מקור האנרגיה האולטימטיבי
שדה הקרב הוא סביבה דינמית, ועל כן בצה"ל פועלים למצוא דרכים להפעלת מכשירים נישאים בשדה הקרב
הגנה לישראל
| 19/05/2011
מערכת טעינה נגררת
שדה הקרב הוא סביבה דינמית בה לא ניתן לסמוך על טעינה מרשת חשמל, ולכן פותחו מגוון אמצעי טעינה ניידים כמו גנרטורים מושתקים נישאים על ידי חייל או ברכב ייעודי, טעינה סולארית, תאי דלק מסוג SOFC וטעינה על ידי סוללות חד פעמיות מסוג אבץ אוויר.
צה"ל מקיים כמה מאמצי פיתוח בתחומים אלה, בהשתתפות חברות ישראליות, המחפשות אחר פתרונות ייחודים בנושא. הרקע למאמץ הנרחב הוא העובדה, שהחייל בשדה הקרב עושה שימוש באפליקציות ניידות רבות לצרכי תקשורת, נייווט, אמצעי ראיית לילה, אמצעי תצפית, הדמייה תרמית, אמצעי עיקוב וגילוי, מצייני לייזר, גילוי חומרי לחימה כימיים וכלי נשק כגון פצצות וטילי כתף.
שדה הקרב העתידי מורכב יותר ויכלול אפליקציות אלקטרוניות נוספות, בזכות התקדמות הטכנולוגיות הצבאיות. לכן, כיום יותר מתמיד, מקורות האנרגיה הניידים הופכים להיות מרכיב קריטי בהצלחת כל משימה צבאית.
מקור האנרגיה חייב להיות אמין ולספק לחייל עצמאות אנרגטית מלאה, מבלי להעמיס משקל ונפח גדולים מידי שיכבידו על ההתניידות, ויגבילו את כמות אמצעי הלחימה שהחייל נושא.
סוללות חד פעמיות
הדרישות העיקריות ממקורות האנרגיה לשימושים צבאיים צריכות להיות הספק מתאים ופעולה אמינה בכל תנאי הסביבה הקשים בהם מתבצעות המשימות. לשם כך נדרשים צפיפויות אנרגיה גבוהה, לצד משקל ונפח נמוכים, וכן בטיחות מקסימלית, עלויות נמוכות ונוחות לוגיסטית.
סוללות חד פעמיות הן מקור האנרגיה המרכזי ברוב הצבאות בעולם, בזכות צפיפות האנרגיה הגבוהה שלהן, אמינות גבוהה, נוחות שימוש וחיי מדף ארוכים.
חסרונן הוא הצורך בכמויות גדולות של סוללות בשדה הקרב - בעיה לוגיסטית המקטינה את עצמאות הכח הלוחם או לחילופין מגדילה את משקל הסוללות אותן הוא צריך לשאת.
סוללה חד פעמית מדגם BA5590, העושה שימוש בתאים בגודל D, פותחה על ידי הצבא האמריקאי בסוף שנות ה-70 של המאה הקודמת, ונחשבת מאז לסוללה הצבאית הנפוצה ביותר. נעשה בה שימוש ביותר מ-50 אפליקציות צבאיות ברחבי העולם. רוב הסוללות נבנות מתאים בגודל D בטכנולוגית Li-So2, המיוצרים על ידי חברה מערבית אחת בלבד - חברת Saft בארצות הברית ובאירופה.
טכנולוגית Li-So2 נחשבת ותיקה, אמינה ועלותה זולה ביחס לחלופות חד פעמיות אחרות. חסרונה הוא בצפיפות האנרגיה הנמוכה באופן משמעותי ביחס לטכנולוגיות המתחרות מסוג Li-Mno2 ו- Li-CFx . העלות הממוצעת של סוללה היא כמאה דולר, וכוללת כ-30 דולר מרכיב של סילוק הסוללות.
