- Водород взлетает вертикально
- Водород как топливо будущего
- Водородный дрон провисел в воздухе рекордные 11 часов
- Вторая попытка
- Дорогой водород
- Европа: реализованные проекты
- Принцип работы и потенциал солевых станций
- Пути дальнейшего развития технологий
- Россия и япония как перспективные территории
- Энергия из соли: плюсов больше
Водород взлетает вертикально
К полетным испытаниям готов первый беспилотный летательный аппарат (БПЛА) самолетно-вертолетного типа на водородных топливных элементах (ТЭ). Аппарат создан совместными усилиями ученых и разработчиков компаний «Морфинг технолоджис», «ИнЭнерджи» и НТИ «Новые и мобильные источники энергии» при Институте проблем химической физики (ИПХФ) РАН. Наземные испытания перспективного изделия завершены, и если бы не коронавирус и связанные с ним ограничения, то конвертоплан полетел бы еще летом. Теперь, если не будет форс-мажора, аппарат, по словам главы компании «Морфинг технолоджис» Евгения Ерхана, поднимется в воздух уже осенью.
Парадокс в том, что он сам и его команда, создавшая этот конвертоплан, фактически сидят на чемоданах и готовы уехать в Канаду, считая, что в России рынка для их изделия нет и в ближайшее время не появится.
Область применения автономного конвертоплана на водородных ТЭ — решение задач аэрофотомониторинга в различных сферах экономической деятельности, поясняет Евгений Ерхан. Размах крыльев аппарата — четыре метра, масса — 15–25 килограммов, полезная нагрузка — около пяти килограммов, время полета — свыше шести часов, максимальная дальность — более 500 километров. Схема классическая, двухбалочная. На конвертоплан устанавливается четыре подъемных двигателя, которые используются при вертикальном взлете и посадке, и один маршевый электродвигатель, который обеспечивает полет по горизонтали, то есть по самолетной схеме.
Названия у изделия пока нет, что объясняется суеверием: нельзя давать имя аппарату, пока он полностью не построен и не встал на крыло. «Есть же примета — не давать имя малышу, пока он не родился, — поясняет Евгений Ерхан. — В то же время можно сказать, что оно наверняка будет вполне мирным. Например, свои первые конвертопланы, выполненные по традиционной схеме и работающие на литий-ионных батареях, мы назвали “Аргус”. Это такой вид бабочек, вполне себе мирные и симпатичные существа».
Одно из главных преимуществ аппарата на водородных ТЭ перед аппаратом с традиционным двигателем внутреннего сгорания (ДВС) — при его работе полностью отсутствуют шум и вибрация, поэтому не требуется установки разного рода стабилизирующих устройств. А после полета при обработке полученной информации не нужно редактировать результаты съемки, поскольку нет искажений. Кроме того, в варианте с водородными ТЭ можно реализовать схему «одной кнопки» (one button system), когда одним нажатием все «включается и полетело». Вроде бы мелочь, но этот параметр имеет значение, считает разработчик. «Вы закладываете полетную компьютерную программу, приезжаете на место, и включением одной кнопки аппарат готов к работе и делает ее полностью в автоматическом режиме», — поясняет Евгений Ерхан.
Водород как топливо будущего
7. К.Т. Акопян, Л.Г. Киракосян, А.М. Момджин – Анализ эффективности и прогноз эксплуатации массивной системы MIMO
8. Л.К. Хаджиева, Х.Э. Таймасханова, М.Ш. Элиханова – Технология MIMO как предпосылка развития сетей 5G
9. М.Г. Бакулин, В.Б. Крейнделин – Проблема повышения спектральной эффективности и емкости в перспективных системах связи 6G
10. Jerry R. Hampton. (2023). Introduction to MIMO Communications, UK, Cambridge University Press. 288p.
11. Прокис Дж. Цифровая связь. Пер. с англ. / Под ред. Д.Д.Кловского. М.: Радио и связь, 2000. 797с.
УДК 62-622
Телекова Линара Растямовна Дияковская Анастасия Владимировна Telekova Linara Rastyamovna Diyakovskaya Anastasia Vladimirovna
Магистранты Master students
Российский государственный университет нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина
National University of Oil and Gas «Gubkin University»
ВОДОРОД КАК ТОПЛИВО БУДУЩЕГО
HYDROGEN AS FUEL OF THE FUTURE
Аннотация. Поиск альтернативных источников энергии, в том числе топлив, на сегодняшний день является очень актуальной задачей. Альтернативное традиционным видам топливо должно быть экологичным (не связанным напрямую со значительными выбросами в атмосферу двуокиси углерода, серосодержащих соединений и других вредных газов как при применении этого вида топлива, так и при его получении в промышленности), универсальным (применимым к различным видам двигателей), экономичным (как во время использования, так и при генерации), недефицитным и простым в получении, обеспечивающим высокий КПД и быструю заправку. Всем этим критериям удовлетворяет водородное топливо. Водородная энергетика — это наш «запас на будущее», когда от ископаемого топлива придется окончательно отказаться, а возобновляемые источники энергии не смогут покрывать нужды человечества. В статье рассматривается история применения водородного топлива, его достоинства и недостатки, а также дальнейшие перспективы по использованию водорода в топливных элементах.
Abstract. The search for alternative energy sources, including fuels, is a very urgent task today. An alternative to traditional types of fuel should be environmentally friendly (not directly related to significant emissions of carbon dioxide, sulfur-containing compounds and other harmful gases into the atmosphere, both when using this type of fuel and when it is obtained in industry), universal (applicable to various types of engines), economical (both during use and during generation), non-scarce and easy to obtain, providing high efficiency and quick refueling. Hydrogen fuel meets all these criteria. Hydrogen energy is our “reserve for the future”, when fossil fuels will
have to be completely abandoned, and renewable energy sources will not be able to meet the needs of humanity. The article discusses the history of the use of hydrogen fuel, its advantages and disadvantages, as well as further prospects for the use of hydrogen in fuel cells.
