Энергичная политика

Большое количество солнечных панелей на базе морской пехоты Твентинайн-Палмс в Калифорнии демонстрирует приверженность американских военных альтернативным источникам энергии

Объединяя два и более источника энергии, гибридные энергетические системы все чаще рассматриваются в качестве самого эффективного способа обеспечения спешенных солдат электричеством, которое необходимо для продолжительной работы их электронного оборудования вдали от традиционных источников энергии.

На передовых оперативных базах и более крупных военных объектах на ТВД эти технологии, только в больших масштабах, приобретают всё большую популярность в качестве средства уменьшения зависимости от традиционных дизельных генераторов. Военные США, являясь самым крупным потребителем жидкого органического топлива в мире, работают над сокращением объемов его потребления с тем, чтобы уменьшить свой логистический «хвост» и связанные с этим потери людей и имущества в результате атак на транспортные колонны снабжения. «Военные имеют уникальную точку зрения на возобновляемую энергию; они используют ее не чтобы прослыть «зелеными», а скорее повысить свои возможности и боевую устойчивость, - сказал Фил Робинсон из компании Protonex Technology. - Поэтому вложения в надежные технологии управления энергоснабжением и альтернативную энергию были всегда последовательными и поэтому эффективными. Весьма отлично от гражданской сферы, где инвестиции в альтернативную энергию сильно зависят от цены на нефть».


Питер Подессер из компании SFC Energy, специализирующейся на топливных элементах, отметил, что сложившееся сочетание дизельных генераторов и свинцово-кислотных аккумуляторных батарей представляет собой гибридную (или смешанную) систему, полностью отработанную с технологической точки зрения. Он заметил, что за последние 10 лет был проведен огромный объем опытно-конструкторских работ в области гибридных систем, преимущественно комбинации солнечных и ветровых генераторов, аккумуляторов и топливных элементов, но развертывание их в войсках идет медленными темпами. «К разочарованию потребителей и промышленности этот процесс внедрения занял просто больше времени, чем все ожидали. Но если вы посмотрите на оборонную промышленность, то на практике, как правило, десять лет уходит на внедрение новых технологий».

Частично он связывает это с изменением характера войн, особенно тех, что Запад вел последнее десятилетие. Подобные конфликты, например, возглавляемые США операции в Ираке и Афганистане, характеризовались асимметричными угрозами. С ними регулярно сталкивались отдельные патрульные группы и специальные силы, которым для выполнения задач, так или иначе, необходима энергия. «Структура спроса изменилась, - отметил Подессер. - Автономная энергия - это перспективное направление. Вам, как правило, нет необходимости возвращаться на крупную базу, где энергии в избытке. У вас большое число людей, которые находятся в отрыве от базы многие дни и при этом они должны работать. Развитие автономной энергетики является следствием изменения структуры угрозы».
 

Топливный элемент - это устройство, которое эффективно вырабатывает постоянный ток и тепло из богатого водородом топлива путем электрохимической реакции. Это гораздо более эффективная система по сравнению с двигателями внутреннего сгорания

Военный инкубатор

Хотя военные возглавили развитие гибридных энергетических систем в технологическом плане, но когда речь идет о реализации проектов, то здесь их догнали коммерческие и даже государственные структуры. Джеф Хелм из компании Saft Batteries утверждает, что американская армия и Корпус морской пехоты работают над экспедиционными энергосистемами, которые определили тенденцию гибридизации в этой сфере, но, что касается практической реализации, то их опередили невоенные аварийно-спасательные службы, нефтегазовая отрасль и другие, у кого есть достаточно средств на закупку и большая потребность в мобильных источниках энергии. «Военные - как инкубатор, - заметил Хелм, - технология внутри созрела, а коммерциализацией занимаются другие». Он пояснил, что военные сначала смотрят на гражданский сектор с целью снижения стоимости новых технологий прежде чем внедрить и приспособить их для военных целей. «Крупное финансирование исследований и разработок не всегда переходит в финансирование закупок».

Подессер согласился с ним, отметив, что с 2000 по 2010 год США и Германия много усилий потратили на разработку портативных топливных элементов. Большую часть работ возглавляла рабочая группа НАТО, в которую входит компания SFC, но после прекращения боевых операций Альянса в Афганистане в конце прошлого десятилетия неизбежно последовало снижение темпов работ. «Что касается реальной их эксплуатации, то мы опять возвращаемся к медленному внедрению государственными структурами... Первый этап развития в основном определяется военными затратами, но затем внедрение многих вещей, например, солнечных батарей и топливных элементов, происходит в гражданской сфере».

