f \
СТРАТЕГИЧЕСКАЯ НАПРАВЛЕННОСТЬ ПРОЕКТА ЦЕНТРА ВОДОРОДНЫХ ИННОВАЦИОННЫХ РАЗРАБОТОК
V_)
Доктор технических наук В.И. ГУРОВ, кандидат технических наук О.Д. СЕЛИВАНОВ (ГНЦ РФ ЦИАМ), кандидат технических наук А.М. ДОМАШЕНКО (ОАО "Криогенмаш"), доктор технических наук В.С. РАЧУК (ОАО КБХА)
Одним из перспективных направлений развития экологически чистой и эффективной энергетики является разработка водородных технологий. Для интенсивного продвижения водородных технологий в народное хозяйство возникла необходимость объединения усилий специалистов в области криогенной техники. Проект Центра водородных инновационных разработок (ЦВИР) инициирован специалистами ГНЦ РФ ЦИАМ, ОАО "КБ химавтомати-ки" и РАН. В основу проекта положено техническое решение1, нацеленное на практически беззатратное получение высокого давления (до 85 МПа) водорода путём нагрева жидкого водорода при постоянном объёме за счёт тепла окружающей среды.
На запрос ЦИАМ в АНО "Агентство стратегических инициатив по продвижению новых проектов" получен положительный ответ о возможности реа-ю лизации проекта ЦВИР. По инициативе 8 ЦИАМ создана межведомственная ра-£ бочая группа под научным руковод-I ством академика О.Н. Фаворского для § научно-методического обеспечения со-g- временных требований к испытатель-I ной площадке с запасом водорода до £ 1500 кг, формирование основных за-§ дач, решаемых в рамках ЦВИР, возмож-| ность оперативного получения жидкого | водорода в количестве не менее l0o кг * в сутки и др.
О. -
CD
р 1 Гуров В.И., Дмитриенко А.И., Рачук В.С., Фаворский О.Н. и др. Комбинированная энергетическая установка. Патент РФ № 2463463 на изобретение от 24.12.2010.
Следует отметить, что коллектив ЦИАМ имеет большой научно-технический и интеллектуальный потенциалы в части решения проблем использования водорода в авиационно-космической технике и в наземных энергосистемах. В 2015 г. исполняется 60 лет с момента выпуска документа, в котором обосновывалась реальная возможность применения водорода в авиации. В 1967 г. в ЦИАМ была экспериментально подтверждена (ведущий по испытаниям -В.И. Щербаков) успешная работа на водороде вертолетного газотурбинного двигателя ГТД-350. В то же время инициативу ЦИАМ поддержала группа специалистов ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского под руководством будущего академика В.В. Струминского. В результате были разработаны комплексно-целевые программы (КЦП) "Холод-1", "Хо-лод-2" и др., итоги выполнения которых изложены достаточно полно2.
Ныне широко обсуждаются перспективы прорывной водородной концепции, призванной в корне изменить энергоэкологические подходы человечества к организации промышленного производства и бытоустройства людей3.
2 Гуров В.И., Семенов В.Л. Применение водорода на земле, в воздухе и в космосе // Энергия: экономика, техника, экология. 2009. № 1.
3 Шпильрайн Э.Э, Малышенко С.П., Кулешов Г.Г. Введение в водородную энергетику. М.: Энер-гоатомиздат". 1984; Андреев В.А., Борисов В.Д., Климов В.Т., Малышев В.В. и др. Внимание, газы: криогенное топливо для авиации. М.: "Московский рабочий". 2001; Шпильрайн Э.Э, Малышенко С.П. Основные направления использования водорода в энергетике // Российский химический журнал. 1993. Т. 37. № 2.
2
© В. И. Гуров, О. Д. Селиванов, А.М. Домашенко, В.С. Рачук
И Россия имеет уникальную возможность стать лидером в формировании новой водородной цивилизации с учётом опережающего технологического задела и огромного материально-технического и интеллектуального ресурса. Экономика России должна приобретать инновационный характер. Таково сейчас требование времени: вновь создаваемые объекты интеллектуальной собственности должны активно вовлекаться в хозяйственный оборот4. Стремление войти в глобальное экономическое и научное пространство тесно сопрягается с необходимостью грамотного освоения практики использования патентов на такие объекты.
Основное назначение ЦВИР заключается в разработке технологий безопасного, эффективного и длительного хранения водорода сверхвысокого давления в большом количестве. Кроме того, при его непрерывном использовании предусматривается совмещение инфраструктур применения водорода в качестве топлива и в системах летательных аппаратов авиационно-космического назначения, и в наземных энергогенерирующих устройствах. Благодаря этому удешевляется процесс получения и хранения водорода и появляется основа для создания мобильных экологически чистых источников оперативного снабжения различными видами энергии и мест базирования беспилотных летательных аппаратов, и районов чрезвычайных происшествий.
