Шаг за шагом к водороду
06.12.2021
Поднятая в последний год медийная волна о перспективах применения водорода в авиации невольно отсылает к другой топливной эпопее вокруг сланцевого газа, которая шла по нарастающей с момента запуска масштабной промышленной добычи сланцевого газа компанией Devon Energy в США в начале 2000-х до 2010 года, когда благодаря технологии наклонно-направленного бурения с многостадийным гидроразрывом пласта США вырвались в мировые лидеры по добыче природного газа. А потом эта волна резко сошла на нет. Сегодня об этом топливе предпочитают помалкивать, имея на это все основания, в том числе экологические.
Сланцевый газ никуда не исчез, он прочно занимает свою нишу в энергетике ряда стран. Но ослабло политическое давление на общественное мнение. Как раз сейчас акценты с электротяги в авиации незаметно, но настойчиво смещаются в сторону водорода. Водородные решения притягивают все большее внимание СМИ, однако время покажет станет ли эта кампания началом исторического прорыва в сфере экологического транспорта или очередным технологическим фальстартом.
Сколько еще под землей горючки?
Актуальная экологическая повестка базируется не только на требовании сокращения выбросов углекислого газа, но и на идее скорого исчерпания ископаемого углеводородного топлива. Правда, насколько быстро произойдет это исчерпание, мало кто представляет. К примеру, председатель правления «Газмпрома» Алексей Миллер, выступая на 24-м годовом общем собрании Международного делового конгресса 14-17 сентября сказал, что газа в России хватит более чем на 100 лет.
С некоторым приближением этот прогноз вполне можно переложить и на нефть. В итоге еще около ста лет углеводородное топливо могло бы играть главную роль в массовом перемещении людей и грузов на большие расстояния, в первую очередь в авиации. А если учесть провал в перевозках, вызванный пандемией и политическими демаршами, то, может, и дольше.
«Железный конь идет на смену крестьянской лошадке»
Впрочем, трудно оспаривать тот факт, что мировой транспортной системе давно требуются виды топлива с более высокими характеристиками, чем нынешние керосин, природный газ и тем более — мазут.
В поисках альтернативного источника энергии, ученые-сторонники зеленой энергетики пришли к выводу, что водородные электрохимические генераторы в недалеком будущем придут на смену традиционным источникам энергии. И в этом есть резон. Если, к примеру, литий-ионные аккумуляторы в состоянии накапливать до 160 ватт-часов на килограмм, то водород — 700.
К тому же, по мнению экспертов, именно водород в отличие от нефти и газа — возобновляемый ресурс. Правда, перед публикой затушевывается проблема исходных энергозатрат — откуда будет браться энергию для производства больших объемов водорода. Но это детали, равно как и обеспечение безопасности при работе с этим газом. Хотя из опытов на уроках химии известно, чем опасен водород.
Тем не менее, мало какое массово применяющееся топливо сегодня может выдать 140 МДж/кг, как у водорода. Отсюда и внимание к этому химическому элементу под номером 1 в таблице Менделеева.
Начинания и разногласия
Для энтузиастов и примкнувшим к ним финансистов тема водородных топливных систем только набирает обороты. Это уже сформировавшийся устойчивый вектор развития в сфере перспективных разработок. К примеру, ученые ИПХФ РАН (Институт проблем химической физики — «Хайтек») и Центра водородной энергетики МЭИ Юрий Добровольский и Сергей Нефедкин стали разрабатывать водородные топливные системы еще в 2010 году. Вскоре к ученым подключился предприниматель Дмитрий Шапошников. В 2012 году они организовали стартап AT Energy и арендовали базу ИПХФ РАН в Черноголовке. Компания стала резидентом «Сколково» и получила грант в размере 47 милллионов рублей. В течение 2013 года основатели компании работали над увеличением продолжительности работы аккумуляторов.
Позже AT Energy переехала в технопарк, где и появился первый топливный элемент для БПЛА на основе водорода. Проект активно рос в первые несколько лет, привлекая инвестиции, выполняя несколько коммерческих заказов и активно принимая участие в экосистеме «Сколково». Суммарно с 2012 по 2016 годы компания привлекла более 80 миллионов рублей. Правда, потом разногласия учредителей пустили под откос хорошее начинание. Но успешная модель уже была опробована и оказалась весьма перспективной для легких беспилотников.
Беспилотник на водороде — инструмент для трудных задач
Аппараты на водородных топливных элементах смогут заниматься обслуживанием многокилометровых газопроводных и нефтепроводных линий, находясь в воздухе без подзарядки до трех часов, совершая перелеты на 100 километров с грузом, даже при отрицательных температурах.
Про экономику процесса промоутеры говорят следующим образом: вертолет обходится в 25–150 тысяч рублей в час в зависимости от региона, аренда дрона на водородных топливных элементах обойдется всего в 1–5 тысячи рублей. И, хотя в таком утверждении существует ряд нестыковок, в виде цены топливных элементов, инфраструктуры по их производству и температурных ограничениях (до 40 градусов Цельсия), тема видится очень перспективной. Особенно если учесть, что разработки в России водородных топливных элементов по энергетике превосходят современные аккумуляторные батарей в три-пять раз.
