Увеличение дальности подводной лодки типа «Готланд» при замене свинцовых аккумуляторов на литий-железо-фосфатные

1. 1. 1. Увеличение дальности подводной лодки типа «Готланд» при замене свинцовых аккумуляторов на литий-железо-фосфатные

Подводные лодки типа «Готланд» (Gotland-class) шведского производства относятся к классу неатомных подводных лодок с воздухонезависимой энергетической установкой (ВНЭУ) на базе двигателей Стирлинга. Они используют дизель-электрическую силовую установку с традиционными свинцово-кислотными аккумуляторами (АКБ) для движения в подводном положении, а также ВНЭУ для увеличения автономности. Ниже рассмотрены 2 сценария модернизации:

• замена свинцовых АКБ на литий-железо-фосфатные (LiFePO4) и
• дополнительный демонтаж дизелей с топливными баками с заменой их на LiFePO4 батареи.

Сценарий 1: Замена свинцовых аккумуляторов на литий-железо-фосфатные

1. 1. 1. Исходные характеристики подводной лодки типа «Готланд»

• • Дальность хода в подводном положении на АКБ**: примерно 278 км на скорости 5 узлов с использованием свинцово-кислотных АКБ.
  • Энергоемкость свинцовых АКБ**: удельная энергоемкость свинцово-кислотных батарей составляет примерно 30–40 Вт·ч/кг.
  • Вес батарей**: точные данные о весе АКБ на лодках типа «Готланд» засекречены, но для аналогичных лодок такого класса масса батарей оценивается в диапазоне 150–200 тонн.

1. 1. 1. Преимущества литий-железо-фосфатных аккумуляторов

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы (LiFePO4) обладают следующими характеристиками по сравнению со свинцовыми:

• • Удельная энергоемкость**: 90–120 Вт·ч/кг (в 2,5–3 раза выше, чем у свинцовых).
  • Вес**: при той же массе LiFePO4 батареи могут обеспечить в 2,5–3 раза больше энергии, либо при той же энергоемкости вес батарей может быть уменьшен в 2,5–3 раза.
  • Эффективность**: более высокий КПД (около 95% против 80% у свинцовых), меньшие потери энергии при зарядке/разрядке.
  • Срок службы**: большее количество циклов заряд-разряд (2000–3000 против 500–700 у свинцовых).

1. 1. 1. Расчет увеличения дальности

Дальность хода подводной лодки в подводном положении определяется запасом энергии в аккумуляторах и энергопотреблением двигательной установки. Если предположить, что масса батарейного отсека остается неизменной, то замена свинцовых АКБ на LiFePO4 увеличит запас энергии в 2,5–3 раза. При сохранении той же скорости и энергопотребления дальность хода пропорционально увеличится.

1. **Исходная дальность**: 280 км.

2. **Коэффициент увеличения энергоемкости**: 2,5–3.

3. **Новая дальность**: 280 × 2,5 = 700 км (нижняя оценка) или 280 × 3 = 840 км (верхняя оценка).

Таким образом, при замене свинцовых АКБ на литий-железо-фосфатные дальность хода подводной лодки типа «Готланд» в подводном положении на АКБ может увеличиться в среднем до **700–850 км** на скорости 5 узлов.

1. 1. 1. Дополнительные факторы

- **Влияние на ВНЭУ**: Дальность хода на ВНЭУ (двигатели Стирлинга) не изменится, так как она зависит от запаса жидкого кислорода и топлива для ВНЭУ, а не от АКБ. Однако общее время автономности может увеличиться за счет более эффективного использования энергии АКБ. - **Уменьшение веса**: Если вместо увеличения дальности будет принято решение снизить массу батарей при сохранении исходной энергоемкости, это может улучшить другие характеристики лодки, такие как маневренность или грузоподъемность. - **Тепловыделение и безопасность**: LiFePO4 батареи имеют меньшее тепловыделение и более высокую термическую стабильность, что важно для эксплуатации в условиях подводной лодки. - **Стоимость и сложность интеграции**: Замена АКБ потребует значительных изменений в системе управления энергопотреблением, охлаждения и безопасности, что может увеличить стоимость модернизации.

= Сценарий 2: Замена свинцовых АКБ на LiFePO4 с демонтажем дизелей и топливных баков=

1. 1. 1. Исходные данные

- **Вес дизелей и топливных баков**: точные данные засекречены, но для лодок такого класса масса дизель-генераторов оценивается в 50–70 тонн, а масса топлива (дизельного топлива и жидкого кислорода для ВНЭУ) — в 100–150 тонн. Общий вес удаляемого оборудования может составлять около 150–220 тонн. - **Объем, занимаемый оборудованием**: дизели, топливные баки и связанные системы занимают значительный объем внутри лодки, который можно использовать для установки дополнительных LiFePO4 батарей.

1. 1. 1. Расчет дополнительной энергоемкости

Если освободившееся пространство и вес заполнить LiFePO4 батареями, можно значительно увеличить запас энергии. Для расчета предположим, что масса добавленных батарей составит 150–200 тонн (с учетом необходимости сохранения балансировки лодки).

1. **Энергоемкость добавленных батарей**:

• Удельная энергоемкость LiFePO4: 90–120 Вт·ч/кг.
• Масса добавленных батарей: 150–200 тонн (150 000–200 000 кг).
• Запас энергии: 150 000 × 90 = 13,5 МВт·ч (нижняя оценка) или 200 000 × 120 = 24 МВт·ч (верхняя оценка).

2. **Общий запас энергии**:

  - Исходный запас энергии свинцовых АКБ: предположим, что масса свинцовых АКБ составляет 150 тонн с удельной энергоемкостью 40 Вт·ч/кг, что дает 150 000 × 40 = 6 МВт·ч.
  - Новый запас энергии с LiFePO4 (без дизелей): 6 × 2,5 (замена свинцовых) + 13,5 (добавленные батареи) = 28,5 МВт·ч (нижняя оценка) или 6 × 3 + 24 = 42 МВт·ч (верхняя оценка).

3. **Увеличение дальности**:

  - Исходная дальность на АКБ: 280 км/150 миль.
  - Коэффициент увеличения запаса энергии: 28,5 ÷ 6 ≈ 4,75 (нижняя оценка) или 42 ÷ 6 ≈ 7 (верхняя оценка).
  - Новая дальность: 150 × 4,75 ≈ 712 морских миль (нижняя оценка) или 150 × 7 ≈ 1050 морских миль (верхняя оценка).

Таким образом, при замене свинцовых АКБ на LiFePO4 и демонтаже дизелей с топливными баками дальность хода подводной лодки типа «Готланд» в подводном положении может увеличиться в среднем до **712–1050 морских миль** на скорости 5 узлов.

1. 1. 1. Ограничения и недостатки

- **Потеря ВНЭУ**: Демонтаж дизелей и топливных баков приведет к полной утрате возможности использования двигателей Стирлинга, что значительно снизит общую автономность лодки. В исходной конфигурации «Готланд» может находиться в море до 14 дней благодаря ВНЭУ, а без дизелей и топлива лодка станет полностью зависимой от батарей, что ограничит время автономности одним зарядом АКБ. - **Снижение надводной дальности**: Без дизелей лодка потеряет возможность движения в надводном положении на большие расстояния, что может ограничить ее оперативное использование. - **Сложность перепроектирования**: Удаление дизелей и топливных баков потребует значительных изменений в конструкции лодки, включая системы охлаждения, балансировки и управления энергией, что может быть технически сложным и дорогостоящим. - **Зависимость от инфраструктуры**: Лодка станет полностью зависимой от зарядной станции.