Francuski napęd AIP odsłania swoje tajemnice

Zdjęcia modeli laboratoryjnych francuskiego napędu niezależnego od powietrza AIP (Air Independente Propulsion) drugiej generacji FC2G (Fuel Cell. 2nd Generation) były już prezentowane wielokrotnie. Tym razem jednak Francuzi postanowili pokazać: jak cały układ ma działać i jak będzie on w praktyce rozmieszczony na okręcie podwodnym. Przynajmniej takie były oficjalne założenia materiału filmowego opublikowanego przez koncern Naval Group na kanale YouTube.

W rzeczywistości film ten ma dwie, zasadnicze wady. Po pierwsze jest to materiał animowany i nie pokazano w nim zdjęć rzeczywistych elementów, które według Naval Group z powodzeniem przeszły już próby laboratoryjne i są gotowe do montażu na okrętach podwodnych. Po drugie Francuzi zaprezentowali w animacji, co się dzieje w systemie, jednak nie opowiedzieli, jak. W podkładzie do filmu jest bowiem tylko muzyka.

Dla osób nie specjalizujących się w napędach niezależnych od powietrza cały ten materiał nie spełnił więc swojego zadania, ponieważ nie wyjaśnił dwóch, najważniejszych spraw:

• czym to, co proponują Francuzi (Naval Group) dla okrętów podwodnych typu Scorpène różni się od tego, co proponują Niemcy (TKMS) dla okrętów podwodnych typu 212?
• jak system FC2G w rzeczywistości działa?

Postaramy się teraz to wyjaśnić, jednak pomimo filmu ujawnionego przez Naval Group, nadal w dużej części opierając się na domysłach i niestety często używając słowa „prawdopodobnie”.

Jak wytwarza się energię elektryczną na zanurzonym okręcie podwodnym?

Do czasu wprowadzenia napędu niezależnego od powietrza konwencjonalne okręty podwodne (nieatomowe) mogły przebywać pod wodą tylko dzięki bateriom akumulatorów. Ich pojemność była jednak na tyle mała, że pozwalała na pływanie w zanurzeniu przez maksymalnie 3 do 5 dni (do około siedmiu przy zastosowaniu akumulatorów litowo-jonowych). By te akumulatory ponownie naładować okręt podwodny musi używać silników Diesla, co wymaga wynurzenia lub pływania tuż pod powierzchnią, wykorzystując chrapy do usuwania spalin i poboru powietrza.

Taka operacja zwiększa prawdopodobieństwo odnalezienia okrętu, ponieważ silniki Diesla są bardzo hałaśliwe, a chrapy mogą zostać wykryte przez nowoczesne radary zamontowane np. na morskich samolotach patrolowych. Zaradzić temu można stosując napęd niezależny od powietrza, który pozwala na wydłużenie czasu przebywania pod wodą do nawet trzech tygodni.

Systemy AIP są dzielone na dwie kategorie: termiczne i elektrochemiczne. Systemy termiczne obejmują trzy rodzaje rozwiązań:

• Tłokowy silnik spalinowy o spalaniu zewnętrznym, pracujący w obiegu zamkniętym (tzw. silnik Sterlinga);
• Turbina parowa o obiegu zamkniętym Rankine’a;
• Tłokowy silnik spalinowy o obiegu zamkniętym CCD (closed cycle engines).

W silnikach Sterlinga energia cieplna wytwarzana w procesie spalania oleju napędowego z wykorzystaniem ciekłego tlenu jest zamieniana na energię mechaniczną, a następnie na energię elektryczną (z wykorzystaniem generatorów). Zaletami tych silników jest są mała szumność i wydajność zależna od ilości dostępnego na okręcie tlenu. Wadami są mała prędkość gwarantowana pod wodą na tym napędzie (do 6 w) i konieczność magazynowania dużych ilości tlenu. System ten jest cały czas rozwijany i zastosowano go (lub planuje się go zastosować) na szwedzkich okrętach podwodnych typu Gotland i A26, japońskich typu Souryu i na chińskich jednostkach typu Yuan.