Ключевые слова, водород, топливо, топливные элементы, альтернативная энергетика, водородные элементы.
Key words: hydrogen, fuel, fuel cells, alternative energy, hydrogen cells.
Создать альтернативу традиционным видам автомобильного топлива ученые пытались не одно десятилетие, но скорее из спортивного интереса — речи о масштабном выводе разработки на рынок не шло, т.к. запасов бензина и нефти было достаточно, причем по приемлемым ценам, если не считать периодические скачки. Всерьез о необходимости нового топлива эксперты заговорили в начале 2000-х, когда заметно выросли цены на нефть. Параллельно стали ужесточаться экологические нормы и требования к выхлопам автотранспорта.
Оптимальным ответом на вызовы времени стало предложение гибридных двигателей, которые, кроме бензина, могли бы использовать электричество. Появились и газовые системы. Однако тренд последнего времени — разработка двигателей, которые работают за счет трех источников энергии: аккумуляторных батарей, суперконденсаторов и водородных элементов. Водородные элементы позволяют химически (без пламени) генерировать электричество, а аккумуляторы и конденсаторы его сохраняют. В итоге машина движется за счет накопленной электроэнергии, которую создает газовое топливо.
Водород становится все привлекательнее для инвесторов, поскольку он не просто отвечает современным экологическим требованиям, но вообще является источником энергии с нулевой эмиссией. Многие экспертные организации, компании и целые страны начинают всерьез рассматривать его в качестве долгосрочной альтернативы ископаемым топливам. Сфера применения водорода очень широка: от генерации электричества до транспорта, отопления и промышленных процессов. Международное энергетическое агентство считает, что доля водородного топлива в транспортном секторе достигнет 25 % к концу XXI века.
Водородо-кислородную смесь, как самую энергетически емкую, предлагал использовать в двигателях К.Э. Циолковский еще в 1903 году. Водород уже применяют как топливо для автомобилей, реактивных самолётов, торпед, ракет. Новые аспекты открывает получение металлического водорода и практическое применение реактора Росси. В недалеком будущем развитие технологий получения дешевого водорода из сероводорода Чёрного моря и непосредственно из источников дегазации Земли. Несмотря на противодействие нефтяного лобби, человечество неумолимо вступает в водородную эру.
Водород – один из наиболее распространённых элементов на Земле. В земной коре из каждых 100 атомов 17 – атомы водорода. Он составляет примерно 0,88 % от массы земного шара (включая атмосферу, литосферу и гидросферу). Если вспомнить, что воды на земной поверхности более 1,5-1018 м3 и что массовая доля водорода в воде составляет 11,19 %, то становится ясно, что сырья для получения водорода на Земле – неограниченное количество. Водород входит
в состав нефти (10,9 – 13,8 %), древесины (6 %), угля (бурый уголь – 5,5%), природного газа (25,13 %) [1]. Концентрация водорода в верхних слоях атмосферы составляет 1-10-4 % [1].
Водород — самый лёгкий газ: он легче воздуха в 14,5 раз. Чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре. Как самые лёгкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому. Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в 7 раз выше теплопроводности воздуха. Жидкий водород существует в очень узком интервале температур от -252,76 до -259,2 °C. Это бесцветная жидкость, очень лёгкая (плотность при -253 °C 0,0708 г/см3) и текучая (вязкость при -253 °C 13,8 сП). Критические параметры водорода очень низкие: температура -240,2 °C и давление 12,8 атм. Этим объясняются трудности при сжижении водорода.
В 1935 году ученые Уингер и Хунтингтон высказали предположение о том, что при давлении свыше 250 тысяч атм водород может перейти в металлическое состояние [2]. Получение этого вещества в устойчивом состоянии открывало очень заманчивые перспективы его применения — ведь это был бы сверхлёгкий металл, компонент лёгкого и энергоёмкого ракетного топлива. В 2023 году было установлено, что при давлении порядка 1,5—2,0 млн атм водород начинает поглощать инфракрасное излучение, а это означает, что электронные оболочки молекул водорода поляризуются [2]. Ученые пришли к выводу, что возможно, при ещё более высоких давлениях водород превратится в металл.
5 октября 2023 года в физической лаборатории Harvard University получили металлический водород. Для этого потребовалось давление 495 ГПа. Если решить вопрос стабильности и охлаждения камеры сгорания (6000 К), то металлический водород станет самым перспективным ракетным топливом. Ученые предполагают, что металлический водород позволит получить в двигателях импульс 1000-1700 секунд (в современных ЖРД пока достигнут импульс 460 секунд). Плюс для хранения металлического водорода понадобятся маленькие баки, что позволит делать одноступенчатые ракеты для вывода полезной нагрузки в космос, это откроет новую эру освоения космического пространства [2].
В 2023 году учёные из США и Великобритании, создав при мгновенном сжатии давление 1,5 млн. атмосфер и температуру в несколько тысяч градусов, смогли получить третье промежуточное состояние водорода, при котором он одновременно имеет свойства и газа, и металла. Он получил название «тёмный водород», так как в этом состоянии он не пропускает видимый свет, в отличие от инфракрасного излучения [2]. Тёмный водород в отличие от металлического идеально вписывается в модель строения планет-гигантов. Он объясняет, почему их верхние слои атмосферы значительно теплее, чем должны быть, перенося энергию от ядра, а поскольку он обладает значительной электропроводностью, то играет ту же роль, что и внешнее ядро на Земле, формируя магнитное поле планеты. Потенциал использования темного водорода, в том числе в энергетической отрасли, велик [2].
Первый двигатель обычного ГАЗ-АА («полуторки») заработал на водороде в блокадном Ленинграде в сентябре 1941 года [3]. Молодому младшему техник-лейтенанту Борису Щелищу, руководившему подъемом аэростата заграждения, было приказано в отсутствии бензина и электричества наладить работу лебёдок. Поскольку аэростаты заполнялись водородом, ему пришла мысль использовать его как топливо [3] (рис. 1).
