyjmijmy średnią 12,5 kWh/kg. Stąd może­my obliczyć ilość oleju napędowego, który zużyjemy w 18 dni: 226 800 kWh / 12,5 kWh/kg = 18 144 kg.

Do spalenia 1 kg oleju napędowego potrzeba 3,47 kg tlenu. Stąd możemy obliczyć masę tlenu, potrzebnego do spalenia oleju: 18 144 kg oleju × 3,47 = 62 959 kg tlenu. W rzeczywistości masa tlenu powinna być większa o 5–10%, aby podczas spalania na ściankach komory spalania nie tworzył się nagar (zwęglone, niespalone resztki paliwa) i dla kompensowania strat parującego tlenu w zbiorniku kriogenicznym, gdy tlenu się nie używa.

W przybliżeniu ~18 ton oleju i ~69 ton tlenu. Razem około 87 ton. Gęstość ciekłego tlenu = 1141 kg/m³. Stąd dla przechowania 69 ton tlenu potrzeba zbiornika kriogenicznego o pojemno­ści około 60 m³.

Na potrzeby porównania trzeba oszacować masę zbiornika kriogenicznego na tlen. Z przeglądu komercyjnie dostępnych zbiorników kriogenicznych tlenu wynika, że masa pustego zbiornika stanowi ~50% masy przecho­wy­wa­nego tlenu. Mniejsze zbiorniki mają masę nieco powyżej, a większe nieco poniżej 50%. Nasz zbiornik ze względu na ograniczenia przestrzenne, wymagania odporności na ciśnienia zewnętrzne i dosto­so­wa­nie do środowiska morskiej wody będzie cięższy. Przyjmijmy, że jego masa wynosi 100% masy przecho­wy­wa­nego tlenu, czyli te same 69 ton. Przyjmując takie założenie, zapewne przesadzimy z masą zbiornika na niekorzyść AIP z silnikiem Stirlinga, bo zbiornik tlenu dla AIP z ogniwami paliwowymi będzie mniej więcej trzy razy mniejszy.

Przyszły szwedzki A26 ma nadal korzystać z ciężkich akumulatorów kwasowo-ołowiowych, które prawdopodobnie oprócz funkcji magazynowania energii mają służyć jako balast poprawiający stateczność okrętu. Inaczej nie da się uzasadnić ich zastosowania zamiast znacznie wydajniejszych akumulatorów litowo-jonowych. Widocznie od czasu przewrócenia się i zatonięcia Vasy w 1628 roku Szwedzi wykazują zwiększoną dbałość o stateczność swoich okrętów. Nie udało mi się znaleźć ani masy, ani pojemności tych akumulatorów na przyszłym A26. Przyjmijmy na potrzeby porównania pojemność energii w nich na 1 dodatkową dobę przebywania pod wodą, czyli na 3780 kWh (68040 kWh / 18 dni = 3780 kWh). Gęstość energii akumulatora kwasowo-ołowiowego wynosi od 0,03 do 0,05 kWh/kg. Przyjmijmy średnią: 0,04 kWh/kg. Daje to nam masę 94 500 kg akumulatorów, czyli ~95 ton.

Zaprojektowany przez nas AIP z silnikiem Stirlinga będzie mieć masę: 18 ton (olej napędowy) + 69 ton (tlen) + 69 ton (zbiornik kriogeniczny) + 95 ton (akumulatory Pb). Razem 251 ton.

AIP z ogniwami paliwowymi

Spróbujmy teraz wykorzystać dostęp­ne 251 ton na ogniwa paliwowe typu PEM (Proton Exchange Membrane), zasilane przez wodór i tlen, a także wspierane przez baterię akumulatorów litowo-jonowych o przyjętej przez nas na potrzeby porównania tej samej pojemności 3780 kWh. Wszystko jak w napędzie AIP na przyszłych niemiecko-norweskich okrętach podwodnych typu 212CD.

