Jak to z tymi bateriami właściwie jest?
Każdy już wie, że 'Dreamlinery’ stoją bo nikt nie wiedział jak poradzić sobie z problemami jakie sprawiły akumulatory w maszynie Boeinga. Konkurent, Airbus, postanowił wrócić do sprawdzonej metody. W wyścigu pomiędzy koncernami o dominację na światowym niebie wciąż aktualne jest pytanie: co z nową technologią lotniczych baterii?
Być może kłopoty Boeinga dobiegają końca. Być może wkrótce Dreamlinery znów wzniosą się w powietrze. Być może zatrą zszarganą opinię. Być może… Wciąż jednak nie wiadomo co się właściwie stało z akumulatorami. Co prawda amerykański producent krzyczy – mamy już rozwiązanie – to jednak samoloty wciąż stoją, a ich właściciele zwiększają strarty. Pierwszy europejski przewoźnik z najnowszymi liniowcami marzeń, nasz rodzimy LOT, już zapowiedział, że z planowanej siatki połączeń wytnie Dreamlinery na pewno do końca października br. Czy termin będzie dotrzymany równie tak samo jak dostawy nowych maszyn? Wkrótce mamy się o tym przekonać…
Dziś faktem jest to, że Boeingi 787 'Dreamliner’ mają poważne problemy z akumulatorami. Koniecznie trzeba podkreślić, że są to pierwsze samoloty, w których zastosowano lżejsze rozwiązanie – baterie litowo-jonowe. To właśnie one są przyczyną całego zamieszania. Ich powtarzające się pożary skłoniły amerykańską Federalną Agencję Lotnictwa (FAA) do podjęcia drastycznych kroków – zakazu lotów tych maszyn. W ślad za Amerykanami postąpili Europejczycy, a za nimi reszta świata. 50 nowiutkich samolotów zostało na płytach lotnisk.
Co to są te akumulatory i do czego służą baterie? Akumulator służy do przechowywania energii elektrycznej. To właśnie energia elektryczna była potrzebna do zasilania statku powietrznego podczas lotu właściwie od zawsze – od czasów pierwszych, pionierskich prób braci Wright. Bracia Orville i Wilbur Wright zastosowali iskrę elektryczną do zapłonu mieszanki gazu i powietrza we wnętrzu silnika spalinowego, który uniósł ich statek powietrzny Wright Flyer ponad powierzchnię ziemi i zapewnił im miejsce na kartach historii. Od czasów braci Wright samoloty stawały się coraz bardziej złożone i cechowały je coraz wyższe wymagania pod względem osiąganych parametrów, zatem konieczne było stosowanie coraz bardziej zaawansowanych układów elektrycznych – akumulatory stanowią ich integralną część.
Aby móc docenić znaczenie akumulatorów w układzie elektrycznym Dreamlinera 787, należy wpierw poznać ich zasadę działania. W swojej najprostszej formie akumulatory składają się z trzech elementów: dwóch elektrod, dodatniej i ujemnej (ich części na zewnątrz akumulatora nazywamy zaciskami) oraz elektrolitu. Po podłączeniu zacisków do odbiornika zewnętrznego reakcja chemiczna powoduje ruch elektronów, czyli prąd elektryczny. Do czynników branych pod uwagę w celu określenia ilości wytwarzanego prądu elektrycznego należy rodzaj odbiorników w danym układzie oraz rodzaj akumulatora. Proces można porównać z systemem wodociągowym w budynku mieszkalnym – zbiornik służy do magazynowania wody (energia w akumulatorze), siła wypychająca wodę z kranu to ciśnienie (napięcie), a przekrój rury decyduje o ilości wypływającej wody (prąd elektryczny).
