Применение водородных технологий в авиации.
В СССР Академией наук совместно с рядом научно-исследовательских институтов и конструкторских бюро была разработана программа научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по широкому внедрению водородной энергетики в народное хозяйство. В авиационной промышленности она получила название: тема «Холод». ММЗ «Опыт» было поручено создание летающей лаборатории, использующей в качестве топлива жидкий водород (на базе самолета Ту-154Б). Эта программа позволяла одновременно кардинально улучшить экологическую обстановку в стране, а также заложить основы создания гиперзвуковой и космической авиации. В ходе создания летающей лаборатории выявилась необходимость значительного расширения объема научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. В этот же период обострился дефицит традиционных видов топлив для транспортных средств (керосин, бензин) и потребовалась замена его природным газом, который для авиации наиболее приемлем в сжиженном состоянии — СПГ (сжиженный природный газ). Исходя из этих положений в АНТК им. А.Н.Туполева в 80-е годы был создан первый в мире самолет- летающая лаборатория Ту-155 (первоначальное обозначение ЛЛ Ту -154).
Жидкий водород бы чрезвычайно перспективным топливом из-за его высокой удельной теплотворной способности ,а также из-за экологической чистоты.
У СПГ есть ряд преимуществ перед традиционными видами топлива: теплотворная способность СПГ на 15% превышает теплотворную способность авиационного керосина, а также применение СПГ на самолетах позволяет существенно снизить вредное экологическое влияние на окружающую среду. При нарастающем дефиците нефтяных топлив запасы природного газа составляют значительную величину, а при неуклонном росте цен на нефтяные топлива цена на СПГ будет снижаться.
Конструктивные изменения на ТУ-155 по сравнению с ТУ-154Б:
-установлен топливный бак с высокоэффективной теплоизоляцией для размещения жидкого водорода с температурой -253°С или сжиженного природного газа с температурой -162°С;
-доработали топливную систему самолета;
-экспериментальный топливный комплекс включал в себя систему подачи топлива в двигатель, систему поддержания давления в баке с аварийным предохранительным устройством, систему циркуляции, наддува бака, систему аварийного слива криогенного топлива. Система подачи топлива состояла из центробежных и струйных насосов, теплоизолированных трубопроводов, криогенных агрегатов и клапанов;
-для управления и контроля работы криогенного комплекса на самолете установили три дополнительные системы:
а) гелиевую, управляющую агрегатами силовой установки;
б) азотную, замещающую обычную атмосферу в отсеках самолета и предупреждающую экипаж в случае утечки криогенного топлива задолго до взрывоопасной концентрации;
в) систему контроля вакуума в теплоизоляционных полостях;
г) вместо штатного центрального двигателя НК-8-2У установили экспериментальный двигатель НК-88, созданный в конструкторском бюро под руководством академика Н.Д.Кузнецова (при этом большое внимание уделили обеспечению взрывопожаробезопасности двигателя).
Для обслуживания экспериментального самолета и выполнения испытательных работ был создан авиационный криогенный комплекс.
Он состоял из следующих систем:
-системы заправки криогенным топливом;
-системы пневмопитания;
-системы энергоснабжения;
-системы телевизионного контроля;
-системы газового анализа;
-системы орошения водой в случае пожара;
-системы контроля качества криогенного топлива.
Благодаря этому комплексу можно было проводить испытания с большим количеством криогенного топлива.
Кроме того была создана экспериментальная установка для самолётов работающих на криогенных топливах, также появился опыт обращения с жидким водородом и СПГ.
Также, стоит отметить статью «Криогенная авиация: за и против» в которой говорится о добыче и хранении водорода. Основной способ промышленного производства водорода- разложение воды. Однако этот процесс очень энергоёмкий. Что говорится по поводу его хранения, так это лишь то ,что на борту воздушного судна газ предполагается запасать в сжиженном состоянии, что требует дополнительной энергии для его сжижения.
Водородная энергетика.
Водород на первый взгляд является идеальным топливом. Во-первых, его очень много во вселенной. Во-вторых, водород является экологически чистым. При его сгорании образуется только вода.
Водородные топливные элементы.
Топливный элемент был сконструирован сразу после открытия по распаду воды на водород и кислород. В нём рассматривалась возможность производства энергии в с использованием кислотного электролита.
Позже в водородный топливный элемент была добавлена ионообменная мембрана для облегчения транспорта гидроксид-ионов. Топливный элемент стал использоваться на космических аппаратах «Аполлон» в качестве главного источника энергии во время их полетов.
Принцип действия его таков: водород, проходя через анод теряет электроны, которые идут в электрическую цепь, а катионы проходят через мембрану. Далее на катоде кислород принимает протон и электрон, в результате чего образуется вода.
У топливных элементов очень большой КПД, порядка 60%.
Водородная энергетика является наиболее привлекательным источником энергии, но все же существует ряд проблем, мешающих ее массовому применению. Самая главная из них — процесс добычи водорода.
Для работы топливного элемента требуется водород, который нужно добывать, так как он не существует в чистом виде на Земле. Самым эффективным способом добычи водорода является метод паровой конверсии природного газа. Метан соединяют с водяным паром при давлении 2 и температуре около 800 градусов, в результате чего получается конвертированный газ с содержанием водорода 55-75%. Для паровой конверсии необходимы огромные установки, которые могут быть применимы лишь на производстве.
Более удобным способом является электролиз воды. Когда электрический ток проходит через обрабатываемую воду , происходит серия электрохимических реакций, в результате которых образуется водород. Однако, процесс является энергозатратным и некоторые компании во избежание этого стремятся разработать системы полного цикла
Для примера можно взять мини-электростанцию H2One преобразующую воду в водород, а водород в энергию. Она может запасать электроэнергию полученную с солнечных батарей и использовать её, когда отсутствует источник подпитки энергии. Полученный водород либо напрямую подается на топливные ячейки, либо отправляется на хранение во встроенный бак. За час электролизер H2One генерирует до 2 м3 водорода, а на выходе обеспечивает мощность до 55 кВт. Для производства 1 м3 водорода станции требуется до 2,5 м3 воды.