【埋め草ーＭｕｓｅの場合 2016年６月27日号】《Ni-Zn蓄電池が本命のPHV電気自動車 Part V》

【埋め草ーＭｕｓｅの場合　2016年６月27日号】《Ni-Zn蓄電池が本命のPHV電気自動車 Part V》
今回の国際商談では、日本、ドイツ、フランスの３国とも大気独立型推進＝AIP潜水艦を
ベースに、プラスアルファの機能を付加する戦いとなったのでは？
Posting in June 26, 2016
PHV ;Plug-in Hybrid Vehicle
AIP ; Air Independent Propulsion
日本のAIP潜水艦は、スウェーデン海軍開発のスターリング・エンジンを推進機関に採用
して、その高い静粛性によって相手のソナー＝音響受信装置では探知不能?を誇る。
ドイツは、AIP潜水艦として世界各国の海軍に向けて、水素ガスと気化した液体酸素に
よるPEM=Polymer-Electrolyte-Membrane型常温燃料電池が発生する電力で推進力を得る。
水素ガスは液化が困難なため、水素吸蔵合金に貯えて艦内利用を容易にしている。
開発は1980-1986年で、ドイツHDW社/シーメンス社が担当。もう一つの騒音源である
電動モーターはシーメンス社開発のパーマシン・モーターにより、従来の直流モーター
と比べ、重量・容積とも40%近くの低減を実現。しかも、発生騒音も少ないという。
ドイツ海軍は「212A型攻撃型潜水艦　U31」を2005年10月から就役させ、2006年９月
までに合計４隻が就役、さらに2013年に２隻が就役の予定。
そして、イタリア海軍では212A型を合計４隻が就役。また、イスラエル海軍も212A型を
ベースに建造する、とのこと。
ただし、燃料電池の出力は120kW x 2により総出力は240KWであり、日本が採用の
スターリング・エンジンの300kWよりも低いが、水中最高速度は20ktで日本と同じ
数字を公表する[*1]。
一方、フランスのAIP潜水艦は、輸出用潜水艦「スコルペン級攻撃型潜水艦」のオプション・
エンジン搭載として位置付けられる。同潜水艦はフランスDCN社(現DCNS社)とスペイン
のバサン社(現ナヴァンティア社)と共同で、輸出用の攻撃型ディーゼル電気推進潜水艦
(SSK)「スコルペン」Scorpene級を開発したもので、最初はチリ海軍が採用し、2005年９月
に就役、マレーシア海軍に２隻納入、インド海軍は６隻を発注したほかブラジル海軍も
４隻を発注し2015年の就役を予定。「スコルペン」級は、ユーザー海軍の意向で水中動力
としてAIP方式のエンジンとして、MESMA方式エンジンを選択できる。
MESMA方式とは、Module d'Energie Sous-Marine Autonomeの略で、それは、気化した酸素
とエタノールとの混合ガス燃焼による燃焼ガスによる約700℃で水蒸気を発生させ、蒸気
タービンで回転動力を得る。パキスタン海軍はこのMESMA方式のAIP潜水艦を「アゴスタ90B」
級として2008年９月に就役。本艦は水中最高速度20kt、最大潜航深度350m、乗員36名で
ドイツも37名で運用。日本の「そうりゅう型」の乗員は65名とは対照的。艦内での機械化や
自動化が相当に進んでいるのが印象的[*2]。
かくて、日独仏の３国が運用するAIP潜水艦はその潜航時に駆動するエンジンを比べると、
フランスのMESMA方式は、原潜と同じ蒸気タービンで海中を疾走する性能を発揮できる
点だけでも、オーストラリア海軍高官にとって魅力的と映るのではないでしょうか。
何故なら、燃料のエタノールと液体酸素を計画にしたがって艦内に貯蔵するなら計算通り
の水中速度と潜航距離が得られるはず。しかも、フランスのAIP潜水艦は少数の乗員を
要求する点も見逃せないように思いますが・・・。
しかも、その推進力は原潜と同じジェット噴流方式なので、相手潜水艦のソナー探知で「原潜？」と誤認させる効果も生ずるかも。
さて、今回の商談で勝者となったフランスは、米英とは異なる核戦略を構築し、南太平洋のタヒチ島近辺(フランス海外領土)で大気圏核実験を繰り返し、その結果、フランスは「ル・トリオンファン」級戦略原子力潜水艦の就役となります。
