La energía del hidrógeno

La primera competencia rusa entre los desarrolladores de centrales eléctricas de pilas de combustible de hidrógeno Up Great ha llegado a su fin. Los vuelos de prueba de las unidades impulsadas por hidrógeno se llevaron a cabo el 12 de julio en Crocus Expo IEC. RIA Novosti informa sobre los resultados del concurso.

En la unión de las tecnologías

Una plataforma voladora especial en el territorio de la Crocus Expo está cercada con una red de casi diez metros de altura. Junto a los pabellones especialmente equipados, los finalistas del concurso completan los últimos preparativos. Una pila de combustible de hidrógeno (HFC) con sistemas de apoyo fijados bajo la panza del avión y un cilindro de hidrógeno en su espalda se parecen a este ATV del futuro en plena disposición de combate.

En el marco del concurso tecnológico Up Great "First Element", organizado por la Russian Venture Company (RVC), la Fundación Skolkovo y la Agencia de Iniciativas Estratégicas (ASI), los participantes tuvieron que superar la barrera tecnológica de la intensidad energética de masa específica de las pilas de combustible de hidrógeno a 700 Wt*h/kg. Al mismo tiempo, era necesario mantener el ATV con WTE en vuelo durante al menos tres horas. Esto es casi cuatro veces más largo que una unidad similar que vuela con una batería convencional. El fondo del premio del concurso era de 60 millones de rublos. Tres de cada diez equipos llegaron a la final: NaukaSoft, BVS y PolyTech.

Mientras preparaba los vuelos, el corresponsal de RIA Novosti preguntó a los finalistas cuánto cuesta una fuente de alimentación de este tipo y qué tareas tuvieron que resolver los equipos en el proceso de su creación.

¿Qué es el VTE?

Las células de combustible de hidrógeno son capaces de convertir la energía química del hidrógeno en energía eléctrica durante el proceso de su oxidación con oxígeno. El oxígeno puede venir del aire, mientras que el hidrógeno puede venir de un cilindro. Los WTEs son altamente eficientes y respetuosos con el medio ambiente: el resultado del "escape" es vapor de agua.

El primer WTE fue creado en 1838 por el físico William Grove, que demostró la reversibilidad del proceso de electrólisis del agua y fue capaz de combinar las moléculas de hidrógeno y oxígeno en el agua sin quemarlas, pero con la liberación de electricidad y calor. Sin embargo, el invento no tenía ninguna aplicación práctica y fue olvidado durante un siglo.

El siguiente logro es por cuenta del ingeniero británico Francis Bacon, quien en 1939 creó un WTE estacionario de cinco kilovatios.

En 1955, General Electric creó el VTE experimental con una membrana de polímero como electrolito. En 1959, el VTE se instaló por primera vez en un tractor.

El uso comercial de VTE comenzó en 1964 en la segunda generación de naves espaciales americanas Géminis (1964-1966).

En la URSS, se instalaron células de combustible de hidrógeno en la nave espacial Buran.

En 1991, se desarrolló el primer vehículo con una pila de combustible de hidrógeno.

Ahora las células de combustible de hidrógeno se utilizan activamente en barcos y submarinos, donde generan electricidad para procesos auxiliares. Entre los productos civiles más famosos de la VTE, producidos en serie, está un coche japonés Toyota Mirai.

No menos relevante es el uso de células de combustible de hidrógeno para los fabricantes de ATVs y otros UAVs. Cuanto más energía consuma la célula de combustible de un dron y menos peso tenga, más tiempo volará el UAV. En la actualidad, las baterías de iones de litio pueden mantenerlas en el aire durante aproximadamente media hora mientras realizan tareas menores.

Para misiones más complejas, incluyendo la llamada "última milla" de la tarea logística de entregar los bienes desde el almacén hasta el consumidor final, WTE tanto como una célula de combustible mucho más intensiva en energía será necesaria.

"El costo aproximado de una celda de combustible con una superficie de trabajo de unos tres centímetros cuadrados es de 50 dólares", dijo Sergei Khalyutin, CEO de NaukaSoft. El número de estas células en WTE depende, dijo, de muchos factores. En general, estima que los gastos de su equipo para participar en el concurso son de unos tres millones de rublos. "La parte principal de los VTE son las unidades electrónicas de membrana. Estos son dispositivos electroquímicos muy complejos y costosos, que utilizan varias tecnologías avanzadas, incluyendo la nanotecnología. Y el cilindro de hidrógeno en sí mismo es el producto multicapa más complejo hecho de materiales compuestos modernos y caros", explicó Halyutin.

