Waterstofenergie

De eerste Russische concurrentie tussen de ontwikkelaars van waterstofcelcentrales Up Great is tot een einde gekomen. Testvluchten van waterstof aangedreven eenheden vonden plaats op 12 juli in Crocus Expo IEC. RIA Novosti doet verslag van de resultaten van de wedstrijd.

Op het kruispunt van technologieën

Een speciaal vliegplatform op het grondgebied van de Crocus Expo is omheind met een net van bijna tien meter hoog. Naast de speciaal ingerichte paviljoens maken de finalisten van de wedstrijd de laatste voorbereidingen af. Een waterstof brandstofcel (HFC) met ondersteunende systemen die onder de buik van het vliegtuig zijn bevestigd en een waterstofcilinder op de rug lijken op deze ATV van de toekomst in volle gevechtsklaarheid.

In het kader van de technologische wedstrijd Up Great "First Element", georganiseerd door de Russian Venture Company (RVC), de Skolkovo Foundation en het Agency for Strategic Initiatives (ASI), moesten de deelnemers de technologische barrière van de specifieke massa-energie-intensiteit van waterstofbrandstofcellen met 700 Wt*h/kg overwinnen. Tegelijkertijd was het noodzakelijk om de ATV met WTE minstens drie uur in de lucht te houden. Dit is bijna vier keer zo lang als een vergelijkbare eenheid die op een conventionele batterij vliegt. Het prijsfonds van de wedstrijd was 60 miljoen roebel. Drie van de tien teams bereikten de finale: NaukaSoft, BVS en PolyTech.

Tijdens de voorbereiding van de vluchten vroeg de RIA Novosti-correspondent aan de finalisten hoeveel zo'n stroomvoorziening kost en welke taken de teams moesten oplossen in het proces van de totstandkoming ervan.

Wat is VTE

Waterstof brandstofcellen zijn in staat om chemische energie van waterstof om te zetten in elektrische energie tijdens het proces van oxidatie met zuurstof. Zuurstof kan uit de lucht komen, terwijl waterstof uit een cilinder kan komen. WTE's zijn zeer efficiënt en milieuvriendelijk: het resultaat van "uitlaatgassen" is waterdamp.

De eerste WTE werd in 1838 gecreëerd door de natuurkundige William Grove, die de omkeerbaarheid van het waterelektrolyseproces liet zien en de moleculen van waterstof en zuurstof in water kon combineren zonder te verbranden, maar met het vrijkomen van elektriciteit en warmte. De uitvinding had echter geen praktische toepassing en werd een eeuw lang vergeten.

De volgende prestatie is te danken aan de Britse ingenieur Francis Bacon, die in 1939 een stationaire WTE van vijf kilowatt creëerde.

In 1955 creëerde General Electric de experimentele VTE met een polymeermembraan als elektrolyt. In 1959 werd de VTE voor het eerst op een tractor geïnstalleerd.

Het commerciële gebruik van VTE begon in 1964 op de tweede generatie Amerikaanse ruimteschepen Gemini (1964-1966).

In de USSR werden waterstof brandstofcellen geïnstalleerd op het Buran-ruimteschip.

In 1991 werd het eerste voertuig op een waterstofcel ontwikkeld.

Nu worden waterstofbrandstofcellen actief gebruikt op schepen en onderzeeërs, waar ze elektriciteit opwekken voor hulpprocessen. Een van de beroemdste civiele producten op VTE, geproduceerd in serie, is een Japanse auto Toyota Mirai.

Niet minder relevant is het gebruik van waterstofbrandstofcellen voor fabrikanten van ATV's en andere onbemande luchtvaartuigen. Hoe energie-intensiever de brandstofcel van een drone en hoe minder het gewicht, hoe langer de UAV zal vliegen. Op dit moment kunnen lithium-ionbatterijen ongeveer een half uur in de lucht blijven terwijl ze kleine taken uitvoeren.

Voor complexere missies, waaronder de zogenaamde "last mile" logistieke taak om goederen van het magazijn naar de eindconsument te brengen, zullen WTE evenzeer energie-intensieve brandstofcellen nodig zijn.

"De geschatte kosten van een brandstofcel met een werkoppervlak van ongeveer drie vierkante centimeter is $50," zei Sergei Khalyutin, CEO van NaukaSoft. Het aantal van dergelijke cellen in WTE hangt af, zei hij, van vele factoren. Over het geheel genomen schat hij de uitgaven van zijn team voor deelname aan de wedstrijd op ongeveer drie miljoen roebel. "Het belangrijkste onderdeel van VTE zijn membraanelektronica. Dit zijn zeer complexe en dure elektrochemische apparaten, die gebruik maken van verschillende geavanceerde technologieën, waaronder nano. En de waterstofcilinder zelf is het meest complexe meerlaagse product dat gemaakt is van moderne dure composietmaterialen", legt Halyutin uit.

