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Ergebnisse des ersten russischen Wettbewerbs unter Entwicklern von Wasserstoff-Brennstoffzellen-Kraftwerken Up Great

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Wasserstoff-Energie

Der erste russische Wettbewerb unter den Entwicklern von Wasserstoff-Brennstoffzellen-Kraftwerken Up Great ist zu Ende gegangen. Testflüge von wasserstoffbetriebenen Einheiten fanden am 12. Juli in Crocus Expo IEC statt. RIA Novosti berichtet über die Ergebnisse des Wettbewerbs.

An der Schnittstelle der Technologien

Eine spezielle fliegende Plattform auf dem Gelände der Crocus Expo ist mit einem fast zehn Meter hohen Netz eingezäunt. Neben den speziell ausgestatteten Pavillons schließen die Finalisten des Wettbewerbs die letzten Vorbereitungen ab. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle (HFC) mit unter dem Flugzeugbauch befestigten Trägersystemen und einer Wasserstoffflasche auf dem Rücken sieht wie dieses ATV der Zukunft in voller Kampfbereitschaft aus.

Im Rahmen des technologischen Wettbewerbs Up Great "First Element", der von der Russian Venture Company (RVC), der Skolkovo Foundation und der Agentur für strategische Initiativen (ASI) organisiert wurde, mussten die Teilnehmer die technologische Barriere der spezifischen Massenenergieintensität von Wasserstoff-Brennstoffzellen bei 700 Wt*h/kg überwinden. Gleichzeitig war es notwendig, das ATV mit WTE mindestens drei Stunden lang in der Luft zu halten. Das ist fast viermal länger als eine ähnliche Einheit, die mit einer herkömmlichen Batterie fliegt. Der Preisfonds des Wettbewerbs betrug 60 Millionen Rubel. Drei von zehn Teams erreichten das Finale: NaukaSoft, BVS und PolyTech.

Während der Vorbereitung der Flüge fragte der Korrespondent der RIA Novosti die Finalisten, wie viel eine solche Stromversorgung kostet und welche Aufgaben die Teams bei ihrer Erstellung zu lösen hatten.

Was ist VTE

Wasserstoff-Brennstoffzellen sind in der Lage, die chemische Energie des Wasserstoffs während des Prozesses seiner Oxidation mit Sauerstoff in elektrische Energie umzuwandeln. Sauerstoff kann aus der Luft kommen, während Wasserstoff aus einer Flasche kommen kann. WTEs sind hocheffizient und umweltfreundlich: das Ergebnis von "Abgasen" ist Wasserdampf.

Der erste WTE wurde bereits 1838 von dem Physiker William Grove geschaffen, der die Reversibilität des Prozesses der Wasserelektrolyse aufzeigte und die Moleküle von Wasserstoff und Sauerstoff im Wasser ohne Verbrennung, aber mit der Freisetzung von Elektrizität und Wärme verbinden konnte. Die Erfindung hatte jedoch keine praktische Anwendung und war ein Jahrhundert lang vergessen.

Die nächste Errungenschaft geht auf das Konto des britischen Ingenieurs Francis Bacon, der 1939 einen stationären Fünf-Kilowatt-WTE schuf.

1955 schuf General Electric den experimentellen VTE mit einer Polymermembran als Elektrolyt. Im Jahr 1959 wurde der VTE erstmals auf einem Traktor installiert.

Die kommerzielle Nutzung von VTE begann 1964 auf den amerikanischen Raumschiffen der zweiten Generation Gemini (1964-1966).

In der UdSSR wurden Wasserstoff-Brennstoffzellen auf dem Raumschiff Buran installiert.

1991 wurde das erste Fahrzeug mit einer Wasserstoff-Brennstoffzelle entwickelt.

Jetzt werden Wasserstoff-Brennstoffzellen aktiv auf Schiffen und U-Booten eingesetzt, wo sie Strom für Hilfsprozesse erzeugen. Zu den bekanntesten zivilen Produkten auf VTE, die in Serie produziert werden, gehört ein japanisches Auto Toyota Mirai.