El equipo de "NaukaSoft

El equipo de NaukaSoft está formado por el personal de NaukaSoft Pilot Workshop LLC, un desarrollador de sistemas de suministro de energía para la aviación. El compañero del equipo es el Tecnoparque Kalibr. La competencia de los miembros del equipo le permite resolver con éxito los problemas de la industria de la energía de aviación, así como en el campo de los sistemas de control y navegación automatizados. El equipo está formado por dos doctores en ciencias, un profesor, dos candidatos a científicos, dos profesores asociados, ingenieros altamente cualificados y un ingeniero de radio con amplia experiencia. "NaukaSoft tiene una amplia experiencia en la optimización compleja y la minimización de la masa del sistema mediante la distribución y el uso racional de la energía eléctrica y térmica de todo el sistema. Esto permite reducir el consumo de hidrógeno, aumentar la eficiencia de la central eléctrica y reducir la masa estructural. Uno de los principales logros del equipo es la creación de sistemas inteligentes de suministro de energía para aeronaves. "NaukaSoft planea hacer el primer avión totalmente eléctrico en Rusia. El equipo está formado por 10 personas. La edad media es de 45 años.

De acuerdo con Alexander Zubarev, líder del equipo de BVS, los revestimientos catalíticos con elementos de platino se utilizan en las pilas de combustible de hidrógeno, y el producto tiene los más altos requerimientos en términos de resistencia y conductividad. "Y todo descansa en última instancia en el peso, porque estamos hablando de aviones. Los WTEs para la generación de electricidad se han utilizado durante mucho tiempo en la Marina, por ejemplo en los submarinos. Pero si estamos hablando de un ATV, que tendrá que levantar una carga útil, su motor y su tanque deben ser ligeros y no consumir mucha energía", dijo Zubarev.

El equipo de "BVS"

La base del equipo de BVS está formada por empleados de JSC Unmanned Helicopter Systems. El equipo se formó hace dos años. Reunió a especialistas cuyas competencias les permiten trabajar en células de combustible avanzadas para vehículos aéreos no tripulados: un programador electrónico, un tecnólogo de compuestos, un químico, un operador de aviones no tripulados. La BVS considera como su objetivo prioritario el desarrollo de tecnologías de generación de energía eficientes y respetuosas con el medio ambiente para las aeronaves. Según los miembros del equipo, esto aumentará significativamente la duración del vuelo del UAV y ampliará la gama de tareas que pueden realizar. Actualmente, el equipo está desarrollando un multicoptero con un peso de despegue de 10 kg y un WTE de 1 kW y está creando el primer helicóptero del mundo con un WTE de 3 kW y un peso de despegue de 30 kg. El equipo está formado por 6 personas, la edad media es de 42 años.

En general, el WTE es un producto complejo y de conocimiento intensivo en la interfaz de varias tecnologías. Según Nina Smirnova, capitana del equipo PolyTech, para crear su propia central eléctrica tuvo que involucrar a diversos especialistas: químicos, profesionales de la electrónica de potencia, neumáticos. "Como resultado, a pesar de que tenemos un equipo muy joven - chicos y chicas que acaban de graduarse de los institutos - nos las arreglamos para hacer la instalación, que no es peor que nuestros competidores. Así que para nosotros, crear una pila de combustible de hidrógeno que funcione es una gran victoria científica y técnica", dijo.

El equipo de PolyTech

El equipo de "PolyTech" incluía empleados y maestros de la Universidad Pedagógica Estatal Rusa de Platov (SPI) y empleados de la empresa "Ingeniería". La creación del equipo PolyTech comenzó con el laboratorio de electroquímica y materiales híbridos del Instituto de Investigación de Nanotecnologías y Nuevos Materiales de SRPU. Este laboratorio desarrolla materiales para energía electroquímica: células de combustible, supercapacitores, baterías de iones de litio. Uno de los componentes más importantes de la pila de combustible de PolyTech es un catalizador de platino y carbono. Se basa en una tecnología única desarrollada y patentada por los miembros del equipo. El catalizador es notable por su alta actividad, productividad y respeto al medio ambiente. Además, se ha desarrollado un diseño y una tecnología especial de fabricación de placas bipolares, que asegura una reducción significativa del peso del producto final. Hay 11 personas en el equipo. La edad media es de 38 años.

