По удельной энергоемкости литий-ионные аккумуляторы значительно превосходят обычные свинцовые и никель-кадмиевые батареи, однако за это приходится платить повышенным риском их возгорания. Разбираемся, необходимы ли для морских литиевых батарей отдельные стандарты и какой тип аккумуляторов предпочтителен в плане безопасности.
С момента, когда первый катер с работающим от хром-цинковых гальванических элементов Грове электромотором Бориса Якоби прошел против течения Невы с 14 пассажирами на борту, минуло более 180 лет. И сейчас мир вновь увлечен идеями электрификации водного транспорта. Моторы с той поры, конечно, изменились, но вот прогресс в области электрохимических источников тока оказался много существеннее.
В прошлом году нобелевскими лауреатами по химии стали люди, которым мы обязаны созданием литий-ионных аккумуляторов. По заявлению Нобелевского комитета, Джон Гуденаф, Майкл Стэнли Уиттингем и Акира Ёсино «своей работой создали условия для беспроводного общества, свободного от ископаемого топлива, и тем самым принесли человечеству огромную пользу».
Будучи, пожалуй, самым распространенным независимым источником тока, литий-ионные аккумуляторы уже давно перекочевали из портативной техники на транспорт. И если в автомобильной индустрии с ее сравнительно жестким регулированием установлен по крайней мере видимый порядок, то использование батарей этого типа на судах, в особенности прогулочных, пока регламентировано очень слабо.
Одним из основных документов, касающихся использования литиевых батарей на коммерческих судах, является руководство Handbook for Maritime and Offshore Battery Systems, разработанное специалистами регистра DNV GL, тогда как, например, в европейских «яхтенных» стандартах RCD они даже не упомянуты, а все, что касается электрических систем на борту яхт и катеров, умещается в четыре предложения с общими формулировками требований к их безопасности (раздел 5.3). В то время как крупные верфи могут позволить себе привлечь квалифицированных специалистов или подрядить профильных интеграторов батарейных систем, мелкие производители и владельцы, решившие самостоятельно перевести свои лодки на электричество, зачастую действуют по наитию, без достаточных знаний и ресурсов.
Учитывая многообразие представленных на рынке литиевых аккумуляторов и связанные с этой технологией риски, в яхтенной индустрии начинают задаваться вопросом: не пора ли навести порядок с батареями?
«Чтобы четко определить потенциальные опасности и свести их к минимуму, нужны стандарты и разработанные для них тесты, — считает технический журналист Найджел Калдер, выступивший перед аудиторией пространства E-Lab на выставке METS 2019. — Главная их задача в том, чтобы подтвердить безопасность продукта, и при этом неважно, по какой технологии изготовлен аккумулятор: если он прошел испытания и соответствует эксплуатационным показателям, то получает сертификат, будь то ABYC или ISO, для использования в определенной области».
Обратимся к теории. Плотность энергии (на единицу массы) у литиевых батарей в 2–8 раз выше, чем у батарей с водорастворимым электролитом (свинцовых или никель-кадмиевых). Кроме того, в них, как правило, используется горючий электролит, а условия заряда и эксплуатации оказываются весьма далекими от идеальных. Именно поэтому литиевые батареи требуют повышенного внимания на всех этапах — от проектирования систем до их непосредственного использования.
«В физически малом объеме литиевые батареи вмещают много энергии, которую могут очень быстро отдавать, и основная опасность здесь связана с возгоранием, причем горящий аккумулятор очень трудно потушить, — поясняет Найджел Калдер. — Приводящий к пожару внутренний разогрев могут вызывать совершенно разные факторы, включая быструю зарядку. Кроме того, у литиевых батарей намного выше ток короткого замыкания: 10 000–30 000 А против 3000–5000 А у свинцовых аккумуляторов».
Литиевые батареи
Плюсы:
Высокая плотность энергии (80–180 В·ч/кг)
Высокая емкость на протяжении срока эксплуатации
Высокая полезная емкость (20–100%)
Минусы:
Высокая цена за 1 кВт/ч (700–800 евро)
Менее устойчивая «химия»
Сложное многоуровневое управление
Ограниченный спектр применения
Вопросы с утилизацией
Одним из важнейших факторов риска является температура. Вот что на этот счет говорит руководство DNV GL: «Конечный результат перегрева литий-ионных ячеек наступает поэтапно. При температуре около +60 °C начинаются необратимые процессы. При переходе отметки +80 °C ускоряются процессы газообразования, и ячейки в мягких пакетах заметно вздуваются. Все литий-ионные ячейки должны выдерживать нагрев до +130 °C в течение 10 минут, и большинство из них, как правило, уходит в тепловой разгон при достижении +160 °C и более. В этом случае температура продолжает расти без участия внешней энергии, и ячейка может воспламениться».