Рис. 1. Идея создания первого водородного двигателя
Во время опасных опытов сгорели два аэростата, взорвался газгольдер, сам Борис Исаакович получил контузию. После этого для безопасной эксплуатации воздушно-водородной «гремучей» смеси он придумал специальный водяной затвор, исключавший воспламенение при вспышке во всасывающей трубе двигателя. Когда всё наконец получилось, приехали военачальники, убедились, что система работает нормально, и приказали за 10 дней перевести все аэростатные лебедки на новый вид горючего. В виду ограниченности ресурсов и времени, Щелищ остроумно применил для изготовления гидрозатвора списанные огнетушители. И задача подъёма аэростатов заграждения была успешно решена [3].
Бориса Исааковича наградили орденом “Красной звезды” и командировали в Москву, его опыт использовали в частях ПВО столицы — 300 двигателей перевели на «грязный водород», было оформлено авторское свидетельство №64209 на изобретение. Таким образом был обеспечен приоритет СССР в развитии энергетики будущего. В 1942 году необычный автомобиль демонстрировался на выставке техники, приспособленной к условиям блокады. При этом его двигатель проработал 200 часов без остановки в закрытом помещении. Отработанные газы — обыкновенный пар — не загрязняли воздух
[4].
В 1979 году под научным руководством Шатрова Е.В. творческим коллективом работников НАМИ в составе Кузнецова В.М. Раменского А.Ю.,
Козлова Ю.А. был разработан и испытан опытный образец микроавтобуса РАФ, работающий на водороде и бензине [5] (рис. 2).
Рис. 2. Микроавтобус РАФ на водородном топливе
Успехи атомной энергетики позволили удачно решить проблему мощных подводных двигателей. И эти идеи успешно применили в торпедных двигателях Walter HWK 573 [5] (работающий под водой двигатель первой в мире управляемой противокорабельной ракеты «воздух-поверхность» GT 1200A для поражения корабля ниже ватерлинии). Планирующая торпеда (УАБ) GT 1200A имела подводную скорость 230 км/ч, являясь прототипом высокоскоростной торпеды СССР «Шквал» (рис. 3). Торпеда ДБТ принята на вооружение в декабре 1957 года, работала на перекиси водорода и развивала скорость 45 узлов при дальности хода до 18 км.
Рис. 3. Знаменитая подводная ракето-торпеда ВА-111 «Шквал»
Газогенератором через кавитационную головку создается воздушный пузырь вокруг корпуса объекта (парогазовый пузырь) и, вследствие падения гидродинамического сопротивления (сопротивления воды) и применения реактивных двигателей, достигается требуемая подводная скорость движения (100 м/с), превышающая в разы скорость самой быстрой обычной торпеды [6]. Для работы используется гидрореагирующее топливо (щелочные металлы при взаимодействии с водой выделяют водород).
Во время Великой Отечественной войны Фирма «Хейнкель» создала под двигатель Вальтера Walter HWK-109-509 с тягой 2000 кгс., работавший на перекиси водорода, целую линейку реактивных самолетов. Вполне успешный, но, к сожалению, не ставший серийным опыт создания «экологических» самолетов у России был уже в конце 80-х годов прошлого столетия [6]. Миру был представлен Ту-155 (экспериментальная модель Ту-154) (рис. 4), работающий на сжиженном водороде, а затем и на сжиженном природном газе. 15 апреля 1988 года самолет был впервые поднят в небо. Он установил 14 мировых рекордов и выполнил порядка ста рейсов. Однако затем проект ушел «на полку».
Рис. 4. Экспериментальный самолет Ту-155
В конце 1990-х по заказу «Газпрома» был построен Ту-156 с двигателями на сжиженном газе и традиционном авиационном керосине. Этот самолет постигла та же участь, что и Ту-155 [7].
Как горючее в паре с жидким кислородом (ЖК) жидкий водород (ЖВ) был предложен в 1903 г. К. Э. Циолковским [6]. Он является горючим, с самым большим удельным импульсом (при любом окислителе), что позволяет при равной стартовой массе ракеты выводить в космос гораздо большую массу полезного груза. Однако на пути применения водородного топлива стояли объективные трудности. Первая – сложность его сжижения (получение 1 кг ЖВ обходится в 20-100 раз дороже 1 кг керосина). Вторая – неудовлетворительные физические параметры – чрезвычайно низкая температура кипения (-243°С) и очень малая плотность (ЖВ в 14 раз легче воды), что отрицательно сказывается на возможности хранения этого компонента [3].
Из-за крайне низкой плотности водорода, первые (самые большие) ступени ракет-носителей (рис. 5) использовали другие (менее эффективные, но более плотные) виды горючего, например, керосин, что позволяло уменьшить размеры до приемлемых.
Рис. 5. Проект водородной ракеты-носителя
Пример такой «тактики» – ракета «Сатурн-5», в первой ступени которой применялись компоненты кислород/керосин, а во 2-й и 3-й ступени -кислородно-водородные двигатели J-2, тягой по 92104 т каждый [7]. В системе «Спейс-шаттл», 2я ступень тоже работала паре кислород/водород. В эпоху бурного развития космонавтики в нашей стране также широко применялись ЖРД с водородным топливом.
Автомобили с двигателями, работающими на водороде, делятся на несколько групп [4]:
Транспортные средства, работающие на чистом водороде или топливно-воздушной смеси. Особенность таких двигателей заключается в чистом выхлопе и увеличении КПД до 90%.
Машины с гибридным двигателем. Они обладают экономичным мотором, способным работать на чистом водороде или бензиновой смеси. Такие транспортные средства соответствуют стандарту Евро-4.
Автомобили со встроенным электродвигателем, питающим водородный элемент на борту транспортного средства.
