Energia dell'idrogeno

La prima competizione russa tra gli sviluppatori di centrali a celle a combustibile a idrogeno Up Great si è conclusa. I voli di prova delle unità alimentate a idrogeno si sono svolti il 12 luglio a Crocus Expo IEC. RIA Novosti riferisce i risultati del concorso.

All'incrocio delle tecnologie

Una speciale piattaforma volante sul territorio del Crocus Expo è recintata con una rete alta quasi dieci metri. Accanto ai padiglioni appositamente attrezzati i finalisti del concorso completano gli ultimi preparativi. Una cella a combustibile a idrogeno (HFC) con sistemi di supporto fissati sotto la pancia del velivolo e un cilindro a idrogeno sulla schiena assomiglia a questo ATV del futuro in piena prontezza di combattimento.

Secondo i termini del concorso tecnologico Up Great "First Element" organizzato dalla Russian Venture Company (RVC), dalla Fondazione Skolkovo e dall'Agenzia per le Iniziative Strategiche (ASI), i partecipanti hanno dovuto superare la barriera tecnologica dell'intensità energetica di massa specifica delle celle a combustibile a idrogeno a 700 Wt*h/kg. Allo stesso tempo, era necessario tenere in volo l'ATV con WTE per almeno tre ore. Questo è quasi quattro volte più lungo di un'unità simile che vola con una batteria convenzionale. Il montepremi del concorso era di 60 milioni di rubli. Tre squadre su dieci hanno raggiunto la finale: NaukaSoft, BVS e PolyTech.

Durante la preparazione dei voli, il corrispondente di RIA Novosti ha chiesto ai finalisti quanto costa un tale alimentatore e quali compiti i team dovevano risolvere nel processo di creazione.

Cos'è il VTE

Le celle a combustibile a idrogeno sono in grado di convertire l'energia chimica dell'idrogeno in energia elettrica durante il processo di ossidazione con l'ossigeno. L'ossigeno può provenire dall'aria, mentre l'idrogeno può provenire da una bombola. I WTE sono altamente efficienti e rispettosi dell'ambiente: il risultato dello "scarico" è il vapore acqueo.

Il primo WTE fu creato nel lontano 1838 dal fisico William Grove, che dimostrò la reversibilità del processo di elettrolisi dell'acqua e fu in grado di combinare le molecole di idrogeno e ossigeno nell'acqua senza bruciare, ma con il rilascio di elettricità e calore. Tuttavia, l'invenzione non ha avuto alcuna applicazione pratica ed è stata dimenticata per un secolo.

Il risultato successivo è dovuto all'ingegnere britannico Francis Bacon, che nel 1939 creò un WTE stazionario da cinque chilowatt.

Nel 1955, General Electric ha creato il VTE sperimentale con una membrana polimerica come elettrolita. Nel 1959, il VTE fu installato per la prima volta su un trattore.

L'uso commerciale del VTE iniziò nel 1964 sulle astronavi americane di seconda generazione Gemini (1964-1966).

In URSS, sulla navicella spaziale Buran sono state installate celle a combustibile a idrogeno.

Nel 1991 è stato sviluppato il primo veicolo su una cella a combustibile a idrogeno.

Ora le celle a combustibile a idrogeno sono attivamente utilizzate su navi e sottomarini, dove generano elettricità per i processi ausiliari. Tra i prodotti civili più famosi su VTE, prodotti in serie, c'è un'auto giapponese Toyota Mirai.

Non meno rilevante è l'uso di celle a combustibile a idrogeno per i produttori di ATV e altri UAV. Più la cella a combustibile di un drone è ad alto consumo di energia e meno peso ha, più a lungo l'UAV volerà. Attualmente, le batterie agli ioni di litio sono in grado di mantenerle in aria per circa mezz'ora durante lo svolgimento di piccole attività.

Per le missioni più complesse, compreso il cosiddetto compito logistico dell'"ultimo miglio" di consegnare la merce dal magazzino al consumatore finale, sarà necessaria una cella a combustibile molto più energivora.

"Il costo approssimativo di una cella a combustibile con una superficie di lavoro di circa tre centimetri quadrati è di 50 dollari", ha detto Sergei Khalyutin, CEO di NaukaSoft. Il numero di tali cellule in WTE dipende, ha detto, da molti fattori. Nel complesso, egli stima le spese del suo team per la partecipazione al concorso a circa tre milioni di rubli. "La parte principale del VTE sono unità elettroniche a membrana. Si tratta di dispositivi elettrochimici molto complessi e costosi, che utilizzano diverse tecnologie avanzate, tra cui la nano. E la bombola di idrogeno stessa è il prodotto multistrato più complesso realizzato con materiali compositi moderni e costosi", ha spiegato Halyutin.

