Тема построения водородной энергетики и реализации национальных водородных стратегий, весьма популярная ещё пару лет назад, в последнее время ушла с первых полос СМИ, уступив место обсуждению более актуальных краткосрочных задач. Однако, это обстоятельство не отменяет значительных перспектив применения водорода в качестве универсального и экологически приемлемого энергоносителя в среднесрочном и долгосрочном горизонтах.
Одним из перспективных вариантов использования водорода считается транспортная сфера. Например, в России идут проекты по переводу на водород карьерных самосвалов, речных судов и железнодорожных поездов. Водород начинают использовать для энергообеспечения БПЛА. Более экзотическими выглядят планы перевода на водород пассажирских самолетов. Тем не менее, в этой области в основном, в странах ЕС и в США уже проделана большая исследовательская и инженерная работа, построены концептуальные модели, выявлены технологические проблемы и обозначены направления разработок для их решения. Предлагаем вашему вниманию краткий обзор статьи, посвященной одной из таких концепций.
Интерес к использованию водорода в качестве топлива для воздушного транспорта в странах с развитым авиасообщением (в том числе, в США) обусловлен, в первую очередь, задачей декарбонизации этого сектора: в 2018 году выбросы СО2, непосредственно связанные с мировой авиационной промышленностью, превысили 1 млрд т (примерно 3% от общего объема выбросов). Помимо CO2, при сгорании авиационного топлива образуются оксиды азота (NOx), закись азота (N2O), оксид углерода (CO), оксиды серы (SOх), твердые частицы (сажа) и несгоревшие углеводороды.
Актуальный тренд последних лет - использование на будущих поколениях летательных аппаратов водородных энергетических систем. Это направление имеет свои преимущества, но его реализация связана с практическими проблемами, такими как потребность в больших объемах водорода для обеспечения работы двигателей, высокая горючесть газообразного водорода, а в случае применения жидкого водорода (LH2) - необходимость поддерживать сверхнизкую температуру при помощи криогенной техники.
В статье Филлипа Дж. Анселла, опубликованной в журнале IEEE Electrification Magazine (v.10, № 2 за 2022 год), рассмотрена концепция водородно-электрического самолета, разработанная Центром высокоэффективных электрических технологий для самолетов (CHEETA), в которой конструкторы попытались решить перечисленные проблемы.
Предполагается, что самолет, соответствующий данной концепции, будет введен в эксплуатацию в 2050 году. По характеристикам, таким как дальность полета, крейсерская скорость и полезная нагрузка она близка к эталонным узкофюзеляжным самолетам Boeing 737–800. Конструкторы исходили из того, что водород можно проще и с меньшими потерями преобразовать в электроэнергию через прямой электрохимический процесс, чем посредством турбогенератора. Поэтому основой энергосистемы выступают несколько высокотемпературных стеков протонообменных мембран (PEM), способных генерировать необходимую для самолета мощность в 28 МВт. Системы топливных элементов объединены с блоком аккумуляторов для улучшения покрытия переходных нагрузок в ходе полета.
Использование водородно-электрических конфигураций также дает несколько преимуществ с точки зрения возможностей интеграции силовой установки в планер из-за делокализации выработки электроэнергии и создания тяги по всему самолету.
В условиях достаточного количества криогенных емкостей для хранения сжиженного водорода (LH2) появляется возможность передавать электроэнергию большой мощности без потерь через сверхпроводящие материалы, такие как диборид магния, оксид иттрия-бария-меди и другие. Однако использование сверхпроводников также требует тщательного проектирования и конфигурации токопроводов, в которых передача энергии преобразуется из обычного высокотемпературного проводящего состояния в сверхпроводящее. Низкотемпературная работа некоторых устройств силовой электроники дает преимущества в виде снижения потерь и более высокой скорости переключения ключей. В целом, сверхнизкая температура LH2 при условии решения ряда технических проблем открывает для будущих водородно-электрических самолетов много новых возможностей.