Главной особенностью водородомобилей является способ подачи горючего в камеру сгорания и его воспламенения. Уже выпускаются серийно такие модели водородомобилей, как:
Ford Focus FCV;
Mazda RX-8 hydrogen;
Mercedes-Benz A-Class;
Honda FCX;
Toyota Mirai (рис. 6);
Рис. 6. Серийный водородомобиль Тойота “Мирай” Автобусы MAN Lion City Bus и Ford E-450; гибридный автомобиль на два
вида топлива BMW Hydrogen 7.
Рис. 7. Принцип работы водородомобиля от «Тойоты»
Автомобиль на водородном топливе Toyota Mirai может разогнаться до 179 км/ч, причем до 100 км/ч машина разгоняется за 9,6 секунды, она способна проехать без дополнительной дозаправки 482 км (рис. 7).
Концерн БМВ представил свой вариант автомобиля Hydrogen (рис. 8). Испытания показали, что переход на новое топливо не влияет на комфортабельность, безопасность и динамику транспортного средства. При необходимости виды горючего можно переключать с одного на другой. Скорость Hydrogen7 — до 229 км/ч.
Рис. 8. Водородомобиль от BMW
Honda Clarity (рис. 9) — автомобиль от концерна «Hyundai», который поражает запасом хода. Он составляет 589 км, чем не может похвастаться ни одно транспортное средство с низким уровнем выбросов. На дозаправку уходит от трех до пяти минут.
Рис. 9. Автомобиль на водороде от «Hyundai»
К недостаткам водородомобилей можно отнести:
громоздкость силовой установки при использовании топливных элементов, снижающей маневренность автомобиля;
пока высокую стоимость самих водородных элементов из-за входящих в их состав палладия или платины;
несовершенство конструкции и неопределённость в материале изготовления баков для топлива не позволяющих долго хранить водород;
отсутствие заправок водородом, инфраструктура которых очень слабо развита во всём мире.
По мере серийного производства большинство этих конструктивных и технологических недостатков будут преодолены.
В 2023 году появился первый поезд на водородном топливе, являющийся детищем немецкой компании Alstom (рис. 10). Планируется, что новый состав Согапёа 1ЬШ начнет движение по маршруту из Букстехуде в Куксхавен (Нижняя Саксония).
Рис. 10. Поезд на водородном топливе
В будущем планируется заменить такими поездами 4000 дизельных составов Германии, перемещающихся по участкам дорог без электрификации.
Во Франции выпустили оригинальную модель велосипеда на водороде (рис. 11). Заливаешь всего 45 грамм водорода и в путь! Расход топлива -примерно 1 грамм на 3 километра.
Рис. 11. Велосипед на водороде
Водородное топливо имеет ряд особенностей. Положительные аспекты использования водорода в качестве топлива заключаются в следующем:
Теплоотдача водорода на 250% выше, чем у топливно-воздушной смеси. После сжигания водородной смеси на выходе образуется только пар. Реакция воспламенения происходит быстрее, чем с другими видами топлива.
Благодаря детонационной устойчивости, удается поднять степень сжатия.
Экономия состоит в том, что водород выигрывает у бензиновых двигателей по цене расхода топлива.
Быстрая заправка водородомобилей (3-5 минут).
Нижний уровень пропорции газа для вхождения в реакцию с кислородом составляет 4%. Благодаря этой особенности, удается настроить режимы работы двигателя путем дозирования консистенции.
КПД водородного двигателя достигает 90 процентов. Для сравнения, дизельный мотор имеет коэффициент полезного действия на уровне 50%, а обычный ДВС — 35%.
Возникает меньший уровень шума при работе двигателя.
Отрицательные аспекты в основном связаны с взрывоопасностью этого вида топлива и издержками при наладке сетей и включают:
Водород — летучий газ, поэтому он попадает в мельчайшие зазоры и полости. По этой причине немногие металлы способны перенести его разрушительное влияние.
Хранение такого топлива происходит в жидкой или сжатой форме. В случае пробоя бака водород испаряется, возможны утечки и взрывы.
Дороговизна обустройства сети водородных заправочных станций (ориентировочная стоимость проекта – полтора триллиона долларов США).
Привязанность владельцев машин на водородном топливе к заправочным станциям.
Российский экономист и политик, академик РАН Сергей Глазьев подчеркивал: “Каждый из экономических циклов Кондратьева характеризуется своим энергоносителем: сначала дрова (органический углерод), уголь (углерод), потом нефть и мазут (тяжелые углеводороды), затем бензин и керосин (средние углеводороды), сейчас газ (легкие углеводороды), а основным энергоносителем следующего экономического цикла должен стать чистый водород!”
Водород – топливо будущего, так как его применения обширны, многогранны, энергетически выгодны, экологичны, и очень перспективны. В мире водородной энергетики, по улицам станут ездить бесшумные автомобили, которые будут станут выбрасывать в окружающую среду водяной пар и ничего больше. Линии электропередачи и теплосети исчезнут – их заменят газопроводы. В каждом доме будет стоять свой топливный элемент, напрямую преобразующий природный газ в электричество, выделяя все тот же пар и углекислый газ и одновременно снабжая дом теплом и горячей водой.
Библиографический список:
1. Водород // Химическая энциклопедия: в 5 т / Кнунянц И. Л. (гл. ред.). — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1: Абл—Дар. — С. 400—402. — 623с.
2. Дигонский С. В. Неизвестный водород. — СПб: Наука, 2023.
3. Клямкин С. Н. Водородная энергетика: достижения и проблемы / С. Н. Клямкин, Б. П. Тарасов // Возобновляемые источники энергии. Вып. 5 : 6 Всерос. науч. – молодежная школа, Москва, 26-27 нояб. 2008 г. – М., 2008. – С. 147-157.
4. Канило П. М., Костенко К. В. Перспективы становления водородной энергетики и транспорта // Автомобильный транспорт (Харьков). – 2008. – № 23. – С. 107-113.
