Энергия водорода

Первый в России конкурс среди разработчиков энергоустановок на водородных топливных элементах Up Great завершился. Испытательные полеты работающих на водороде аппаратов состоялись 12 июля в МВЦ «Крокус Экспо». Об итогах конкурса — в материале РИА Новости.

На стыке технологий

Специальная летная площадка на территории «Крокус Экспо» огорожена сеткой высотой почти десять метров. Рядом в специально оборудованных павильонах завершают последние приготовления команды-финалисты конкурса. Водородный топливный элемент (ВТЭ) с обеспечивающими системами, закрепленный под «брюхом» летательного аппарата, и водородный баллон на его «спине» — так выглядит квадрокоптер будущего в полной боевой готовности.

По условиям технологического конкурса Up Great «Первый элемент», организованного Российской венчурной компанией (РВК), Фондом «Сколково» и Агентством стратегических инициатив (АСИ), участники должны были преодолеть технологический барьер удельной массовой энергоемкости водородных топливных элементов в 700 Вт*ч/кг. При этом нужно было продержать квадрокоптер с ВТЭ в полете не менее трех часов. Это почти в четыре раза дольше, чем летает аналогичный аппарат на обычном аккумуляторе. Призовой фонд конкурса составлял 60 миллионов рублей. В финал из десятка команд вышли три: «НаукаСофт», «БВС» и «ПолиТех».

Пока шла подготовка к полетам, корреспондент РИА Новости поинтересовался у финалистов, сколько стоит такой источник питания и какие задачи пришлось решить командам в процессе его создания.

Что такое ВТЭ

Водородные топливные элементы способны превращать химическую энергию водорода в электрическую в ходе процесса окисления его кислородом. Кислород может поступать из воздуха, а водород — из баллона. ВТЭ характеризуются высокой эффективностью и экологичностью: результатом «выхлопа» является водяной пар.

Первый ВТЭ был создан еще в 1838 году физиком Уильямом Гроувом, который показал обратимость процесса электролиза воды и смог объединить молекулы водорода и кислорода в воду без горения, но с выделением электричества и тепла. Однако изобретение не получило практического применения и было забыто на столетие.

Следующее достижение — на счету британского инженера Фрэнсиса Бэкона, который в 1939 году создал пятикиловаттный стационарный ВТЭ.

В 1955 году в компании General Electric был создан экспериментальный ВТЭ с полимерной мембраной в качестве электролита. В 1959 году ВТЭ впервые был установлен на трактор.

Коммерческое использование ВТЭ началось с 1964 года на американских космических кораблях второго поколения Gemini (1964−1966).

В СССР водородные топливные элементы были установлены на космическом корабле «Буран».

В 1991 году был разработан первый автомобиль на водородном топливном элементе.

Сейчас ВТЭ активно используются на кораблях и подводных лодках, где они вырабатывают электроэнергию для вспомогательных процессов. Среди наиболее известных гражданских изделий на ВТЭ, выпущенных серийно, — японский автомобиль Toyota Mirai.

Не менее актуально применение водородных топливных элементов для производителей квадрокоптеров и других БПЛА. Чем больше будет энергоемкость топливного элемента беспилотника и чем меньше будет его масса, тем дольше БПЛА будет летать. Сейчас на литий-ионных аккумуляторах они могут продержаться в воздухе примерно полчаса, выполняя при этом незначительные задания.

Для выполнения более сложных миссий, в том числе для решения логистической задачи так называемой «последней мили» — доставки товара от склада до конечного потребителя, понадобятся ВТЭ как значительно более энергоемкие топливные элементы.

«Примерная стоимость одной топливной ячейки рабочей поверхностью около трех квадратных сантиметров составляет $50», — рассказал гендиректор компании «НаукаСофт» Сергей Халютин. Количество таких ячеек в ВТЭ зависит, по его словам, от множества факторов. В целом же затраты своей команды на участие в конкурсе он оценивает примерно в три миллиона рублей. «Главной частью ВТЭ являются мембранно-электронные блоки. Это очень сложные и дорогие электрохимические устройства, в которых применяются сразу несколько передовых технологий, в том числе и нано-. А сам водородный баллон — сложнейшее многослойное изделие, изготовленное из современных дорогостоящих композитных материалов», — пояснил Халютин.

