Batteries au lithium et AIP: la grande révolution de la propulsion sous-marine conventionnelle

Au cours des dernières décennies, nous avons connu une troisième révolution dans les systèmes de propulsion sous-marins, avec de nouveaux systèmes AIP

Si l’on passe en revue l’essai de Narciso Monturiol sur l’art de la navigation sous-marine, on voit que le célèbre inventeur a déjà signalé l’un des grands problèmes du sous-marin, sa propulsion :

    «La résolution du problème de la navigation sous-marine réside dans la construction d’un dispositif capable de plonger, de s’arrêter où il veut, de se déplacer dans toutes les directions, de revenir à la surface et de naviguer en immersion indéfiniment sans être en communication avec l’atmosphère ».

En 1884, Isaac Peral rédigera son premier projet de sous-marin, un sous-marin « à air comprimé » qui, comme les torpilles de l’époque, aurait un moteur 3 cylindres Brotherhood propulsé par un gaz fortement comprimé et liquéfié dans un appareil Raoul et Pietet. En 1885, Peral passa au sous-marin électrique, tout comme Isidoro de Cabanyes et D’Olzinelles.

Un autre précurseur de l’arme sous-marine qui améliorerait l’invention de Peral a été John P. Holland avec l’inclusion d’un moteur à combustion interne et diesel pour charger les batteries. Ce modèle de sous-marin ne changera pratiquement pas avant la Seconde Guerre mondiale, même avec les premiers moteurs anaérobies ou AIP (de Air Independent Propulsion). Plus tard, en 1954, la révolution de la propulsion sous-marine arrivera avec le réacteur nucléaire de l’amiral Hyman G. Rickover et le « Nautilus ».

Au cours des dernières décennies, nous avons connu une troisième révolution dans les systèmes de propulsion sous-marins avec de nouveaux systèmes AIP et des sous-marins conventionnels de plus en plus proches du mythe de Monturiol:

    «Il faut avoir navigué avec la seule aide musculaire pour ressentir le bonheur de posséder la force sous-marine d’un moteur qui, en plus, donne de l’air vital ».

L’Espagne et sa marine ont opté pour le reformeur au bioéthanol et les piles à combustible, où la réaction de H2 et O2 produit de l’électricité. Ce système, d’abord considéré avec beaucoup de méfiance, est similaire à celui que les derniers sous-marins construits en Allemagne adopteront ; on avait opté pour eux, auparavant, un stockage direct de H2 dans leurs réservoirs d’hydrure, ce qui présentait de graves problèmes de corrosion et de sécurité. La Suède, en revanche, continue avec son moteur Stirling, un système qui fonctionne depuis la Seconde Guerre mondiale.

La question que nous nous posons dans cet article est : sommes-nous face au système définitif ? pouvons-nous trouver des améliorations à partir d’une autre approche ? L’irruption des batteries au lithium pourrait représenter la quatrième révolution de la propulsion sous-marine, modifiant profondément les capacités des sous-marins conventionnels. Commençons par passer en revue les systèmes AIP utilisés par les différentes marines du monde.

Systèmes AIP dans le monde.

L’application du système de propulsion AIP par les Allemands à la fin de la Seconde Guerre mondiale est connue de tous, : l’ingénieur Walther a imaginé une turbine entraînée par la vapeur qui était chauffée par la réaction du peroxyde d’hydrogène et de l’eau (Tomasz, 2019). Après la Seconde Guerre mondiale, plusieurs pays, avec plus ou moins de succès, ont mené des recherches et construit des sous-marins dotés de turbines et de moteurs diesel similaires fonctionnant en cycle semi-fermé. Le cas le plus connu sont les fameux HMS Explorer et HMS Excalibur, deux sous-marins expérimentaux de la Royal Navy qui, en raison du risque de peroxyde, furent surnommés Exploder and Exciter.

Dans les dernières années du XXe siècle, avant la chute du mur de Berlin et l’effondrement du pacte de Varsovie, quand il y avait une arme sous-marine russe en service, il y avait un rebond dans la vente de sous-marins et dans la recherche sur les systèmes AIP, tels que le diesel à cycle fermé, le moteur Stirling (un système à pistons à combustion externe) ou le MESMA français (une turbine à vapeur entraînée par la chaleur de la réaction entre l’éthanol et l’oxygène).Ont également débuté des recherches sur les piles à combustible ou Fuel Cell, un système avec différentes variantes, selon la façon dont le H2 nécessaire à la production d’électricité est obtenu (générateurs électriques chimiques, réservoirs d’hydrure ou reformeurs) .