5. Козлов С. И. Водородная энергетика: современное состояние, проблемы, перспективы. – М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2009. – 520 с. -ISBN 5-89754-062-4; Кузьменко Н. Е., Еремин В. В., Попков В. А. Начала химии. Учебное пособие для вузов. — М.: Издательство «Экзамен», 2005.
6. Кузык Б. Н., Яковец, Ю. В. Россия: стратегия перехода к водородной энергетике. – М.: Институт экономических стратегий, 2007. – 400 с.
7. Кузык Б. Партнерство государства и бизнеса: перспективы в сфере возобновляемых источников энергии // Проблемы теории и практики управления. – 2008. – № 7. – С. 8-19.
©Л.Р. Телекова, А.В. Дияковская, 2023
Водородный дрон провисел в воздухе рекордные 11 часов
Специалисты по сжижению водорода из южнокорейской компании MetaVista создали уникальный топливный бак с рекордной плотностью энергии. Дрон с ним провел в воздухе 10 часов 50 минут.
MetaVista специализируется на предоставлении энергетических решений на основе водорода. С учетом перспективности дронов поиск надежного, экологически чистого и, главное, легкого двигателя — одна из главных задач. Корейцы утверждают, что решили ее: их система оставляет не у дел все решения на базе литий-ионных аккумуляторов. И дрону не нужен поводок, чтобы парить в небе.
Как сообщает GasWorldd, дрон MetaVista с водородным «бензобаком» и двигателем FCPM производства Intelligent Energy провел в небе 10 часов 50 минут. Для дронов с литий-ионными аккумуляторами полчаса полета — уже достижение.
Испытания дрона-рекордсмена проходили на открытом воздухе.
Главное ноу-хау — легкий и прочный контейнер для жидкого водорода объемом 6 литров. MetaVista закачала в него 390 грамм жидкого водорода. Удельная энергоемкость системы составила 1865 Вт*ч/кг. Для сравнения: энергоемкость систем на основе Li-Ion аккумуляторов редко превышает 200 Вт*ч/кг.
С большим весом можно смириться, если речь идет об автомобилях — и даже находить в этом плюсы вроде большей устойчивости. Но для дронов каждые 100 грамм массы двигателя и аккумуляторов означают пропорциональное снижение полезной нагрузки.
После впечатляющей демонстрации возможностей обе компании нацелены на коммерциализацию технологии.
Глава Intelligent Energy Дэвид Вулхауз говорит: «Мы уже некоторое время работаем над легкими и надежными модулями для БПЛА на основе топливных элементов, которые предоставят клиентам возможности, невиданные для аккумуляторных дронов — намного больше времени в воздухе».
По его оценке, сжиженный водород даже по сравнению со сжатым водородом увеличивает полетное время в три раза.
MetaVista намерена представить коммерческий прототип в течение «месяцев», отметил Вулхауз.
Водород рассматривается как перспективное топливо не только для дронов, но и для седельных тягачей и грузовиков. Впрочем, для автомобильной индустрии речь все же не идет о десятикратном преимуществе, как с дронами.
Недавно водородный дрон поставил еще один рекорд на другом конце Земли: в Британии он продержал в воздухе груз массой 5 кг — 25% собственного веса — в течение часа с лишним.
Вторая попытка
BMPower, которая как раз пытается предложить рынку не «сырой» экземпляр топливной системы, решила фокусироваться на индустриальных и военных дронах.
По оценкам компании, в мире эксплуатируется порядка полутора тысяч индустриальных дронов, а в ближайшие пять лет рынок будет ежегодно прирастать на шесть тысяч бортов.
Топливные элементы компания делает на подмосковном предприятии, причем, как говорит Алексей Иваненко, у BMPower есть ключевая технология изготовления мембран электродного блока. «Мы делаем весь цикл: от порошка до готовой системы в корпусе», — утверждает он.
В цеху установлено оборудование для изготовления катализаторов, нанесения мембран, лазерной резки. В BMPower стараются больше использовать российские компоненты. Если еще год назад почти все было импортным, то сегодня катализаторы, например, делаются уже в России.
Но электроника остается полностью импортной. «Мы сами сконструировали систему управления, но компоненты у нее импортные, — говорит Иваненко. — Однако мы работаем с “Алмаз-Антеем” — передаем им интеллектуальную собственность на систему управления, а они адаптируют ее к российской компонентной базе уже без нашего участия».
Хотя сам принцип использования химической реакции водорода для получения энергии известен как минимум сотню лет, все разработчики топливных систем на основе водорода идут своим путем, чтобы сделать их использование наиболее удобным. Исследования ведутся в области разработки оптимальных составов, создания новых катализаторов и технологий модификации мембраны с целью повысить энергоемкость и эффективность работы всей системы, а также снизить ее себестоимость.
В мире такие продукты для дронов и роботов делают как минимум шесть компаний, среди которых Protonex, Intellegent Energy, Horizon. Купить их топливные элементы можно и на российском рынке через дистрибуторов. По словам Иваненко, системы BMPower импортным не уступают, а в чем-то и выигрывают. К примеру, только они позволяют дронам летать в тридцати-сорокаградусные морозы.
Но все не так просто, как и на любом новом рынке.
Дорогой водород
https://www.youtube.com/watch?v=web.archive.orgweb20200913074151if_kWwYBQtLt6o
Одна из проблем на поверхности — высокая стоимость изготовления водородных топливных элементов и их цена. Стоят они от 10 тыс. до 15 тыс. долларов за топливную систему. А импортные еще дороже — от 15 тыс. до 30 тыс. долларов.
По словам гендиректора компании «Коптер экспресс технологии» Олега Понфиленка, если говорить о рынке легких дронов и дронов для доставки легковесных грузов, то для него такая цена неприемлема. Если дрон стоит 300–350 тыс. рублей, а аккумулятор — 50 тыс. рублей, то об использовании дорогих водородных топливных элементов и речи не идет.
