Nove podmorničke baterije

Ugradnja litij-ionskih baterija omogućila bi podmornicama ostati pod vodom najmanje tjedan dana ploveći brzinom od 4 čvora. Također bi tijekom 24 sata u podvodnoj plovidbi mogle dostići brzinu od najmanje 12 čvorova. Litij-ionske baterije mogu se neograničeno nadopunjavati na moru, primjenom tehnike šnorkel plovidbe i to bez ikakvih problema…

Japanska je vlada prošle godine najavila da će svoje sljedeće četiri podmornice klase Soryu opremiti novom i posebno razvijenom vrstom litij-ionskih (Li-on) baterija. Dosad su korištene olovne baterije, instalirane kao integralni dio švedskog zračno-neovisnog propulzijskog sustava (AIP) koji napaja i pokreće sadašnju generaciju podmornica japanske klase. Većina europskih proizvođača podmornica ovu, tehnički vrlo smionu najavu, vide i prepoznaju prije svega kao pokušaj stjecanja prednosti u postizanju ugovora o prodaji podmornica Australiji, koja za svoju mornaricu želi nabaviti 12 novih. Podmorničarski stručnjaci španjolskog brodograđevnog koncerna Navantia javno su izrazili uvjerenje da se Japan možda odlučio za taj potez jer je “Australija vrlo zainteresirana za nove tehnologije na svojim budućim podmornicama.”

Foto: Saab

Interes za tehnologiju
Obrambeno-znanstvena i tehnološka organizacija (ADSTO), odnosno njezina istraživačka i razvojna (R & D) grana australskog Ministarstva obrane, trenutačno se nalazi u završnoj fazi studiranja temeljnih karakteristika litij-ionskih podmorničarskih baterijskih tehnologija. Navantijini stručnjaci tvrde, međutim, da su sadašnje litij-ionske baterije prevelikih dimenzija da bi bile korisne u sadašnjim podmornicama. Izjava je kasnije ponovljena i iz njemačkog ThyssenKrupp Marine Systemsa (TKMS). Prema izjavama njemačkih podmorničarskih stručnjaka i konstruktora, u slučaju ugradnje litij-ionskih baterija, sadašnje AIP-podmornice mogle bi u gabaritu narasti i do 80 %. Štoviše, “ova tehnologija još nije spremna”, nadodaju njemački stručnjaci. Ostali europski podmorničarski brodograditelji dijele to mišljenje, ali su ipak itekako zainteresirani za novu tehnologiju. Ona bi trebala produljiti podmorsku izdržljivost konvencionalnih podmornica na tjedan dana podmorske plovidbe umjesto dosadašnjih uobičajenih tri dana i dati podvodnom plovilu mogućnost dostizanja većih podvodnih brzina. TKMS aktivno surađuje s proizvođačem baterija na razvoju prototipnih litij-ionskih baterijskih tehnologija, švedskom tvrtkom Saab. Koliko je trenutačno poznato, Navantia je dogovorila suradnju na razvoju litij-ionske tehnologije s još neimenovanim australskim partnerom.
Zamjena ili nadopuna?
Francuski DCNS je također zainteresiran za litij-ionsku tehnologiju već unatrag nekoliko godina. Zapravo, DCNS u svojoj ponudi, već ima litij-ionske baterije kao opcijsku propulziju podmornice, za sada samo i isključivo kao nadopunu olovno-acidnim baterijama, a ne nikako kao njihovu definitivnu zamjenu. Glavni problem s novim baterijama jest u tome što je litij-ionska tehnologija potpuno različita od tehnologije olovno-acidnih baterija. To nije samo pitanje zamjene jedne vrste baterija drugom. Prema nekim izjavama stručnjaka, čini se da ugradnja litij-ionskih baterija u velikoj mjeri može značiti i redizajniranje unutrašnjosti čvrstog trupa podmornice. Primjerice, svaki članak olovno-acidne baterijske ćelije stalno se prati i nadzire tijekom rada. Na postojećim AIP-podmornicama postoje stotine ovakvih ćelija i svaka ima masu oko tone, a njihove električne karakteristike razlikuju se od litij-ionskih baterija. To znači da bi se cijeli sustav praćenja i nadzora njihova rada morao promijeniti. Olovno-acidne baterije opremljene su također posebnim prekidačima za sprečavanje pojave kratkog spoja. I oni bi, po istoj analogiji također morali biti promijenjeni. Litij-ionske baterije za sada su sklone pojavi znatnijeg ”pregrijavanja“. Zbog toga baterijske ćelije moraju biti raspoređene, zbog efikasnijeg procesa njihova hlađenja, u nekoliko fizički razdvojenih skupina.Takvom tehnikom moduliranja gubi se čak i ona početna prednost manje mase u odnosu na olovnu-acidnu inačicu baterija u istom volumenu.
Problem ravnoteže