.jpg "מטען לסוללות צבאיות")
הצבא האמריקאי הוביל לפני כ-10-15 שנים מהלך של הכנסת טכנולוגיית סוללות מתקדמת יותר, העושה שימוש בתאים מסוג Li-Mno2, שמיוצרים עלידי חברות Saft, Ultralife ו- Eagle Picher מארה"ב, בעלות קיבול הגבוה מטכנולוגיית Li-So2. מהלך זה בוצע על מנת להאריך את זמן המשימה, ולהשיג את הקטנת משקל הסוללות והקטנה לוגיסטית של משק הסוללות החד פעמיות, על ידי שימוש בסוללות בעלות צפיפות אנרגיה גבוהה יותר תוך גיוון מקורות הייצור והרכש. מהלך זה הצליח חלקית בגלל העלות הגבוהה יותר של סוללות Li-Mno2 , בהשוואה לסוללות Li-So2.
הצבא האמריקאי ממשיך להוביל מהלכים של הוזלת העלות של סוללות Li-Mno2 יחד עם תמיכה בפיתוח דור העתיד הבא של הסוללות החד פעמיות מטכנולוגית Li-CFx, בעלות צפיפות אנרגיה גבוהה במיוחד. פיתוח סוללות Li-CFx נעשה בתמיכת משרד הביטחון האמריקאי עלידי החברות Saft, Eagle Picher, Spectrum Brands, Quallion, Contour, Ultralife.
עד עתה, אף אחת מהחברות לא הצליחה להשלים את הפיתוח ולהגיע לייצור סידרתי בעלויות זולות. עלויות התאים של אב טיפוס מסוג Li-CFx בייצור ידני הן בסביבות 250 דולר ומעלה לתא, בעיקר בגלל מחיר חומר הפלואור בתאים.
חברת Eagle Picher פיתחה תא Li-CFx בגודל D במשקל 63 גרם, העושה שימוש במיכל אלומיניום לעומת תאים עם מכלי פלדה אצל כל המפתחים האחרים. המיכלים שוקלים 80 גרם ומעלה – מדובר ביתרון משקלי משמעותי שיוכל להקטין את משקל הסוללות שהחייל נושא עימו.
חברת Contour הינה היחידה שפיתחה טכנולוגיה מסוג Li-CFx העושה שימוש בחומרים זולים משמעותית מהמתחרים, דבר שיקנה לה יתרון אם תצליח להתגיע לייצור סידרתי. חברות Saft ו- Ultralife מפתחות תאים היברידים Li-Mno2/Li-CFx שביצועיהם נמוכים במעט מטכנולוגית Li-CFx אך מקנים ייתרון בעלות חומרי גלם זולה יותר.
סוללות צבאיות נטענות
על מנת להתמודד עם החסרונות הלוגיסטיים של הסוללות החד פעמיות, רוב הצבאות בעולם התחילו לעבור לשימוש בסוללות נטענות לאימונים וזמן לוחמה, ובמקביל נשמרות סוללות חד פעמיות נוספות לשימוש רק בזמן לוחמה.
צה"ל עושה שימוש נרחב במכשירי קשר מתוצרת אלביט מערכות, אליהן הותאמו סוללות נטענות ומטענים המיוצרים בישראל. הסוללות הנטענות מסוגלות לספק הספק גבוה יותר מאשר הסוללות החד פעמיות, ולכן מתאימות יותר גם לאפלקציות חדשות הצורכות הספקים גבוהים.
כאשר מדובר בסוללות נטענות, יש לקחת בחשבון את נושא המטענים היות ומדובר במערכת משולבת הכוללת סוללה ומטען. המעבר לשימוש בסוללות נטענות נעשה בצורה איטית, שכן שטעינה בשדה הקרב מציבה קושי לוגיסטי שיש להתמודד איתו. כאשר מדובר בסוללות נטענות, הטכנולוגיה של תאי ליטיון יון הינה ברירת המחדל היחידה, בזכות צפיפות האנרגיה הגבוהה שלהם בהשוואה לכל טכנולוגיה נטענת אחרת.
קיימות שתי תפיסות לגבי סוג תאי הליטיום מהן מורכבות הסוללות – תאים בגודל D מתוצרת חברת Saft ארה"ב או שימוש בתאי 18650 מתוצרת Panasonic, Sanyo, Samsung המיוצרים בייצור המוני עבור אפליקציות מסחריות כגון מחשבים נישאים.
