Водородный полёт
Фото: ZeroAvia
По всему миру учёные и инженеры разрабатывают топливные элементы (ТЭ) для чистого водородного транспорта. У британско-американской компании ZeroAvia задача наиболее сложная, так как эта компания нацелилась на авиацию, предъявляющую высочайшие требования к надёжности, мощности и габаритным размерам энергоустановок.
Основатель и руководитель компании Валерий Мифтахов, выпускник МФТИ, получивший звание доктора наук в Принстонском университете, преисполнен оптимизма: «Мы работаем над авиационными энергоустановками следующего поколения, призванными заменить существующие авиационные турбины на самолётах коммерческих авиалиний. Новые самолёты смогут летать на большие расстояния, не создавая токсичных атмосферных выбросов. Для этого требуется высокая удельная мощность – массовая и объёмная. Мы считаем, что здесь единственный вариант – применение водорода». Компания делает ставку на своё ноу-хау – высокотемпературные водородные ТЭ с турбонаддувом и системой рекуперации энергии.
Есть прецедент
В 2023 году компания ZeroAvia в Великобритании подняла в воздух самый большой в истории самолёт с водородно-электрической энергоустановкой. Самолёт Dornier 228 вместимостью 19 пассажиров был оснащён прототипом двигателя ZA600 (600 кВт) на одном крыле и своим штатным турбовинтовым двигателем Honeywell TPE331-10 мощностью 776 л. с. (570 кВт) на другом. За десять тестовых полётов самолёт поднимался на высоту до 1500 м, прошёл проверку на продолжительность полёта и на способность достичь скорости 260 км/ч – максимально разрешённой на тот момент британским авиационным регулятором.
Пилоты опробовали ряд режимов, в которых был задействован только экспериментальный двигатель. Испытания прошли успешно, и некоторые региональные авиаперевозчики сразу сделали предварительные заказы на водород-электрические энергоустановки. В текущем году тестовые полёты были продолжены с целью отработать новые технические решения в энергоустановке и взаимодействие между собой различных элементов системы. На момент написания данной статьи максимальная продолжительность полёта достигла 35 минут.
Техническое совершенство
Известно, что высокотемпературные топливные элементы более эффективны, чем низкотемпературные. Кроме того, последние необходимо снабдить системой жидкостного охлаждения, чтобы полимерная протонообменная мембрана не вышла из строя из-за перегрева. В случае высокотемпературных ТЭ (от них легче отводить тепло) можно обойтись воздушным охлаждением, сэкономив на таких компонентах, как насос, радиатор, трубки и охлаждающая жидкость.
Часть тепловой энергии, выделяемой при работе топливного элемента, и высокое давление газов на его выходе компания использует для турбонаддува. Это позволяет «выжать» из ТЭ максимальное количество энергии и довести удельную мощность энергоустановки до уровня свыше 2 кВт/кг.
(фото: ZeroAvia)
На большой высоте воздух разреженный, поэтому его необходимо сжимать в четыре-пять раз, на что тратится значительная мощность. И если не озаботиться рекуперацией энергии, топливная эффективность энергоустановки сильно просядет. Весьма кстати тот факт, что на выходе ТЭ воздух имеет высокие температуру и давление. Кроме того, при окислении водорода образуется водяной пар. Давление газов задействуется в системе турбонаддува, для чего применён турбоэкспандер. С ним на общем валу находится воздушный компрессор. Таким образом часть энергии возвращается в цикл.
«В топливном элементе выделяется много избыточного тепла, и мы обсуждаем, как его лучше использовать, – рассказал директор по инновациям ZeroAvia Сергей Шубенков. – Например, можно построить системы снятия наледи. Просматривается множество интересных способов усовершенствовать самолёт, но сейчас у нас главная задача – изготовить лёгкую и чрезвычайно эффективную энергоустановку».
Почему в автомобильной и авиационной индустрии мало кто занимается высокотемпературными топливными элементами? Потому что при высоких температурах всё усложняется. Команда собирается использовать для изготовления биполярных пластин алюминий - недорогой лёгкий металл. «Алюминий имеет очень высокую теплопроводность, – рассказывает руководитель группы материаловедения ZeroAvia Валерий Белоусов. – И он хорошо отводит тепло, образующееся при работе топливного элемента. Проблема в том, что в качестве электролита там используется фосфорная кислота, которая растворяет алюминий. Мы разработали специальное проводящее защитное покрытие». Помимо этого компания для ускорения реакции расщепления водорода применяет платиново-угольный порошковый катализатор. Он наносится на углеродную ткань, которая покрывает алюминиевые электроды.
На другом электроде ТЭ молекулы кислорода из воздуха расщепляются на атомы, которые взаимодействуют с прошедшими через мембрану протонами (ядрами водорода), образуя воду. «Эти реакции гораздо более медленные, чем расщепление водорода, – объясняет инженер-исследователь Эмеральд Тейлор. – И мы вынуждены идти на различные ухищрения, чтобы их ускорить, одновременно отводя образующийся водяной пар. Получается что-то вроде сложнейшего колдовского зелья».
При сборке мембранно-электродного блока составляющие его ячейки последовательно соединяются для увеличения напряжения. Собранные блоки проверяются в работе с измерением таких параметров, как температура, давление и расход газов. Затем проходит их тестирование на способность выдавать мощность в специальной камере. Компания нацелилась на производство топливных элементов, которые будут иметь рабочий ресурс не менее 10 000 часов.
Другие возможные сферы применения её топливных элементов – это строительная и погрузочная техника, автомобильные тягачи, корабли и даже поезда. Здесь лёгкость конструкции уже не имеет первостепенного значения, но тем не менее весьма важна.
Условия для инноваций
Как первопроходец на рынке гражданской авиации компания ZeroAvia вынуждена заниматься поддерживающей инфраструктурой и сертификацией своих решений, логистикой, получением всевозможных разрешений и построением сети сервисных предприятий.
Компания регулярно демонстрирует прототипы своей продукции авиарегуляторам в США, Евросоюзе и Великобритании, рассчитывая на быстрое одобрение её будущих технических решений. «Мы надеемся в ближайшие два – два с половиной года выпустить на рынок первую серию энергоустановок», – оптимистично заявляет Валерий Мифтахов. К 2027 году намечено разработать и запустить в производство модульные энергоустановки семейства ZA2000 мощностью 2–5 МВт для региональных авиалайнеров, рассчитанных на 40–80 пассажиров.
Стоит отметить, что регуляторный ветер, если так можно выразиться, дует компании ZeroAvia в спину, так как природоохранные нормативы постепенно ужесточаются. Авиация сталкивается со всё более жёсткими требованиями к атмосферным выбросам и к уровню акустического шума от самолётов. Также для развития бизнеса немаловажны субсидии, которые сегодня предоставляются производителям экологически чистого топлива, включая водородное.
Фото: ZeroAvia