Treba pojasniti neke tehničke finese i zakonitosti konstrukcije podmornice. Prije svega činjenicu da fizički lakše baterije u ovom trenutku nisu nužno potrebne u modernim podmornicama. Ako bi masa ugrađenih litij-ionskih baterija bila premalena u odnosu na masu sada ugrađenih olovno-acidnih baterija, razlika i tehnički problem morao bi se riješiti kompenzacijom s nekom drugom fizičkom masom radi održavanja osjetljive ”ravnoteže“ podmornice i njezinih podvodnih plovnih karakteristika. Kada bi se litij-ionske baterije na sadašnjem stupnju njihova tehnološkog razvoja ugradile kao primarni izvor podvodne propulzije – one bi svakako morale biti podupirane radom olovno-acidnih baterija – ponajprije zbog operativnih razloga. Prema tome, kad se znaju određene tehničke činjenice, ne iznenađuje ”opreznost“ spomenute ponude francuskog DCNS-a.

Promišljene mornarice
S druge strane, litij-ionske baterije mogu nedvojbeno akumulirati više snage od olovnih baterija. Veći kapacitet baterija i veća razina snage, direktno su u funkciji povećanja podvodne brzine podmornica, njihova doplova i njihove manevarbilnosti. To je upravo idealno za mornarice koje žele postizanje tzv. jurišnih brzina svojih podvodnih plovila. No, ono što žele mnoge druge promišljenije mornarice jest prije svega visokoefikasni i fleksibilni energetsko-propulzijski sustav. On podmornicama daje veliku podvodnu izdržljivost, bilo da ostanu statične ili plove polako se šuljajući, uz istodobno pasivno slušanje i prikupljanje podataka, reducirajući u maksimalnoj mjeri mogućnost vlastita otkrivanja. AIP sustav zadovoljava tu potrebu i daje više energije nego klasične olovno-acidne baterije slične veličine, premda sam AIP nema dovoljno snage za pokretanje podmornice. Iz njemačkog TKMS-a tvrde kako se u sadašnjim AIP sustavima olovno-acidna baterijska komponenta ne može jednostavno zamijeniti litij-ionskim baterijama, jer potonje po njima još ne pružaju dovoljnu razinu energije.
Tri AIP-a