הבחירה בצה"ל היא בתאי 18650 בשל צפיפות אנרגיה כפולה ושימור אנרגיה טוב יותר בטמפרטורות אחסון גבוהות, אמינות, ועלות זולה יחסית למרות עלות מרכיב הסוללות היקר יותר ביחס לשימוש בתאים בגודל D. תפיסה זו מקובלת גם ברוב הצבאות אחרים בעולם. החלק הגדול של ייצור הסוללות והמטענים עבור צה"ל נעשה בחברת אפסילור וחלק אחר אצל חברות ישראליות נוספות.
.jpg "מערכת טעינה סולארית")
התחזית: שילוב סוגי סוללות
תאי ליטיום יון בגודל 18650 שנמצאים בשימוש כיום, הינם בקיבולים של 2.6 עד 3 אמפר שעה, עם צפיפות אנרגיה של 220-240 וואט שעה. עד תום שנת 2013 צפויים להיכנס לשוק תאים נטענים מסוג 18650 בטכנולוגית ליטיום יון עם אנודת סיליקון בקיבול של 3.4 עד 4 אמפר שעה מתוצרת חברות Panasonic, Samsung, Sanyo, LG Chen, American Lithium, המפתחות את הטכנולוגיה.
כיום קיים כבר תא אחד עם אנודת סיליקון, המיוצר בייצור סידרתי על ידי חברת Panasonic בגודל 18650 עם קיבול של 3.1 אמפר שעה. בארץ, בוצעו בדיקות מעבדה מוצלחות לאבי טיפוס של תאי 18650 מתוצרת חברת American Lithium עם קיבול אופטימלי של 3.8 אמפר שעה ועם צפיפות אנרגיה של כ-280 וואט שעה לקילוגרם, שפותחו עבור משרד הביטחון האמריקאי. תאים אלו עדיין נמצאים בפיתוח, מספר המחזורים שלהם מוגבל, אך הם מהווים כבר כיום פתרון ייחודי מסוגו בעל צפיפות אנרגיה נטענת הגבוהה ביותר הקיימת עבור אפליקציות צבאיות למטרות איכות.
כל מערכת נטענת מחייבת טעינה, ולשם כך פותחו מטענים צבאיים מוקשחים התומכים בסוללות נטענות מדגמים שונים, ומקבלים כניסות מתח חילופין וישר כולל תמיכה בטעינה של מספר סוללות במקביל.
צה"ל עושה שימוש בעיקר במטען אוניברסלי ומטען 2716 שפותחו במיוחד על פי מפרט דרישות של צה"ל. התחזית היא שבעתיד הקרוב והבינוני ייכנסו לתחום הצבאי סוללות חד פעמיות מטכנולוגית Li-CFx, סוללות נטענות מסוג Li-Ion Silicon ותאי דלק יחד עם מטענים ניידים עם מקורות אנרגיה, סולאריים, מתכת אוויר וגנרטורים מושתקים.
שימוש בסוללות נטענות לתקופת שלום, במקביל לסוללות חד פעמיות בשדה הקרב, הוא בחירה הגיונית על מנת להקטין את עלויות משק האנרגיה, ולכן ממשיכה המגמה של מעבר לסוללות נטענות. צה"ל אימץ מגמה זו תוך מעקב הדוק אחר ההתפתחויות הטכנולוגיות בעולם והתאמתן לצרכיו המשתנים.
***
אינג’ שמואל דה-לאון הוא בעל חברת ידע וייעוץ בתחום מקורות האנרגיה Shmuel De-Leon Energy Ltd. בעל תארי מהנדס מכונות מטעם אוניברסיטת ת"א, תואר שני מהטכניון למדעים באבטחת איכות ואמינות וטכנאי אלקטרוניקה. מזה יותר משני עשורים עוסק בתחום מקורות האנרגיה ליישומים במגזר הביטחוני. שמואל דה-לאון – [email protected].