Z 1 kg akumulatorów litowo-jonowych można uzyskać od 0,15 do 0,3 kWh energii elektrycznej zależnie od zastosowanego rodzaju i zakładanej żywotności akumu­la­to­rów. Mocniejsze naładowa­nie i głębsze rozładowa­nie pozwala uzyskać istotnie więcej energii, ale skraca też żywot­ność akumu­la­tora. Zakładając realistycznie 0,2 kWh z 1 kg akumu­la­to­rów, obliczymy masę baterii z zapasem energii na jedną dobę (3780 kWh, tak samo jak w AIP opartym na Stirlingu): 3780 kWh / 0,2 kWh/kg = 18 900 kg. Czyli ~19 ton.

Już na starcie jesteśmy do przodu względem AIP na podstawie Stirlinga, bo nasza bateria jest pięć razy lżejsza i zaoszczędzoną masę (251 ton – 19 ton = 232 tony) możemy przeznaczyć na zbiorniki z wodorem i tlenem. Masę ogniw paliwowych zakładamy w podobnej wielkości co masa trzech silników Stirlinga w A26, której też nie wliczyliśmy do masy 251 ton.

Wodór na okrętach podwodnych 212CD magazynowany będzie w wodorkach złożonych stopów metali w formie proszku, a zbiorniki wodoru pełnić będą także funkcję balastu. Wodór wtłaczany jest pod ciśnieniem do sproszkowanego metalu i pobierany ze zbiornika, nagrzewając wodorki do temperatury 100–200 stopni Celsjusza. Wtłaczanie i pobieranie wodoru można powtarzać wielokrotnie.

Dane o ilości wodoru, tlenu i zawartości wodoru w wodorkach są utajnione, stąd trudność z oszaco­wa­niem efektywności tego rodzaju napędu. Z dostępnych w internecie danych o magazynach energii proponowa­nych cywilnej energe­tyce na bazie analogicznej technologii (wodorki metali + ogniwa typu PEM) wynika, że masa wodoru stanowi 1–1,5% masy absorbera wodoru (stopu metalu). Najbardziej prawdopodobna wielkość to 1,4% wodoru w wodorku lantanu-niklu. Osta­teczna wartość będzie mniejsza, bo zbiornik oprócz absorbera zawiera też system grzewczy do uwal­niania wodoru, obudowę odporną na ciśnienie i zazwyczaj ilość wodoru do odzyskania wynosi około 1% masy całej instalacji. To wcale nie jest mało. Objętość wodoru, którą daje się wtłoczyć do sproszkowanego metalu jest kilkaset razy większa od objętości zbiornika i odpowiada sprężeniu wodoru do ciśnień kilkuset atmosfer w analogicznej wielkości zbiorniku ciśnieniowym.

Najbardziej dociekliwi Czytelnicy mogą znaleźć w Wikipedii wyższe zawartości wodoru w wodor­kach metali, ale nie wszystkie rekordowe pod tym względem stopy nadają się do magazyno­wa­nia wodoru. Niektóre z nich nie nadają się do wielokrotnego „tankowania” albo wtłaczanie do nich wodoru i uwalnianie go w warunkach laboratoryjnych odbywa się przy ekstremalnym ciśnieniu i temperaturze, nieakceptowalnych w zastosowaniach przemysłowych.

Kolejne kontrowersje dotyczą sprawności ogniw typu PEM. Niektóre publikacje podają, że ogniwa te mają podobno fantastyczną wręcz sprawność sięgającą nawet 80% i pod tym względem przewyż­szają wszystkie inne generatory prądu oparte na silnikach tłokowych i turbinach, których sprawność jest ponad dwa razy gorsza. Skoro są takie dobre, to dlaczego nie stosuje się ich na szeroką skalę w cywilnej energe­tyce? A bo deklarowana sprawność 80% to wartość czysto teoretyczna, zbliżona jest możliwa do osiągnięcia tylko w warunkach laboratoryjnych. W zastosowaniach przemysłowych jest to raczej poniżej 60%.