本艦のスペックは[*3]、
　　水上排水量　；　12,843ｔ　水中排水量　；　14,565ｔ
　　全　長　　　；　138m
　　推進系　　　；　K15加圧水型原子炉１基／蒸気タービン発電機２基(合計出力41,500馬力)、
　　　　　　　　　　１軸ポンプ、ジェット駆動
　　最大水上速力；　不明
　　最大水中速力；　25kt
　　最大潜航深度；　500m
　　兵装　　　　；　弾道ミサイルＭ51(「ル・テリブル」2010年９月就役に搭載)／
　　　　　　　　　　垂直発射筒16基、533mm長魚雷F17／対艦ミサイル・エグゾセSM39／
　　　　　　　　　発射管４基
　　乗員　　　　；　111名　
と紹介されてます。
このタイプのみが、ジェット駆動方式なので、オーストラリア海軍が注目したモデルのように
思います。推進機関のみを変更したとすれば、水中最高速度25ktや最大潜航深度500mのデータ
を持つオーストラリアの新型潜水艦の登場に西側陣営は心強く思うでしょう。
《参照文献》
『世界の戦闘艦カタログ』　多田智彦　著　アリアドネ企画　[発行]　(株)三修社　[発売]
2012年12月10日　第１刷
を参照しました。
[*1]　「212A型攻撃型潜水艦　(ドイツ)」 同書 p.186-187
[*2]　「スコルペン級攻撃型潜水艦　(フランス／スペイン)」同書 p.182-183
[*3]　「ル・トリオンファン級戦略原子力潜水艦」同書 p.178-179
kt5muse in June 26, 2016

【埋め草ーＭｕｓｅの場合 2016年６月14日号】《Ni-Zn蓄電池が本命のPHV電気自動車 Part IV》

【埋め草ーＭｕｓｅの場合　2016年６月14日号】《Ni-Zn蓄電池が本命のPHV電気自動車 Part IV》
通常動力型潜水艦に搭載の鉛蓄電池、Ni-Zn蓄電池&銀ー亜鉛蓄電池と魚雷など
Posting in June 13, 2016
PHV ;Plug-in Hybrid Vehicle
世界各国で運用される通常動力型潜水艦の性能についても、前回のブログでも参照した
『潜水艦対潜水艦』(光文社、1989年刊)の著者・リチャード・コンプトン＝ホール英海軍中佐
は言及する。
　同英海軍中佐によれば、ソ連が大容量の鉛蓄電池を開発し、すでに５時間放電率で
11,750アンペア時の鉛蓄電池でもって実戦配備している、と。そして、その電池性能を
///　　　ソ連ディーゼル／電気潜の性能
///　　かなり旧式な、そう高性能でもないソ連フォックストロット級SSKは３軸艦で、
///　15.5ノットの水中速力で１時間航走できる。８ノットなら100海里、３ノットなら
///　220海里である。標準型の鉛／酸バッテリーに換えて、銀／亜鉛バッテリーを搭載
///　した艦では、この航続力が２倍近くになる。バッテリー充電しながらのシュノーケル
///　航走速度は、約10ノットである。
///　　タンゴ級はフォックストロット級より1500トンも重い大型艦で、水中排水量は
///　3900トンにもなる。その分バッテリー容量は大きく、水中航続性能も大幅に向上
///　されているから、対潜水艦作戦用にも適する艦となった。魚雷に加えて、対潜
///　ミサイルも搭載している。また対航空機用ミサイル(SAM)も装備されつつあり、
///　戦いとなったら、より活発に灌木の中から出て来れるようになるだろう。
///　1929年以後就役を開始したキロ級は、水中排水量3000トンとやや小さく、
///　＂涙滴型＝テア・ドロップ＂の理想的形状をしている。タンゴ級が３軸艦であった
///　のに対し、６枚ブレード・プロペラを持つ１軸艦である。水中最大速力は25ノット
///　で、おそらく２時間ほどこの速力を維持できるであろう。これは船団の真ん中に突入
///　して、再び脱出するのに十分な時間である。このクラスにもSAMシステムが装備
///　されているものと思われる。対潜用魚雷は12発を搭載している。
///　　近く出現すると思われるソ連の新型SSKに関しては、これまでのところ何も