Nicht weniger relevant ist der Einsatz von Wasserstoff-Brennstoffzellen für die Hersteller von ATVs und anderen UAVs. Je energieintensiver die Brennstoffzelle einer Drohne und je geringer ihr Gewicht, desto länger wird das UAV fliegen. Gegenwärtig können Lithium-Ionen-Batterien sie etwa eine halbe Stunde lang in der Luft halten, während sie kleinere Aufgaben ausführen.

Für komplexere Missionen, einschließlich der so genannten "letzten Meile", der logistischen Aufgabe der Warenlieferung vom Lager zum Endverbraucher, wird eine WTE ebenso wie eine wesentlich energieintensivere Brennstoffzelle benötigt.

"Die ungefähren Kosten für eine Brennstoffzelle mit einer Arbeitsfläche von etwa drei Quadratzentimetern betragen 50 Dollar", sagte Sergei Khalyutin, CEO von NaukaSoft. Die Anzahl solcher Zellen im WTE hängt, wie er sagte, von vielen Faktoren ab. Insgesamt schätzt er die Kosten seines Teams für die Teilnahme am Wettbewerb auf etwa drei Millionen Rubel. "Der Hauptteil der VTE sind elektronische Membraneinheiten. Dabei handelt es sich um sehr komplexe und teure elektrochemische Geräte, die mehrere fortschrittliche Technologien, einschließlich Nanotechnologie, verwenden. Und die Wasserstoffflasche selbst ist das komplexeste Mehrschichtprodukt aus modernen, teuren Verbundwerkstoffen", erklärte Halyutin.

NaukaSoft"-Team

Das NaukaSoft-Team besteht aus den Mitarbeitern von NaukaSoft Pilot Workshop LLC, einem Entwickler von Stromversorgungssystemen für die Luftfahrt. Der Partner des Teams ist der Kalibr Technopark. Die Kompetenz der Teammitglieder ermöglicht es, Probleme in der Luftfahrtindustrie sowie im Bereich der automatisierten Steuerungs- und Navigationssysteme erfolgreich zu lösen. Das Team besteht aus zwei Doktoren der Wissenschaften, einem Professor, zwei Kandidaten der Wissenschaften, zwei außerordentlichen Professoren, hochqualifizierten Ingenieuren und einem Radioingenieur mit umfangreicher Erfahrung. "NaukaSoft verfügt über umfangreiche Erfahrung in der komplexen Optimierung und Massenminimierung des Systems durch die rationelle Verteilung und Nutzung der elektrischen und thermischen Energie des gesamten Systems. Dadurch kann der Wasserstoffverbrauch reduziert, der Wirkungsgrad des Kraftwerks erhöht und die Strukturmasse reduziert werden. Eine der wichtigsten Errungenschaften des Teams ist die Schaffung intelligenter Stromversorgungssysteme für Flugzeuge. "NaukaSoft plant, das erste vollelektrische Flugzeug in Russland zu bauen. Das Team besteht aus 10 Personen. Das Durchschnittsalter beträgt 45 Jahre.

Laut Alexander Zubarev, Leiter des BVS-Teams, werden katalytische Beschichtungen mit Platinelementen in Wasserstoff-Brennstoffzellen eingesetzt, und das Produkt stellt höchste Anforderungen an Festigkeit und Leitfähigkeit. "Und alles ruht letztlich auf dem Gewicht, denn wir sprechen über Flugzeuge. WTEs zur Stromerzeugung werden seit langem in der Marine, zum Beispiel in U-Booten, eingesetzt. Aber wenn wir über ein ATV sprechen, das eine Nutzlast heben muss, müssen sein Motor und sein Tank leicht sein und dürfen nicht viel Energie verbrauchen", sagte Zubarev.

Die Mannschaft der "BVS

Die Basis des BVS-Teams bilden die Mitarbeiter von JSC Unmanned Helicopter Systems. Das Team wurde vor zwei Jahren gegründet. Es brachte Spezialisten zusammen, deren Kompetenzen es ihnen erlauben, an fortgeschrittenen Brennstoffzellen für unbemannte Flugzeuge zu arbeiten: ein elektronischer Programmierer, ein Verbundtechniker, ein Chemiker, ein Drohnenbediener. Die BVS betrachtet die Entwicklung effizienter und umweltfreundlicher Energieerzeugungstechnologien für Flugzeuge als ihr vorrangiges Ziel. Nach Ansicht der Teammitglieder wird dies die Dauer des UAV-Fluges erheblich verlängern und das Spektrum der Aufgaben, die sie ausführen können, erweitern. Derzeit entwickelt das Team einen Multi-Copter mit einem Startgewicht von 10 kg und einer WTE von 1 kW und schafft den weltweit ersten Hubschrauber mit einer WTE von 3 kW und einem Startgewicht von 30 kg. Das Team besteht aus 6 Personen, das Durchschnittsalter beträgt 42 Jahre.