Литиевые батареи в основной своей массе рассчитаны на работу и хранение при температурах до +60 °C (оптимально +20...30 °C), тогда как, согласно стандартам ISO, в моторном отсеке судна такая температура допустима, а в реальной жизни она, бывает, поднимается и выше, несмотря на систему вентиляции, которая может не справляться с охлаждением в жарком климате. Так, рабочая температура маршевых дизелей лежит в диапазоне +70...90 °C, генератор под нагрузкой может нагреваться до +120 °C, а температурные датчики автоматических систем пожаротушения настроены на +79 °C. Кроме того, к разогреву батарей приводит и быстрый заряд/разряд, поэтому, по словам Найджела Калдера, ни при каких условиях нельзя помещать их в моторный отсек.
Свинцовые батареи
Плюсы:
Устойчивая «химия»
Хорошо изучены
Низкая цена за 1 кВт/ч (около 200 евро)
Легко перерабатывать
Широкий спектр применения
Минусы:
Низкая плотность энергии (40 В·ч/кг)
Потеря емкости со временем из-за сульфатации
Ограниченная полезная емкость (30–80%)
Высокие требования к режимам работы и управления
«Диапазон допустимых для заряда температур лежит в пределах от 0 до +45 °C, — говорит он, — и эти рамки у литий-ионных батарей гораздо более строгие, чем у кислотно-свинцовых, а последствия при выходе за них — опаснее и могут приводить к тепловому разгону. Это быстрый неконтролируемый саморазогрев, при котором “цепная” экзотермическая реакция распространяется от ячейки к ячейке, причем сепараторы не всегда способны остановить этот процесс. Они плавятся, возникает внутреннее короткое замыкание, и электролит может загореться. Если тепловой разгон свинцовых батарей можно остановить, прекратив подачу тока, то для литиевых это не работает».
Чтобы снизить подобные риски на борту, необходимо подбирать ячейки с оптимальной «химией» катодов с наименее горючим электролитом, монтировать их в негорючие корпуса, грамотно размещать, обеспечивая рекомендованный температурный режим, и оборудовать адекватные системы пожаротушения.
«Когда разработают эффективные литиевые аккумуляторы с негорючим электролитом, 90% всех проблем с их безопасностью сойдет на нет, — говорит Найджел Калдер. — Сейчас на лодках в основном используют литий-железо-фосфатные аккумуляторы с диапазоном рабочих температур от –30 °C до +55 °C. При тепловом разгоне они не могут выделять достаточно тепла для самовозгорания, однако без хорошей системы управления они, на мой взгляд, опаснее, чем литий-никель-марганец-кобальтовые, которые ставит, например, Torqeedo. Не стоит забывать, что в автомобилях предусмотрены активные системы термостатирования батарей, тогда как на яхтах они, по всей видимости, вообще не встречаются».
Здесь следует вспомнить типы и устройство литиевых аккумуляторов. Доступные на рынке батареи в целом весьма похожи: их аноды выполнены из углерода, в частности графита, а электролит представляет собой раствор соли лития в смеси карбонатов и эфиров. На безопасность, живучесть и эксплуатационные свойства батарей во многом влияет качество этих компонентов и соблюдение производственного процесса, однако их главные рабочие параметры (удельную энергоемкость, напряжение) и цену определяет химический состав катода.
Литий-кобальтовые аккумуляторы (LCO) обладают сравнительно высокой плотностью энергии, однако у них относительно низкая удельная мощность, короткий срок службы и растущее со временем сопротивление. Оксид кобальта при повышенных температурах легко теряет кислород, что приводит к самовозгоранию и тепловому разгону. В связи с этим такие батареи часто используют в потребительской электронике со сроком службы около трех лет.