Самые первые военные потребители новых портативных топливных элементов, например, от компании SFC, как обычно ожидаемы. Прежде всего, это специальные силы и другие специалисты типа передовых авиационных наблюдателей. Эти подразделения, являясь ключевыми элементами вооруженных сил, действуют на переднем краю и выполняют массу специфических задач, зачастую в пешем порядке и в отрыве от основных сил, поэтому им необходимы источники энергии для работы всевозможных систем и оборудования.
 

Передовой авиационный наводчик вызывает непосредственную авиационную поддержку. Прошли те времена, когда единственными средствами были радиостанция, бинокль и карта. Теперь наводчик располагает множеством устройств и всем им необходима электроэнергия

Экспедиционные сложности

«Экспедиционные энергетические технологии должны быть легкими, портативными и достаточно надежными для использования на передовой, при этом они являются самыми с технической точки зрения сложными, - считает Робинсон из Protonex.- Чем больше выдвинута вперед позиция бойца, тем более сложные технические задачи должны быть решены. Сегодня военные принимают на снабжение системы управления энергоснабжением массой менее полкилограмма, их можно носить в солдатском вещмешке. В них зашиты десятки тысяч строк программного кода для автоматической оценки доступных альтернативных и традиционных источников энергии, получения энергии от более эффективного источника, конвертации этой энергии в той форме, которая необходима, и аккумулирования ее в самой емкостном аккумуляторе или другом устройстве. Поскольку эти системы полностью автоматические, то пользователю нет необходимости различать вольты и амперы».
 

Protonex SPM-622 сочетает технологии высокоэффективного преобразования энергии, управления энергоснабжением оборудования и аккумулирования энергии в одном изделии; он способен снабжать энергией от различных источников фактически любое переносное военное оборудование

Среди американских военных, по мнению Хелма, лидирует морская пехота, так как ее экспедиционная суть заставляет всеми способами снижать логистическую нагрузку. В качестве примера он привел программу MEHPS (Mobile Electric Hybrid Power Systems - мобильные гибридные энергетические системы). Являясь одной из нескольких программ Корпуса по энергетическим системам для экспедиционных сил, MEHPS разрабатывается в вариантах «легкий гибридный» и «средний гибридный», включая в свой состав панели солнечных батарей, литий-ионные аккумуляторы и генератор.

Требования к легкой гибридному варианту мощностью пять киловатт включают ограничения по массе отдельных компонентов с тем, чтобы их могли переносить двое или четверо человек. Это генератор AMMPS (Advanced Medium Mobile Power Sources) на пять киловатт и тактический бесшумный генератор TQG (Tactical Quiet Generator) на три киловатта. Система должна быть достаточно легкой и небольшой, чтобы ее можно было перевозить на транспортных средствах разных видов. Американская армия хочет, чтобы этот вариант обеспечивал по меньше мере три часа работы и хотя бы восемь часов в режиме бесшумного наблюдения и расходовал не более 7,5 литров топлива в день. Требования к надежности определяют 500 часов безотказной работы.

Средний гибридный вариант MEHPS может иметь компоненты, на поднятие которых понадобится от 4 до 6 человек, его генератор AMMPS должен обеспечивать не менее 10, а лучше 15 кВт. Система должна входить в легкий прицеп LTT-MCC (Light Tactical Trailer Marine Corps Chassis). Требования к бесшумному наблюдению такие же, от трех до восьми часов, но поскольку он предназначен для снабжения большего числа потребителей, то требования к расходу топлива расширены: пороговая величина составляет 27,2 литра в день, а целевая - 22 литра в день. Программа MEHPS на данный момент находится на этапе разработки и подготовки производства, и по графику первые поставки начнутся в 2018 году. По мнению Хелма, основной задачей при интегрировании системы подобного рода является управление параметрами энергоснабжения, то есть программное обеспечение преобразования и управления энергоснабжением, которое управляет стабилизаторами и инверторами напряжения, отвечающими за преобразование переменного тока в постоянный.