Druga i ważniejsza przyczyna leży w wymaganiach wysokiej czystości wodoru. Nawet niewielkie zanieczyszczenia wodoru tlenkiem węgla czy związkami siarki bądź chloru powodują trwałą degradację ogniw. Produkcja wodoru o takiej czystości z węglowodorów lub elektrolizy wody jest tak droga, że zżera wszystkie korzyści uzyskiwane z wyższej sprawności ogniw. Na dodatek, jeżeli zamiast pojedynczej turbiny gazowej o sprawności około 40% zastosujemy nowoczesny blok gazowo-parowy, osiągniemy sprawność produkcji energii elektrycznej nawet ponad 60%, a w przypadku wykorzystania ciepła odpadowego w kogeneracji uzyskamy dalszą poprawę sprawności do tych samych 80%. I do zasilania takich bloków wystarczy zwykły gaz ziemny, wielokrotnie tańszy niż wodór wysokiej czystości. Stosowanie ogniw paliwowych w energetyce jest zwyczajnie nieopłacalne.

Przy tak małych wartościach masy wodoru w wodorkach błąd w oszacowaniu zawartości wodoru wielkości 0,1% pociąga za sobą ośmiokrotnie większy błąd w oszacowaniu ilości tlenu, bo do spalenia 1 kg wodoru potrzeba 8 kg tlenu. To z kolei potęguje błąd w obliczeniach wyprodukowanej energii elektrycznej. Optymistycznie przyjmijmy masę wodoru na 1,5% masy zbiornika z wodor­kami metali i sprawność ogniw na 60%. Przyjmując takie założenia, prawdo­po­dob­nie przeszacu­jemy ilość zmaga­zy­no­wa­nego wodoru i wyprodukowanej z niego energii kolejny raz na korzyść AIP z ogniwami paliwowymi.

Po niezbyt złożonych obliczeniach w dostępne 232 tony możemy upchnąć: 2806,5 kg wodoru + 184 293,5 kg zbiornik z absorberem wodoru + 22 452 kg tlenu + 22 452 kg zbiornik kriogeniczny na tlen = ~232 tony.

Wartość energetyczna 1 kg wodoru wynosi 33,33 kWh energii cieplnej. Przy założonej sprawności (60%) z 2806,5 kg wodoru otrzymamy ~56 124 kWh energii elektrycznej. Co przekłada się na ~15 dni przebywania pod wodą i jest to wartość zawyżona, bo poprzednio kilkakrotnie niedokładności w obliczeniach traktowaliśmy na korzyść AIP z ogniwami paliwowymi. Na dodatek, w ostatnich obliczeniach nie uwzględniliśmy strat tlenu na parowanie (to ~1 dodatkowa tona tlenu).

Rezultat obliczeń może budzić zdziwienie. Najnowsza technologia w wyniku końcowym okazała się mniej efektywna od prostszej, z dwóch­set­let­nim rodowodem. A wszystko przez zbiornik wodor­ków metali, który w naszym przypadku nawet opróżniony z wodoru stanowi około 80% całej masy przeznaczonej na napęd AIP. Tylko około 11% masy to paliwo i utleniacz, które transformu­jemy w energię elektryczną. Dla porównania: w AIP opartym na silniku Stirlinga to ~34%. Co z tego, że ogniwa paliwowe PEM mają dwa razy większą sprawność, jeżeli silnik Stirlinga ma do dyspozycji trzy razy więcej paliwa i tlenu, a tym samym jest w stanie wyprodukować więcej energii elektrycz­nej? Ten stosunek 2:3 (albo 12:18) pozwala też bardziej realistycznie oszacować czas przebywania pod wodą dla AIP z ogniwami PEM na ~12 dni.

Czy magazynowania wodoru na okręcie nie dało się rozwiązać w jakiś bardziej efektywny sposób? Największą gęstość wodoru osiąga się, skraplając go do stanu ciekłego. Skoro mamy już skroplony tlen, to dlaczego nie stosować także wodoru w stanie skroplonym? Ze skąpych informacji o pracach rozwojowych niemieckich okrętów typu 212A wynika, że właśnie takie rozwiązanie na nich testowano. Można się domyślać, dlaczego z niego zrezygnowano na rzecz zbiorników z wodorkami metali.