///　わかっていないが、非核動力型推進システムの開発計画から、ある種の推測が
///　できよう。
///　(同書 p.43-44)
と記し、ソ連の通常型潜水艦の水中動力が、鉛／硫酸バッテリーを標準型とし、その
航続距離が１時間放電モードで15.5海里すなわち28.7kmに過ぎない、と述べる。
これに対して、キロ級潜水艦では戦闘海域から25ノットの水中速度で約２時間後には
90kmも離れた海域を潜航していることになる。ということは、対峙する潜水艦も、
領海侵犯を実力で排除するときですら、ソ連艦と同等以上の性能が求められるでしょう。
　ところが、海上自衛隊が保有する最新型の「そうりゅう型」潜水艦(水中排水量4,200トン、
全長84メートル)は水中最高速度を20ノットと公表してますから、この場合は、対潜水上
艦艇が出動するのでしょうか、それとも同艦の長さ84mから推定できる、水中最高速度
35.6ノット[*1]で対抗可能なのでしょうか。搭載しているリチウムイオンバッテリーならば２時間放電率を許容するので、十分に対応できると思いますが・・・。
[*1]　「そうりゅう型」潜水艦
　　　　水上排水量　2,950トン
　　　　水中排水量　4,200トン
　　　　全　長　　　84メートル
　　　　推進系　　　ディーゼル発電機２基／スターリング・エンジンV4-275R MK III
　　　　　　　　　　(出力75kW)　４基、永久磁石同期電動機　１基、
　　　　　　　　　　１軸スクリュー、プロペラ駆動
　　　　最大水上速力　13kt
　　　　最大水中速力　20kt
　　　　兵装　　　　　533mm長魚雷／対艦ミサイル・ハープーン／発射管６基
　　　　乗員　　　　　65名
　　『世界の戦闘艦カタログ』 p.210-211 　多田智彦・著　アリアドネ企画・発行
　　　　(株)三修社・発売　2012年12月10日　第１刷
////////
　　１秒当り速度Ｖmと船の長さＬmとの間には、船舶理論によれば、Ｖ／Root(Ｌ)
　　の数値を速長比と呼び、造船の設計のとき、船の長さからおよその最高速度を
　　推定できる、とのこと。
　　　本潜水艦は長さ84mから、その平方根はRoot(84)=9.1652より、その比が１ならば、
　　その秒速は9.1652m/sとなる。秒速から時速に換算して、
　　　32.99km/h = 17.82kt 　　　; 速長比＝１のとき、17.82ノットの速力
　　を得る。
　　旧日本海軍の潜水艦データから水中最高速度が20ノットのとき、速長比＝２を
　　示す。故に、「そうりゅう型」潜水艦の最高水中速度は17.82ノットの２倍、即ち
　　35.64ノットと推定できる。
////////
　また、西側の通常型潜水艦のバッテリーについて、同英海軍中佐は、同書のなかで、

///　　　原子力を使わない空気不要型推進システム
///　　バッテリーで最も多く使用されているのは、鉛／硫酸型で広範囲な充電、放電
///　率に対応できる特性を持ち、寿命も長く、銀／亜鉛型よりもずっと安い。ソ連は
///　すでに25年前に、５時間にわたり8000アンペア時の放電率を達成している。
///　　現在では、重量にしてわずか1.5パーセントの増加で、11,500アンペア時の放電
///　率を得ることができる。実に47パーセントの改善である。この辺が、限界であろう。
///　船体を大きくすれば、より多くの電池を搭載できるからである。ただ、バッテリー
///　の点検や整備の問題に加えて、換気と冷却の問題も考えなければならないから、
///　電池を直接上下に重ねるのは好ましくない。ただ２層、またはそれ以上の甲板を
///　設けて搭載するなら別である。鉛／酸型電池の性能が、これ以上引き上げられない
///　というわけでもない。
///　　しかしそれには、若干革命的とも呼べるような方式が必要となる。たとえば、
///　硫酸液を外部リザーバーに溜め、放電時に電池の中を循環させるようにすると、
///　性能をかなり高めることができる。しかし、この方式は好ましからざる、そして