Turbina parowa o obiegu zamkniętym Rankine’a została zastosowana tylko przez francuski koncern stoczniowy DCNS (obecnie Naval Group) w systemie MESMA (Module d'Energie Sous-Marine Anaérobie). Działanie tego systemu przypomina napęd jądrowy z tą różnicą, że ciepło potrzebne do wytworzenia pary w wymienniku ciepła, wytworzone w obiegu pierwotnym nie pochodzi z reakcji jądrowej, ale jest efektem spalania w komorze „reaktora” mieszanki tlenu z etanolem. Wytworzona tam para zasila następnie turbinę gazową, a ta z kolei turbogenerator, czyli źródło energii elektrycznej dla okrętu.

Wadami tego rozwiązania są: stosunkowo mała sprawność i konieczność zagwarantowania dla okrętu dużego zapasu tlenu. Zaletami modułu MESMA są: niezawodność, bezpieczeństwo i kompaktowość. System ten mieści się bowiem w jednej sekcji okrętowej o długości około 9 m, którą z łatwością można wbudować do już gotowych okrętów podwodnych typu Scorpène i Agosta 90B. Moduł MESMA zamontowano jak dotąd tylko na pakistańskim okręcie podwodnym „Hamza” (typu Agosta 90B).

Trzecim rodzajem systemu termicznego AIP jest niezastosowany jak dotąd w praktyce układ napędowy CCD oparty o standardowe silniki Diesla. W zanurzeniu mogą one pracować standardowo wykorzystując chrapy (na głębokości peryskopowej) lub w obiegu zamkniętym pod wodą wykorzystując przechowywaną w specjalnych zbiornikach mieszankę tlenu i argonu. Plany zastosowania tego rodzaju napędu AIP przez Niemców przy modernizacji okrętów typu 209 zostały jednak zarzucone ze względu na słabą wydajność, hałas i warunki bezpieczeństwa.

Niemiecki koncern stoczniowy zdecydował się na inne rozwiązanie - elektrochemiczny napęd niezależny od powietrza oparty o ogniwa paliwowe. Zaletami takiego napędu są stosunkowo duża sprawność, brak konieczności usuwania spalin za burtę oraz mała szumność. Wadą jest konieczność chłodzenia elektrolitu oraz niebezpieczeństwo związane z magazynowaniem tlenu i wodoru, które zmieszane mogą stanowić mieszankę wybuchową. Francuzi teraz pokazali, że część z tych wad można wyeliminować.

Wspólne cechy najnowszego niemieckiego i francuskiego napędu AIP

Wbrew pozorom zespół ogniw paliwowych - najważniejszy element elektrochemicznych napędów niezależnych od powietrza proponowanych wcześniej przez Niemców, a obecnie również przez Francuzów, jest w obu przypadkach praktycznie taki sam. Ze względu na globalizację może się więc zdarzyć, że ta część systemu napędowego, która bezpośrednio wytwarza energię elektryczną na okrętach podwodnych typu Scorpène i typu 212, może być dostarczona przez tego samego producenta (tak jak to się już dzieje np. w przypadku baterii akumulatorów okrętowych).

Główna różnica pomiędzy niemieckim i francuskim rozwiązaniem polega na sposobie dostarczania do tych ogniw potrzebnych im do działania dwóch czynników: tlenu i wodoru. To właśnie te dwa gazy w wyniku reakcji elektrochemicznej pozwalają na otrzymanie energii elektrycznej. W niemieckich i francuskich systemach reakcja ta przebiega w tego samego rodzaju ogniwach paliwowych PEM z polimerową membraną elektrolityczną (polimer electrolyte membrane), działających w bardzo podobny sposób.

Wyjaśniając najogólniej, każde takie ogniwo składa się z czterech najważniejszych elementów: anody, katody oraz rozdzielających te elektrody membrany PEM i elektrolitu. Nie jest to akumulator, tak więc wewnątrz ogniw energia nie jest gromadzona ,ale wytwarzana. Proces ten wymaga ciągłego dostarczenia paliwa (wodór i tlen) i po przerwaniu dopływu tych gazów „produkcja” energii zostaje przerwana.

W procesie wytwarzania energii elektrycznej w rejon anody (w źródłach prądu jest to elektroda ujemna) dostarczany jest wodór, który ulega „utlenieniu” uwalniając protony H⁺ (kationy wodorowe) oraz elektrony e⁻ w reakcji 2H₂ → 4H⁺ + 4e⁻. Elektrony te są następnie przekazywane zewnętrznym połączeniem (wytwarzając „po drodze” prąd ładujący baterie akumulatorów) do anody (elektroda dodatnia) w rejon której dostarczany jest z kolei tlen. Następuje wtedy redukcja tlenu w reakcji O₂ + 4e⁻ → 2O^2-, w wyniku której tworzone są aniony tlenkowe 2O^2-.