Wodór to najlżejszy pierwiastek, gęstość ciekłego wodoru to 70,8 kg/m³. Objętość 2806,5 kg wodoru to ~40 m³. Dla porównania: 22 452 kg tlenu zajmuje objętość ~20 m³, czyli zbiornik ciekłego wodoru byłby dwa razy większy niż zbiornik ciekłego tlenu. Na dodatek, temperatura wrzenia wodoru (–253 stopnie Celsjusza) jest na 70 kelwinów bliżej zera bezwzględnego niż temperatura wrzenia tlenu (–183 stopnie Celsjusza). Oznacza to, że zbiorniki kriogeniczne wodoru będą miały istotnie większe straty z powodu parowania niż w wypadku tlenu. Z tego powodu przemysłowe instalacje ciekłego tlenu o pojemności kilkudziesięciu ton nie są czymś nadzwyczajnym, natomiast wodór do stanu ciekłego z reguły skrapla się tylko na krótki czas przed użyciem i nie przechowuje się go długo. Miesiąc na okręcie podwodnym to bardzo długo.

Przechowywanie wodoru na okręcie w stanie sprężonym też nie jest rozwiązaniem optymalnym. Zbiornik taki zajmowałby jeszcze większą objętość, a wysokie ciśnienie nastręczałoby kolejnych problemów z bezpieczeństwem użytkowania, dyfuzją wodoru i kruchością wodorową metali.

Przechowywanie wodoru w formie związków chemicznych, na przykład metanolu, byłoby do przyjęcia, ale tworzy kolejny problem z czystością wodoru otrzymanego w wyniku reformingu na pokładzie okrętu i co za tym idzie, skróconą żywotnością ogniw paliwowych.

Wygląda na to, że magazynowanie wysokiej czystości wodoru w wodor­kach metali pod względem bezpie­czeń­stwa i ekonomii użytko­wa­nia nie ma sobie równych i dlatego właśnie znajdzie zastoso­wa­nie na niemiecko-norweskich okrętach 212CD. Skutkuje to jednak dużą masą napędu AIP i pomimo większych kosztów logistycz­nych nie daje oczekiwanych istotnych zysków w końcowej efektywności. Dwukrotnie większa sprawność ogniw paliwowych PEM w stosunku do silnika Stirlinga niweluje się z nawiązką przez ograniczoną ilość wodoru, którą możemy zmagazynować na okręcie, spełniając wymogi techniczne co do czystości wodoru i bezpieczeństwa.

Czy da się coś z tym zrobić? Jeżeli powiększyć zbiorniki wodoru i tlenu, i w konsekwencji masę całego systemu AIP o 100–200 ton, da się wydłużyć czas przebywania pod wodą do tych samych 18 dni albo i dłużej. Możliwe, że jest to jedną z przyczyn, dlaczego okręty 212CD mają mieć większą wyporność niż szwedzki A26.

AIP z baterią akumulatorów litowo-jonowych

Spróbujmy w analogiczny sposób oszacować czas przebywania pod wodą, korzystając z możliwo­ści, jakie oferuje technologia akumulatorów litowo-jonowych, zakładając, że zamiast instalacji AIP opartej na silniku Stirlinga zainstalujemy akumulatory o tej samej wadze. Poprzednio zapewne prze­sza­co­wa­li­śmy masę zbiornika krio­ge­nicz­nego tlenu, ale z drugiej strony do dostęp­nych 232 ton nie wliczyliśmy masę trzech silników Stirlinga z generatorami i całego ciśnienio­wego systemu rur odpro­wa­dza­ją­cych spaliny i dostarczają­cych tlen do nagrzewnic silników. Z braku dokład­niej­szych danych na potrzeby porównania przyjmijmy te same 232 tony masy AIP opartego na ogniwach paliwowych, którą możemy przeznaczyć na akumulatory z tym zastrzeżeniem, że błąd w oblicze­niach będzie większy niż w poprzednim przypadku.

Zakładamy również, że projektanci rozwiążą problemy ze statecznością okrętu bez stosowania cięż­kich akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Przy 0,2 kWh z 1 kg akumulatorów otrzymamy: 0,2 kWh/kg × 232 000 kg = 46 400 kWh. To około 70% energii, którą może wyprodukować zaprojekto­wany przez nas AIP oparty na silniku Stirlinga, co przekłada się na ~12 dni czasu przebywania pod wodą.