Команда «НаукаСофт»

Команда «НаукаСофт» состоит из сотрудников ООО «Экспериментальная мастерская НаукаСофт» — разработчика авиационных систем электроснабжения. Партнер команды — технопарк «Калибр». Компетенции членов команды позволяют ей успешно решать задачи в авиационной электроэнергетике, а также в области автоматизированных систем управления и навигации. В состав входят два доктора наук, один профессор, два кандидата наук, два доцента, высококвалифицированные инженеры и радиомонтажник с большим опытом работы. «НаукаСофт» обладает обширным опытом в решении задач, связанных с комплексной оптимизацией и минимизацией массы системы за счет рационального распределения и использования электрической и тепловой энергии всей системы. Это позволяет снизить расход водорода, увеличить КПД энергетической установки и уменьшить конструктивную массу. Одним из своих главных достижений команда считает создание интеллектуальных систем электроснабжения летательных аппаратов. «НаукаСофт» планирует сделать первый в России полностью электрический самолет. В команде 10 человек. Средний возраст — 45 лет.

По словам лидера команды «БВС» Александра Зубарева, в топливных элементах на водороде применяются каталитические покрытия с элементами платины, к изделию предъявляются высочайшие требования с точки зрения прочности и токопроводимости. «И все в конечном итоге упирается в вес, ведь речь идет о летательных аппаратах. ВТЭ для создания электричества уже давно применяются на флоте, например в подводных лодках. Но если речь идет о квадрокоптере, которому предстоит поднимать полезный груз, его двигатель и баллон должны быть легкими и не отнимать много энергии», — отметил Зубарев.

Команда «БВС»

Основу команды «БВС» составляют сотрудники АО «Беспилотные вертолетные системы». Команда сформировалась два года назад. Она объединила специалистов, компетенции которых позволяют работать над передовыми топливными элементами для беспилотных летательных аппаратов: программист-электронщик, композитчик-технолог, химик-технолог, оператор беспилотников. Своей приоритетной целью «БВС» считает развитие эффективных и экологичных технологий получения электроэнергии для летательных аппаратов. По мнению участников команды, это позволит значительно увеличить длительность полета БПЛА и расширить круг задач, который они могут выполнять. В настоящий момент команда разрабатывает мультикоптер со взлетным весом 10 кг и мощностью ВТЭ 1 кВт и создает первый в мире вертолет с мощностью ВТЭ 3 кВт и взлетным весом 30 кг. В команде 6 человек, средний возраст составляет 42 года.

В целом ВТЭ является сложным наукоемким изделием на стыке различных технологий. Как рассказала капитан команды «ПолиТех» Нина Смирнова, для создания своей энергоустановки ей пришлось привлекать самых разных специалистов: химиков, профессионалов в силовой электронике, пневматике. «В итоге, несмотря на то, что у нас очень молодая команда — ребята и девчонки, которые только что институты закончили — нам удалось сделать установку, которая не хуже, чем у наших конкурентов. Так что для нас создание действующего водородного топливного элемента — это огромная научная и техническая победа», — сказала она.

Команда «ПолиТех»

В команду «ПолиТех» вошли сотрудники и магистранты ЮРГПУ (НПИ) имени М. И. Платова и сотрудники компании «Инэнерджи». Создание команды «ПолиТех» началось с лаборатории электрохимии и гибридных материалов НИИ «Нанотехнологии и новые материалы» ЮРГПУ. Эта лаборатория занимается разработкой материалов для электрохимической энергетики: топливных элементов, суперконденсаторов, литий-ионных аккумуляторов. Один из важнейших компонентов топливного элемента «ПолиТеха» — платино-углеродный катализатор. Он создан по разработанной и запатентованной участниками команды уникальной технологии. Катализатор отличают высокая активность, производительность и экологичность. Кроме того, разработана специальная конструкция и технология изготовления биполярных пластин, что обеспечивает значительное снижение массы готового изделия. В команде 11 человек. Средний возраст составляет 38 лет.