Dwa główne akumulatory na pokładzie modelu 787 magazynują bardzo duże ilości energii – 65 amperogodzin przy napięciu 32,2 woltów, czyli ponad 2 000 watogodzin energii elektrycznej. Dla porównania weźmy akumulator samochodowy. Jeśli dostarcza on 80 amperogodzin energii elektrycznej, to układ potrzebuje do prawidłowego funkcjonowania jedynie jednego ampera, czyli samochód może działać na akumulatorze przez 80 godzin. I odwrotnie, jeśli samochód potrzebuje do prawidłowego funkcjonowania 80 amperów, będzie działać przez godzinę. Można wykorzystać każdą kombinację amperów i czasu pod warunkiem, że iloczyn nie wyniesie więcej niż 80. Amperogodziny stanowią pewnego rodzaju uproszczenie – napięcie oraz prąd elektryczny nie „urywają się”nagle w pewnym momencie, lecz zanikają stopniowo wraz z upływem czasu.
Zaletą dzisiejszych zaawansowanych akumulatorów jest to, że są lepiej dostosowane do napięcia i prądu elektrycznego, dzięki czemu zapewniają dłuższe utrzymanie parametrów mocy. Ilość energii elektrycznej, jaką akumulator musi dostarczyć w wyniku zachodzących w nim reakcji chemicznych, zależy od mocy potrzebnej danemu układowi do prawidłowego działania. Określenie mocy zużywanej przez układ elektryczny samolotu stanowi dla kadry inżynierskiej kluczowy element procesu projektowania.
Model 787 posiada dwa akumulatory podstawowe – akumulator dodatkowej jednostki zasilającej APU oraz akumulator główny. Mimo że są identyczne, służą innym celom. Podstawowa funkcja akumulatora APU polega na dostarczeniu mocy do rozruchu APU – niewielkiego silnika turbinowego umieszczonego w ogonie samolotu. Działający silnik APU generuje moc podczas operacji naziemnych oraz do rozruchu czterech generatorów, dwóch przy każdym silniku. Generatory te z kolei służą do rozruchu silników. Silnik APU wraz z akumulatorem stanowią również element wielopoziomowej redundancji, która zapewnia zasilanie w razie bardzo mało prawdopodobnej sytuacji utraty podstawowych źródeł energii. Akumulator APU znajduje się tuż za skrzydłami po prawej stronie, w tylnym przedziale wyposażenia elektrycznego (EE), pod podłogą kabiny głównej.
Na ziemi akumulator główny zasila układy samolotu przed rozruchem silników oraz wspiera operacje naziemne, np. tankowanie. Po włączeniu silników energia elektryczna w samolocie jest dostarczana przez cztery generatory silnikowe, a nie przez akumulator. W czasie lotu, akumulator główny jest dostępny w celu zapewnienia zasilania rezerwowego podczas przechodzenia z jednego źródła energii na drugie oraz w celu zagwarantowania zapasowego źródła mocy dla układów o kluczowym znaczeniu w bardzo mało prawdopodobnym przypadku wystąpienia awarii zasilania. Znajduje się on w przednim przedziale wyposażenia elektronicznego (EE), pod podłogą kabiny głównej, w przedniej części samolotu.
Przełomowe właściwości operacyjne modelu 787 oraz elementy przeznaczone dla pasażerów są zależne od stabilnego i niezawodnego układu elektrycznego. W tym celu kadra inżynierska Boeinga przeprowadziła wnikliwą i rygorystyczną ocenę różnych opcji dotyczących akumulatorów w celu dokonania wyboru urządzeń zapewniających osiąganie określonych parametrów oraz spełniających restrykcyjne standardy bezpieczeństwa wyznaczone przez koncern i organy nadzoru.
