Energia Hidrogênica

A primeira competição russa entre os desenvolvedores de usinas de células de combustível de hidrogênio Up Great chegou ao fim. Voos de teste de unidades movidas a hidrogênio foram realizados em 12 de julho na Crocus Expo IEC. RIA Novosti informa sobre os resultados do concurso.

Na junção das tecnologias

Uma plataforma voadora especial no território da Crocus Expo é vedada com uma rede de quase dez metros de altura. Ao lado dos pavilhões especialmente equipados os finalistas do concurso completam os últimos preparativos. Uma célula de hidrogênio combustível (HFC) com sistemas de suporte fixados sob a barriga da aeronave e um cilindro de hidrogênio nas costas parecem-se com este ATV do futuro em plena prontidão de combate.

Nos termos do concurso tecnológico Up Great "First Element" organizado pela Russian Venture Company (RVC), a Fundação Skolkovo e a Agency for Strategic Initiatives (ASI), os participantes tiveram de ultrapassar a barreira tecnológica da intensidade energética específica de massa das células a hidrogénio a 700 Wt*h/kg. Ao mesmo tempo, foi necessário manter o ATV com WTE em vôo por pelo menos três horas. Isto é quase quatro vezes mais longo do que uma unidade semelhante a voar com uma bateria convencional. O fundo de prémios do concurso era de 60 milhões de rublos. Três em cada dez equipas chegaram à final: NaukaSoft, BVS e PolyTech.

Durante a preparação dos voos, o correspondente da RIA Novosti perguntou aos finalistas quanto custava esse fornecimento de energia e que tarefas as equipas tinham de resolver no processo da sua criação.

O que é VTE

As células a combustível hidrogénio são capazes de converter a energia química do hidrogénio em energia eléctrica durante o processo da sua oxidação com oxigénio. O oxigênio pode vir do ar, enquanto o hidrogênio pode vir de um cilindro. Os ETAs são altamente eficientes e amigos do ambiente: o resultado do "escape" é o vapor de água.

A primeira WTE foi criada em 1838 pelo físico William Grove, que mostrou a reversibilidade do processo de eletrólise da água e foi capaz de combinar as moléculas de hidrogênio e oxigênio na água sem queimar, mas com a liberação de eletricidade e calor. No entanto, a invenção não teve aplicação prática e foi esquecida durante um século.

A próxima conquista é por conta do engenheiro britânico Francis Bacon, que em 1939 criou um WTE estacionário de cinco quilowatts.

Em 1955, a General Electric criou o VTE experimental com uma membrana polimérica como eletrólito. Em 1959, o VTE foi instalado pela primeira vez em um trator.

O uso comercial do VTE começou em 1964 na segunda geração de naves espaciais americanas Gemini (1964-1966).

Na URSS, foram instaladas células de combustível de hidrogénio na nave espacial Buran.

Em 1991, foi desenvolvido o primeiro veículo sobre uma célula de combustível a hidrogénio.

Agora as células de hidrogênio são utilizadas ativamente em navios e submarinos, onde geram eletricidade para processos auxiliares. Entre os produtos civis mais famosos da VTE, produzidos em série, está um carro japonês Toyota Mirai.

Não menos relevante é a utilização de células a hidrogénio para os fabricantes de ATVs e outros UAVs. Quanto mais intensiva em energia for a célula de combustível de um zangão e quanto menor o seu peso, mais tempo o UAV irá voar. Actualmente, as baterias de iões de lítio podem mantê-las no ar durante cerca de meia hora enquanto executam tarefas menores.

Para missões mais complexas, incluindo a chamada tarefa logística de "última milha" de entrega de mercadorias do armazém ao consumidor final, a WTE tanto quanto uma célula de combustível muito mais consumidora de energia será necessária.

"O custo aproximado de uma célula de combustível com uma superfície de trabalho de cerca de três centímetros quadrados é de 50 dólares", disse Sergei Khalyutin, CEO da NaukaSoft. O número de tais células na WTE depende, disse ele, de muitos fatores. No total, ele estima as despesas de sua equipe para participação no concurso em cerca de três milhões de rublos. "A parte principal do VTE são unidades electrónicas de membrana. Estes são dispositivos eletroquímicos muito complexos e caros, que utilizam várias tecnologias avançadas, incluindo a nano. E o próprio cilindro de hidrogênio é o mais complexo produto multicamadas feito de materiais compósitos modernos e caros", explicou Halyutin.