Стратегической направленностью проекта ЦВИР является исследование реальных свойств водорода, в том числе хода кривой его инверсии при сверхвысоких давлениях - вплоть до давления, при котором плотность
4 Малышенко С.П., Назарова О.В., Хабачев ЛД, Шарыгин В.С. Энергоэкономические предпосылки организации производства товарного электролитического водорода в России //Известия РАН. Энергетика. 1996. № 5; Rusanov V.D., Malyshenko S.P., Pekhota F.N. Russian Federal Hydrogen Energy Program // International Journal of Hydrogen Energy. 1998. V. 23. № 10; Малышенко С.П. Исследования и разработки ОИВТ РАН в области водородной энергетики // Альтернативная энергетика и экология. 2011. № 3; Кузык Б.Н., Яковец Ю.В. Россия: стратегия перехода к водородной энергетике. Институт экономических стратегий. 2007.
водорода приближается к его плотности в жидком состоянии. Результаты таких исследований дадут мощный импульс развитию прорывных технологий в различных отраслях народного хозяйства - и прежде всего, в ракетно-космической и авиационной промышленности, а также в химической, металлургической, атомной и электронной отраслях.
Реализация проекта ЦВИР будет способствовать решению следующих основных задач:
• разработка технологий безопасной и эффективной транспортировки, получения и хранения водорода сверхвысокого давления;
• разработка технологии взрыво-безопасной эксплуатации водородных стендов, наземных энергетических установок, газотурбинных двигателей и двигателей внутреннего сгорания на водороде и на традиционном топливе (включая и низкокалорийное) с частичным подмешиванием к нему водорода;
• экспериментальное определение реальных свойств водорода, в том числе протекание кривой его инверсии, при сверхвысоких давлениях (более 70 МПа);
• разработка технологий эффективного горения водорода в камерах сгорания двигателей внутреннего сгорания, газотурбинных, воздушно-реактивных и ракетных двигателей, а также наземных газотурбинных установок;
• разработка технологий выработки водяного пара высокого давления путём сжигания водородно-кислородных смесей и подводного сжигания таких смесей;
• создание блоков смешения водорода с природным газом высокого дав- б ления; *
• исследование характеристик во- I дородно-кислородных топливных эле- § ментов различного типа; "
• изготовление тиражируемых мо- | бильных автономных комплексов для р оперативного и безопасного обеспечения водородом и кислородом и мест | базирования беспилотных летатель- § ных аппаратов, и районов чрезвычай- £ ных происшествий; |
• создание общероссийского банка | данных для объектов интеллектуальной собственности в области водородных технологий;
Рис. 1.
Беспилотный летательный аппарат "ЦИАМ-рекорд" с первой энергоустановкой на отечественных электрохимических генераторах: а - подготовка к полёту; б - в полёте.
• организация обучения персонала предприятий, заинтересованных в использовании водорода;
• сертификационные испытания агрегатов, предназначенных для работы на водороде в составе летательных аппаратов, в том числе беспилотных;
• исследование возможностей широкой коммерциализации получаемых результатов и тиражирования мобильных комплексов с источниками кислорода и водорода.
Остановимся несколько подробнее на некоторых из перечисленных задач. Ныне актуальной проблемой становится создание конкурентоспособного достаточно лёгкого и с большой продолжительностью полёта беспилотного летательного аппарата (БПЛА) как для военных нужд, так и для самого разнообразного мирного использования - от контроля состояния газовых и нефтяных магистралей до производства киносъёмок участков местности в труднодоступных районах, а также для быстрой доставки дефицитных препаратов в небезопасные для здоровья человека зоны, например, в некоторые
страны Африки, охваченные заболеванием лихорадкой Эбола.
Очевидно, что БПЛА, работающие на электрохимических генераторах (ЭХГ) с подпиткой водородом высокой степени очистки, достаточно перспективны и поэтому разрабатываются во многих странах. В России 4 ноября 2010 г. впервые успешно стартовал БПЛА с ЭХГ на водороде, изготовленный в ЦИАМ. Актуальность задачи создания ЭУ достаточно лёгких БПЛА обусловлена тем, что быстрое развитие информационных технологий, систем автоматического управления и микроэлектромеханических систем в последние десятилетия способствовало резкому уменьшению размеров и массы этих аппаратов. В результате БПЛА последнего поколения могут решать множество задач, до недавнего времени доступных лишь громоздким, дорогостоящим, сложным в эксплуатации, обслуживаемым большим количеством операторов ударным и разведывательным комплексам. В настоящее время информация, полученная БПЛА, оказывается зачастую ключевым фактором, имеющим как военное, так и народнохозяйственное значение. При этом объём этой информации может быть увеличен, в основном путём увеличения времени полёта аппарата, что достигается, в частности, уменьшением удельной массы бортовых топливных баллонов и повышением давления в них.
В 2014 г. проводилась подготовка полёта БПЛА "ЦИАМ-рекорд" с первой энергетической установкой на базе ЭХГ полностью отечественной разработки, пригодной по своим удельным характеристикам к применению на борту лёгких летательных аппаратов. В рамках этой работы 2 июля 2014 г. указанный БПЛА совершил первый успешный полёт (рис. 1).
При освоении водорода очень важно оценить его реальные свойства, в частности, рост величины газовой по-
стоянной Я по мере повышения давления. Показано5, что при давлении водо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.