Aniony te łączą się następnie z kationami wodorowymi (4H⁺), przechodzącymi w elektrolicie z rejonu katody w rejon anody przez półprzepuszczalną membranę rozdzielającą te elektrody (blokującą jednocześnie ruch anionów tlenkowych w drugą stronę - od katody do anody). W wyniku reakcji łączenia anionów tlenkowych i kationów wodorowych (2O²⁻ + 4H⁺ → 2H₂O) powstaje woda, która poza energią jest jedyną, „usuwalną” pozostałością całego procesu zachodzącego w ogniwach.

Jest to najprostszy sposób wyjaśniający procesy zachodzące w ogniwach paliwowych, które jednak zarówno w rozwiązaniu francuskim, jak i niemieckim mogą być o wiele bardziej skomplikowane. Generalna zasada działania pozostaje jednak taka sama, podobnie jak dwa najważniejsze produkty potrzebne do reakcji (tlen i wodór) oraz dwa produkty otrzymywane w tej reakcji (energia elektryczna oraz woda). O wiele bardziej skomplikowana jest również budowa samych ogniw (ww. opis dla uproszczenia nie uwzględnia np. budowy membrany, obecności elektrolitu jako przewodnika jonowego oraz systemu jego chłodzenia).

Pomimo tego generalnie ogniwa paliwowe są proste w budowie i cechują się dużą sprawnością (dochodzącą do 70%). Mają też wady, którymi jest m.in. konieczność stosowania gazów o bardzo dużej czystości. I tu pojawia się najważniejsza różnica pomiędzy rozwiązaniami proponowanymi przez niemiecki koncern TKMS i francuski Naval Group, dotycząca sposobu dostarczania wodoru i tlenu do ogniw paliwowych.

Skąd pochodzi wodór dochodzący do ogniw paliwowych na okrętach podwodnych?

Film ujawniony przez koncern Naval Group w rzeczywistości nie pokazuje, jak wytwarzana jest energia elektryczna, ale jak dostarczane są gazy potrzebne do zrealizowania tego procesu w ogniwach paliwowych. W przypadku tlenu francuskie i niemieckie napędy AIP teoretycznie się nie różnią, ponieważ gaz ten pochodzi ze specjalnego zbiornika.

Diametralnie różny jest natomiast sposób dostarczania wodoru. Na niemieckich okrętach podwodnych pochodzi on bowiem ze specjalnych zbiorników, do których musi być wcześniej załadowany. Takich cylindrycznych, stalowych zbiorników jest kilka, a wodór dla bezpieczeństwa jest w nich przechowywany w postaci wodorków metali w wypełniającym te zbiorniki stopie Hydralloy C^TM (opracowanym przez niemiecką firmę GfE). Gaz z tego stopu uwalniany jest dopiero wtedy, gdy do zbiornika dostarczy się ciepło.

Zaletą takiego rozwiązania są prosta droga dostarczania wodoru, z łatwą możliwością kontrolowania czystości tego gazu oraz trzykrotnie większa ilość przechowywanego gazu niż gdyby przechowywano go w stanie płynnym (w zbiornikach o takiej samej objętości). Wadami tej części niemieckiego systemu AIP są niebezpieczeństwo wybuchu, trudność w uzupełnianiu zbiorników (które dodatkowo zajmują dużo miejsca) oraz ich waga. Niebezpieczeństwo wybuchu wynika ze stosunkowo długiej drogi dostawy wodoru do ogniw paliwowych i samego sposobu jego magazynowania. Niemcy starają się je zmniejszyć wprowadzając np. rygorystyczne standardy jeżeli chodzi o rurociągi przesyłowe (które mają podwójne ścianki i specjalny system kontroli).

Gorzej jest, jeżeli chodzi o uzupełnianie wodoru w zbiornikach, który może być dostarczany do dowolnego portu, ale tylko przez sprawdzone firmy, rygorystycznie trzymające się standardów czystości. Jest to więc bardzo trudne do zrealizowania na morzu i trudne w przypadku zamieszania wywołanego trwającym konfliktem zbrojnym lub kryzysem (ze względu m.in. na surowe przepisy dotyczące transportu wodoru). Same zbiorniki są również dodatkowym balastem, i to mało wydajnym (ze 130 do 160 ton transportowanych wodorków uzyskuje się nie więcej niż 2% wodoru).