Ключевыми техническими барьерами, ограничивающими использование водорода в качестве энергоносителя, считаются проблемы сверхнизких температур, воспламеняемости топлива и его хранения (включая большой объем и утечки). Водород очень огнеопасен даже при ограниченных концентрациях кислорода. Газообразный водород также имеет высокую текучесть, и необходимо избежать попадания паров водорода в зоны размещения пассажиров, экипажа и другие зоны, критически важные для безопасности.
С учетом этих рисков была создана конфигурация CHEETA с баками LH2, установленными в верхней части корпуса самолета. Это снижает вероятность повреждения баков и возгорания водорода при ударе шасси о землю или при аварийной посадке с убранными шасси. Прохождение трубопроводов криогенного LH2 вне пределов зон размещения пассажиров и летного экипажа защищает их от обморожения в случае разрывов труб и утечки LH2.
Концепт имеет широкую центральную часть фюзеляжа. На обычном самолете топливо (авиационный керосин) обычно хранится в баках в крыле. Однако при значительном увеличении объема, необходимого для системы LH2, увеличение площади крыла приведет к ухудшению его аэродинамики. В конфигурации CHEETA центральная часть конструкции самолета (центроплан и часть фюзеляжа) большого объема предназначен как для хранения негерметичного топлива, так и в качестве компонента создания дополнительной подъемной силы, тем самым, превращая концепт в своеобразный гибрид самолета и дирижабля.
Соединение двигательной системы с аэродинамическими секциями крыла позволяет создавать достаточную подъемную силу во время взлета и посадки на низкой скорости полета и избавиться от использования традиционных тяжелых закрылков. Это позволяет уменьшить площадь аэродинамических поверхностей и приводов, а также снизить вес конструкции.
Еще одним преимуществом использования распределенной электрической силовой установки является повышенная устойчивость к сценариям отказа двигателя. Современные узкофюзеляжные реактивные самолеты используют два турбовентиляторных двигателя. При этом требования к взлету и стабильности их полета определяются сценарием отказа, подразумевающим 50%-е снижение общей тяги. При использовании конфигурации распределенной электрической силовой установки сценарий критического отказа становится ближе к характеристикам трехмоторной схемы с двумя двигателями, установленными на крыльях, и одним - на хвосте, что снижает требования к размеру хвостового оперения концепта и длине взлетно-посадочной полосы по сравнению с двухмоторной схемой.
Одной из важных проблем архитектуры водородно-электрического самолета на топливных элементах остается конфигурация системы терморегулирования силовой установки. Эксплуатационная эффективность (КПД) топливных элементов PEM составляет 65–70%. Однако необходим отвод тепла, образующегося в больших количествах, а нужные для этого теплообменники увеличивают общий вес самолета и ухудшают его аэродинамику. Задача оптимальной утилизации больших объемов низкопотенциального отходящего тепла на самолетах до конца пока не решена.
Дальнейшее увеличение номинальной мощности топливного элемента приводит к значительному снижению чистых потребностей в энергии из-за улучшенной эффективности электрохимического преобразования при более низких плотностях тока на крейсерском этапе. Таким образом, концепция водородно-электрического самолета практически соответствует всем задачам, которые в настоящее время выполняются действующими самолетами.
В настоящее время конфигурация водородно-электрической концепции далека от осуществимой, требуются дальнейшие разработки в ключевых технологиях, таких как высокотемпературные топливные элементы, электрооборудование, силовая электроника, системы передачи энергии, конструкция планера и интеграция двигательных установок. Тем не менее, водородно-электрическая архитектура позволит создавать самолеты с нулевым уровнем выбросов, равные или превосходящие по характеристикам существующие воздушные суда.
Более того, водородно-электрические двигательные системы обещают обеспечить большую плотность мощности по сравнению с турбовентиляторными двигателями, а значит улучшить тяговооруженность и весовое совершенство самолетов.
Подробнее читайте исходную статью в IEEE Electrification (т.10, № 2 за 2022 год).
Подготовлено АНО «Центр «Энерджинет» при поддержке Фонда НТИ и Минобрнауки России