Литиевые аккумуляторы с марганцевой шпинелью (LMO) обладают высокой термической стабильностью и низким сопротивлением, однако по сравнению с LCO-батареями у них значительно (на треть) ниже плотность энергии. Срок службы у них также невелик, особенно при высоких температурах.
Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные аккумуляторы (NCM или NMC) представляют собой одну из самых востребованных сейчас разработок: они прочно обосновались там, где нужны крупные батареи, и постепенно вытесняют LCO-аккумуляторы в потребительской электронике. Их отличает высокая удельная энергоемкость, хорошая общая производительность и низкий уровень самонагрева. Кроме того, их можно оптимизировать под мощность или емкость, поэтому в настоящее время NMC-аккумуляторы являются предпочтительным выбором для использования на транспорте.
Литий-железо-фосфатные аккумуляторы (LFP) по структуре существенно отличаются от других типов. Одно из их преимуществ — отсутствие источника кислорода в катоде, а значит, меньший риск масштабного теплового разгона. Кроме того, они более устойчивы к изменениям температуры, обладают длительным сроком службы и толерантны к неправильной эксплуатации. Однако у них умеренная плотность энергии и довольно высокий уровень саморазряда.
Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные аккумуляторы (NCA) похожи на NMC-батареи в плане высокой удельной энергоемкости, мощности и срока службы, но весьма дороги и менее безопасны. Наконец, литий-титанатные аккумуляторы (LTO) при сравнительно высокой плотности энергии могут работать при температурах до –30 °C, отличаются очень высоким ресурсом и надежностью, но их главный недостаток — низкое по сравнению с другими типами батарей напряжение.
Чтобы не допустить перенапряжения/перезаряда и недонапряжения/переразряда на отдельных ячейках, перегрева ячеек и всей батареи, а также для отслеживания возможного скрытого производственного брака предусмотрены системы управления батареями (Battery Management System, BMS). Это один из самых сложных и дорогих элементов, который необходимо проектировать под конкретные, в нашем случае — морские, условия, причем желательно с дублированием защитных функций. Важно понимать, что BMS не спасают от опасных внешних воздействий, в числе которых нагрев, вибрация, проколы, удары, чрезмерный крен, ошибки в установке, повышенное сопротивление на контактах (никакой нержавейки, только медь!), коррозия во влажной соленой атмосфере, прямое действие воды, деградация пластикового корпуса. Словом, нюансов много, и, например, известен случай, когда литиевая батарея ушла в тепловой разгон потому, что рядом с ней проходил кабель с перегрузкой по току. Кроме того, стандартная защитная мера BMS — отключение батареи — может вызвать перенапряжение в бортовой сети и полностью оставить лодку без электричества.
«Управление литиевыми батареями осуществляется на трех уровнях, — рассказывает Кен Уиттамор, управляющий директор Triskel Marine. — На уровне ячейки электроника следит за тем, чтобы та находилась в балансе с соседними; на уровне блока она отключает батарею, если с той что-то не так, а на уровне системы контролирует заряд/разряд и выключает ее, если достигнуты заданные пределы. На первом и втором уровнях все происходит без участия пользователя, а на третьем ему поступают уведомления. Если BMS правильно спроектировать и настроить, то хранение энергии в литиевых батареях будет не опаснее хранения на борту бытового газа или бензина».
Таким образом, мы снова приходим к тому, что для морских литиевых аккумуляторов, которые правильнее рассматривать не как отдельные батареи, а как единые системы вкупе с BMS, необходимы собственные стандарты, учитывающие особенности эксплуатации на судах с ее анархией в плане проектирования, установки и рабочих циклов батарей.
«Пока их нет, все ориентируются на общие стандарты IEC62133 и UN38.3 из-за требований к перевозке литиевых батарей, — говорит Найджел Калдер. — В автомобильной индустрии с ее серийностью производители имеют полный контроль над проектированием и установкой аккумуляторов, тогда как верфи тесно сотрудничают с производителями/интеграторами батарей крайне редко, а владельцы яхт вообще делают все, что им вздумается: переставляют аккумуляторы, меняют зарядные устройства и т. д. Кроме того, в автомобилях реализована интеграция с облачными сервисами для контроля состояния батарей в режиме реального времени с привлечением машинного обучения. К тому же нам с этого рынка, который буквально выгребают производители автомобилей, достаются крошки, то есть остатки аккумуляторов не самого лучшего качества. Чтобы обеспечить безопасное использование батарей на яхтах, нам не нужно заново изобретать колесо: достаточно просто найти опорную точку в существующих стандартах и адаптировать их под морские батареи. И этот процесс уже начался в ISO».
