Вертолёт на водороде. Наш ответ Илону Маску
Два водородных проекта представили компании, входящие в АФК «Система». В этом году они должны довести до испытаний беспилотный вертолёт и речное судно, работающие на водородном топливе. Использование водорода считается перспективной зелёной технологией, хотя Илон Маск и утверждает, что применять его экономически бессмысленно.
Водород для вертолёта
Разработкой отечественной водородной силовой установки для гражданских воздушных беспилотников занимается Центр водородных технологий по заказу компании «Аэромакс» (входит в АФК «Система»). За короткий срок должен быть создан электрохимический генератор на основе водород-воздушного топливного элемента. Мощность силовой установки — до 100 кВт, она должна поднимать в воздух грузовой беспилотный вертолёт взлётной массой 750 кг.
«Электрохимический генератор должен обеспечить надёжную эксплуатацию в условиях низких температур. Это связано с тем, что наши беспилотные вертолёты преимущественно используются для грузоперевозок на севере страны», — отмечают в компании «Аэромакс».
Этим летом планируется представить опытный образец, осенью 2023 года пройдут лётные испытания вертолёта на водородных топливных элементах.
«Водородные установки уже успешно применяются на коптерах, что увеличивает время полёта за счёт высокой энергоёмкости. Сейчас же перед нами стоит амбициозная цель по созданию топливного элемента для беспилотных судов со взлётной массой несколько сотен килограммов. Такая установка должна обладать увеличенной мощностью и одновременно малым весом и габаритами. Пока в мировой практике эта задача для »тяжёлых« беспилотников не решена. Надеемся, что мы сможем это сделать», — рассказывает генеральный директор Центра водородных технологий Юрий Добровольский.
Водородные проекты в транспортной сфере перспективны и реализуемы, считает доцент факультета энергетики и экотехнологий НИУ ИТМО Владимир Воронов.
«В этой области мы не отстаём от западных компаний, а, возможно, в чём-то их опережаем. Для воздушных беспилотников водород очень перспективен. Его использование позволит увеличить автономность полёта с десятков до сотен километров. Здесь, правда, стоит говорить о гибридной установке, которая работает как от топливных элементов, так и от аккумуляторов», — сказал MASHNEWS Владимир Воронов.
К сложностям добавились западные санкции. По словам Юрия Добровольского, разработку установки проводили до начала санкционных ограничений, ключевые элементы для неё успели поставить из-за рубежа.
«Теперь пути доставки ограничены, а наши технологические возможности не позволяют заместить импортные элементы в короткий срок. Сейчас ведутся работы по упрощению конструкции компонентов», — пояснил MASHNEWS Юрий Добровольский.
Судно на водороде
Второй проект — разработка электрохимического генератора на водородных топливных элементах мощностью 100 кВт для электрического пассажирского катамарана.
Опытный образец судна с электрохимическим генератором создадут на базе речного пассажирского электрокатамарана, который выпускает Sitronics Group (входит в АФК «Система»). Научной поддержкой проекта также занимается Центр водородных технологий.
«Главная особенность применения водорода в том, что он в разы может увеличить дальность хода электросудна, так как водородные ячейки занимают меньше места и весят меньше аккумуляторов. Мы планируем переоснастить водородным генератором существующее судно и провести испытания уже в этом году», — сказал президент Sitronics Group Николай Пожидаев.
Катамаран с водородным двигателем будет заправляться водородом на причале. Одной заправки должно хватить на 20 часов работы судна.
«Если говорить о судостроении, то здесь возникают некоторые сложности с выработкой электроэнергии с помощью водородных топливных элементов. Для того, чтобы обеспечить такой энергией большое судно, к примеру, газовоз, требуются серьёзные запасы водорода на борту. Поэтому придётся решать проблемы с хранением этого газа, который имеет малую объёмную плотность. Неслучайно водородные технологии отрабатываются сегодня на небольших судах», — говорит Владимир Воронов из НИУ ИТМО.