«В нашем сегменте замены аккумуляторам не будет, — считает г-н Понфиленок. — Они сами по себе хорошо развиваются. Раньше дрон мог летать 15–20 минут, а теперь 30–40. Это произошло за последние четыре года. Не только благодаря аккумуляторам, но и за счет конструкции аппаратов». Водородные батарейки должны подешеветь в десять раз, чтобы они стали интересны для всех видов дронов.
Впрочем, в своем сегменте индустриальных и военных дронов BMPower готова побороться за клиентов. По словам Алексея Иваненко, активнее всего дроны применяются сейчас в нефтегазовой сфере, где периодически объявляются весомые тендеры стоимостью от 200 млн рублей.
Но пока компания преимущественно выполняет опытно-конструкторские работы. Например, для одного заказчика BMPower разрабатывает системы для переносных источников энергии. Такие ОКР — просто короткие испытания, причем эта работа частично оплачивается, по крайней мере, с некоторыми заказчиками об этом удается договориться.
Но недавно был подписан первый контракт с крупным «гражданским» клиентом — это ижевская компания «ИДС Технологии», поставляющая беспилотники для нефтяников. Как рассказал ее гендиректор Руслан Ямалиев, по условиям соглашения BMPower обязалась изготовить за полтора года более двух десятков топливных систем для коптеров.
По словам Руслана Ямалиева, основным фактором при принятии решения была возможность получить более мощный источник энергии, не увеличивая вес дрона. BMPower должна разработать для них систему, обеспечивающую дрону шесть часов полета. Для дорогих тяжелых коптеров цена водородных элементов не является неподъемной, утверждает Ямалиев.
Компания из Ижевска «Беспилотные системы» еще в 2023 году сотрудничала с AT Energy, заказывая там топливные элементы для мультикоптера увеличенного размера с полезной нагрузкой до двух килограммов (видеокомплекс для поиска и спасения людей). Как рассказал гендиректор «Беспилотных систем» Максим Шинкевич, они пытались использовать водородные топливные элементы, но быстро свернули опыты.
«Мы работаем на Крайнем Севере, группы действуют автономно, на небольших машинах, и им негде заправлять топливные элементы. С аккумуляторными батареями было проще обращаться. Каждый день ребята ведут несколько полетов, и топливных элементов просто не напастись», — говорит г-н Шинкевич.
Чтобы решить проблему с отсутствием инфраструктуры в виде заправочных станций, особенно в удаленных районах, BMPower заключила соглашение с компанией «Линде Газ Рус» (Linde Gas — крупнейший в мире производитель промышленных газов). Компания будет поставлять водород пользователям в режиме plug & play, уже в заправленных баллонах.
Как утверждает Алексей Иваненко, несмотря на рамочный характер большинства контрактов, у компании уже есть выручка: за прошлый год она заработала восемь миллионов рублей, а в этом году ожидается уже 47 миллионов. К 2023 году проект рассчитывает подойти с выручкой уже в миллиард рублей.
Расходы у стартапа небольшие, считает Иваненко: в среднем 2,7 млн рублей в месяц, притом что в компании работают 15 человек, включая производственный персонал. Следующий этап — выход на мировой рынок. В BMPower оценивают возможность открыть в первом квартале 2023 года офис в Европе или США.
За рубежом цикл принятия решения о заключении контракта — три–шесть месяцев, а в России минимум год. Для развития бизнеса (расширение производства и сертификация продукции, в том числе на международных рынках) BMPower намерена привлечь новый раунд инвестиций, до трех миллионов долларов.
Европа: реализованные проекты
Первые попытки учёных добиться выработки электроэнергии путём создания осмотического давления, которое было бы способно приводить в движение турбины генераторов, относятся к семидесятым годам двадцатого века. Уже тогда было предложено задействовать в качестве основного компонента генерирующей установки нового типа полупроницаемую мембрану, неприступную для обратного хода солей, но вполне свободно пропускающую молекулы воды.
Первые разработки вряд ли можно было назвать удачными — мембраны не обеспечивали достаточно мощного потока. Требовались материалы, которые выдерживали бы давление в два десятка раз большее, чем в водопроводных сетях, и при этом имели бы пористую структуру.
https://www.youtube.com/watch?v=web.archive.orgweb20200913074151if_pj0LUqUY89E
После получения новой технологии норвежцы фактически открыли путь к практической реализации проектов солевой генерации. В 2001 году правительство страны выделило компании Statkraft грант на постройку экспериментальной осмотической установки с совокупной площадью мембран в 200 квадратных метров.
Бумажный комбинат Södra Cell Tofte с экспериментальной установкой
Мощность генератора оказалась более чем скромной — станция производит максимум 4 кВт энергии, чего достаточно лишь для работы двух электрочайников. В перспективе планируется нарастить мощностной показатель до 10 кВт. Тем не менее, следует помнить, что пилотный проект был запущен в качестве эксперимента и предназначался прежде всего для отработки технологий и проверки теоретических выкладок на практике.
Предполагается, что станция может быть переведена на коммерческий режим эксплуатации, если эксперимент признают удачным. Рентабельная мощность генератора при этом должна быть повышена до 5 Вт из расчёта на квадратный метр площади мембран, сейчас же этот показатель для норвежской станции — не более 1 Вт на квадратный метр.
Экспериментальная осмотическая установка
Следующим этапом развития солевой генерации на мембранных технологиях стал запуск в 2023 году электростанции в нидерландском Афслёйтдейке. Начальная мощность объекта составила 50 кВт, по непроверенным данным, она может быть наращена до десятков мегаватт.
Принцип работы и потенциал солевых станций
В основу солевой генерации положен естественный процесс, называемый осмосом. Он широко представлен в природе, как в живой, так и в неживой. В частности, за счёт осмотического давления соки в деревьях в ходе обмена веществ преодолевают значительное расстояние от корней до вершины, поднимаясь на внушительную высоту — к примеру, для секвойи она составляет порядка сотни метров.