Type : Stirling

Entreprises : Kockums (Suède), Rubin (Russie), Wuhan (Chine)

Observations :  Le moteur Stirling est un moteur thermique à cycle fermé, où un piston est déplacé par un mélange de gaz. Il présente l’avantage supplémentaire de ne pas être basé sur la combustion. La technologie des moteurs Stirling a mûri au cours des dernières années et après des tests réussis sur le sous-marin Nacken, nous pouvons voir des moteurs Stirling de la classe suédoise A19 Gotland, de la classe japonaise Soryu ou de la classe Singapore Archer. Ils sont également utilisés par la Chine pour les projets 039G Song et 041 Yuan. Il a des performances pires que celui remis à neuf, ce qui implique moins d’autonomie.

Type : Mesma

Sociétés : Naval Group (ex DCNS), France

Observations :  Système constitué d’une turbine à vapeur conventionnelle où la vapeur est générée par la combustion d’éthanol et d’oxygène. Cette combustion sous pression produit du dioxyde de carbone qui est expulsé du sous-marin. Utilisé uniquement par la marine pakistanaise.

Type : Pile à combustible (hydrures)

Sociétés : HDW + Siemens (Allemagne) Rubin (Russie)

Observations : C’est l’alternative la plus performante. Les piles à combustible fonctionnent en combinant chimiquement O2 et H2, un oxydant et un combustible, pour produire directement de l’électricité. L’Allemagne a testé avec succès la technologie sur une base d’essai sur le sous-marin U-1 entre 1989 et 1991 et a été exportée dans plus de huit pays. Le plus gros problème avec la solution allemande est le stockage de H2 qui nécessite des réservoirs d’hydrure métallique volumineux et le problème de l’expédition du H2 hautement explosif. La Russie a pour sa part annoncée que la classe Lada serait équipée d’une usine AIP (VNEU en russe), développée par Rubin, baptisée Krystall 27-E. C’est un système qui utilise des générateurs électriques et chimiques pour obtenir du H2, une conception qui a causé de nombreux problèmes. En outre, des travaux ont été menés en parallèle avec le Bureau de génie mécanique maritime de Saint-Pétersbourg Malajit (Malachite). La plupart des experts estiment que la Russie n’a pas été en mesure de développer un système AIP

Type : Pile à combustible (bioéthanol reformé)

Entreprises : Navantia + Abengoa (Espagne)

Observations : Les difficultés logistiques liées au système allemand qui utilise du H2 stocké dans des hydrures métalliques, ont conduit de nombreuses marines à opter pour le traitement du carburant à bord. Navantia et Abengoa, pionniers de cette technique, ont opté pour le bioéthanol, un carburant accessible dans n’importe quel port. La pile à combustible de cette option a été développée par Collins Aerospace, une entreprise très réputée qui travaille pour la NASA. Certaines des principales caractéristiques de ces cellules sont leur grande durabilité, dépassant 9 000 heures, et leur capacité à fonctionner directement avec du gaz reformé sans nécessiter de purification intermédiaire. Le système a été testé avec succès sur un prototype terrestre et accumule des « heures de vol » avant de monter à bord du sous-marin S-83, le troisième sous-marin de la série S-80.

Type : Pile à combustible (réformateur de méthanol)

Entreprises : TKMS + Siemens (Allemagne)

Remarques :  TKMS développe également une technologie de reformage, dans son cas à base de méthanol et est en phase de développement terrestre. Cette option pose le problème de la toxicité du méthanol. Le système utiliserait une pile Siemens standard, SINAVY, une technologie utilisée dans la première génération de sous-marins allemands datant du début du 21e siècle et qui n’est pas aussi efficace ou robuste que ceux de Collins Aerospace. Pour le moment, il n’y a pas de sous-marin en construction où il est prévu d’intégrer cette technologie AIP, se limitant pour l’instant aux systèmes terrestres pour les tests.