Мало того, действующую модель летательного аппарата с силовой установкой на водородно-воздушных топливных элементах уже представляли на международном военно-техническом форуме «Армия-2018».
С участием государства
О возможности масштабировать опыт на крупноразмерном воздушном судне типа ЯК-40 на Восточном экономическом форуме заявил глава Минпромторга РФ Денис Мантуров.
«В рамках наших НИРов ЦИАМ отрабатывает на летной лаборатории Як-40 решения по электрическому двигателю, но с охлаждением электрической системы водородом, это первый этап. Второй этап — будет уже использование водорода как топливных элементов для того, чтобы обеспечивать энергетикой электрические самолеты, — сказал министр, добавив при этом, что — это такая длинная программа, которая должна дать результат по технологии, которую можно будет потом уже использовать в ОКРе (опытно-конструкторская работа), который должен привести к разработке уже летательных аппаратов на электрических двигателях на водородных элементах».
Стоит напомнить о появившейся в середине года информации, что «Объединенная двигателестроительная корпорация» начала разработку авиадвигателей и энергетических установок наземного применения, работающих на водороде. Предложено использовать две технологии: непосредственное сжигание водородного топлива в модифицированных газовых турбинах и электрохимическое преобразование топлива в электрическую энергию с использованием топливных элементов.
Главное — объем рынка
Пока наиболее актуальная тема — перевод на водород дронов, а также пилотируемых и беспилотных VTOL с пассажирами и грузами на борту, что может значительно увеличить дальность их полета. Почему в России упор делается именно на дронах? Тут важно учитывать перспективный объем рынка этих летательных аппаратов. По словам руководителя Центра компетенций НТИ на базе ИПХФ РАН Юрия Добровольского потребность только в дронах-доставщиках к 2025 году составит до трех миллионов единиц. Не следует забывать об относительной простоте беспилотников по сравнению с пилотируемыми летательными аппаратами.
10 минут. Кто быстрей?
«Водородная» тематика в авиационной отрасли довольно многогранна, здесь и вопросы конструктивного исполнения движителей, энергетических элементов, и многое другое. Что касается использования аккумуляторных батарей, работающих на новых принципах, тут, при всей новизне тематики, проблемы старые. Одна из них — значительное время подзарядки батарей. Решение подобной задачи — отдельный блок разработок.
Ответ на этот запрос уже озвучивают в проектных бюро стран-лидеров по инвестициям в сферу новой воздушной городской мобильности. Например, в Сингапуре планируется построить концепт самолета на водородных батареях, который заправляется за 10 минут. Местная компания HES Energy Systems занимается разработкой первого на планете регионального водородно-электрического пассажирского самолета Element One. Концепт был принят в работу в 2018 году под названием Element One. Материнская фирма HES Energy Systems ISAE-SUPAERO тогда же заявила, что планирует разработать водородный беспилотный летательный аппарат, который должен пересечь Южную Атлантику на сверхлегких водородных топливных элементах, общая мощность которых составляет не менее 500 Втч/кг. Хотя, самолет с 14-ю пропеллерами будет всего пятиместным.
Относительно 10 минут для дозаправки предлагается еще более интересное решение — производиться она будет за счет автоматической системы замены гондол для смены своих водородных баков. В общем, все очень похоже на замену баллончиков для бытовых сифонов, которые, кстати говоря, сегодня не столь популярны, как раньше, во время отсутствия массового производства газированной воды в пластиковой таре. Тем не менее, разработка опытного прототипа и освоение финансовых средств продолжаются, представители компании планируют достроить первый летающий образец Element One до 2025 года.
Премьеры ожидаются с 2025 года
Примерно к этому же времени представить свои «авиамикролитражки» планируют другие компании. Немецкая APUS Group приступила к сборке первого летного образца четырехместного водородного самолета APUS i-2. Первый полет самолета, оснащенного водородными топливными элементами запланирован на середину 2023 года, а поставки первых i-2 заказчикам разработчики планируют начать в 2024-2025 году.
Некоммерческую эксплуатацию своего 19-местного водородного пассажирского самолета Miniliner с дальностью полета от 200 до 1000 километров словенская компания Pipistrel планирует в 2028-2030 году.
Следом можно перечислить целый ряд крупных и малых компаний из разных стран мира, которые занимаются водородной тематикой в авиастроении. Причем, многие из них логично нацелены на работу с дронами или, в крайнем случае, малой авиацией. Уже только это говорит о том, что в «водородном» вопросе пока еще не решенными остаются ключевые задачи — создание быстрозаряжаемых водородных батарей, движителей (хотя у России в этом вопросе накоплен больший, чем у многих опыт) и, конечно, инфраструктуры.
Авиационный мир еще только примеряет на себя возможности водорода, порой делая опрометчивые заявления о безальтернативности этого вида экотоплива. Но пока это говорит лишь о потребности демонстрировать вдохновляющие цифры потенциальным инвесторам. В целом, главным следует считать стремление к новому. И тут энтузиастов упрекать не в чем. Именно их усилия всегда давали старт любой технологической революции.
Герман Спирин
