Перспективы использования водорода в качестве энергетических носителей для нового поколения беспилотных летательных аппаратов в структурах МЧС

СЕКЦИЯ № 3

ПРОМЫШЛЕННАЯ И ИНФОРМАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ОБЪЕКТОВ. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АКТУАЛЬНЫХ ПРОБЛЕМ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДОРОДА В КАЧЕСТВЕ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ НОСИТЕЛЕЙ ДЛЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ В СТРУКТУРАХ МЧС

А.О. Артемьева, магистр, А.В. Звягинцева, доцент, к.т.н., доцент, Воронежский государственный технический университет,

г. Воронеж, Россия

Обзор литературы [1-3] показывает, что ученые всего мира сходятся в своих убеждениях, что таким видом топлива должен стать водород уже в ближайшей перспективе. Водородное топливо (как и электроэнергия) представляется вторичным энергетическим источником, или же энергоносителем, получаемым в результате преобразования имеющихся видов первичных энергетических ресурсов органического топлива, возобновляемых источников и атомной энергии.

Остановимся на основных характеристиках и свойствах водорода, делающих его перспективным топливом будущего. Охлажденный до жидкого состояния водород занимает 1/700 объема газообразного состояния. Удельная весовая теплотворная способность жидкого водорода составляет 120,7 ГДж, что почти в 3 раза превышает удельное энергетическое содержание нефтяных топлив. В таблице приведено сопоставление уровней энергосодержания водорода и ряда альтернативных топлив, результаты которого наглядно демонстрируют его высокий энергетический потенциал.

Энергетическое содержание водорода и ряда альтернативных топлив

Сопоставление энергосодержания

1 литр жидкого водорода 1 галлон жидкого водорода

Бензин 0,279 1,06

Бензин 0, 0737 0, 279

Дизельное топливо 0,221 0,837

Дизельное топливо 0,0584 221

Метанол 0,536 2,03

Метанол 0,142 0,535

Пропан 99,05 371,4

Керосин 0,227 0,86

Керосин 0,06 0,227

В газообразном состоянии при любом давлении, водород содержит меньше энергии на единицу объема, чем метан (природный газ), метанол, пропан или

октан (бензин). При давлении 800 атмосфер газообразный водород практически сравнивается с жидким водородом по показателю энергетического содержания на единицу объема, однако, уступает величине соответствующего показателя для метана 3,2 раза, и жидких метанола - в 1,7 раза, пропана - в 2,5 раза и октана - в 3,8 раза. При давлении в 800 атмосфер, или в жидком состоянии водород должен храниться в высокотехнологичных танках, или криогенных контейнерах, тогда как при хранении альтернативных жидких топлив, можно применить обычные контейнеры при атмосферном давлении.

Цель проводимых исследований - создать состав, который будет запасать существенное количество водорода с высокой плотностью энергии, легко освобождать его и быть рентабельным.

Решение проблемы создания высокоэффективных вторичных источников энергии на основе трансформации из альтернативных источников позволит обеспечить их широкое народнохозяйственное использование практически во всех отраслях современной жизнедеятельности человека: для замены габаритных, тяжелых и экологически опасных аккумуляторных батарей и кратко действующих гальванических элементов питания; для длительного жизнеобеспечения человека в труднодоступных и непригодных местах, например, на космических станциях или подводных лодках; для разрешения множества проблем министерства обороны и структур МЧС (например, быстрого развертывания и обеспечения длительного автономного функционирования подразделений). Одно из возможных применений водорода в качестве энергетического носителя это беспилотные летательные аппараты.

Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) широко используются МЧС как многоцелевые устройства, в частности, - для управления спасательными службами в кризисных ситуациях с целью передачи и получения оперативной информации по цифровому радиоканалу с борта. В случае антропогенных и природных катастроф БПЛА может стать незаменимым инструментом, обеспечивающим наблюдение, контроль и оценку и оперативной обстановки. Использование БПЛА трудно переоценить при выполнении сложных операций, когда присутствие человека может быть опасным для его здоровья и представляет угрозу для жизни.

На данный момент используют:

- БПЛА с электродвигателем, питающимся от аккумуляторных батарей (технические возможности: около часа работы в воздухе, взлетная масса порядка 0,25-6,5 кг, размах крыла в пределах 0,7-2,7 метра);

- БПЛА с бензиновым двигателем класса «Птеро» (технические возможности: взлетная масса 20 кг, масса полезной нагрузки - 5 кг, время полета -8 час, дальность полета - 800 км, скорость - 85-145 км/ч.);

- БПЛА с электродвигателем и топливным элементом (8-10 часов работы в воздухе).

Вышеперечисленные БПЛА обладают целым рядом недостатков, к примеру, бензиновые двигатели создают шум, помехи, вибрацию, повышенную пожароопасность, а электродвигатели по техническим характеристикам имеют существенные ограничения, связанные со значительной массой и невысокой

энергоемкостью аккумуляторов.

Ликвидация недостатков отечественных и зарубежных аналогов летательных аппаратов - проблема интернациональная. Основная задача -увеличение продолжительности полета БПЛА без существенного роста его габаритов и массы, и при существенном сокращении шумо-помехового уровня.

Вторым путём решения проблемы - использование водородной энергетики: создание высокоэффективного водородного топливного элемента. Учёными ВГТУ разрабатывается проект, техническим результатом которого ожидается создание удобного в эксплуатации, компактного и экологически чистого аккумулятора водорода, который можно использовать как для БПЛА, так и в качестве автономных источников энергии с потребной мощностью до 1кВт. Разрабатываемые образцы должны позволить обеспечить около 5000 часов непрерывной работы, что должно превышать регламент работы существующих аккумуляторов. Также они существенно улучшают такие характеристики, как:

- экологичность, сократятся выбросы в атмосферу;

- компактность, что позволит улучшить весогабаритные характеристики БПЛА;

- безопасность, в частности, пожаробезопасность, присущую БПЛА с бензиновым двигателем.

Работа выполнена на основе гранта по программе У.М.Н.И.К. 2015, полученного от Федерального государственного бюджетного учреждения «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» (Фонд содействия инновациям).

Список использованной литературы

1. Пономарев-Степной Н.Н., Столяревский А.Я. Атомно-водородная энергетика - пути развития. Энергия, 2004, №1. - С. 3-9.

2. Звягинцева А.В. Температурные интервалы десорбции дейтерия из Ni-In композитов [Текст] /А.В. Звягинцева, А.Н. Морозов, И.М. Кирьян //Взаимодействие изотопов водорода с конструкционными материалами. IHISM'14. Сб. докладов V Междунар. конф. и IX Междунар. шк. молодых уч. и спец. им. А.А. Курдюмова /Под ред. д-ра техн. наук А.А. Юхимчука. Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2015. С. 106-119.

3. Zvyagintceva A.V. Increase of solubility of hydrogen of in electrolytic alloys Ni - B. «Carbon Nanomaterials in Clean Energy Hydrogen Systems» Yalta, Ukraine. 2010. С. 48-51.