תמונות:
- מטען לסוללות צבאיות
- מערכת טעינה סולארית
הכתבה פורסמה לראשונה בגיליון הראשון של המגזין ישראל דיפנס-טק
שדה הקרב הוא סביבה דינמית בה לא ניתן לסמוך על טעינה מרשת חשמל, ולכן פותחו מגוון אמצעי טעינה ניידים כמו גנרטורים מושתקים נישאים על ידי חייל או ברכב ייעודי, טעינה סולארית, תאי דלק מסוג SOFC וטעינה על ידי סוללות חד פעמיות מסוג אבץ אוויר.
צה"ל מקיים כמה מאמצי פיתוח בתחומים אלה, בהשתתפות חברות ישראליות, המחפשות אחר פתרונות ייחודים בנושא. הרקע למאמץ הנרחב הוא העובדה, שהחייל בשדה הקרב עושה שימוש באפליקציות ניידות רבות לצרכי תקשורת, נייווט, אמצעי ראיית לילה, אמצעי תצפית, הדמייה תרמית, אמצעי עיקוב וגילוי, מצייני לייזר, גילוי חומרי לחימה כימיים וכלי נשק כגון פצצות וטילי כתף.
שדה הקרב העתידי מורכב יותר ויכלול אפליקציות אלקטרוניות נוספות, בזכות התקדמות הטכנולוגיות הצבאיות. לכן, כיום יותר מתמיד, מקורות האנרגיה הניידים הופכים להיות מרכיב קריטי בהצלחת כל משימה צבאית.
מקור האנרגיה חייב להיות אמין ולספק לחייל עצמאות אנרגטית מלאה, מבלי להעמיס משקל ונפח גדולים מידי שיכבידו על ההתניידות, ויגבילו את כמות אמצעי הלחימה שהחייל נושא.
סוללות חד פעמיות
הדרישות העיקריות ממקורות האנרגיה לשימושים צבאיים צריכות להיות הספק מתאים ופעולה אמינה בכל תנאי הסביבה הקשים בהם מתבצעות המשימות. לשם כך נדרשים צפיפויות אנרגיה גבוהה, לצד משקל ונפח נמוכים, וכן בטיחות מקסימלית, עלויות נמוכות ונוחות לוגיסטית.
סוללות חד פעמיות הן מקור האנרגיה המרכזי ברוב הצבאות בעולם, בזכות צפיפות האנרגיה הגבוהה שלהן, אמינות גבוהה, נוחות שימוש וחיי מדף ארוכים.
חסרונן הוא הצורך בכמויות גדולות של סוללות בשדה הקרב - בעיה לוגיסטית המקטינה את עצמאות הכח הלוחם או לחילופין מגדילה את משקל הסוללות אותן הוא צריך לשאת.
סוללה חד פעמית מדגם BA5590, העושה שימוש בתאים בגודל D, פותחה על ידי הצבא האמריקאי בסוף שנות ה-70 של המאה הקודמת, ונחשבת מאז לסוללה הצבאית הנפוצה ביותר. נעשה בה שימוש ביותר מ-50 אפליקציות צבאיות ברחבי העולם. רוב הסוללות נבנות מתאים בגודל D בטכנולוגית Li-So2, המיוצרים על ידי חברה מערבית אחת בלבד - חברת Saft בארצות הברית ובאירופה.
טכנולוגית Li-So2 נחשבת ותיקה, אמינה ועלותה זולה ביחס לחלופות חד פעמיות אחרות. חסרונה הוא בצפיפות האנרגיה הנמוכה באופן משמעותי ביחס לטכנולוגיות המתחרות מסוג Li-Mno2 ו- Li-CFx . העלות הממוצעת של סוללה היא כמאה דולר, וכוללת כ-30 דולר מרכיב של סילוק הסוללות.
