L'énergie de l'hydrogène

La première compétition russe entre les développeurs de centrales électriques à pile à combustible à hydrogène Up Great est terminée. Les vols d'essai des unités à hydrogène ont eu lieu le 12 juillet à Crocus Expo IEC. RIA Novosti rend compte des résultats du concours.

A la croisée des technologies

Une plate-forme volante spéciale sur le territoire de l'Expo Crocus est clôturée par un filet de près de dix mètres de haut. À côté des pavillons spécialement aménagés, les finalistes du concours achèvent les derniers préparatifs. Une pile à combustible à hydrogène (HFC) avec des systèmes de soutien fixés sous le ventre de l'avion et une bouteille d'hydrogène sur son dos ressemblent à ce VTT du futur en pleine préparation au combat.

Dans le cadre du concours technologique Up Great "First Element" organisé par la Russian Venture Company (RVC), la Fondation Skolkovo et l'Agence pour les initiatives stratégiques (ASI), les participants devaient surmonter la barrière technologique de l'intensité énergétique de masse spécifique des piles à combustible à hydrogène à 700 Wt*h/kg. En même temps, il était nécessaire de maintenir le VTT avec WTE en vol pendant au moins trois heures. C'est presque quatre fois plus long qu'un appareil similaire volant sur une batterie conventionnelle. Le montant du prix du concours était de 60 millions de roubles. Trois équipes sur dix ont atteint la finale : NaukaSoft, BVS et PolyTech.

Lors de la préparation des vols, le correspondant de la RIA Novosti a demandé aux finalistes combien coûte une telle alimentation et quelles tâches les équipes devaient résoudre dans le cadre de sa création.

Qu'est-ce que la VTE ?

Les piles à combustible à hydrogène sont capables de convertir l'énergie chimique de l'hydrogène en énergie électrique pendant le processus de son oxydation par l'oxygène. L'oxygène peut provenir de l'air, tandis que l'hydrogène peut provenir d'une bouteille. Les WTE sont très efficaces et respectueux de l'environnement : le résultat de l'"échappement" est la vapeur d'eau.

Le premier WTE a été créé en 1838 par le physicien William Grove, qui a démontré la réversibilité du processus d'électrolyse de l'eau et a été capable de combiner les molécules d'hydrogène et d'oxygène dans l'eau sans brûler, mais avec la libération d'électricité et de chaleur. Cependant, l'invention n'a pas eu d'application pratique et a été oubliée pendant un siècle.

La réalisation suivante est le fait de l'ingénieur britannique Francis Bacon, qui a créé en 1939 un WTE stationnaire de cinq kilowatts.

En 1955, General Electric a créé le VTE expérimental avec une membrane polymère comme électrolyte. En 1959, le VTE a été installé pour la première fois sur un tracteur.

L'utilisation commerciale de la VTE a commencé en 1964 sur les vaisseaux spatiaux américains de deuxième génération Gemini (1964-1966).

En URSS, des piles à combustible à hydrogène ont été installées sur le vaisseau spatial Bourane.

En 1991, le premier véhicule équipé d'une pile à combustible à hydrogène a été mis au point.

Aujourd'hui, les piles à combustible à hydrogène sont activement utilisées sur les navires et les sous-marins, où elles produisent de l'électricité pour des processus auxiliaires. Parmi les produits civils les plus connus sur VTE, produits en série, figure une voiture japonaise, la Toyota Mirai.

L'utilisation de piles à hydrogène pour les fabricants de VTT et autres drones n'est pas moins pertinente. Plus la pile à combustible d'un drone est gourmande en énergie et moins son poids est important, plus le drone volera longtemps. Actuellement, les batteries au lithium-ion peuvent les maintenir en l'air pendant environ une demi-heure tout en effectuant des tâches mineures.

Pour les missions plus complexes, y compris la tâche logistique dite du "dernier kilomètre", qui consiste à livrer les marchandises de l'entrepôt au consommateur final, il faudra des WTE autant qu'une pile à combustible beaucoup plus gourmande en énergie.

"Le coût approximatif d'une pile à combustible avec une surface de travail d'environ trois centimètres carrés est de 50 dollars", a déclaré Sergei Khalyutin, PDG de NaukaSoft. Le nombre de ces cellules dans les WTE dépend, selon lui, de nombreux facteurs. Dans l'ensemble, il estime les dépenses de son équipe pour la participation au concours à environ trois millions de roubles. "La majeure partie des VTE sont des unités électroniques à membrane. Il s'agit de dispositifs électrochimiques très complexes et coûteux, qui utilisent plusieurs technologies avancées, dont la nanotechnologie. Et la bouteille d'hydrogène elle-même est le produit multicouche le plus complexe, fait de matériaux composites modernes et coûteux", a expliqué M. Halyutin.