Equipa "NaukaSoft

A equipa NaukaSoft é composta pelo pessoal do NaukaSoft Pilot Workshop LLC, um desenvolvedor de sistemas de fornecimento de energia à aviação. O parceiro da equipa é o Kalibr Technopark. A competência dos membros da equipe permite resolver com sucesso problemas na indústria de energia da aviação, bem como no campo dos sistemas automatizados de controle e navegação. A equipe é composta por dois doutores em ciências, um professor, dois candidatos a ciências, dois professores associados, engenheiros altamente qualificados e um engenheiro de rádio com vasta experiência. "A NaukaSoft tem uma vasta experiência em otimização complexa e minimização de massa do sistema através da distribuição e utilização racional da energia elétrica e térmica de todo o sistema. Isto permite reduzir o consumo de hidrogénio, aumentar a eficiência da central e reduzir a massa estrutural. Uma das principais realizações da equipe é a criação de sistemas inteligentes de alimentação de energia para aeronaves. "A NaukaSoft planeia fabricar a primeira aeronave totalmente eléctrica na Rússia. A equipa é composta por 10 pessoas. A idade média é de 45 anos.

Segundo Alexander Zubarev, líder da equipa BVS, os revestimentos catalíticos com elementos de platina são utilizados em células combustíveis de hidrogénio e o produto tem os mais altos requisitos em termos de resistência e condutividade. "E tudo acaba por se basear no peso, porque estamos a falar de aviões. Há muito tempo que os WTEs para geração de electricidade são utilizados na Marinha, por exemplo, em submarinos. Mas se estamos falando de um ATV, que terá que levantar uma carga útil, seu motor e tanque devem ser leves e não consumir muita energia", disse Zubarev.

A equipa "BVS

A base da equipe da BVS é formada por funcionários da JSC Unmanned Helicopter Systems. A equipa foi formada há dois anos. Reuniu especialistas cujas competências lhes permitem trabalhar em células combustíveis avançadas para veículos aéreos não tripulados: um programador eletrônico, um tecnólogo composto, um químico, um operador de drones. A BVS considera o desenvolvimento de tecnologias de geração de energia eficiente e ecologicamente corretas para aeronaves como seu objetivo prioritário. De acordo com os membros da equipe, isso aumentará significativamente a duração do vôo do UAV e expandirá a gama de tarefas que eles podem realizar. Atualmente, a equipe está desenvolvendo um helicóptero multicoptero com um peso de decolagem de 10 kg e um WTE de 1 kW e está criando o primeiro helicóptero do mundo com um WTE de 3 kW e um peso de decolagem de 30 kg. A equipa é composta por 6 pessoas, a idade média é de 42 anos.

Em geral, o WTE é um produto complexo, de conhecimento intensivo na interface de várias tecnologias. Segundo Nina Smirnova, capitã da equipe da PolyTech, para criar sua própria usina ela teve que envolver uma variedade de especialistas: químicos, profissionais em eletrônica de potência, pneumáticos. "Como resultado, apesar de termos uma equipa muito jovem - rapazes e raparigas que acabaram de se formar nos institutos - conseguimos fazer a instalação, o que não é pior do que os nossos concorrentes. Portanto, para nós, criar uma célula de hidrogênio funcional é uma enorme vitória científica e técnica", disse ela.

A equipe PolyTech

A equipe da "PolyTech" incluiu funcionários e mestres da Universidade Pedagógica Estadual Russa Platov (SPI) e funcionários da empresa "Engenharia". A criação da equipe PolyTech começou com o laboratório de eletroquímica e materiais híbridos do Instituto de Pesquisa de Nanotecnologias e Novos Materiais da SRPU. Este laboratório desenvolve materiais para energia eletroquímica: células de combustível, supercapacitores, baterias de lítio-íon. Um dos componentes mais importantes da célula de combustível PolyTech é um catalisador de platina-carbono. É baseado em uma tecnologia única desenvolvida e patenteada pelos membros da equipe. O catalisador é notável por sua alta atividade, produtividade e respeito ao meio ambiente. Além disso, foi desenvolvido um design especial e uma tecnologia de fabricação de placas bipolares, que garante uma redução significativa do peso do produto acabado. Há 11 pessoas na equipa. A idade média é de 38 anos.