Как обстоит ситуация в России? По словам Михаила Тимофеева из компании «НПК Промсвязьавтоматика», где, помимо прочего, проектируют и производят электрические суда, батарейные и пропульсивные системы, Морской и Речной регистры требуют, чтобы используемые на борту батареи были сертифицированы. Для этого существуют аккредитованные лаборатории, где проводят необходимые проверки, за которыми следуют функциональные испытания. В свою очередь, Технический регламент Таможенного союза о безопасности маломерных судов не содержит каких-либо предписаний насчет типов используемых аккумуляторных батарей и BMS, ограничиваясь лишь общим требованием к электрическому оборудованию, которое «не должно являться источником вредных излучений и выделений токсичных веществ».
Похоже, что до тех пор, пока доля электрических и гибридных лодок в общей массе прогулочных судов не достигнет определенного критического значения или государства не введут обязательную стандартизацию систем с литиевыми батареями для всех видов транспорта, электрификация маломерного флота продолжится в формате DIY.
Впрочем, некоторые специалисты считают, что имеющихся стандартов достаточно. «Если аккумулятор имеет сертификат UN38.3 и соответствует ГОСТам по использованию в электромобилях, то, исходя из своего опыта, считаю, что его можно использовать где угодно», — говорит Павел Новиков, заместитель директора ENV New Energy Technology Research Institute. Эта китайская научно-производственная компания совместно с группой ученых из Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого разработала и производит «умные» и безопасные литиевые аккумуляторы с негорючим сухим электролитом.
«Большинство производимых в Китае батарей сейчас забирают автомобили, на втором месте стоят системы хранения энергии, на третьем — медицинские приборы и оборудование для горнодобывающей промышленности, — рассказывает Ван Циншен, основатель и генеральный директор ENV. — Производителей у нас очень много, но почти все они делают батареи с горючим жидким электролитом, тогда как мы создали безопасные аккумуляторы с катодным материалом на базе NCM с добавками твердого электролита и сквозными добавками особых полимеров, которые при аварийных режимах работы предотвращают возгорание. Плотность энергии у них составляет 180 В∙ч/кг (чуть ниже, чем у NCM, и почти в два раза выше, чем у LFP), но главное, в них нет жидкости в свободной форме благодаря сквозному добавлению полимеров в катод, анод, сепаратор и электролит. Из-за этого они устойчивы к механическим воздействиям. Если разгерметизировать оболочку заряженной ячейки, скажем, проткнуть или разрезать, она не загорится и не взорвется. При критическом перезаряде ячейки ENV нагреваются примерно до +100 °C, немного вздуваются и могут дымить, но не воспламеняются».
Инновационные аккумуляторы ENV работают при температурах от –40 до +75 °C и выдерживают более 1500 циклов заряда. Технологии их изготовления уже отработаны, запущено опытно-промышленное производство, а коммерциализация продукта и вывод его на мировой рынок упираются лишь в инвестиции. Цена таких батарей с сухим электролитом составляет около 1000 евро за киловатт-час, и, по словам Павла Новикова, сейчас ENV ведет разработки в области новых катодных материалов на базе соединения Li2FeSiO4, нацеленные в том числе на снижение себестоимости ячеек.
Хотя тема стоимости литиевых батарей требует отдельной публикации, тут стоит отметить, что, по оценкам компании MAN, около 40% стоимости батарейных систем приходится на BMS. Таким образом, возможное снижение цены литий-ионных ячеек на 75% в будущем приведет к снижению цены систем всего на треть. Но и здесь есть нюансы. «В обычном случае слабым звеном батареи выступает ее ячейка с самой низкой емкостью, — поясняет Павел Новиков. — Из-за нее все остальные ячейки будут работать с такой же низкой емкостью, а BMS помогает обойти это ограничение, — добавляет он. — Однако если использовать умные батареи, где соседние ячейки всегда близки по напряжению, то роль BMS cтановится уже не столь существенной, ведь им необходимо контролировать лишь верхнюю и нижнюю границы общего напряжения аккумулятора».