L'équipe "NaukaSoft

L'équipe NaukaSoft est composée du personnel de NaukaSoft Pilot Workshop LLC, un développeur de systèmes d'alimentation électrique pour l'aviation. Le partenaire de l'équipe est le Technoparc de Kalibr. La compétence des membres de l'équipe lui permet de résoudre avec succès des problèmes dans l'industrie de l'énergie aéronautique, ainsi que dans le domaine des systèmes de contrôle et de navigation automatisés. L'équipe se compose de deux docteurs en sciences, d'un professeur, de deux candidats en sciences, de deux professeurs associés, d'ingénieurs hautement qualifiés et d'un ingénieur radio ayant une grande expérience. "NaukaSoft possède une vaste expérience dans l'optimisation complexe et la minimisation de la masse du système par la distribution et l'utilisation rationnelles de l'énergie électrique et thermique de l'ensemble du système. Cela permet de réduire la consommation d'hydrogène, d'augmenter l'efficacité de la centrale et de réduire la masse structurelle. L'une des principales réalisations de l'équipe est la création de systèmes d'alimentation électrique intelligents pour les avions. "NaukaSoft prévoit de fabriquer le premier avion entièrement électrique en Russie. L'équipe est composée de 10 personnes. L'âge moyen est de 45 ans.

Selon Alexander Zubarev, chef de l'équipe du BVS, des revêtements catalytiques avec des éléments en platine sont utilisés dans les piles à combustible à hydrogène, et le produit a les exigences les plus élevées en termes de résistance et de conductivité. "Et tout repose finalement sur le poids, car nous parlons d'avions. Les WTE pour la production d'électricité sont utilisés depuis longtemps dans la marine, par exemple dans les sous-marins. Mais si nous parlons d'un VTT, qui devra soulever une charge utile, son moteur et son réservoir doivent être légers et ne pas consommer beaucoup d'énergie", a déclaré M. Zubarev.

L'équipe "BVS

La base de l'équipe du BVS est constituée par les employés de JSC Unmanned Helicopter Systems. L'équipe a été formée il y a deux ans. Il a réuni des spécialistes dont les compétences leur permettent de travailler sur des piles à combustible de pointe pour les véhicules aériens sans pilote : un programmeur électronique, un technologue des composites, un chimiste, un opérateur de drone. Le BVS considère le développement de technologies de production d'énergie efficaces et écologiques pour les avions comme son objectif prioritaire. Selon les membres de l'équipe, cela augmentera considérablement la durée de vol des drones et élargira la gamme des tâches qu'ils peuvent effectuer. Actuellement, l'équipe développe un multi-coptère d'une masse au décollage de 10 kg et d'une puissance de 1 kW et crée le premier hélicoptère au monde d'une puissance de 3 kW et d'une masse au décollage de 30 kg. L'équipe est composée de 6 personnes, la moyenne d'âge est de 42 ans.

En général, le WTE est un produit complexe, à forte intensité de connaissances, à l'interface de diverses technologies. Selon Nina Smirnova, capitaine de l'équipe PolyTech, pour créer sa propre centrale électrique, elle a dû faire appel à divers spécialistes : chimistes, professionnels de l'électronique de puissance, pneumatique. "En conséquence, malgré le fait que nous ayons une équipe très jeune - des gars et des filles qui viennent de sortir des instituts - nous avons réussi à faire l'installation, qui n'est pas pire que nos concurrents. Pour nous, la création d'une pile à combustible à hydrogène fonctionnelle est donc une immense victoire scientifique et technique", a-t-elle déclaré.

L'équipe de PolyTech

L'équipe de "PolyTech" comprenait des employés et des maîtres de l'Université pédagogique d'État russe de Platov (SPI) et des employés de la société "Engineering". La création de l'équipe PolyTech a commencé avec le laboratoire d'électrochimie et de matériaux hybrides de l'Institut de recherche sur les nanotechnologies et les nouveaux matériaux du SRPU. Ce laboratoire développe des matériaux pour l'énergie électrochimique : piles à combustible, supercondensateurs, batteries lithium-ion. L'un des composants les plus importants de la pile à combustible PolyTech est un catalyseur platine-carbone. Il est basé sur une technologie unique développée et brevetée par les membres de l'équipe. Le catalyseur se distingue par sa grande activité, sa productivité et son respect de l'environnement. En outre, une conception et une technologie spéciales de fabrication de plaques bipolaires ont été développées, ce qui garantit une réduction significative du poids du produit fini. L'équipe est composée de 11 personnes. L'âge moyen est de 38 ans.