הצבא האמריקאי הוביל לפני כ-10-15 שנים מהלך של הכנסת טכנולוגיית סוללות מתקדמת יותר, העושה שימוש בתאים מסוג Li-Mno2, שמיוצרים עלידי חברות Saft, Ultralife ו- Eagle Picher מארה"ב, בעלות קיבול הגבוה מטכנולוגיית Li-So2. מהלך זה בוצע על מנת להאריך את זמן המשימה, ולהשיג את הקטנת משקל הסוללות והקטנה לוגיסטית של משק הסוללות החד פעמיות, על ידי שימוש בסוללות בעלות צפיפות אנרגיה גבוהה יותר תוך גיוון מקורות הייצור והרכש. מהלך זה הצליח חלקית בגלל העלות הגבוהה יותר של סוללות Li-Mno2 , בהשוואה לסוללות Li-So2.
הצבא האמריקאי ממשיך להוביל מהלכים של הוזלת העלות של סוללות Li-Mno2 יחד עם תמיכה בפיתוח דור העתיד הבא של הסוללות החד פעמיות מטכנולוגית Li-CFx, בעלות צפיפות אנרגיה גבוהה במיוחד. פיתוח סוללות Li-CFx נעשה בתמיכת משרד הביטחון האמריקאי עלידי החברות Saft, Eagle Picher, Spectrum Brands, Quallion, Contour, Ultralife.
עד עתה, אף אחת מהחברות לא הצליחה להשלים את הפיתוח ולהגיע לייצור סידרתי בעלויות זולות. עלויות התאים של אב טיפוס מסוג Li-CFx בייצור ידני הן בסביבות 250 דולר ומעלה לתא, בעיקר בגלל מחיר חומר הפלואור בתאים.
חברת Eagle Picher פיתחה תא Li-CFx בגודל D במשקל 63 גרם, העושה שימוש במיכל אלומיניום לעומת תאים עם מכלי פלדה אצל כל המפתחים האחרים. המיכלים שוקלים 80 גרם ומעלה – מדובר ביתרון משקלי משמעותי שיוכל להקטין את משקל הסוללות שהחייל נושא עימו.
חברת Contour הינה היחידה שפיתחה טכנולוגיה מסוג Li-CFx העושה שימוש בחומרים זולים משמעותית מהמתחרים, דבר שיקנה לה יתרון אם תצליח להתגיע לייצור סידרתי. חברות Saft ו- Ultralife מפתחות תאים היברידים Li-Mno2/Li-CFx שביצועיהם נמוכים במעט מטכנולוגית Li-CFx אך מקנים ייתרון בעלות חומרי גלם זולה יותר.
סוללות צבאיות נטענות
על מנת להתמודד עם החסרונות הלוגיסטיים של הסוללות החד פעמיות, רוב הצבאות בעולם התחילו לעבור לשימוש בסוללות נטענות לאימונים וזמן לוחמה, ובמקביל נשמרות סוללות חד פעמיות נוספות לשימוש רק בזמן לוחמה.
צה"ל עושה שימוש נרחב במכשירי קשר מתוצרת אלביט מערכות, אליהן הותאמו סוללות נטענות ומטענים המיוצרים בישראל. הסוללות הנטענות מסוגלות לספק הספק גבוה יותר מאשר הסוללות החד פעמיות, ולכן מתאימות יותר גם לאפלקציות חדשות הצורכות הספקים גבוהים.
כאשר מדובר בסוללות נטענות, יש לקחת בחשבון את נושא המטענים היות ומדובר במערכת משולבת הכוללת סוללה ומטען. המעבר לשימוש בסוללות נטענות נעשה בצורה איטית, שכן שטעינה בשדה הקרב מציבה קושי לוגיסטי שיש להתמודד איתו. כאשר מדובר בסוללות נטענות, הטכנולוגיה של תאי ליטיון יון הינה ברירת המחדל היחידה, בזכות צפיפות האנרגיה הגבוהה שלהם בהשוואה לכל טכנולוגיה נטענת אחרת.
קיימות שתי תפיסות לגבי סוג תאי הליטיום מהן מורכבות הסוללות – תאים בגודל D מתוצרת חברת Saft ארה"ב או שימוש בתאי 18650 מתוצרת Panasonic, Sanyo, Samsung המיוצרים בייצור המוני עבור אפליקציות מסחריות כגון מחשבים נישאים.