Перепады солёности возможны в ряде случаев, в том числе при контакте моря или озёр с более пресными водами — реками, лиманами и лагунами у побережья. Кроме того, соседство солёных и пресных вод возможно в регионах с засушливым климатом, в районах расположения подземных солевых месторождений, соляных куполов, а также под морским дном.
Разница в солёности сообщающихся масс воды может возникать искусственным путём — в испарительных водоёмах, солнечных стратифицированных прудах, в растворах сбросов химической промышленности и в водных ёмкостях энергетических объектов, в том числе АЭС.
Движение ионов, как и любая природная сила, может быть использовано для выработки энергии. Классический принцип солевой генерации предусматривает обустройство проницаемой для ионов мембраны между пресным и солёным растворами. При этом частицы пресного раствора будут переходить через мембрану, давление солёной жидкости повышается и компенсирует осмотические силы.
Возможности выработки энергии зависят прежде всего от показателей солёности воды, а также от уровня её расхода в речном потоке. Усреднённая отметка солёности Мирового океана составляет 35 килограммов на кубометр воды. Осмотическое давление при таком показателе достигает 24 атмосферы, что эквивалентно силе падения воды с высоты плотины в 240 метров.
Совокупный сброс воды из пресных водоёмов в моря составляет 3,7 тыс. кубических километров в год. Если применить для генерации 10% потенциала крупнейших рек Евросоюза — Вислы, Рейна и Дуная, то выработанный объём энергии превысит среднее потребление в Европе втрое.
Ещё немного впечатляющих цифр: при обустройстве электростанций в зоне впадения Волги в Каспий можно будет произвести за год 15 ТВт⋅ч энергии. Генерация 10 ТВт⋅ч и 12 ТВт⋅ч энергии вполне возможна в районах слияния Днепр-Чёрное море и Амур-Татарский пролив соответственно.
По мнению специалистов норвежской компании Statkraft, суммарный потенциал солевой энергетики достигает 0,7–1,7 тыс. ТВт⋅ч или 10% от мировых потребностей. По самым оптимистичным оценкам экспертов, максимальное задействование возможностей использования солёности воды позволит получить больше электроэнергии, чем человечество потребляет в настоящее время.
Пути дальнейшего развития технологий
Наиболее перспективные исследования в отрасли солевой энергетики направлены в основном на повышение эффективности производства энергии с применением упомянутой мембранной технологии. Французским исследователям, в частности, удалось увеличить показатель выработки энергии до уровня 4 кВт на квадратный метр мембраны, что уже вплотную приблизило к реальности вероятность перевода станций на коммерческую основу.
Ещё дальше пошли учёные из США и Японии — они сумели применить в мембранной структуре технологию графеновых плёнок. Высокая степень проницаемости достигнута за счёт сверхмалой толщины мембраны, которая не превышает величину атома. Предполагается, что с использованием графеновых мембран выработку энергии на квадратный метр из поверхности можно будет нарастить до 10 кВт.
Группа специалистов из Федеральной политехнической школы Лозанны (Швейцария) занялась исследованием возможности эффективного захвата заряда энергии сторонним путём — без применения турбин генераторов, а непосредственно в процессе прохождения ионов через мембраны.
В пластинах делаются микроотверстия для прохождения заряженных частиц солей, которые в процессе движения генерируют энергию. Одна такая пора мембраны может давать до 20 нановатт. По данным Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе, мембраны такого типа с площадью в 0,3 квадратных метра вырабатывают порядка мегаватта энергии.
Очевидно, что такой показатель в случае успешных экспериментов можно будет считать настоящим прорывом в отрасли. К настоящему же времени исследования находятся на начальном этапе, учёные уже столкнулись с первой проблемой — они пока не в состоянии сделать большое количество равномерно расположенных наноотверстий в мембранах.
В США, Израиле и Швеции тем временем разрабатываются способы получения энергии путём обратного электродиализа — одной из разновидностей мембранной технологии. Данная методика, предусматривающая применение мембран ионоселективного типа, позволяет реализовать схему прямого преобразования солёности воды в электроэнергию.
Схема обратного электродиализа
Мембраны образуют несколько камер, в которые поступают растворы с разной степенью насыщенности солями. При прохождении ионов между пластинами в определённом направлении на электродах накапливается электроэнергия. Возможно, с применением самых новых мембранных технологий эффективность таких установок будет высокой.
Пока же эксперименты с созданием установок схожей конструкции — с диалитическими батареями — не показали впечатляющих результатов. В частности, применение катионных и анионных мембран даёт всего лишь 0,33 ватта на квадратный метр мембран. Последние же достаточно дороги и недолговечны.
В целом мембранные технологии не осваиваются с нуля — принципиально такие конструкции похожи на пластины, применяемые в установках для опреснения воды, однако при этом они гораздо тоньше и сложнее в производстве. Компании-лидеры выпуска опреснительных мембран, в том числе General Electric, пока не берутся за поставки пластин для осмотических станций.
На фоне сложностей с развитием традиционных мембранных технологий ряд исследователей посвятили свою деятельность поиску альтернативных способов солевой генерации. Так, физик Дориано Броджоли из Италии предложил использовать солёность воды для извлечения энергии при помощи ионистора — конденсатора с большой ёмкостью.
Накопление энергии происходит на электродах из активированного угля в процессе последовательного поступления в одну и ту же камеру пресной и солёной воды. Учёному в ходе практического эксперимента удалось сгенерировать за один цикл наполнения резервуара 5 микроджоулей энергии.
Схожим путём пошли американские специалисты из Стэнфордского университета. Конструкция их батарей предусматривает заполнение камеры батареи пресной водой с дальнейшей небольшой подзарядкой из внешнего источника. После смены пресной на морскую воду за счёт возрастания количества ионов в десятки раз электрический потенциал между электродами повышается, что приводит к выработке большего количества энергии, чем потраченное на подзарядку батареи.
Совсем другой принцип использования солёности воды является достаточно сложным в реализации, однако он уже опробован на макетах генерирующих установок. Он предусматривает использование разницы давлений насыщенных паров над водными объектами с солёной и пресной водой.