Jour X

Sur le chemin de la finale, les équipes participantes ont dû passer trois contrôles par le comité de qualification de la compétition. Tout d'abord, ils ont inspecté l'état de préparation des équipes pour l'ensemble des tests et leur base technique. Quelques mois plus tard, l'état de fonctionnement du VTE créé par les équipes a été testé. Le dernier test de pré-vol a eu lieu avant la ligne d'arrivée, que seules trois équipes ont atteinte.

"Nous avons testé les équipes pour vérifier leur conformité aux exigences techniques de la compétition, dont l'un des principaux points était la localisation maximale des composants - ils devaient être nationaux. Ceux qui n'avaient pas de production locale n'étaient pas autorisés à être testés", a déclaré Yuri Dobrovolsky, chef du Centre de compétence de l'IPCF RAS pour les technologies des sources d'énergie nouvelles et mobiles, qui dirige le concours.

Il a également expliqué quel principe a été utilisé pour déterminer la principale barrière technologique en termes d'intensité énergétique massique spécifique : "Le fait est que le monde dispose déjà de la MTEV pour les drones avec un indice de 550 Wt*h/kg. C'est le meilleur design industriel, dans la création duquel des millions de dollars ont été investis". La barrière technologique que les concurrents ont dû surmonter était de 700 Wt/h/kg.

Et 550 Wt/h/kg que les organisateurs du concours ont fixé comme barrière de qualification, qu'il fallait réussir pour être admis à l'épreuve finale du 12 juillet. Deux équipes - "NaukaSoft" et "BVS" - ont presque réussi à rattraper le leader mondial, leur VTE était de près de 530 Wt/h/kg. Cependant, personne n'a réussi à surmonter l'obstacle de la qualification en conséquence.

Nouvelle branche de l'industrie de l'énergie électrique

"Le concours nous a enrichis. Nous la terminons avec un grand nombre de nouvelles idées technologiques", déclare Sergey Khalyutin de NaukaSoft. - En outre, nous avons acquis une vaste expérience dans le développement de la technologie des convertisseurs, l'optimisation et la régulation du mouvement des VTT lourds dans l'air. Tout cela sera appliqué dans nos développements futurs".

Selon les participants, "le premier élément" leur a appris à résoudre les tâches en peu de temps, comme l'exigent les conditions des concours technologiques de pointe. Les concurrents ont également noté le regain d'intérêt de la communauté scientifique et technique pour les technologies de l'hydrogène. Les équipes ont commencé à recevoir des propositions de coopération et de nouvelles perspectives de développement ont été esquissées.

Dmitri Peskov, le représentant spécial du président de la Fédération de Russie pour le développement numérique et technologique, a noté que la tâche que les organisateurs avaient initialement fixée aux concurrents était aussi difficile que possible : "Au cours de la première année de toute compétition de ce niveau, les barrières technologiques ne sont généralement jamais surmontées". Kirill Kayem, vice-président de la Fondation Skolkovo, a rappelé le célèbre concours Google Lunar XPrize 2014, qui s'est également terminé sans gagnant. Cependant, les créateurs du rover lunaire ont alors pu trouver un investisseur pour poursuivre leur développement. "L'avenir de cette compétition dépendra largement de l'intérêt des investisseurs en capital-risque pour le thème de la MTEV pour les drones", estime Kirill Kayem.

Commentant les avantages de la VTE par rapport aux piles à combustible traditionnelles, Dmitry Peskov a rappelé que désormais, littéralement, toutes les économies innovantes du monde se battent pour la création de taxis aériens réellement efficaces.

"Le Japon, la Chine, les États-Unis et un certain nombre d'autres pays ont déjà créé de nombreux et très beaux ouvrages d'art pour les taxis aériens sans pilote. Mais ils ne peuvent pas encore devenir des taxis à part entière, car les batteries lithium-ion sont tout simplement incapables de fournir suffisamment d'énergie pour parcourir de longues distances. Ce problème doit être résolu par la technologie VTE.

Dmitri Peskov, représentant spécial du président de la Fédération de Russie pour le développement numérique et technologique

Le directeur général de RVC, Alexander Povalko, considère l'un des principaux résultats du concours comme une expérience unique et la base d'un nouveau vecteur de développement de l'innovation :

"Ces technologies sont demandées partout où il est nécessaire d'améliorer l'efficacité énergétique, qu'il s'agisse des avions ou de systèmes de propulsion supplémentaires sur les avions. En fait, nous avons ouvert une nouvelle branche dans l'industrie de l'énergie électrique".

Le fonds du prix de 60 millions de roubles n'a pas été réclamé cette fois-ci, mais les équipes participantes ne refusent pas de continuer à investir leurs ressources dans des développements prometteurs. Ils ont complété la compétition avec de nouveaux produits qui seront le prototype de la prochaine génération de centrales électriques à pile à combustible à hydrogène.