NaukaSoft" team

Het NaukaSoft-team bestaat uit de medewerkers van NaukaSoft Pilot Workshop LLC, een ontwikkelaar van luchtvaartvoedingssystemen. De partner van het team is Kalibr Technopark. De competentie van de teamleden maakt het mogelijk om met succes problemen in de luchtvaartindustrie op te lossen, evenals op het gebied van geautomatiseerde besturings- en navigatiesystemen. Het team bestaat uit twee doctors in de wetenschappen, een hoogleraar, twee kandidaten voor de wetenschappen, twee associate professors, hooggekwalificeerde ingenieurs en een radio-ingenieur met ruime ervaring. "NaukaSoft heeft uitgebreide ervaring in complexe optimalisatie en massaminimalisatie van het systeem door de rationele verdeling en het gebruik van elektrische en thermische energie van het hele systeem. Dit maakt het mogelijk het waterstofverbruik te verminderen, de efficiëntie van de energiecentrale te verhogen en de structurele massa te verminderen. Een van de belangrijkste verwezenlijkingen van het team is het creëren van intelligente voedingssystemen voor vliegtuigen. "NaukaSoft is van plan om het eerste volledig elektrische vliegtuig in Rusland te maken. Het team bestaat uit 10 personen. De gemiddelde leeftijd is 45 jaar.

Volgens Alexander Zubarev, leider van het BVS-team, worden katalytische coatings met platina elementen gebruikt in waterstofbrandstofcellen en stelt het product de hoogste eisen aan de sterkte en het geleidingsvermogen. "En alles rust uiteindelijk op gewicht, want we hebben het over vliegtuigen. WTE's voor de opwekking van elektriciteit worden al lang gebruikt in de marine, bijvoorbeeld in onderzeeërs. Maar als we het hebben over een ATV, die een lading zal moeten optillen, moeten de motor en de tank licht zijn en niet veel energie verbruiken," zei Zubarev.

Het "BVS" team

De basis van het BVS team wordt gevormd door medewerkers van JSC Onbemande Helikoptersystemen. Het team is twee jaar geleden gevormd. Het bracht specialisten samen wiens competenties hen in staat stellen om te werken aan geavanceerde brandstofcellen voor onbemande luchtvaartuigen: een elektronische programmeur, een composiettechnoloog, een chemicus, een drone-operator. BVS beschouwt de ontwikkeling van efficiënte en milieuvriendelijke energieopwekkingstechnologieën voor vliegtuigen als haar prioritaire doelstelling. Volgens de teamleden zal dit de duur van de UAV-vlucht aanzienlijk verlengen en het takenpakket uitbreiden. Momenteel ontwikkelt het team een multi-copter met een startgewicht van 10 kg en een WTE van 1 kW en creëert het de eerste helikopter ter wereld met een WTE van 3 kW en een startgewicht van 30 kg. Het team bestaat uit 6 personen, de gemiddelde leeftijd is 42 jaar.

In het algemeen is WTE een complex, kennisintensief product op het raakvlak van verschillende technologieën. Volgens Nina Smirnova, kapitein van het PolyTech-team, moest ze voor de bouw van haar eigen elektriciteitscentrale verschillende specialisten inschakelen: chemici, professionals in vermogenselektronica, pneumatiek. "Ondanks het feit dat we een zeer jong team hebben - jongens en meisjes die net zijn afgestudeerd aan instituten - is het ons gelukt om de installatie te maken, wat niet slechter is dan onze concurrenten. Dus voor ons is het creëren van een functionerende waterstof-brandstofcel een enorme wetenschappelijke en technische overwinning," zei ze.

Het PolyTech-team

Het team van "PolyTech" bestond uit medewerkers en meesters van de Platov Russian State Pedagogical University (SPI) en medewerkers van het bedrijf "Engineering". De oprichting van het PolyTech-team is begonnen met het laboratorium voor elektrochemie en hybride materialen van het onderzoeksinstituut voor nanotechnologieën en nieuwe materialen van SRPU. Dit laboratorium ontwikkelt materialen voor elektrochemische energie: brandstofcellen, supercondensatoren, lithium-ionbatterijen. Een van de belangrijkste onderdelen van de PolyTech-brandstofcel is een platinakatalysator. Het is gebaseerd op een unieke technologie die door de teamleden is ontwikkeld en gepatenteerd. De katalysator valt op door zijn hoge activiteit, productiviteit en milieuvriendelijkheid. Daarnaast is er een speciaal ontwerp en een technologie voor de productie van bipolaire platen ontwikkeld, die een aanzienlijke gewichtsvermindering van het eindproduct garandeert. Er zitten 11 mensen in het team. De gemiddelde leeftijd is 38 jaar.

Dag X

Op weg naar de finale moesten de deelnemende teams drie controles door de kwalificatiecommissie van de competitie doorstaan. Eerst inspecteerden ze de gereedheid van de teams voor de tests in hun geheel en hun technische basis. Enkele maanden later werd de werking van de door de teams gecreëerde VTE getest. De laatste pre-flight test werd gehouden voor de finish, die slechts drie teams bereikten.