Type : Pile à combustible (réformateur d’huile diesel)

Sociétés : Naval Group (France) et Rubin (Russie)

Observations : FC2G AIP est un système en cours de développement qui utilise de l’huile diesel de haute pureté comme base pour le reformage. Il nécessite la production de H2 et N2 de haute pureté comme fluide de travail. Cela implique une plus grande complexité, des servitudes volumétriques et des consommations auxiliaires supplémentaires. La disponibilité de ce carburant, qui n’est pas la même que celle des groupes électrogènes diesel, représente un autre problème logistique. Pour le moment, il n’y a pas de projet de sous-marin en construction où cette technologie AIP sera intégrée, se limitant à une installation d’essai terrestre. On peut dire la même chose du système de réforme Rubin, pour la classe Lada. Selon les déclarations d’Igor V.Vilnit, PDG de Rubin Design Bureau,

Aucun de ces systèmes ne permet d’obtenir un sous-marin totalement indépendant de l’air ; tous ont une autonomie plus ou moins grande en fonction de la capacité fournie par leurs réservoirs de carburant ou de comburant. La plus grande autonomie est donnée par le système espagnol S-80, avec une capacité opérationnelle en immersion pure pour la guerre anti-sous-marine supérieure à trois semaines, le reformeur d’éthanol, et le moins, le système Krystall 27-E de la classe russe Lada

Rappelons que les premiers systèmes de pile à combustible ont été installés sur des sous-marins allemands de classe U-212 pour l’exportation entre 2005 et 2007. L’usine de propulsion sous-marine U-212 combine un système conventionnel composé d’un générateur diesel et d’une batterie au plomb-acide auquel s’ajoute un Système AIP à pile à combustible pour les patrouilles à basse vitesse. Ce système AIP se compose de sept cellules, chacune fournissant entre 30 et 50 kW. L’oxydant est l’O2 liquide qui va dans un réservoir LOX , comme dans la série S-80, et le carburant est H2, contenu dans le réseau cristallin d’hydrure métallique stocké à l’extérieur de la coque résistante en raison du risque supposé (Fiori et al., 2015). La quantité de H2 stockée est limitée par la taille du sous-marin,

Cela a conduit l’Espagne en 2004, début de la conception du S-80 par Navantia, à parier sur le reformeur, un système qui produit du H2 à partir d’un traitement au bioéthanol à haute température, un système que le chantier naval allemand HDW utilisera pour ses nouveaux sous-marins, échangeant du bioéthanol contre du méthanol (Krummrich et Llabres, 2015) ou du groupe naval français, avec du diesel, un autre carburant. Il n’y a toujours pas de navire opérationnel avec ce type de système et son autonomie est basée sur des essais dans des installations d’essais terrestres et calculs d’ingénierie, le plus avancé étant celui de l’Espagne, qui accumule des heures d’essais avant de monter à bord du troisième sous-marin de la série S-80. Ces systèmes, comme les combustions de Stirling et de Mesma, introduisent différents handicaps par rapport à la propulsion électrique pure,

Les nouvelles batteries au lithium et leur utilisation dans les sous-marins

Les batteries plomb-acide sont la norme utilisée dans l’industrie sous-marine depuis que Peral a commencé à tester son sous-marin en 1889. En 1991, Sony a commercialisé la première batterie lithium-ion, utilisant LiCoO2 comme cathode, amorçant ainsi la révolution du lithium. Les batteries au lithium-ion utilisent des composés qui incluent du lithium sur les électrodes positive (cathode) et négative (anode). Lorsque la batterie est chargée / déchargée, des ions lithium (Li +) sont échangés entre ces électrodes. Le matériau utilisé dans l’électrode négative est, dans la plupart des cas, du graphite avec du lithium intercalé, tandis que pour la cathode il y a beaucoup plus d’options, telles que LiFePO4 ou LiMn2O4, chacune présentant des points forts et faibles différents en termes d4énergie stockée, sécurité,

Les batteries lithium-ion (également appelées batteries Li-Ion) sont les plus utilisées dans le monde de l’électronique grand public ; La preuve de sa pertinence a été le prix Nobel de chimie 2019, décerné à Akira Yoshino, M. Stanley Whittingham et John B. Goodenough pour l’invention et le développement de batteries lithium-ion rechargeables. Cela est dû à ses atouts par rapport à d’autres produits chimiques utilisés dans les batteries tels que le plomb acide :