Dla porównania z czystej ciekawości, gdyby całą masę 251 ton AIP opartego na silniku Stirlinga (w tym i 95 ton akumulatorów Pb) przeznaczyć na akumulatory kwasowo-ołowiowe, przełoży się to na 2,7 doby przebywania pod wodą. To+ czas porównywalny z osiągami okrętów podwodnych z końcowego okresu drugiej wojny światowej.

Uwzględniając prawdopodobne zawyżenie wyników z systemem ogniw paliwowych, można dojść do zaskakującego wniosku, że AIP oparty na akumulatorach litowo-jonowych ma podobną efektyw­ność co system na ogniwach paliwowych. Natomiast koszty logistyczne są nieporówny­wal­nie niższe. System oparty na akumulatorach litowo-jonowych podczas odtwarzania gotowości bojowej oprócz oleju napędowego potrzebuje tylko dużej mocy przyłącza energii elektrycznej. Żadnych cystern kriogenicznych, instalacji do skraplania, oczyszczania i przechowywania wodoru i tlenu. Na dodatek, akumulatory da się ładować na otwartym morzu z generatorów napędzanych silnikami Diesla podczas przemieszczania się w pozycji nawodnej. Jeszcze jedną bardzo użyteczną właści­woś­cią akumu­la­to­rów litowo-jonowych jest możliwość – w sytuacji ekstremalnej potrzeby – wyciś­nięcia z rozła­do­wa­nych akumu­la­to­rów jeszcze kilku procent dodatkowej energii kosztem degradacji akumulatorów.

Należy dodać kilka zdań na temat pojawiających się w prasie rewelacji na temat nowego typu akumulatorów, jakoby bardziej wydajnych w porównaniu z akumulatorami litowo-jonowymi, które już są opracowane i już, już trafią do produkcji. Jak wynika z przytoczonych powyżej obliczeń, wystarczy przecież, bagatela, zwiększyć pojemność energii akumulatora 1,5–2 razy i można będzie silnik Stirlinga wyrzucić na śmietnik. A razem z nim wszystkie problemy ze zbiornikiem krioge­nicz­nym, wydalaniem spalin pod wodą, problemami z bezpie­czeń­stwem przechowywania tlenu na okręcie.

Sposobów na zrealizowanie chemicznego źródła prądu jest bez liku i poszukiwanie najlepszego akumulatora trwa już sto kilkadziesiąt lat z okładem. Jako pierwsze na masową skalę upowszech­niły się akumulatory kwasowo-ołowiowe. Są stosowane do dziś. A zadecydował o tym cały zbiór czynników, takich jak bezpieczeństwo podczas użytkowania, odporność na niskie i wysokie tempe­ra­tury, odporność na przeładowania, pojemność, liczba cykli ładowania-rozładowania, możliwość dostarczenia dużego prądu podczas rozładowania, cena i wiele innych.

Akumulatory litowo-jonowe zaczęły na masową skalę wypierać kwasowo-ołowiowe, gdy dopraco­wano je pod względem bezpieczeństwa użytko­wa­nia. Stało się to możliwe dopiero po pojawieniu się miniaturowych i tanich układów pół­prze­wod­ni­ko­wych, moni­to­ru­ją­cych napięcie każdej baterii i odcinających prąd w przypadku zbyt głębokiego rozłado­wa­nia lub przeła­do­wa­nia. Warto zwrócić uwagę, że niektóre z właściwości akumulatorów litowo-jonowych są nieco gorsze niż kwasowo-ołowiowych. Dotyczy to w szczególności bezpieczeń­stwa użytkowania (bezpieczeń­stwo pożarowe) i odporności na wysokie i niskie temperatury.

Kto śledzi nowinki techniczne zapewne zauważył, że od wielu lat mniej więcej raz na miesiąc pojawia się sensacyjna wiadomość o nowym typie akumulatorów, opracowanych przez naukowców renomowanych uczelni albo globalnych potentatów przemysłowych. Część informacji z tych rewelacji może być nawet prawdziwa, ale nowe akumulatory jakoś do produkcji nie trafiają. Za miesiąc pojawia się nowa wiadomość i o poprzedniej wszyscy zapominają.