Francuzi postanowili zaradzić temu problemowi zastępując zbiorniki z wodorem systemem wytwarzającym ten wodór ze standardowego paliwa okrętowego (które  zasila również silniki diesla). Materiał filmowy opublikowany przez Naval Group pokazuje właśnie, jak to zostało zrobione.

Teoretycznie taki wodór można by było otrzymywać z innych substancji, takich jak metanol etanol, itp. Francuzi jednak wybrali olej napędowy uznając, że:

• ma on najwyższy punkt zapłonu, zmniejszając ryzyko pożaru, a więc poprawiając bezpieczeństwo;
• jest to najmniej toksyczne paliwo dla załogi;
• jest on łatwy „w obsłudze” pod względem procedur załadunku i rozładunku na pokładzie – w tym na morzu;
• istnieje już wypracowany system logistyczny jeżeli chodzi o dostawy i utrzymywanie odpowiedniej jakości paliwa;
• jest to paliwo, z którym załoga potrafi doskonale się obchodzić;
• ma on lepszą wartość energetyczną i zawartość wodoru, co zwiększa wydajność reformingu;
• jest to paliwo, które może być przydatne na okręcie nawet, gdy system AIP nie jest wykorzystywany (w odróżnieniu od zbiorników z wodorem, które w takim przypadku są po prostu „zbędnym” balastem).

Jak działa francuski system AIP typu FC2G?

W filmie opublikowanym przez Navl Group od razu rzuca się w oczy ważna zaleta, jaką posiada nowy, francuski system AIP typu FC2G – czyli kompaktowość. Eliminując konieczność rozlokowywania na okręcie kilku zbiorników z wodorem i jednego z tlenem oraz rurociągów doprowadzających gaz do ogniw paliwowych, Francuzi mogli bowiem tak zaprojektować nowy napęd niezależny od powietrza, by mieścił się on w jednej sekcji okrętu podwodnego o szerokości około 8 m.

Sekcja taka ma dwa wyraźnie wydzielone moduły: tlenowy i energetyczny. W pierwszym przechowywany jest skroplony tlen o standardowej jakości, a więc łatwy do uzupełnienia. Zapas tego tlenu może być wykorzystywany zarówno dla potrzeb napędu AIP, jak również do regeneracji powietrza wewnątrz okrętu.

O wiele bardziej skomplikowany jest moduł energetyczny, którego najważniejszymi elementami wykazanymi w filmie są: reformer, „wymiennik” (shift), blok oczyszczającej membrany oraz zespół kilku ogniw paliwowych PEM. Przy czym reformer i „wymiennik” mają kształt cylindryczny i stoją pomiędzy zbiornikiem tlenu a resztą sekcji AIP. W największym skrócie: reformer służy do uzyskiwania z oleju napędowego mieszaniny gazów z wodorem, dwa kolejne elementy są wykorzystywane do oczyszczanie tej mieszaniny i wyodrębnienia z niej czystego wodory, natomiast ogniwa paliwowe służą do wytwarzania energii elektrycznej.

Pisząc już bardziej szczegółowo: proces wytwarzania energii elektrycznej w systemie AIP typu FC2G rozpoczyna się dostarczeniem do reformera: tlenu ze zbiornika z sekcji tlenowej (na filmie tor dostawczy zaznaczony kolorem zielonym), oleju napędowego ze standardowego zbiornika okrętowego (na filmie tor dostawczy zaznaczony kolorem oliwkowym) oraz pary wodnej (czego na filmie nie zaznaczono). To właśnie w reformerze, pod dużym ciśnieniem i prawdopodobnie w wysokiej temperaturze, w drodze reformingu autotermicznego, ze standardowego paliwa okrętowego wytwarza się wodór (którego tor przesyłowy jest na filmie zaznaczony na fioletowo).

Poza wodorem w wyniku reformingu otrzymywane są również para wodna, dwutlenek węgla i tlenek węgla. Cała ta mieszanina gazów (określana również w literaturze fachowej jako „gaz syntetyczny”) jest przekazywana do „wymiennika”, który w wyniku konwersji eliminuje z niej tlenek węgla (przekształcając go w dwutlenek węgla) oraz wyodrębniając z wody wodór (zwiększając tym samym zawartość wodoru w gazie syntetycznym do maksymalnego, dostępnego poziomu i praktycznie eliminując tlenek węgla mogący „zaszkodzić” ogniwom paliwowym).