Día X

En el camino a la final los equipos participantes tuvieron que pasar tres controles por el comité de calificación de la competencia. Primero, inspeccionaron la preparación de los equipos para las pruebas en su conjunto y su base técnica. Unos meses más tarde, se probó el estado de funcionamiento del VTE creado por los equipos. La última prueba de pre-vuelo se llevó a cabo antes de la línea de meta, que sólo tres equipos alcanzaron.

"Probamos los equipos para comprobar el cumplimiento de los requisitos técnicos de la competición, uno de cuyos puntos principales era la máxima localización de los componentes - tenían que ser domésticos. No se permitió probar a los que no tenían producción local", dijo Yuri Dobrovolsky, Jefe del Centro de Competencia de STI para Tecnologías de Fuentes de Energía Nuevas y Móviles de IPCF RAS, líder de la competencia.

También explicó qué principio se utilizó para determinar la principal barrera tecnológica en términos de intensidad de energía de masa específica: "El hecho es que el mundo ya tiene VTE para los drones con el índice de 550 Wt*h/kg. Este es el mejor diseño industrial, en cuya creación se han invertido millones de dólares". La barrera tecnológica que los concursantes tuvieron que superar fue de 700 Wt/h/kg.

Y 550 Wt/h/kg que los organizadores de la competición establecieron como barrera de calificación, que debía ser superada para la admisión a la prueba final el 12 de julio. Dos equipos - "NaukaSoft" y "BVS" - casi lograron alcanzar al líder mundial, su VTE fue de casi 530 Wt/h/kg. Sin embargo, nadie logró superar la barrera de la calificación como resultado.

Nueva rama de la industria de la energía eléctrica

"El concurso nos ha enriquecido. Terminamos con un gran número de nuevas ideas tecnológicas", dice Sergey Khalyutin de NaukaSoft. - Además, hemos adquirido una vasta experiencia en el desarrollo de la tecnología de convertidores, optimizando y regulando el movimiento de los pesados ATV en el aire. Todo esto se aplicará en nuestros futuros desarrollos".

Según los participantes, "El Primer Elemento" les ha enseñado a resolver las tareas en poco tiempo, como lo exigen las condiciones de las competiciones tecnológicas de vanguardia. Los concursantes también señalaron el resurgimiento del interés de la comunidad científica y técnica en las tecnologías del hidrógeno. Los equipos comenzaron a recibir propuestas de cooperación y se esbozaron nuevas perspectivas para su desarrollo.

Dmitry Peskov, el Representante Especial del Presidente de la Federación de Rusia para el Desarrollo Digital y Tecnológico, señaló que la tarea que los organizadores habían establecido inicialmente para los competidores era lo más difícil posible: "En el primer año de cualquier competencia de este nivel, por regla general, las barreras tecnológicas nunca se superan". Kirill Kayem, Vicepresidente de la Fundación Skolkovo, recordó el famoso concurso Google Lunar XPrize 2014, que también terminó sin ganador. Sin embargo, entonces los creadores del explorador lunar pudieron encontrar un inversor para continuar su desarrollo. "El futuro de esta competición dependerá en gran medida del interés de los inversores de capital de riesgo en el tema de los VTE para los drones", cree Kirill Kayem.

Al comentar las ventajas del VTE sobre las pilas de combustible tradicionales, Dmitry Peskov recordó que ahora literalmente todas las economías innovadoras del mundo están luchando por la creación de taxis aéreos realmente eficaces.

"Japón, China, Estados Unidos y otros países ya han creado muchas estructuras de ingeniería muy hermosas para los taxis aéreos no tripulados. Pero aún no pueden convertirse en taxis completos, porque las baterías de iones de litio son simplemente incapaces de proporcionar suficiente energía para volar a grandes distancias. Este problema debe ser resuelto por la tecnología VTE.

Dmitry Peskov, Representante Especial del Presidente de la Federación de Rusia para el Desarrollo Digital y Tecnológico

El Director General de la RVC Alexander Povalko considera que uno de los principales resultados del concurso es una experiencia única y la base para un nuevo vector de desarrollo de la innovación:

"Estas tecnologías tienen demanda dondequiera que se necesite una mayor eficiencia energética, ya sea en las aeronaves o en los sistemas de propulsión adicionales de las mismas. De hecho, hemos abierto una nueva rama en la industria de la energía eléctrica".

El fondo del premio de 60 millones de rublos esta vez quedó sin reclamar, pero los equipos participantes no se niegan a seguir invirtiendo sus recursos en desarrollos prometedores. Han completado la competencia con nuevos productos que serán el prototipo de la próxima generación de centrales eléctricas de pilas de combustible de hidrógeno.