• Plus grande énergie stockée par unité de poids et de volume.
• Moins de dégradation et plus grand nombre de cycles de charge-décharge.
• Capacité de charge rapide élevée et temps de charge courts (4 fois).
• Faible niveau d’auto-décharge (3% par mois contre 10% pour le plomb-acide).
• Faible entretien et éléments scellés.
• Tension moyenne par élément plus élevée (3,5 V vs 2 V en plomb-acide).
• Plus grande capacité utile que le plomb-acide, puisque ce dernier ne doit pas être déchargé en dessous de 40% (sulfatation) et pour récupérer 100% de la charge il faut périodiquement des charges spéciales (traitement).

Outre les diverses applications des batteries lithium-ion dans l’électronique grand public (portable et mobile), il existe également une demande croissante dans les industries de la défense, de l’automobile et de l’aérospatiale. Des exemples d’applications récentes sont les voitures électriques (Tesla Model S, Nissan Leaf), dans l’aviation (Boeing 787 Dreamliner, drones), dans l’industrie spatiale (satellites et véhicules d’exploration) ou en combinaison avec des sources d’énergie renouvelables.

La dernière industrie à avoir rejoint la révolution du lithium a été l’industrie sous-marine . En 2018, le premier sous-marin militaire alimenté par batterie au lithium au monde a été lancé, le 11e sous-marin Oryu de classe Soryu). L’Oryu de 84 mètres de long avec un déplacement d’immersion de 4200 t, a été lancé le 4 octobre 2018 à Kobe, au chantier naval Mitsubishi Heavy Industries, et est désormais opérationnel après avoir terminé ses tests. Tous les éléments ci-dessus comportent le système de moteur standard AIP Stirling, des générateurs diesel et des batteries au plomb-acide. L’Oryu est entré en service le 5 mars 20209. Ce sous-marin est suivi d’un deuxième prototype de la même classe Soryu appelé Toryu, le deuxième sous-marin à transporter du lithium lancé le 6 novembre 2019.

Les deux sous-marins expérimentaux japonais à batterie lithium-ion utilisent des cellules au lithium de GS Yuasa12, un fabricant japonais basé à Kyoto, leader mondial dans la fabrication de batteries. Le Japon a été le premier pays au monde à équiper ses sous-marins de lithium, bien qu’il s’agisse d’un sous-marin d’un déplacement de 4 200 t en immersion, soit 40% de plus que le S-80 espagnol.

La Corée du Sud développe également des batteries lithium-ion qui pourraient doubler la capacité des batteries plomb-acide qui équipent ses sous-marins. Ils n’ont pas encore de sous-marins au lithium opérationnels, mais selon la Defense Acquisition Program Administration (DAPA), ils espèrent en avoir un bientôt, d’ici 5 ans.

Les batteries coréennes seront développées par Samsung en collaboration avec Hanwha Defence  , responsable de l’intégration et de la conception des modules au lithium du sous-marin à construire sur les chantiers navals Daewoo Shipbuilding et Marine Engineering. C’est une évolution des sous-marins de la classe Dosan Ahn Chang-ho , sous-marins équipés du même système de guerre électronique que le S-80 et d’une longueur de 83,5 mètres et d’un déplacement de 3700 tonnes en immersion, qui est 24% plus élevé que le S-80 espagnol.

Les derniers à annoncer le développement des batteries au lithium ont été les Français avec Saft13, un fabricant de batteries filiale de Total. Saft a plus de 90 ans d’expérience dans le domaine des batteries pour sous-marins et torpilles. Saft est postulé comme une référence européenne pour les batteries lithium-ion pour différents sous-marins, collaborant actuellement avec les trois principaux fabricants européens de sous-marins, à savoir Naval Group, TKMS et Navantia.

Selon Saft, sa technologie offre deux avantages principaux, ils peuvent stocker deux fois plus d’énergie que les batteries plomb-acide et, d’autre part, leur fabrication offre une conception modulaire qui peut être ajustée au rapport puissance-énergie requis par le client. et batteries haute puissance pour le secteur des technologies grand public, aux systèmes les plus robustes et les plus grands pour le secteur industriel.

Inconvénients des batteries au lithium.