Зачем нужен водород
Водородное топливо не сжигается. Водород поступает в топливный элемент, где вступает в реакцию с кислородом. В результате вырабатывается электричество, которое питает электромотор. То есть водородный транспорт по сути — электрический, но вместо аккумулятора используются баллоны с водородом.
В последние 20 лет разработкой водородных автомобилей занимались практически все крупные автоконцерны, однако в массовое производство такая техника не пошла. Илон Маск раскритиковал идею автомобилей на водородном топливе. По его словам, отсутствие экономически выгодного способа получения водорода делает водородный транспорт как минимум вдвое менее выгодным с финансовой точки зрения, чем электрический.
В 2021 году группа немецких учёных опубликовала в журнале Nature доклад, из которого следовало, что развитие транспорта на водородных топливных ячейках связано с очень серьёзными затратами на создание инфраструктуры, которые могут себя экономически не оправдать. По прогнозу авторов доклада, массовое производство грузовых автомашин на водородном топливе начнётся не ранее 2027 года, а к тому моменту появятся аккумуляторы нового поколения, которые сделают обычные электромобили более экономичными.
Дальше всего в применении водородных топливных элементов продвинулся железнодорожный транспорт. В Германии по маршрутам ходят 14 водородных поездов Alstrom с запасом хода до 1000 км. В декабре 2022 года китайская компания CRRC закончила постройку поезда на водородных топливных элементах. На одной заправке такой поезд может проехать 600 км. Индия заявила, что первый водородный поезд собственной разработки будет запущен в декабре 2023 года.
Важным считается вопрос получения водорода. Сейчас большая часть этого газа, который используется в нефтепереработке, производстве аммиака и металлургии, получается в процессе парового риформинга метана. Этот метод приводит к выбросам CO2. Такой водород называют «серым». Экологичным считается «зелёный» водород, который можно получить путём электролиза воды с помощью возобновляемых источников энергии.
Крупнейший в мире производитель водорода — Китай. Почти весь китайский водород «серый».
Может ли водород взорваться
Смеси воздуха с водородом (они называются гремучим газом) взрывоопасны при содержании водорода от 4,1 объемных процентов (нижний предел взрываемости). В 2020 году исследователи из ФГУП «НАМИ», Московского государственного строительного университета и Центра компетенций НТИ «Новые и мобильные источники энергии» при ИПХФ РАН выясняли, насколько безопасен водородный автомобильный транспорт. Эксперименты показали, что водород взрывается резче природного газа: скорость детонации гремучего газа – 2820 м/с, скорость детонации смеси метан/воздух – 1800 м/с.
Присутствие водорода на борту автомобиля повышает вероятность опасности в случае развития пожара и нагрева баллона с водородом. Ученые оговариваются, что все виды топлива, используемые в транспорте, потенциально опасны.
«Водород может взорваться в закрытом помещении, без вытяжки, при условии, что там образуется гремучая смесь, где на одну долю этого газа будет приходиться две доли воздуха», - объяснил MASHNEWS профессор Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина Валерий Бессель.
«Чтобы не допустить такой ситуации, на всех производственных площадках, где получают водород, а это атомные станции и предприятия нефтехимии, устанавливаются специальные приборы - концентратомеры. Как только концентрация водорода в воздухе начнет приближаться к опасной черте, заработает вытяжка, и газ будет выдуваться. В открытом пространстве взрыв практически невозможен. Дело в том, что ламинарная (безвихревая) скорость истечения водорода почти в пять раз выше, чем аналогичный показатель у метана. Даже если мы представим, что в баллон вашей машины, наполненный водородом, попала пуля, или вы угодили в ДТП, в силу своей ничтожной вязкости этот газ не взорвется, а свечой улетучится вверх», - говорит Валерий Бессель.
Как следует из опубликованной в 2019 году работы «Анализ условий самовоспламенения сжатого водорода» (МГТУ им. Н. Э. Баумана), отмечались случаи самовоспламенения при вытекании сжатого водорода в открытое пространство при отсутствии источников огня. Поэтому хранение сжатого под высоким давлением водорода накладывает серьезные ограничения на конструкцию баллонов, соединения и запорную аппаратуру.
Сергей Крапивин для MASHNEWS