Im Allgemeinen ist WTE ein komplexes, wissensintensives Produkt an der Schnittstelle verschiedener Technologien. Laut Nina Smirnova, der Kapitänin des PolyTech-Teams, musste sie, um ihr eigenes Kraftwerk zu bauen, eine Vielzahl von Spezialisten einbeziehen: Chemiker, Fachleute für Leistungselektronik und Pneumatik. "Trotz der Tatsache, dass wir ein sehr junges Team haben - Jungs und Mädchen, die gerade ihr Studium abgeschlossen haben - ist es uns gelungen, die Anlage zu bauen, die nicht schlechter ist als die unserer Konkurrenz. Die Schaffung einer funktionierenden Wasserstoff-Brennstoffzelle ist also für uns ein großer wissenschaftlicher und technischer Erfolg", sagte sie.

Das PolyTech-Team

Zum Team von "PolyTech" gehörten Mitarbeiter und Meister der staatlichen russischen pädagogischen Universität Platow (SPI) und Mitarbeiter der Firma "Engineering". Die Gründung des PolyTech-Teams begann mit dem Labor für Elektrochemie und Hybridmaterialien am Forschungsinstitut für Nanotechnologien und neue Materialien der SRPU. Dieses Labor entwickelt Materialien für elektrochemische Energie: Brennstoffzellen, Superkondensatoren, Lithium-Ionen-Batterien. Eine der wichtigsten Komponenten der PolyTech-Brennstoffzelle ist ein Platin-Kohlenstoff-Katalysator. Es basiert auf einer einzigartigen Technologie, die von den Teammitgliedern entwickelt und patentiert wurde. Der Katalysator zeichnet sich durch seine hohe Aktivität, Produktivität und Umweltfreundlichkeit aus. Darüber hinaus wurde ein spezielles Design und eine spezielle Technologie zur Herstellung von Bipolarplatten entwickelt, die eine erhebliche Gewichtsreduzierung des Endprodukts gewährleisten. Das Team besteht aus 11 Personen. Das Durchschnittsalter beträgt 38 Jahre.

Tag X

Auf dem Weg zum Finale mussten die teilnehmenden Mannschaften drei Kontrollen durch die Qualifikationskommission des Wettbewerbs bestehen. Zunächst prüften sie die Bereitschaft der Teams für die Tests als Ganzes und ihre technische Basis. Einige Monate später wurde der Arbeitsstand der von den Teams geschaffenen VTE getestet. Der letzte Vorflugtest fand vor der Ziellinie statt, die nur drei Teams erreichten.

"Wir testeten die Teams auf die Einhaltung der technischen Anforderungen des Wettbewerbs, wobei einer der Hauptpunkte die maximale Lokalisierung der Komponenten war - sie mussten inländisch sein. Diejenigen, die nicht über eine lokale Produktion verfügten, durften nicht getestet werden", sagte Juri Dobrovolsky, Leiter des Kompetenzzentrums für neue und mobile Energiequellentechnologien des IPCF RAS, der den Wettbewerb leitete.

Er erklärte auch, welches Prinzip zur Bestimmung der wichtigsten technologischen Barriere in Bezug auf die spezifische Massenenergieintensität verwendet wurde: "Tatsache ist, dass die Welt bereits VTE für Drohnen mit dem Index von 550 Wt*h/kg hat. Dies ist das beste industrielle Design, in dessen Schaffung Millionen von Dollar investiert wurden". Die technologische Barriere, die die Teilnehmer zu überwinden hatten, betrug 700 Wt/h/kg.