Za one koji su možda manje ili nedovoljno upućeni u detalje AIP-a (Air-Independent Propulsion), zračno-neovisne propulzije, treba reći da na Zapadu trenutačno postoje tri osnovne vrste AIP sustava:
 Zatvoreni ciklus parne turbine, predstavljen francuskim sustavom Mesma, kojim su opremljene pakistanske podmornice Agosta 90B. Ovaj sustav nudi visoku razinu snage u kraćem vremenskom intervalu, ali s visokom potrošnjom goriva;
 Stirling motor kojim se koriste na švedskim podmornicama klase Gotland, singapurskim podmornicama klase Archer i japanskim podmornicama klase Soryu. Najnovije kineske AIP podmornice također se koriste ovom tehnologijom. Karakteristika švedskog sustava jest razvijati i akumulirati visoku razinu energije za pogon podmornice od nekoliko tjedana, ali isključivo za podvodnu plovidbu malim brzinama;
 Gorivni članci ugrađeni na njemačkim podmornicama Tip 212 i Tip 214 kao i na talijanskoj klasi podmornica Todaro, koje imaju daljnji potencijal za poboljšanje njihove proizvodnje električne energije, a samim tim i povećanje podvodnih brzina te produljenje njihova doplova.
I u Rusiji se razvijaju AIP sustavi. Koliko je poznato, takav sustav pod nazivom Kristal, trebao je biti ugrađen na prvu podmornicu Sankt Petersburg, klase Lada, ali se na koncu od tog nauma privremeno odustalo. Rusi pak, svoj AIP sustav, koji je utemeljen na principu tzv. reforminga odnosno proizvodnji vodika iz dizelskog goriva (bez mogućnosti samog skladištenja proizvedenog vodika na podmornici) još uvijek nisu uspjeli dovesti do razine eksperimentalne ugradnje na podmornicu. Eksperimentalno postrojenje funkcionalno je za sada samo na kopnu.
DCNS-ov zagovor.

Litij-ionska tehnologija je budućnost – priznaju u TKMS-u – sve dok je u kombinaciji s AIP-om, dodaju u njemačkoj tvrtci – jer je puno učinkovitija od klasične olovno-acidne baterijske tehnologije za spremanje energije. – Svi naši klijenti žele AIP jer s njim ne morate ulaziti u šnorkel plovidbu koja je svakako najopasniji dio podmorničarskih operacija – tvrde iz TKMS-a. To je razdoblje kada klasična dizelsko-električna podmornica plovi neposredno ispod površine mora pogonjena svojim dizelskim motorima radi punjenja električnih baterija. Jedini brodograditelj podmornica koji je sudjelovao na velikoj svjetskoj izložbi mornaričke tehnologije Euronaval 2014. i koji je otvoreno zagovarao litij-ionske baterije kao alternativni izvor propulzije bio je francuski koncern DCNS. Želja francuskih brodograditelja jest zadržavanje olovno-acidnih baterija na podmornici, uz istodobno davanje podmornici puno veće autonomije u podvodnoj plovidbi. U tom smislu, DCNS na podmorničarskom tržištu nudi izbor od tri različite inačice trupa, ovisno o njihovim operativnim konceptima:
– prvi koncept nudi ugradnju samo litij-ionskih baterija
– drugi se koncept odnosi na ugradnju vlastitog razvijenog sustava gorivnih članaka
– treći koncept, s ugradnjom svog Mesma AIP sustava.
Zamke šnorkel plovidbe
Ugradnja litij-ionskih baterija omogućila bi podmornicama ostati pod vodom najmanje tjedan dana ploveći brzinom od 4 čv. Također bi tijekom 24 sata u podvodnoj plovidbi dostizale brzinu od najmanje 12 čv. Litij-ionske baterije mogu se neograničeno nadopunjavati na moru, primjenom tehnike šnorkel plovidbe i to bez ikakvih problema. Prema analizama njemačkog brodograđevnog koncerna TKMS, ova tehnologija može povećati niskobrzinske karakteristike podmornica čak i do 40 %, a visokobrzinske performanse do 400 %. Međutim,treba na jednostavan način objasniti neke činjenice o AIP propulziji. Uza sve prednosti koje ona pruža, prije svega duži boravak pod vodom i produljeni podvodni doplov, bit je njezine primjene u još jednom razlogu koji se obično ne spominje ili se spomene tek vrlo rijetko. Naime, današnja generacija modernih brodskih radara (posebice SAR – Synthetic Aperthure Radar) sposobna je metodama punog ili parcijalnog skeniranja morske površine vrlo uspješno otkrivati sve objekte male odrazne površine koji se pojavljuju iznad površine mora. U tu skupinu spadaju brodske antene, periskopi i šnorkel uređaji podmornica, pa čak i glave diverzanata kad izrone na površinu. Prema tome, klasična ili AIP podmornica nakon dugotrajnih podvodnih plovidbi, u jednom trenutku mora izroniti na površinu ili barem u šnorkel vožnju zbog popune istrošenih baterija, bez obzira na to jesu li one olovno-acidne ili litij-ionske. U tom se trenutku izlaže vrlo realnoj opasnosti da bude otkrivena, kad se bilo kojim svojim dijelom pojavi izvan vode.