Потребление солнца

Солнечная энергия становится предметом потребления. По мнению Подессера, «Речь действительно идет о возможностях гибких, складывающихся тонкопленочных солнечных энергосистем. Вам необходима их небольшая масса, но ключевым элементом является приспособленность к реальной эксплуатации в неблагоприятных условиях и продолжительность срока службы с тем, чтобы эти системы могли выживать в полевых условиях». Одним из поставщиков таких систем является американская компания PowerFilm. Она была выбрана в марте 2017 года американской армией и компанией Thales на обеспечение контракта по универсальному зарядному устройству аккумуляторов UBC (Universal Battery Charger) стоимостью 49 миллионов долларов. На роль источника энергии была выбрана складная панель солнечной батареи на 120 Вт от PowerFilm. Она подает электрический ток на UBC, которое в свою очередь способно заряжать батареи различного типа, что позволяет отделению или взводу работать как минимум 72 часа без подзарядки аккумуляторов в местах, где нет централизованного энергоснабжения. В компании PowerFilm заявляют, что легкая, надежная и «в высшей степени портативная» солнечная панель легко складывается и входит в солдатский вещевой мешок, во время остановок ее можно быстро разложить для гарантированного обеспечения надежной и безопасной электроэнергией.
 

Зарядное устройство Adaptive Battery Charger от Protonex может использоваться в машинах с напряжением бортовой сети 28 или 12 вольт или в горах с портативной солнечной панелью; оно автоматически адаптирует зарядный ток под доступную подводимую мощность

По поводу батарей Подессер заметил, что высокий уровень развития, обусловленный требованиями к войсковому электрическому транспорту с растущей удельной энергией и мощностью, поднимает некоторые вопросы, касающиеся безопасности. «Некоторым из новых химических соединений, будь то литий-ионные или другие, необходимо уделять большое внимание, поскольку у вас имеется огромное количество энергии и это не должно стать угрозой». С другой стороны, топливные элементы можно сделать меньше, легче и более энергоемкими при минимальном потреблении топлива и минимальной стоимости. Впрочем, реальные преимущества достигаются при правильной комбинации.

Следим за весом

«Аккумуляторы являются превосходным решением, скажем, до 24 часов. Если вы затем объедините батарею с топливным элементом и солнечной панелью, то сможете снизить общую массу системы и при этом увеличить время работы, поскольку, пока солнце светит с достаточной силой, солнечные панели могут быть источником энергии и заряжать аккумуляторы, а топливные элементы будут служить в качестве страховки. ...Гибридизация или комбинация является, конечно же, ключом, который откроет наилучшие перспективы для потребителя, - считает Подессер. - Возьмем силы специальных операций. Прямо сейчас мы можем изъять порядка 80 процентов массы батареи из стандартного снаряжения специальных сил для четырехдневной задачи за счет предоставления интегрированного решения с топливными элементами, литий-ионными аккумуляторами и солнечными панелями, в общей сложности 9 кг веса долой с их плеч». В сложной ситуации дополнительные запасы воды и боеприпасов, взятые с собой взамен сэкономленной массы, могут спасти солдатам жизнь.

Фил Робинсон назвал солнечные батареи, аккумуляторы и топливные элементы естественными партнерами в надежной и эффективной гибридной системе. «За счет добавления аккумуляторов солнечная батарея зачастую может обеспечить круглосуточную работу. Впрочем, чтобы гарантировать бесперебойное энергоснабжение в короткие зимние дни, пасмурную погоду, то есть в условиях недостаточного освещения, комплекты панелей и аккумуляторов становятся чрезмерно большими. При добавлении топливных элементов, необходимых только при отсутствии солнца, солнечные панели и аккумуляторы могут быть подогнаны под средние, а не под экстремальные условия». Также существует проблема возврата инвестиций, когда количество потребляемого топлива выходит за границы того, за что правительства готовы платить в перерасчете доллар за киловатт-час.

Как и в случае со многими новыми технологиями, проблемы унифицированности, совместимости и стандартизации все больше волнуют операторов. «Все хотят универсальные интерфейсы, но не существует стандартов для любой из этих систем, поэтому вы не получите масштабной экономии. С этой точки зрения всё это весьма индивидуально, всё зависит от условий заказчика».
 

Панели солнечных батарей позволяют морским пехотинцам заряжать аккумуляторы во время остановки на марше, тогда как «бионическая» энергосистема в виде наколенного накопителя преобразует движения тела в электрический ток

Эволюция

Джеф Хелм заметил, что солнечные энергосистемы прошли большой путь касательно своей эффективности преобразования солнечного света в электрический ток. Что касается аккумуляторов, в частности литий-ионных типов, то снижение стоимости и увеличение срока службы значительно повысили отдачу от инвестиций в соответствующие технологии, которые становятся всё совершеннее и которыми овладевают всё больше участников рынка.