Le principal inconvénient des batteries lithium-ion est le risque d’incendie ou d’explosion. Nous entendons tous les nouvelles sur les incendies dans les véhicules électriques (Tesla), les avions (Boeing 787 Dreamliner), les téléphones portables (Samsung) ou même les cigarettes électroniques.

Cela peut arriver pour différentes raisons et constitue un risque à prendre en compte à l’intérieur du sous-marin. Les performances, durée de vie et sécurité dépendent en grande partie de la température, la plage d’utilisation optimale étant de 15 à 35 ° C. Lorsque, pour une raison quelconque, la température dépasse 100 ° C, un chiffre qui varie en fonction de la chimie de la batterie, un processus connu sous le nom de « Thermal Runaway » [NDLR : emballement ou fuite thermique] commence, augmentant de façon incontrôlable.

A cette température, certains composants commencent à être instables (principalement l’électrolyte et le séparateur, mais aussi la cathode), à se décomposer et à dégager de la chaleur (réactions secondaires indésirables). Si cette chaleur n’est pas correctement dissipée, la température continue d’augmenter et conduit à un processus en chaîne qui se termine finalement par un incendie ou une explosion, se propageant entre les éléments qui composent la batterie.

Pour réduire le risque de fuite thermique, diverses mesures peuvent être prises, y compris l’utilisation de matériaux plus sûrs tels que des cathodes à base de phosphate de fer : c’est le cas de LiFePO4, l’une des batteries au lithium les plus sûres du marché et une option claire pour embarquement à bord d’un sous-marin malgré une moindre énergie stockée par rapport à d’autres utilisant du lithium métal. La température critique de ces batteries utilisant LiFePO4 est la plus élevée, autour de 246 ° C.

D’autre part, il est nécessaire d’avoir un bon système de refroidissement de ces batteries, ainsi qu’un excellent système de surveillance et de contrôle de charge et de décharge, une autre clé pour éviter le fameux Thermal Runaway ; Il ne faut pas oublier que ce type de batterie équivaut à des milliers d’éléments individuels. 

Dans tous les cas, il convient de noter que la plupart des produits chimiques utilisés dans toute batterie présentent toujours certains risques dont les sous-mariniers sont conscients, tels que le risque d’explosion dû au rejet d’hydrogène des batteries au plomb-acide qui a été emporté par l’avant. de certains sous-marins, comme l’USS Scorpion . On s’attend à ce que dans les prochaines années, cette technologie soit développée et permette son utilisation avec des garanties de sécurité adéquates.

L’avenir des batteries au lithium.

Le secteur travaille au développement d’une batterie d’une densité énergétique de 400 wattheures par kilogramme (Wh / kg), actuellement, la densité énergétique des batteries lithium-ion varie entre 95 Wh / kg et 200 Wh / kg. L’utilisation du soufre est une autre option qui est également envisagée, c’est un élément qui n’est pas en pénurie et qui a un faible coût, atteignant des densités supérieures à 200 Wh / kg. Cette forte capacité a conduit le Centre commun de recherche sur le stockage de l’énergie (JCESR)  à miser sur ce type de batterie. En fait, ces batteries au lithium-soufre devraient représenter près d’un tiers de la demande dans le secteur de l’électronique.

Une autre variante est la batteries lithium-air qui utilise également le lithium comme anode : lorsque la batterie se décharge, le lithium réagit avec l’oxygène, atteignant des densités d’énergie théoriques 10 fois plus élevées que les batteries lithium-ion. Bien qu’avec une durée de vie moindre elle est abandonnée, pour le moment, pour les sous-marins.

Il est également envisagé de remplacer le lithium de la cathode par d’autres éléments, tels que le sodium ou le magnésium, des éléments aux propriétés électroniques similaires au lithium. Compte tenu de leur abondance relative et de leur faible coût, le sodium et le magnésium sont des options très intéressantes pour les futurs développeurs qui cherchent à réduire le coût des batteries

Malgré les risques associés au lithium, les économies associées à son usage peuvent nous conduire à un sous-marin moyen et économique, un sous-marin électrique pur avec des batteries au lithium, un sous-marin très silencieux, plus que le Gotland suédois avec l’AIP Stirling qui déjà ils mettre la marine américaine en échec. Les Russes le savent et c’est pourquoi Igor Vilnit, directeur général des chantiers Rubin l’a déjà avancé en 2013 :