W lotnictwie dotychczas stosowało się akumulatory niklowo-kadmowe (elektrody wykonane z zasadowego tlenku niklu i metalicznego kadmu, elektrolit to wodorotlenek potasu). We wczesnych dotychczasowych modelach komercyjnych samolotów, np. 777, 747 oraz MD-11, to właśnie je stosowano. Pomimo swoich zalet są one ciężkie, duże i mniej wydajne. Jednak amerykańscy inżynierowie postanowili zastosować rozwiązanie litowo-jonowe (elektrody zawierające grafit i tlenek litu, elektrolit – sole litowe rozpuszczone w mieszaninie organicznych rozpuszczalników węgla). Posiadają one odpowiednie właściwości chemiczne i funkcjonalność umożliwiającą realizację, wymagających dużych mocy, operacji wykonywanych przez akumulator główny i akumulator APU w modelu 787, do których należy zasilanie systemów i układów podczas postoju oraz rozruch silnika APU.
Akumulatory litowo-jonowe cechują się następującymi zaletami: wyższe napięcie i większe natężenie prądu, zachowanie funkcjonalności akumulatorów niklowo-kadmowych przy ciężarze niższym o 30 procent, kompaktowa konstrukcja – rozmiar średniego akumulatora, samochodowego, zdolność do szybszego ładowania się oraz lepsza jakość zasilania.
Koncern Boeing od wielu lat używa akumulatorów litowo-jonowych do innych celów. Przykładowo, akumulatory używane są z powodzeniem w branży satelitarnej, np. w komercyjnym satelicie telekomunikacyjnym 702, całkowicie uzależnionym od technologii zasilania akumulatorowego. Bliżej nas, akumulatory litowo-jonowe służą do zasilania komputerów osobistych, urządzeń domowych oraz innego sprzętu. Postanowiono rozwiązanie to przenieść do samolotów. Wydawało się to korzystne, co więcej systemy bezpieczeństwa stanowiące integralny element akumulatorów na pokładzie modelu 787 zostały zaprojektowane w taki sposób, aby przeciwdziałać wielu scenariuszom zakłóceń, takim jak przeładowanie, głębokie rozładowanie, wada fabryczna, nierównomierne rozładowywanie cel akumulatora i bardzo niskie temperatury. Spośród powyższych zakłóceń przeładowanie jest potencjalnie najpoważniejszym problemem, w związku z czym zastosowano cztery niezależne systemy ochrony, aby go uniknąć. Dodatkowe poziomy ochrony w samolocie obejmują specjalną obudowę akumulatora oraz odpowiednie rozmieszczenie sprzętu w przedziale wyposażenia elektronicznego w taki sposób, aby wszelkie urządzenia znajdujące się w pobliżu akumulatora były redundantne (rezerwowe) bądź nie były konieczne do kontynuowania lotu.
Wszystko wyglądało bardzo dobrze. Model 787 przeszedł pomyślnie najbardziej rygorystyczny program certyfikacji i testów w historii lotnictwa cywilnego, odbywając ponad 5 000 godzin lotów i taką samą liczbę godzin testowych na ziemi z udziałem floty sześciu samolotów testowych. Samolot spełnia wymagania Federalnej Administracji Lotniczej USA dla samolotów używających akumulatorów litowo-jonowych. Kryteria certyfikacji akumulatorów obejmują wiele poziomów ochrony i elementów projektu zapewniających bezpieczne działanie urządzeń, wbudowany system monitorowania przez załogę samolotu oraz systemy ostrzegania i procedury wspierające bezpieczne działanie i serwisowanie.
W okresie przed styczniem 2013 r. nie doszło do żadnego incydentu z udziałem akumulatorów. W styczniu 2013 r. miały miejsce dwa takie zdarzenia. W sprawie zaistniałych incydentów trwa dochodzenie, które uziemniło wszystkie maszyny tego typu.
Tymczasem europejski konkurent, Airbus, wprowadza plan 'B’ do testowanego właśnie najnowszego samolotu A350XWB. Polega on na nie czekaniu na roztrzygnięcie prowadzonego śledztwa w sprawie nowych akumulatorów i powrocie do sprawdzonej starej technologii. Czy pozwoli to wystarować Airbusowi z nową maszyną jeszcze przed powrotem Dreamlinerów na niebo?