Und 550 Wt/h/kg legten die Organisatoren des Wettbewerbs als Qualifikationsbarriere fest, die für die Zulassung zum Abschlusstest am 12. Juli überwunden werden musste. Zwei Mannschaften - "NaukaSoft" und "BVS" - konnten fast zum Weltführer aufschließen, ihr VTE betrug fast 530 Wt/h/kg. Allerdings gelang es niemandem, die Qualifikationsbarriere dadurch zu überwinden.

Neuer Zweig der Elektrizitätswirtschaft

"Der Wettbewerb hat uns bereichert. Wir beenden es mit einer großen Anzahl neuer technologischer Ideen", sagt Sergey Khalyutin von NaukaSoft. - Darüber hinaus haben wir umfangreiche Erfahrungen bei der Entwicklung der Konvertertechnologie, der Optimierung und Regulierung der Bewegung schwerer ATVs in der Luft gesammelt. All dies wird bei unseren künftigen Entwicklungen Anwendung finden".

Nach Meinung der Teilnehmer hat "Das erste Element" sie gelehrt, die Aufgaben in kurzer Zeit zu lösen, wie es die Bedingungen bahnbrechender technologischer Wettbewerbe erfordern. Die Teilnehmer stellten auch fest, dass das Interesse der wissenschaftlichen und technischen Gemeinschaft an Wasserstofftechnologien wieder zunimmt. Die Teams begannen, Vorschläge für eine Zusammenarbeit zu erhalten, und es wurden neue Perspektiven für ihre Entwicklung aufgezeigt.

Dmitri Peskow, der Sonderbeauftragte des Präsidenten der Russischen Föderation für die digitale und technologische Entwicklung, stellte fest, dass die Aufgabe, die die Organisatoren den Teilnehmern ursprünglich gestellt hatten, so schwierig wie möglich war: "Im ersten Jahr eines Wettbewerbs dieses Niveaus werden technologische Barrieren normalerweise nie überwunden". Kirill Kayem, Vizepräsident der Skolkovo-Stiftung, erinnerte an den berühmten Google Lunar XPrize 2014-Wettbewerb, der ebenfalls ohne einen Gewinner endete. Doch dann konnten die Schöpfer des Lunar Rover einen Investor finden, der ihre Entwicklung weiterführen sollte. "Die Zukunft dieses Wettbewerbs wird weitgehend vom Interesse der Risikokapitalinvestoren am Thema VTE für Drohnen abhängen", glaubt Kirill Kayem.

In seinem Kommentar zu den Vorteilen von VTE gegenüber traditionellen Brennstoffzellen erinnerte Dmitri Peskow daran, dass jetzt buchstäblich alle innovativen Volkswirtschaften der Welt für die Schaffung wirklich effektiver Lufttaxis kämpfen.

"Japan, China, die Vereinigten Staaten und eine Reihe anderer Länder haben bereits viele sehr schöne technische Strukturen für unbemannte Lufttaxis geschaffen. Aber sie können noch nicht zu vollwertigen Taxis werden, weil die Lithium-Ionen-Batterien einfach nicht genug Energie für Langstreckenflüge liefern können. Dieses Problem muss durch die VTE-Technologie gelöst werden.

Dmitri Peskow, Sonderbeauftragter des Präsidenten der Russischen Föderation für digitale und technologische Entwicklung

Der Generaldirektor des RVC, Alexander Povalko, betrachtet eines der Hauptergebnisse des Wettbewerbs als einzigartige Erfahrung und als Grundlage für einen neuen Vektor der Innovationsentwicklung:

"Diese Technologien sind überall dort gefragt, wo eine höhere Energieeffizienz erforderlich ist, sei es bei Flugzeugen oder bei zusätzlichen Antriebssystemen in Flugzeugen. Tatsächlich haben wir einen neuen Zweig in der Elektrizitätswirtschaft eröffnet".

Der Preisfonds in Höhe von 60 Millionen Rubel blieb diesmal ungenutzt, aber die teilnehmenden Teams weigern sich nicht, ihre Ressourcen weiterhin in vielversprechende Entwicklungen zu investieren. Sie haben den Wettbewerb mit neuen Produkten abgeschlossen, die den Prototyp der nächsten Generation von Wasserstoff-Brennstoffzellen-Kraftwerken darstellen werden.

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