День Х

На пути к финалу командам-участникам пришлось пройти три проверки квалификационной комиссией конкурса. Сначала проинспектировали готовность команд к испытаниям в целом и их техническую базу. Через несколько месяцев тестировалось рабочее состояние созданного командами ВТЭ. Последнее предполетное тестирование прошло уже перед самой финишной чертой, до которой добрались только три команды.

«Мы проверяли команды на соответствие техзаданию конкурса, одним из главных пунктов которого была максимальная локализация компонентов — они должны были быть отечественными. Те, у кого не было локального производства, не допускались до испытаний», — рассказал руководитель Центра компетенций НТИ по технологиям новых и мобильных источников энергии ИПХФ РАН, лидер конкурса Юрий Добровольский.

Он также объяснил, по какому принципу определялся главный технологический барьер по удельной массовой энергоемкости: «Дело в том, что в мире уже есть ВТЭ для беспилотников с показателем в 550 Вт*ч/кг. Это лучший промышленный образец, в создание которого вложены миллионы долларов». Технологический барьер, который нужно было преодолеть участникам конкурса, составил 700 Вт*ч/кг.

А 550 Вт*ч/кг организаторы конкурса установили в качестве квалификационного барьера, который нужно было пройти для допуска к итоговому испытанию 12 июля. Двум командам — «НаукаСофт» и «БВС» — практически удалось догнать мирового лидера, их ВТЭ выдали почти 530 Вт-ч/кг. Однако преодолеть квалификационный барьер в итоге не удалось никому.

Новая ветвь электроэнергетики

«Конкурс обогатил нас. Мы заканчиваем его с огромным количеством новых технологических идей, — отмечает Сергей Халютин из „НаукаСофт“. — Кроме того, мы получили огромный опыт по разработке преобразовательной техники, оптимизации и регулированию движения тяжелых квадрокоптеров в воздухе. Все это будет применено в наших будущих разработках».

По словам участников, «Первый элемент» научил их решать поставленные задачи в короткий срок, как того требуют условия прорывных технологических конкурсов. Конкурсанты также отметили оживление интереса в научно-техническом сообществе к водородным технологиям. Командам стали поступать предложения о сотрудничестве, наметились новые перспективы их развития.

Спецпредставитель президента РФ по вопросам цифрового и технологического развития Дмитрий Песков отметил, что задача, которую организаторы изначально поставили перед конкурсантами, была максимально сложной: «В первый год любого конкурса такого уровня технологические барьеры, как правило, никогда не преодолеваются». Вице-президент Фонда «Сколково» Кирилл Каем напомнил про знаменитый конкурс Google Lunar XPrize 2014 года, который тоже завершился без победителя. Однако тогда создатели лунохода смогли найти инвестора для продолжения своих разработок. «Будущее нынешнего конкурса во многом будет зависеть от интереса венчурных инвесторов к теме ВТЭ для беспилотников», — убежден Кирилл Каем.

Комментируя преимущества ВТЭ над традиционными топливными элементами, Дмитрий Песков напомнил, что сейчас буквально все инновационные экономики мира борются за создание реально работающих эффективных аэротакси.

«Япония, Китай, США и ряд других стран уже создали множество очень красивых инженерных конструкций беспилотных аэротакси. Но полноценными такси они пока стать не могут, так как литий-ионные батареи просто не способны предоставить уровень энерговооруженности, достаточный для полетов на большие расстояния. Решить эту проблему должна технология ВТЭ».

Дмитрий Песков, спецпредставитель президента РФ по вопросам цифрового и технологического развития

Генеральный директор РВК Александр Повалко считает одним из основных итогов конкурса уникальный опыт и заложенный фундамент для нового вектора развития инноваций:

«Эти технологии востребованы везде, где требуется большая энерговооруженность, будь то летательные аппараты или дополнительные силовые установки на самолетах. Мы, по сути, открыли новую ветку в электроэнергетике».

Призовой фонд в 60 миллионов рублей в этот раз остался невостребованным, но команды-участники не отказываются продолжать инвестировать свои ресурсы в перспективные разработки. Они завершили конкурс с новыми изделиями, которые станут прототипом следующего поколения энергетических установок на водородных топливных элементах.