    «Pour les plongeurs, la batterie a toujours été et est toujours un sujet très spécial. Les batteries acides produisent de l’hydrogène. C’est pourquoi il existe des règles strictes pour contrôler son utilisation dans les sous-marins. La batterie Li-Ion, que Rubin a développée, ne présente pas cet inconvénient. Nous avons déjà testé ses éléments en charges courtes, décharge rapide et haute tension. Les résultats de ces tests nous permettent de confirmer que la nouvelle batterie fonctionne bien. Nous ne doutons pas que l’année prochaine, 2014, nous serons en mesure d’achever le développement de la batterie au lithium pour nos sous-marins ».

Nous entrons dans un futur où des essaims de mini drones sous-marins  coexisteront avec de petits sous-marins sans pilote; Avoir une source électrique de grande autonomie, aux bonnes performances et nécessitant peu d’entretien est essentiel.

Conclusions

Les scientifiques recherchent depuis longtemps un moyen d’augmenter la capacité anaérobie des sous-marins, que ce soit avec la propulsion AIP, le nucléaire, ou avec des batteries innovantes de grande capacité qui remplacent les batteries plomb-acide classiques, c’est le rêve de l’homme depuis Narciso Monturiol va nous parler du problème de la navigation sous-marine.

Actuellement, si un sous-marin non nucléaire est prévu avec 15 jours ou plus d’autonomie d’immersion, atteignant même 3 semaines comme le démontre le S-80 AIP, il est nécessaire d’avoir un AIP nouveau. Ce système est celui développé par trois des principaux fabricants de sous-marins, Navantia, TKMS et Naval Group, bien que, seul, le S-80 de Navantia soit t un projet expressément conçu tandis que les autres ne sont que des développements.

Les données dont nous disposons sur le lithium pour les sous-marins, Saft et Hanwha, montrent une batterie de 100 et 200 Wh / kg qui peut permettre de 4 et 8 jours, à basse vitesse. Outre Navantia, la France et l’Allemagne, les principaux exportateurs occidentaux, la Russie, commence à penser au lithium pour sa classe Lada.

Le sous-marin avec des batteries au lithium est déjà une réalité, bien qu’il soit encore à l’état de prototype. Nous n’avons pas de données sur son autonomie et ses performances, ni s’il utilise une batterie lithium-ion, lithium-soufre ou une autre combinaison de matériaux pouvant dépasser 200 Wh / kg. La Corée du Sud rejoindra bientôt ce groupe restreint. Navantia les suit de près, surveille l’évolution de cette technologie et réfléchit aux développements futurs. C’est un secteur en constante évolution et amélioration. L’engagement de Navantia est de combiner le Lithium et l’AIP, pour obtenir les avantages du lithium avec une plus grande autonomie grâce à l’AIP du reformeur au bioéthanol, dans un sous-marin avec un déplacement plus faible.

La supériorité des batteries au lithium sur les batteries plomb-acide en termes d’autonomie, de performances, de temps de charge, de durée de vie et de maintenance rendra bientôt les batteries de nos sous-marins obsolètes. Cependant, le lithium n’est pas exempt d’incertitudes : les risques pour la sécurité (incendie et explosion) ainsi que la grande variété de matériaux utilisés comme anode et cathode, sont encore des questions ouvertes qui nécessitent encore des recherches supplémentaires pour sa mise en œuvre de manière standardisée et en toute sécurité à bord d’un sous-marin. Dans 10 ans, le chiffre de 200 Wh / kg aura été dépassé et nous aurons des sous-marins très compétitifs et bon marché, des sous-marins qui pourront se retrouver dans des pays tiers qui rêvent d’avoir ce type d’armes. Mais il ne faut pas seulement parler de sous-marins « habités », le lithium est un gage de réussite sur le marché des sous-marins autonomes. La marine devrait commencer à songer à un sous-marin de taille moyenne sans pilote avec les capacités de sous-marins conventionnels comme la série S-70.

Article : du Capitaine de Frégate   Augusto CONTE DE LOS RÍOS et l’ingénieur Juan Diego PELEGRÍN GARCÍA

source: elsnorkel