///　おそらく弱点となる複雑性を増すことになる。それよりは、新しい型のバッテリー
///　と発電装置を求めたほうが得だということになろう。
///　ニッケル／亜鉛電池は、銀／亜鉛電池と同じ短所を有している。充電が難しいこと、
///　反復使用寿命数が短いこと、価格が高いことなどである。ナトリウム／硫黄電池は
///　鉛／酸型よりも50パーセントも大きいエネルギー密度を持つが、使用温度は300度(Ｃ)
///　にもなる。リチウム／鉄型は２倍のエネルギー密度を持つものの、作動温度は400度
///　以上である。アルミニウム／酸素型電池のエネルギー密度は４倍で、これは期待が
///　もてるものの、実用化までにはまだ時間を要しよう。
///　　いずれの新型バッテリーにおいても、潜水時間を大幅に延ばすものではなく、どう
///　しても充電のための作業を必要とする。したがって、他の何らかの空気に依存する
///　推進システムとともに用いられ、潜水時のダッシュ力を得るために使用されることに
///　なろう。ソ連はドイツやスウェーデンと並んで、電池の改良に大きな努力を注いでいる
///　国である。
///　　ところで、エネルギーの貯蔵は複合材製のフライホイールを使うと、わりに簡単に
///　できる。この可能性について、真剣に研究したのは、知られている限り１社しかない
///　[*2]が、実用化されれば、非常に優れた容積／重量対出力比と、瞬間的にフルパワー
///　を得られる特性が約束されている。フライホイールの回転によって生み出されるジャ
///　イロ効果については、それを相殺するいくつかの方法がある。そうしない限り、潜水
///　艦は運動が不可能となってしまうであろう。
///　[*２]ヒックス・トランスミッションズLtd。レイ・ヒックスによる基礎研究の
///　　　結果では、二重反転式(互いに逆方向に回転する)複合材製フライホイール
///　　　なら、かなり期待がもてるという。重量、容量、整備性の面からいって、
///　　　バッテリーよりもずっと経済的である。
///　(同書 p.44-46)
　本書は20世紀末期に出版されたが、潜水艦用バッテリーとしてNi-Zn蓄電池や銀ー亜鉛
蓄電池の採用を検討している状況を伝え、いずれの蓄電池も亜鉛極の充電が難しいことが
実用化を阻んでいると指摘。ところが、現代になって、日本触媒がイオン交換樹脂を使う
ならば、1,000サイクルの充放電を期待できる、と発表。これは、充電時にヒゲ状の金属亜鉛が生成して兩極がショートすることが短寿命の原因と指摘したことで、兩蓄電池の実用化が現実となりそうです。特に、銀ー亜鉛蓄電池では、充電のとき亜鉛極のほかに銀極でも同様の症状を呈すると報告されてますから、軍用バッテリーとして潜水艦の推進動力だけでなく、魚雷やミサイル
に搭載すれば、より高機能の火器となりましょう。
　なお、各国の潜水艦の性能は厚い軍事機密に包まれています。したがって、当ブログであれ
これとコメントするほどの情報をもちません。そのため、同英海軍中佐の著書を長々と引用せざるを得ないことをご了承ねがいます。
　また、空気電池と称される亜鉛ー酸素電池(充電できない一次電池)でしたが、これからは、放電後の酸化亜鉛が再充電されることで金属亜鉛に再生可能となります。したがって、亜鉛ー酸素蓄電池が発生する電力は、常温蓄電池で一番の高エネルギー密度を示すことになりましょう。
故に、電気自動車に亜鉛空気蓄電池と排気型Ni-Cd蓄電池を搭載すれば、強力な加速力と長い巡航距離を特長としたユニークな自動車が出現するでしょう。Zn-O2蓄電池は大気中の酸素を取り込む速度によって最大放電電流が制限されます。そのため大電流放電可能なNi-Cd蓄電池で補完する必要が生じます。
　電気の補充は、家庭用エアコンが必要とする200ボルト電源を利用している世帯ならば、
５キロワットの電力を一晩10時間の充電で可能となりますから、50キロワット時の亜鉛空気
蓄電池を搭載するケースでは、320キロメートルの走行距離が期待できます。
Kkt5muse in June 13, 2016