הבחירה בצה"ל היא בתאי 18650 בשל צפיפות אנרגיה כפולה ושימור אנרגיה טוב יותר בטמפרטורות אחסון גבוהות, אמינות, ועלות זולה יחסית למרות עלות מרכיב הסוללות היקר יותר ביחס לשימוש בתאים בגודל D. תפיסה זו מקובלת גם ברוב הצבאות אחרים בעולם. החלק הגדול של ייצור הסוללות והמטענים עבור צה"ל נעשה בחברת אפסילור וחלק אחר אצל חברות ישראליות נוספות.
התחזית: שילוב סוגי סוללות
תאי ליטיום יון בגודל 18650 שנמצאים בשימוש כיום, הינם בקיבולים של 2.6 עד 3 אמפר שעה, עם צפיפות אנרגיה של 220-240 וואט שעה. עד תום שנת 2013 צפויים להיכנס לשוק תאים נטענים מסוג 18650 בטכנולוגית ליטיום יון עם אנודת סיליקון בקיבול של 3.4 עד 4 אמפר שעה מתוצרת חברות Panasonic, Samsung, Sanyo, LG Chen, American Lithium, המפתחות את הטכנולוגיה.
כיום קיים כבר תא אחד עם אנודת סיליקון, המיוצר בייצור סידרתי על ידי חברת Panasonic בגודל 18650 עם קיבול של 3.1 אמפר שעה. בארץ, בוצעו בדיקות מעבדה מוצלחות לאבי טיפוס של תאי 18650 מתוצרת חברת American Lithium עם קיבול אופטימלי של 3.8 אמפר שעה ועם צפיפות אנרגיה של כ-280 וואט שעה לקילוגרם, שפותחו עבור משרד הביטחון האמריקאי. תאים אלו עדיין נמצאים בפיתוח, מספר המחזורים שלהם מוגבל, אך הם מהווים כבר כיום פתרון ייחודי מסוגו בעל צפיפות אנרגיה נטענת הגבוהה ביותר הקיימת עבור אפליקציות צבאיות למטרות איכות.
כל מערכת נטענת מחייבת טעינה, ולשם כך פותחו מטענים צבאיים מוקשחים התומכים בסוללות נטענות מדגמים שונים, ומקבלים כניסות מתח חילופין וישר כולל תמיכה בטעינה של מספר סוללות במקביל.
צה"ל עושה שימוש בעיקר במטען אוניברסלי ומטען 2716 שפותחו במיוחד על פי מפרט דרישות של צה"ל. התחזית היא שבעתיד הקרוב והבינוני ייכנסו לתחום הצבאי סוללות חד פעמיות מטכנולוגית Li-CFx, סוללות נטענות מסוג Li-Ion Silicon ותאי דלק יחד עם מטענים ניידים עם מקורות אנרגיה, סולאריים, מתכת אוויר וגנרטורים מושתקים.
שימוש בסוללות נטענות לתקופת שלום, במקביל לסוללות חד פעמיות בשדה הקרב, הוא בחירה הגיונית על מנת להקטין את עלויות משק האנרגיה, ולכן ממשיכה המגמה של מעבר לסוללות נטענות. צה"ל אימץ מגמה זו תוך מעקב הדוק אחר ההתפתחויות הטכנולוגיות בעולם והתאמתן לצרכיו המשתנים.
***
אינג’ שמואל דה-לאון הוא בעל חברת ידע וייעוץ בתחום מקורות האנרגיה Shmuel De-Leon Energy Ltd. בעל תארי מהנדס מכונות מטעם אוניברסיטת ת"א, תואר שני מהטכניון למדעים באבטחת איכות ואמינות וטכנאי אלקטרוניקה. מזה יותר משני עשורים עוסק בתחום מקורות האנרגיה ליישומים במגזר הביטחוני. שמואל דה-לאון – [email protected].
תמונות:
- מטען לסוללות צבאיות
- מערכת טעינה סולארית
הכתבה פורסמה לראשונה בגיליון הראשון של המגזין ישראל דיפנס-טק