Bez operativnog dokaza
Prema tome, sve AIP tehnologije najvećim dijelom služe zato da na što duže razdoblje odgode sljedeće riskantno pojavljivanje podmornice na površini. Računica je jednostavna. Ako tijekom provedbe podvodne operacije morate pet puta šnorkel plovidbom nadopunjavati električne baterije, onda primjenom baterija veće snage i kapaciteta, razdoblja između dvaju šnorkel ciklusa možete produljiti. Izbjegavanjem samo jednog takvog ciklusa (smanjenje s pet na četiri) smanjuje se rizik radarskog otkrivanja podmornice za 20 %. Ugradnja tehnologije gorivnih članaka omogućava podmornici da u podvodnoj plovidbi ostane i do tri tjedna brzinom od 4 čv, ali ova tehnologija ne može pružiti mogućnost podvodne plovidbe većim brzinama, pogotovo ne onim jurišnim. Svakako treba istaknuti da litij-ionska tehnologija koju nudi DCNS (koja je zapravo u određenoj mjeri modificirana izvorno njemačka tehnologija) još uvijek nije operativno dokazana, premda je prema francuskim tvrdnjama u potpunosti tvornički testirana. U svojoj interpretaciji njemačkog sustava, DCNS je zamijenio tehnologiju spremanja tekućeg vodika u specijalne spremnike, ugrađene na samoj podmornici, s postrojenjem tzv. reformatora koji se koristi dizelskim gorivom kao osnovom za proizvodnju vodika – koji će kao pogonsko gorivo potom izgarati u gorivnim člancima.
Infrastruktura u opasnosti
Radi se zapravo o tehnološkom procesu koji ima puno sličnosti i dodirnih točaka s AIP tehnologijom koja se razvija u Rusiji. U ovom se trenutku ne može poreći činjenica da ovako zamišljena AIP tehnologija ima određenih, ponajprije taktičkih i strateških prednosti nad tehnologijom koja podrazumijeva spremanje i nošenje tekućeg kisika i vodika u posebnim spremnicima. To prije svega znači da za njemačku inačicu morate imati izgrađenu tehničku infrastrukturu na lokacijama gdje će takve podmornice dolaziti na tankiranje. S druge, taktičke točke gledišta, takve lokacije će se sigurno naći na primarnoj listi ciljeva i prioritetnih ili čak i preventivnih napada potencijalnog protivnika. Zato je gotovo sigurno da će francuski i ruski projekti AIP propulzije u kombinaciji s litij-ionskom baterijskom tehnologijom, doživjeti svoj daljnji tehnološki napredak i operativnu primjenu. Za sada, francuski, na moru provjereni Mesma AIP sustav, može ponuditi podvodnu plovidbu u trajanju od 14 dana brzinom od 4 čv. Funkcionira na principu ne-nuklearnog generiranja vodene pare, odnosno kao modificirani sustav propulzije, primijenjen na francuskim nuklearnim podmornicama.
Pitanje je hoće li Australija biti prva koja će ”probiti led“ i za svoju ratnu mornaricu naručiti podmornice s litij-ionskim baterijama ili će pak još malo pričekati i vidjeti hoće li i kada npr. Njemačka, Francuska, Švedska, Japan, Južna Koreja, Italija, Singapur, NR Kina ili Pakistan (sve redom korisnici nekog od oblika AIP-a) modernizirati svoje podmorničarske efektive litij-ionskom tehnologijom.
   

Igor SPICIJARIĆ