Dia X

No caminho para a final, as equipes participantes tiveram que passar três cheques pela comissão de qualificação da competição. Primeiro, eles inspecionaram a prontidão das equipes para os testes como um todo e sua base técnica. Alguns meses depois, foi testado o estado de funcionamento do TEV criado pelas equipas. O último teste de pré-voo foi realizado antes da linha de chegada, que apenas três equipes alcançaram.

"Testamos a conformidade das equipes com os requisitos técnicos da competição, sendo um dos pontos principais a localização máxima dos componentes - eles tinham que ser domésticos". Aqueles que não tinham produção local não podiam ser testados", disse Yuri Dobrovolsky, Chefe do Centro de Competência de STI para Novas Tecnologias de Fontes de Energia e Móveis do IPCF RAS, líder da competição.

Ele também explicou que princípio foi usado para determinar a principal barreira tecnológica em termos de intensidade energética de massa específica: "O fato é que o mundo já tem VTE para drones com o índice de 550 Wt*h/kg. Este é o melhor desenho industrial, na criação do qual foram investidos milhões de dólares". A barreira tecnológica que os concorrentes tiveram que superar foi de 700 Wt/h/kg.

E 550 Wt/h/kg os organizadores do concurso definiram como uma barreira de qualificação, que teve de ser aprovada para a admissão à prova final no dia 12 de julho. Duas equipas - "NaukaSoft" e "BVS" - quase conseguiram alcançar o líder mundial, o seu VTE foi de quase 530 Wt/h/kg. No entanto, ninguém conseguiu superar a barreira da qualificação como resultado.

Novo ramo da indústria de energia elétrica

"O concurso enriqueceu-nos. Terminamos com um enorme número de novas ideias tecnológicas", diz Sergey Khalyutin da NaukaSoft. - Além disso, adquirimos uma vasta experiência no desenvolvimento de tecnologia de conversores, otimizando e regulando o movimento de ATVs pesados no ar. Tudo isso será aplicado em nossos desenvolvimentos futuros".

De acordo com os participantes, "O Primeiro Elemento" ensinou-lhes a resolver as tarefas em pouco tempo, como exigido pelas condições das competições tecnológicas inovadoras. Os concorrentes também notaram o renascimento do interesse da comunidade científica e técnica pelas tecnologias do hidrogénio. As equipas começaram a receber propostas de cooperação e foram delineadas novas perspectivas para o seu desenvolvimento.

Dmitry Peskov, Representante Especial do Presidente da Federação Russa para o Desenvolvimento Digital e Tecnológico, observou que a tarefa que os organizadores inicialmente definiram para os concorrentes foi a mais difícil possível: "No primeiro ano de qualquer competição deste nível, as barreiras tecnológicas normalmente nunca são ultrapassadas". Kirill Kayem, vice-presidente da Fundação Skolkovo, lembrou o famoso concurso Google Lunar XPrize 2014, que também terminou sem um vencedor. No entanto, então os criadores do rover lunar conseguiram encontrar um investidor para continuar o seu desenvolvimento. "O futuro desta competição dependerá em grande parte do interesse dos investidores de capital de risco no tópico de VTE para drones", acredita Kirill Kayem.

Comentando as vantagens do VTE sobre as células combustíveis tradicionais, Dmitry Peskov lembrou que agora, literalmente, todas as economias inovadoras do mundo estão lutando pela criação de táxis aéreos realmente eficazes.

"Japão, China, Estados Unidos e vários outros países já criaram muitas estruturas de engenharia muito bonitas para táxis aéreos não tripulados. Mas ainda não podem tornar-se táxis de pleno direito, porque as baterias de iões de lítio são simplesmente incapazes de fornecer energia suficiente para voar longas distâncias. Este problema deve ser resolvido pela tecnologia VTE.

Dmitry Peskov, Representante Especial do Presidente da Federação Russa para o Desenvolvimento Digital e Tecnológico

O Director Geral da RVC Alexander Povalko considera um dos principais resultados do concurso como uma experiência única e a base para um novo vector de desenvolvimento da inovação:

"Estas tecnologias são procuradas onde quer que haja necessidade de maior eficiência energética, seja em aeronaves ou em sistemas de propulsão adicionais em aeronaves. Na verdade, abrimos um novo ramo na indústria de energia elétrica".

O fundo de prémios de 60 milhões de rublos desta vez não foi reclamado, mas as equipas participantes não se recusam a continuar a investir os seus recursos em desenvolvimentos promissores. Eles completaram a competição com novos produtos que serão o protótipo da próxima geração de usinas de células combustíveis de hidrogênio.