При задействовании микротурбин можно добиться получения до 10 ватт энергии с каждого квадратного метра теплообменника, однако для этого требуются только водные объекты с высокой степенью солёности — к примеру, Красное или Мёртвое моря. Кроме того, технология предусматривает необходимость поддержания низкого, близкого к вакууму, атмосферного давления внутри установки, обеспечение чего в условиях нахождения генератора в открытой акватории является проблематичным.
Россия и япония как перспективные территории
Если говорить о том, в каких регионах мира появятся следующие станции, то больше всего перспектив у такого вида энергетики в Японии. Это связано в первую очередь с налаженным производством необходимых компонентов — компании страны выпускают 70% от мирового объёма осмотических мембран.
Вероятно, сработает и географический фактор —специалисты Токийского технического института пришли к выводу о том, что Япония обладает большим потенциалом для развития солевой энергетики. Острова страны со всех сторон окружены океаническими водами, в которые впадает большое количество рек.
Осмотические мембраны
Не менее привлекательной для развития данного сегмента является и российская территория. По мнению отечественных специалистов, строительство осмотической станции в зоне впадения Волги в Каспийское море может быть вполне реализуемым проектом. Уровень расхода воды в устье реки составляет 7,71 тыс. кубометров в секунду, при этом потенциальная мощность солевой генерации будет колебаться в пределах 2,83 ГВт.
Мощность станции, использующей 10% речного стока, составит 290 МВт. Впрочем, развитая хозяйственная деятельность в регионе, обилие фауны и флоры в дельте Волги в некоторой степени осложнит проект строительства станции — потребуется возведение ряда инженерных сооружений, каналов для пропуска рыбы и водоразделов.
Кроме того, в качестве одной из перспективных площадок для внедрения генерации осмоса выступает Крым. Хотя совокупный потенциал рек полуострова невысок, всё же он мог бы удовлетворить энергетические потребности отдельных объектов, к примеру, гостиниц.
Специалисты чисто гипотетически рассматривают даже возможность использования канализационных стоков в Крыму в качестве пресного источника для осмотических станций. Объём стоков, которые сейчас сбрасываются в морскую акваторию, в летний период в регионе может превышать интенсивность потока отдельных рек. Тем не менее, в данном случае особо острым становится вопрос технологии эффективной очистки оборудования от загрязнений.
С другой стороны, несмотря на благоприятные географические условия и возможность широкого выбора для размещения генерирующих объектов, системные разработки по данным вопросам в России пока не ведутся. Хотя, по некоторым данным, в 1990 году на базе научной группы Дальневосточного научного центра Академии наук СССР проводилось изучение возможности развития солевой энергетики вплоть до состоявшихся лабораторных опытов, однако результаты этой работы остались неизвестны.
Для сравнения — в той же Европе исследования в области создания осмотических станций резко активизировались под давлением экологических организаций ещё с начала девяностых годов. К этой работе в ЕС активно привлекаются всевозможные стартапы, практикуются государственные дотации и гранты.
Энергия из соли: плюсов больше
В сфере солевой генерации, как и в других энергетических отраслях, приоритетным стимулом развития является экономический фактор. В этом плане солевая энергетика выглядит более чем привлекательной. Так, по мнению специалистов, при условии усовершенствования существующих технологий производства энергии с использованием мембран, себестоимость выработки составит €0,08 за 1 кВт — даже при отсутствии субсидирования генерирующих компаний.
Для сравнения, себестоимость производства энергии на ветряных станциях в европейских странах составляет от €0,1 до €0,2 за киловатт. Угольная генерация обходится дешевле — в €0,06–0,08, газоугольная — €0,08–0,1, однако следует учесть, что тепловые станции загрязняют атмосферный воздух.
Таким образом, в ценовом сегменте осмотические станции имеют явное преимущество перед остальными видами альтернативной энергетики. В отличие от ветряных и солнечных станций, солевые генераторы более эффективны и технически — их работа не зависит от времени суток и сезона, а уровень солёности воды — практически постоянен.
Строительство осмотических станций, в противовес ГЭС и иным типам станций на водных объектах, не требует затрат на возведение специальных гидротехнических сооружений. В других видах морской энергетики ситуация обстоит хуже. Пронедра писали ранее, что строительство приливных станций требует возведения масштабной и сложной инфраструктуры. Напомним, аналогичные проблемы касаются объектов энергетики, работающих на силе океанических течений и морских волн.
Как одно из направлений альтернативной энергетики, солевой генерации характерен «экологический плюс» — работа осмотических станций абсолютно безопасна для окружающей среды, она не нарушает естественный баланс живой природы. Процесс генерации энергии из солёности воды не сопровождается шумовыми эффектами.
Для запуска станций не приходится изменять ландшафт. У них нет выбросов, отходов или каких-то испарений, в связи с чем такие станции могут устанавливаться в том числе непосредственно в городах. Станции всего лишь используют для выработки энергии обычные природные процессы опреснения солёной воды в устьях рек и никак не влияют на их ход.
Несмотря на ряд очевидных преимуществ, солевая энергетика имеет и определённые недостатки, связанные в первую очередь с несовершенством имеющихся технологий. Кроме упомянутых выше проблем с созданием высокопродуктивных надёжных и при этом недорогих мембран, остро стоит вопрос о разработке эффективных фильтров, поскольку поступающая на осмотическую электростанцию вода должна тщательно очищаться от органики, забивающей каналы, предназначенные для прохождения ионов.
К недостаткам станций можно отнести и географическую ограниченность возможности их применения — такие генераторы устанавливаются только на границах пресных и солёных водоёмов, то есть в устьях рек, или на солёных озёрах. Тем не менее, даже при имеющихся недостатках и на фоне своих огромных преимуществ, и при условии преодоления проблем технологического плана, солевая энергетика, бесспорно, получает большие шансы занять одну из ключевых позиций на мировом рынке генерации.
Источник