Najczęściej we wzmiankach prasowych akcentuje się właśnie większą pojemność nowo opracowa­nego akumulatora, milczeniem pomijając inne parametry, które w równym stopniu decydują, czy ten nowo opracowany akumulator trafi do produkcji, czy nie. Przez ostatnie 10–15 lat postęp nie stał w miejscu i do wielkoskalowej produkcji trafiło przynajmniej kilka rodzajów nowych akumula­to­rów pod względem pojemności energii na kilogram o podobnych parametrach, wszystkie na bazie litu.

Dlaczego właśnie litu, a nie jakiegoś innego pierwiastka? W szeregu elektro­che­micz­nym metali lit stoi na pierwszym miejscu, ma najwyższy potencjał elektro­che­miczny, a to bardzo ważny parametr, predys­po­nu­jący lit do zastosowań w akumulato­rach energii elektrycznej. Wydaje się, że przez ostatnie kilkadzie­siąt lat w zastosowa­niach do produkcji akumulatorów wyciśnięto z litu już wszystko co możliwe i dalsza radykalna poprawa wydajności jest mało prawdopodobna. Inne pierwiastki o mniejszym potencjale elektrochemicznym mają słabsze właściwości w prze­kształ­ca­niu energii chemicznej w elektryczną i tym samym mniejsze szanse zepchnąć lit z piedestału naj­waż­niej­szych metali w mobilnej energetyce.

Zatem, czy jest możliwe opracowanie nowego typu akumulatorów, dużo lepszych pod względem pojemności energii od stosowanych obecnie na bazie litu i jedno­cześ­nie zacho­wu­ją­cych inne istotne parametry na podobnym poziomie, co obecne akumulatory litowo-jonowe? Zdaniem autora szanse są niewielkie i nie należy brać za dobrą monetę każdej sensacyjnej wiadomości na ten temat, poja­wia­jącą się w internecie. Jeżeli już wiązać z czymś nadzieje na bardziej wydajne źródło prądu, to z opracowaniem hybrydy akumulatora na bazie litu i ogniwa paliwowego. Przykładem takiego maga­zynu energii jest wanadowy akumulator przepły­wowy (Vanadium Redox Flow Battery). Ten akurat do zastosowań na okręcie podwodnym się nie nadaje ze względu na bardzo niską gęstość energii, gdyby jednak udało się ten parametr poprawić stosując inne związki chemiczne, to kto wie?

Podsumowanie

Jeżeli za absolutny priorytet zdolności okrętu podwodnego uznać czas przebywania pod wodą, technologia AIP oparta na silniku Stirlinga ma przewagę nad pozostałymi dwiema.

Technologia AIP oparta na akumulatorach litowo-jonowych oferuje zbliżone osiągi w porównaniu z technologią AIP opartą na ogniwach PEM i jest bezkonkurencyjna w kwestii kosztów logistyczn­ych. Na dodatek oferuje kilka dodatkowych zalet bardzo przydatnych na okrętach podwodnych. Prawdopodobnie to właśnie te względy zadecydowały, że kilka lat temu Japonia zdecydowała się zrezyg­no­wać z silnika Stirlinga na rzecz akumulatorów litowo-jonowych w ostatnich okrętach podwod­nych typu Sōryū. Co ciekawe, Japonia ma duże osiągnięcia w dziedzinie ogniw paliwo­wych, a pomimo to przytomnie nie zdecydowała się na wdrożenie ich w swoim systemie AIP.

Potwierdzenie tego wniosku mamy w zastosowaniu magazynów energii w cywilnej energetyce, napędach pojazdów i źródłach prądu dla urządzeń przenośnych. Akumulatory litowo-jonowe stoso­wane są w systemach stacjonarnych i mobilnych o pojemnościach od pojedynczych wato­godzin do mega­wato­godzin. A jakie rozpowszechnienie zyskały magazyny energii na podsta­wie ogniw pali­wo­wych? Raczej są to pojedyncze przypadki, chociaż są dostępne komercyj­nie. A przecież obie technologie rozwijały się w czasie mniej więcej równolegle.

Technologia AIP oparta na ogniwach paliwowych jest najdroższa w produkcji i utrzymaniu. Pomimo nimbu nowoczesności nie oferuje przełomowych zdolności do długotrwałego przebywania pod wodą i w końcowej efektywności ustępuje technologii AIP opartej na silniku Stirlinga.