"We hebben de teams getest op de naleving van de technische vereisten van de wedstrijd, waarvan een van de belangrijkste punten de maximale lokalisatie van de onderdelen was - ze moesten binnenlands zijn. Degenen die geen lokale productie hadden, mochten niet worden getest", zei Yuri Dobrovolsky, hoofd van het competentiecentrum van STI voor nieuwe en mobiele stroombrontechnologieën van IPCF RAS, leider van de competitie.

Hij legde ook uit welk principe werd gebruikt om de belangrijkste technologische barrière te bepalen in termen van specifieke massa-energie-intensiteit: "Feit is dat de wereld al VTE heeft voor drones met de index van 550 Wt*h/kg. Dit is het beste industriële ontwerp, waarin miljoenen dollars zijn geïnvesteerd". De technologische barrière die de deelnemers moesten overwinnen was 700 Wt/h/kg.

En 550 Wt/h/kg die de organisatoren van de wedstrijd als kwalificatiebarrière hebben ingesteld, die voor de toelating tot de finale test op 12 juli moest worden gehaald. Twee teams - "NaukaSoft" en "BVS" - slaagden er bijna in om de wereldleider in te halen, hun VTE was bijna 530 Wt/h/kg. Niemand is er echter in geslaagd om de kwalificatiebarrière te overwinnen.

Nieuwe tak van de elektrische energie-industrie

"De wedstrijd heeft ons verrijkt. We sluiten het af met een groot aantal nieuwe technologische ideeën", zegt Sergey Khalyutin van NaukaSoft. - Daarnaast hebben we veel ervaring opgedaan met het ontwikkelen van convertortechnologie, het optimaliseren en reguleren van de beweging van zware ATV's in de lucht. Dit alles zal worden toegepast in onze toekomstige ontwikkelingen".

Volgens de deelnemers heeft "The First Element" hen geleerd om de taken in korte tijd op te lossen, zoals vereist door de voorwaarden van de technologische doorbraakwedstrijden. De deelnemers merkten ook op dat de belangstelling van de wetenschappelijke en technische gemeenschap voor waterstoftechnologieën weer is toegenomen. De teams begonnen voorstellen voor samenwerking te ontvangen en er werden nieuwe ontwikkelingsperspectieven geschetst.

Dmitry Peskov, de Speciale Vertegenwoordiger van de President van de Russische Federatie voor Digitale en Technologische Ontwikkeling, merkte op dat de taak die de organisatoren aanvankelijk voor de concurrenten hadden gesteld zo moeilijk mogelijk was: "In het eerste jaar van elke concurrentie van dit niveau worden technologische barrières meestal nooit overwonnen". Kirill Kayem, Vice President van de Skolkovo Foundation, herinnerde aan de beroemde Google Lunar XPrize 2014 wedstrijd, die ook eindigde zonder een winnaar. Maar toen konden de makers van de maanrover een investeerder vinden om hun ontwikkeling voort te zetten. "De toekomst van deze concurrentie zal grotendeels afhangen van de belangstelling van durfkapitaalinvesteerders voor het onderwerp VTE voor drones", meent Kirill Kayem.

In zijn commentaar op de voordelen van VTE ten opzichte van traditionele brandstofcellen herinnerde Dmitry Peskov eraan dat nu letterlijk alle innovatieve economieën in de wereld strijden voor het creëren van echt effectieve luchttaxi's.

"Japan, China, de Verenigde Staten en een aantal andere landen hebben al vele zeer mooie technische constructies voor onbemande luchttaxi's gemaakt. Maar ze kunnen nog geen volwaardige taxi's worden, want lithium-ionbatterijen kunnen gewoonweg niet genoeg vermogen leveren om lange afstanden te vliegen. Dit probleem moet worden opgelost door de VTE-technologie.

Dmitry Peskov, speciaal vertegenwoordiger van de president van de Russische Federatie voor digitale en technologische ontwikkeling

Algemeen directeur van RVC Alexander Povalko beschouwt een van de belangrijkste resultaten van de wedstrijd als een unieke ervaring en de basis voor een nieuwe vector van innovatieontwikkeling:

"Deze technologieën zijn overal gevraagd waar er behoefte is aan een grotere energie-efficiëntie, of het nu gaat om vliegtuigen of om extra aandrijfsystemen aan boord van vliegtuigen. In feite hebben we een nieuwe tak in de elektrische energie-industrie geopend".

Het prijsfonds van 60 miljoen roebel is dit keer niet opgeëist, maar de deelnemende teams weigeren niet om hun middelen te blijven investeren in veelbelovende ontwikkelingen. Zij hebben de concurrentie afgerond met nieuwe producten die het prototype zullen zijn van de volgende generatie brandstofcelcentrales op waterstof.