По мнению Хелма, имея высокую удельную емкость, литиевые батареи незаменимы при создании систем автономного накопления энергии и все чаще объединяются с зарядными системами на базе солнечных элементов, а в некоторых случаях с небольшими ветрогенераторами, роль же резервного средства выполняют небольшие дизельные генераторы. При этом велика конкуренция со стороны технологии топливных элементов. «Многие производители занимаются литий-ионными типами, а также решениями на основе литий-железо-фосфата. Некоторые производители освоили даже выпуск литий-титанат-оксидных аккумуляторов. И еще одно многообещающее направление - никель-марганцево-кобальтовые системы, то есть здесь напрашивается вывод, что технология литий-ионных батарей достаточно отработана. Все производители оттачивают ее для определенных задач. Есть такие аккумуляторы, как например, литий-серные, которые имеют большую удельную зарядовую ёмкость, но небольшое выдаваемое напряжение и очень короткое время жизни (50-60 циклов), но для некоторых задач это может иметь смысл... Литий-воздушные или литий-кислородные системы - это еще одна область, в которой ведутся масштабные исследования, и связано это с их рекордно высокими удельной энергией и емкостью. Эти типы аккумуляторов появятся в следующие пять-десять лет».

Компания Saft выбрала литий-железо-фосфатный состав для своего новейшего аккумулятора 6Т. Он имеет стандартный для США и НАТО форм-фактор; такие аккумуляторы для транспортных средств всё чаще используются для создания военных автономных энергосистем. Хелм заметил по этому поводу, что «это достаточно универсальный аккумулятор по оптимальной цене. Мы потратил уйму времени, чтобы снизить его стоимость».

Унифицированность аккумуляторов транспортных средств и автономных энергосистем облегчает жизнь войскам в полевых условиях. «В любое время вы вытаскиваете аккумуляторы из машины и создаете автономную энергосистему или наоборот», - пояснил Хелм. Что касается стоимости и удельной энергии, то компания Saft совершила рывок не только в чисто технологическом плане, поскольку использовала проверенный коммерческий литий-ион-фосфатный состав для своего нового аккумулятора 6Т. Впрочем, создание стандартного аккумулятора, который мог бы использоваться для самых разных задач, дело действительно нетривиальное. «Если вам необходимо больше киловатт-часов, вы можете соединить несколько батарей параллельно. Он может также заряжаться от бортовой сети транспортного средства, ему не нужно специальное зарядное устройство».

Портативность

Хелм, глядя в будущее, считает, что в следующие пять лет операторам потребуется довольно много коммерческих гибридных энергосистем, адаптированных под требования военных. Всё для того, чтобы сэкономить на топливе, уменьшить объем материально-технического снабжения и снизить риски. «Я полагаю, военные будут закупать готовые коммерческие системы аккумулирования энергии, поскольку они уже разработаны».

Одним из новых продуктов компании SFC является топливный элемент на метаноле Jenny 1200 расчетной мощностью 50 Вт. Картриджи трех стандартных размеров с чистым метанолом позволили значительно снизить массу по сравнению со старыми системами, работающими на смеси метанола и воды. Использование Jenny 1200 для заряда аккумуляторов позволяет снизить нагрузку на солдат, поскольку сокращается количество запасных аккумуляторов, которые они вынуждены носить на себе. Компания также производит топливные элементы на 500 Вт, например, EFOY Pro 12000, а недавно представила систему такой же мощности для техники и спешенных задач, включая снабжение электроэнергией систем наблюдения. «Мы выйдем с военной версией этого изделия в ближайший год», - сказал Подессер.
 

Генератор на топливных элементах Jenny 1200 мощностью 50 Вт позволяет сократить количество носимых запасных аккумуляторов. Заряжание автоматическое бесшумное. Генератор не требует обслуживания и не имеет тепловых демаскирующих признаков

Компания SFC также разработала топливные элементы, которые можно закопать в землю и «оставить» для длительного снабжения необслуживаемых наземных систем, например, сейсмических датчиков и(или) камер, которые можно оставлять без внимания на срок до одного года. Что касается перспектив, Фил Робинсон отметил рост количества умных систем управления энергопотреблением и аккумулирования энергии, которые в настоящее время оцениваются вооруженными силами США. «Поскольку министерство обороны переходит от испытаний к полномасштабным разработкам, рынок для этих технологий будет только расширяться».

Использованы материалы:
www.shephardmedia.com
www.marines.mil
protonex.com
www.sfc.com
www.saftbatteries.com
www.armytimes.com
ru.pinterest.com
www.wikipedia.org
ru.wikipedia.org

Перевод: Alex Alexeev