【埋め草ーMuseの場合 2016年６月10日号】《木炭ガス燃料電池発電 Part XI》

【埋め草ーMuseの場合　2016年６月10日号】《木炭ガス燃料電池発電　Part XI》
　今回のテーマは、
海外の炭素材料の燃料をベースにした高効率ガスタービン発電事業の実現性
について考えます。
Posting in June 9, 2016
　マレーシア、インドネシア、フィリピンの３国では、熱帯地方で産するヤシの実からパーム
オイルを製造する農園経営は有力な産業に成長していますが、その絞り粕＝カスやヤシガラも、また多方面で利用されています。例えば、パームオイルを生成した残りのヤシガラから、
活性炭やヤシガラ炭、園芸土や土壌改良などに・・・。
そのためか、ヤシガラ炭は石炭コークスよりも高い値段で取引されているようです。
　そこで、ヤシガラのような農業廃棄物による発電燃料で発電システムを建設する場合、
石炭コークスを燃料にした高効率ガスタービン発電よりもその発電コストを安価に見積もるには、一工夫が求められます。
　その理由としては、ヤシガラを原料に活性炭を作ると、飲料不適の河川水すら、活性炭を
通すことで、美味しい飲み水が得られことが挙げられる。そのため、活性炭の単価が高く
ても、東京都のように飲料水として供給できる上水道事業を実施できるからでしょう。
したがって、ヤシガラ活性炭はその性能が非常に優れているので、ヤシガラ供給者は強気の値段設定に成功してます。よって、今回のようなヤシガラ炭燃料の発電事業は電力料金の設定で苦慮するかもしれません。そこで、このようなバイオマス発電が事業として確立するまで特別料金を設定するのも一法でしょう。今回は、別な解決策を検討します。
　ヤシガラだけの輸入に頼らないバイオマス発電事業を計画するには、アブラヤシやココヤシ農園を直接経営する政府系事業体と取引する道を探ります。
　ヤシガラ活性炭を製造する武田薬品やクラレケミカルよりも、バイオマス発電のため、
大量にヤシガラを輸入するならば、当方の発電事業規模が大きくなるにつれ、輸入単価も下がると予想します。そのため、インドネシアのヤシガラを輸入する場合、その他として、同国の石炭コークスも、同時に大量輸入する条件で交渉も有り、の提案も考えられるでしょう。石炭コークスと風力発電による熱エネルギーで、
　　　C + CO2 -> 2CO, CO + H2O -> CO2 + H2
の化学反応で水素＝H2 を製造し、これに、バイオマス資源のヤシガラ炭＝C を加えて、
　　　C + 2H2 -> CH4 　；CH4=合成メタン
によって、合成メタンを生成させます。ここに示す化学反応式では二酸化炭素＝CO2は一切排出されません。また、合成メタンの炭素源はヤシガラ由来のため、カーボン・ニュートラルの性質を保ちながら、LNG由来の都市ガスに対抗するバイオマス由来の都市ガスとして、北海道各都市へのガスパイプラインを通じて供給できましょう。また、農村のハウス栽培の熱源として利用するならば、冬場の温室栽培も可能となって周年栽培も実現できるでしょう。
そして、各都市を中心に分散型ガスタービン発電システムを展開すれば、CO2フリーの都市生活を営むことができましょう。もちろん、当ブログが提唱するガスタービン発電システムは、風力エネルギー由来の電力で駆動される電動コンプレッサにより、合成メタン燃料の全量はタービンエネルギーに変換されるので、発電した電力はすべて外部に送電できる。そのときの発電効率は最低でも68％を示すはず。
　さらに、ここで述べる化学反応式で生成する水素＝H2と一酸化炭素＝COというガス物質からフィッシャー・トロプシュ反応により、添加する触媒によって合成バイオ・メタノール、合成バイオ灯油(灯油にガソリンを混合すると航空用ジェット燃料)、あるいは船舶燃料としての合成バイオ軽油を生成できるので、原油相場に左右されない各種液体燃料を供給できましょう。
しかも、カーボン・ニュートラルの特質を保ちながら・・・。
《参照文献》
『ヤシの実のアジア学』
鶴見良行・宮内泰介　編著
コモンズ
1996年11月15日　初版
kt5muse in June 9, 2016