Tak wzbogacony gaz syntetyczny jest z kolei przesyłany do bloku membrany, który przepuszcza już tylko czysty wodór kierując go do zespołu ogniw paliwowych. Oddzielnym torem do tych ogniw przesyłany jest również tlen z modułu tlenowego (na filmie tor dostawczy zaznaczony kolorem zielonym), który jednak wcześniej mieszany jest z azotem (czego na filmie już nie pokazano). Zastosowanie takiej mieszaniny gazów ma według Francuzów znacząco zwiększać żywotność ogniw paliwowych.

Zalety francuskiego rozwiązania

Przyjęty przez Francuzów sposób budowy całego system AIP typu FC2G daje możliwość jego zastosowania również na okrętach podwodnych, które zostały wcześnie zbudowane lub zaprojektowane. Napęd ten mogą więc otrzymać (poprzez dodania zbudowanej gdzie indziej sekcji) w przyszłych programach modernizacyjnych zarówno brazylijskie, chilijskie, malezyjskie i francuskie Scorpène jak i australijskie Barracudy – nawet jeżeli wcześniej o tym nie myślano.

Sekcja ta jest przy tym budowana w taki sam sposób jak sam kadłub, a więc jej dodanie nie ogranicza maksymalnej głębokości zanurzenia okrętu podwodnego. System napędu niezależnego od powietrza nie sprawia też problemu jeżeli chodzi o obsługę, ponieważ sterowanie AIP może się odbywać ze zintegrowanego systemu zarządzania okrętem IPMS (Integrated Platform Management System) przez tylko jednego operatora.

Według Naval Group FC2G charakteryzuje się niespotykaną na innych tego rodzaju rozwiązaniach autonomicznością. Próby długoterminowe przeprowadzone w marcu 2019 r. w ośrodku testowym Indret w Nantes potwierdziły, że ten nowej generacji AIP gwarantuje działanie okrętom podwodnym w zanurzeniu nawet przez 18 dni (21 dni po doliczeniu pracy na akumulatorach) przy utrzymaniu założonej wydajności głównych elementów systemu oraz uproszczonym sposobie konserwacji i obsługi

 Testy te wykazały dodatkowo:

• Zmniejszenie sygnatury akustycznej dzięki poprawie wydajności systemu odzyskiwania wodoru (powyżej 99%) i zastosowaniu cichych pomp;
• Zwiększenie żywotności ogniw paliwowych dzięki czystości wynoszącej ponad 99,999% wytworzonego w systemie wodoru (według Francuzów jest to czystość większa niż w przypadku wodoru uwalnianego w zbiornikach ze stopu Hydralloy C^TM);
• Możliwość kilkakrotnego uruchamiania i wyłączania systemu AIP podczas jednego rejsu.

Ale Francuzi do zalet swojego rozwiązania zaliczają dodatkowo:

• Brak ograniczeń jeżeli chodzi o temperaturę wody morskiej, która może rozpocząć proces uwalniania wodoru w zbiornikach poprzez ogrzewanie znajdujących się wewnątrz wodorków;
• Pozbycie się problemu zanieczyszczania wodorków mogących zwiększyć koszty ich utrzymywania podczas jego całego cyklu życia;
• Ograniczenie miejsca, gdzie wykorzystuje się wodór do jednej sekcji kadłuba (nie ma potrzeby transportowania wodoru do i ze zbiorników).
• Pozbycie się problemów logistycznych związanych z dostawą czystego wodoru.

Jedynym problemem francuskiego rozwiązania napędu AIP nowej generacji jest to, że nie zostało ono jeszcze zastosowane na żadnej jednostce pływającej i sprawdzone w działaniu w warunkach "bojowych". Niemiecki napęd niezależny od powietrza jest natomiast wykorzystywany na co najmniej trzydziestu operacyjnych okrętach podwodnych (niemieckich, włoskich, greckich, portugalskich oraz południowokoreańskich) i chwalony przez załogi, które nigdy (przynajmniej oficjalnie) nie miały z nim większych problemów technicznych.