Squadra "NaukaSoft

Il team NaukaSoft è composto dallo staff di NaukaSoft Pilot Workshop LLC, uno sviluppatore di sistemi di alimentazione per l'aviazione. Il partner del team è Kalibr Technopark. La competenza dei membri del team permette di risolvere con successo i problemi nel settore dell'energia aeronautica, così come nel campo dei sistemi di controllo automatizzato e di navigazione. Il team è composto da due medici di scienze, un professore, due candidati di scienze, due professori associati, ingegneri altamente qualificati e un ingegnere radio con una vasta esperienza. "NaukaSoft ha una vasta esperienza nell'ottimizzazione complessa e nella minimizzazione della massa del sistema attraverso la distribuzione e l'uso razionale dell'energia elettrica e termica dell'intero sistema. Ciò consente di ridurre il consumo di idrogeno, aumentare l'efficienza della centrale e ridurre la massa strutturale. Uno dei principali risultati del team è la creazione di sistemi di alimentazione intelligente per aerei. "NaukaSoft prevede di realizzare il primo aereo completamente elettrico in Russia. La squadra è composta da 10 persone. L'età media è di 45 anni.

Secondo Alexander Zubarev, leader del team BVS, i rivestimenti catalitici con elementi in platino sono utilizzati nelle celle a combustibile a idrogeno, e il prodotto ha i più alti requisiti in termini di resistenza e conducibilità. "E alla fine tutto si basa sul peso, perché stiamo parlando di aerei. I WTE per la produzione di energia elettrica sono stati a lungo utilizzati in Marina, ad esempio nei sottomarini. Ma se parliamo di un ATV, che dovrà sollevare un carico utile, il suo motore e il suo serbatoio devono essere leggeri e non devono assorbire molta energia", ha detto Zubarev.

Il team "BVS

La base del team BVS è formata dai dipendenti della JSC Unmanned Helicopter Systems. La squadra è stata formata due anni fa. Ha riunito specialisti le cui competenze consentono di lavorare su celle a combustibile avanzate per veicoli aerei senza pilota: un programmatore elettronico, un tecnologo di compositi, un chimico, un operatore di droni. BVS considera lo sviluppo di tecnologie efficienti ed ecologiche per la produzione di energia elettrica per gli aerei come obiettivo prioritario. Secondo i membri del team, ciò aumenterà significativamente la durata del volo UAV e amplierà la gamma di compiti che possono svolgere. Attualmente, il team sta sviluppando un multi-cottero con un peso al decollo di 10 kg e un WTE di 1 kW e sta creando il primo elicottero al mondo con un WTE di 3 kW e un peso al decollo di 30 kg. La squadra è composta da 6 persone, l'età media è di 42 anni.

In generale, il WTE è un prodotto complesso e ad alta intensità di conoscenza all'interfaccia di varie tecnologie. Secondo Nina Smirnova, capitano del team PolyTech, per creare la propria centrale elettrica ha dovuto coinvolgere una serie di specialisti: chimici, professionisti dell'elettronica di potenza, della pneumatica. "Di conseguenza, nonostante il fatto che abbiamo un team molto giovane - ragazzi e ragazze appena diplomati - siamo riusciti a realizzare l'installazione, che non è peggiore dei nostri concorrenti. Quindi per noi, creare una cella a combustibile a idrogeno funzionante è una grande vittoria scientifica e tecnica", ha detto.

Il team PolyTech

Il team di "PolyTech" comprendeva dipendenti e master dell'Università Pedagogica Statale Russa Platov (SPI) e dipendenti della società "Engineering". La creazione del team PolyTech è iniziata con il laboratorio di elettrochimica e materiali ibridi presso l'Istituto di Ricerca di Nanotecnologie e Nuovi Materiali di SRPU. Questo laboratorio sviluppa materiali per l'energia elettrochimica: celle a combustibile, supercondensatori, batterie agli ioni di litio. Uno dei componenti più importanti della cella a combustibile PolyTech è un catalizzatore al platino-carbonio. Si basa su una tecnologia unica sviluppata e brevettata dai membri del team. Il catalizzatore si distingue per l'elevata attività, la produttività e la compatibilità ambientale. Inoltre, è stato sviluppato un design e una tecnologia speciale per la produzione di piastre bipolari, che garantisce una significativa riduzione del peso del prodotto finito. Ci sono 11 persone nella squadra. L'età media è di 38 anni.

Giorno X

Sulla strada verso la finale le squadre partecipanti hanno dovuto superare tre controlli da parte del comitato di qualificazione della competizione. In primo luogo, hanno ispezionato la preparazione delle squadre per i test nel loro complesso e la loro base tecnica. Qualche mese dopo, lo stato di funzionamento del VTE creato dalle squadre è stato testato. L'ultima prova di preflight si è svolta prima del traguardo, che solo tre squadre hanno raggiunto.

"Abbiamo testato le squadre per la conformità ai requisiti tecnici della competizione, uno dei punti principali dei quali era la massima localizzazione dei componenti - dovevano essere nazionali. A coloro che non avevano una produzione locale non è stato permesso di essere testati", ha detto Yuri Dobrovolsky, responsabile del Centro di Competenza di STI per le Nuove e Mobile Power Sources Technologies di IPCF RAS, leader della competizione.

Ha anche spiegato quale principio è stato utilizzato per determinare la principale barriera tecnologica in termini di intensità energetica di massa specifica: "Il fatto è che il mondo ha già il VTE per i droni con l'indice di 550 Wt*h/kg. Questo è il miglior design industriale, nella cui creazione sono stati investiti milioni di dollari". La barriera tecnologica che i concorrenti hanno dovuto superare era di 700 Wt/h/kg.

E 550 Wt/h/kg che gli organizzatori del concorso hanno posto come barriera di qualificazione, che doveva essere superata per l'ammissione alla prova finale del 12 luglio. Due squadre - "NaukaSoft" e "BVS" - sono quasi riuscite a raggiungere il leader mondiale, il loro VTE era di quasi 530 Wt/h/kg. Tuttavia, nessuno è riuscito a superare la barriera della qualificazione come risultato.

Nuovo ramo dell'industria dell'energia elettrica

"Il concorso ci ha arricchito. Concludiamo con un numero enorme di nuove idee tecnologiche", afferma Sergey Khalyutin di NaukaSoft. - Inoltre, abbiamo acquisito una vasta esperienza nello sviluppo della tecnologia dei convertitori, ottimizzando e regolando il movimento di ATV pesanti in aria. Tutto questo sarà applicato nei nostri sviluppi futuri".

Secondo i partecipanti, "The First Element" ha insegnato loro a risolvere i compiti in breve tempo, come richiesto dalle condizioni delle competizioni tecnologiche all'avanguardia. I concorrenti hanno anche notato la ripresa dell'interesse della comunità scientifica e tecnica per le tecnologie dell'idrogeno. I team hanno iniziato a ricevere proposte di cooperazione e sono state delineate nuove prospettive per il loro sviluppo.

Dmitry Peskov, Rappresentante Speciale del Presidente della Federazione Russa per lo Sviluppo Digitale e Tecnologico, ha osservato che il compito che gli organizzatori avevano inizialmente fissato per i concorrenti era il più difficile possibile: "Nel primo anno di una competizione di questo livello, le barriere tecnologiche non vengono mai superate". Kirill Kayem, Vice Presidente della Fondazione Skolkovo, ha ricordato il famoso concorso Google Lunar XPrize 2014, anch'esso terminato senza un vincitore. Tuttavia, poi i creatori del rover lunare sono riusciti a trovare un investitore per continuare il loro sviluppo. "Il futuro di questa competizione dipenderà in gran parte dall'interesse degli investitori di venture capital per il tema del VTE per i droni", ritiene Kirill Kayem.

Commentando i vantaggi del VTE rispetto alle tradizionali celle a combustibile, Dmitry Peskov ha ricordato che ora letteralmente tutte le economie innovative del mondo si battono per la creazione di taxi aerei davvero efficaci.

"Il Giappone, la Cina, gli Stati Uniti e un certo numero di altri paesi hanno già creato molte belle strutture ingegneristiche per i taxi aerei senza equipaggio. Ma non possono ancora diventare dei veri e propri taxi, perché le batterie agli ioni di litio sono semplicemente incapaci di fornire energia sufficiente per volare su lunghe distanze. Questo problema deve essere risolto con la tecnologia VTE.

Dmitry Peskov, Rappresentante speciale del Presidente della Federazione Russa per lo sviluppo digitale e tecnologico

Il direttore generale della RVC Alexander Povalko considera uno dei principali risultati del concorso come un'esperienza unica e la base per un nuovo vettore di sviluppo dell'innovazione:

"Queste tecnologie sono richieste ovunque vi sia la necessità di una maggiore efficienza energetica, che si tratti di aerei o di sistemi di propulsione aggiuntivi sugli aerei. Abbiamo infatti aperto una nuova filiale nel settore dell'energia elettrica".

Il fondo premi di 60 milioni di rubli questa volta non è stato riscosso, ma le squadre partecipanti non si rifiutano di continuare a investire le loro risorse in promettenti sviluppi. Hanno completato la competizione con nuovi prodotti che saranno il prototipo della prossima generazione di centrali a celle a combustibile a idrogeno.