CC BY
32ТРАНСПОРТНЫЕ СРЕДСТВА И ПРИВОДЫ НА ВОДОРОДНОМ ТОПЛИВЕ
перспективные энергоустановки для энергообеспечения объектов ракетно-космической техники
J
В.М. Филин, Б.А. Соколов, А.Н. Щербаков, В.Ф. Челяев, И.Н. Глухих, А.Н. Старостин, Г.Г. Подобедов, Н.Н. Тупицин
Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П. Королева
Введение
Отечественные работы по водородной энергетике для целей космонавтики были начаты в 1967 году в связи с необходимостью энергообеспечения Лунного орбитального корабля, создававшегося по программе Н1-Л3. Одновременно в США проводилась аналогичная работа для космических аппаратов (КА) «Джемини» и «Аполлон». Отечественный и зарубежный опыт эксплуатации установок и устройств водородной энергетики, например, ЭХГ «РС-17С» для «Спейс-Шаттл» и ЭХГ «Фотон» для системы «Энергия-Буран», показал их высокую эффективность, надежность и безопасность эксплуатации [1, 2].
Необходимо отметить, что развитие водородных технологий в мире является весьма неравномерным. Отрыв мировых лидеров от ближайших конкурентов в области создания современных электрохимических генераторов, систем хранения, электролизных установок высокого давления составляет 5-8 лет и продолжает увеличиваться. При этом новейшие водородные технологии, в которые были вложены значительные средства, не передаются «опоздавшим» разработчикам.
Уровень развития современных водородных технологий
Уровень развития современных водородных технологий может быть определен следующими событиями:
• первое - в 2010 году будет заканчиваться более чем 20-летняя эксплуатация американских космических кораблей «Спейс-Шаттл», в которых энергопитание обеспечивается водородно-кислородными ЭХГ «РС-17С» фирмы «иТС», обеспечившими работу космических кораблей без аварий;
• второе - в 2004 году были поставлены на боевое дежурство германские лодки с водородно-кисло-родными ЭХГ фирмы «Сименс»;
• третье - в Японии, США и Европе созданы опытные легковые автомобили и автобусы с ЭХГ. Развернуты опытные сети водородных автозаправочных станций, заправляющих автотранспортные
средства водородом как газообразным (350 атм в настоящее время, в перспективе до 700 атм), так и криогенным. Водород либо производится на месте в контейнерных электролизно-компрес-сорных установках, либо привозится на станцию в жидком виде, где газифицируется и комприми-руется. Таким образом, накапливается бесценный опыт, подготавливаются опытные кадры не только разработчиков, но и эксплуатационников, ремонтников;
• четвертое - в России подтверждена (впервые в мире) работоспособность ЭХГ «Фотон» (аналог американского ЭХГ «РС-17С») после 16-летнего хранения в складских условиях. Генераторы, созданные еще в Советском Союзе, в настоящее время сохраняют свои характеристики.
Ближайшая перспектива развития водородных технологий
Ближайшими перспективами развития водородных технологий являются:
• создание ЭХГ нового поколения (со щелочными матричными или твердополимерными топливными элементами) с уровнем удельной мощности до 1 кВт/кг, достижимым ресурсом 10-40 тыс. ч. при удельной стоимости батареи топливных элементов -2000 $/кВт;
• создание электролизеров воды высокого давления (ЭВД) с уровнем рабочего давления электролизных газов до 70 МПа при расходе генерируемого водорода до 25 нм3/ч, с ресурсом до 40 тыс. ч., с уровнем удельных энергозатрат на производство водорода менее 4,6 кВт • ч/нм3;
• создание аккумуляторов энергии с водородным циклом (АЭВЦ) емкостью более 500 кВт • ч с удельной энергией до 500 Вт • ч/кг, включающих электролизеры воды высокого давления, емкости для хранения очищенных электролизных газов ЭХГ и комплекс служебных систем;
• создание металл-композитных баллонов (напри-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology №3 (59) 2008 f 1 ( cz' ' 1 /"j", I c-JI" H
© Scientific Technical Centre «TATA»,2008 L r3 P )l r\W ^
мер для хранения водорода) с рабочим давлением до 700 атм, при относительной массе хранимого водорода 6 % от массы баллона;
• водородно-кислородная арматура (запорная, регулирующая, заправочная, предохранительная и др.), датчики измерения высокого давления (до 70 МПа).
Современный уровень развития водородных технологий в России
В течение 1967-1999 гг. были созданы энергетические установки (ЭУ) с электрохимическими генераторами (ЭХГ) для отечественного Лунного орбитального корабля (мощность 3 кВт, энергоемкость 200 кВт • ч), а также ЭУ с ЭХГ для орбитального корабля (ОК) «Буран» (мощность 40 кВт, энергоемкость 2000 кВт • ч).
Проведенные в 90-е годы в Европе сравнительные испытания ЭХГ «Фотон» (разработчик - ФГУП УЭХК (Уральский электрохимический комбинат) и ЭХГ «РС-17С» (разработчик фирма «UTC») показали, что по ряду параметров отечественный генератор имеет преимущества.
В России за последние 10 лет достижения в области создания энергоустановок с ЭХГ не были востребованы в ракетно-космической технике, поэтому РКК «Энергия» по заказам различных фирм (ЗАО АвтоВаз, ООО «НИК-НЭП», РАО РЖД и др.) выполнила ряд разработок энергоустановок с модернизированными ЭХГ «Фотон» (форсирование, перекоммутация топливных элементов). Создание в 2000-2007 годах энергоустановок с ЭХГ для автомобилей «Антэл-1», «Антэл-2», спецтранспорта, для РАО РЖД подтвердило сохранение достаточно высокого уровня развития водородных технологий в России. Создаваемые в настоящее время отечественные установки с ЭХГ, электролизерами воды высокого давления соответствуют или превышают мировой уровень.
Применение водородных технологий в космической технике
Уровень развития водородных технологий в России позволяет определить новые области применения водородных технологий в отечественной космической технике (рис. 1).
Основные технические характеристики современных топливных и электролизных элементов космического назначения
Принцип действия электрохимических генераторов на основе топливных элементов (ТЭ), электролизных элементов хорошо известен и описан в соответствующей технической литературе [1, 2].
В космической технике нашли применение низкотемпературные щелочные ТЭ и с циркулирующим (например, ЭХГ «Волна-20» разработки УЭХК), с матричным щелочным электролитом (например, ЭХГ «Фотон» разработки УЭХК). Топливные элементы с твердополимерным электролитом применялись лишь на начальной стадии создания космических энергоустановок (американский КА «Джемини»).
Сравнение щелочных матричных и твердополимер-ных топливных элементов приведено в таблице 1.
Таблица 1
Сравнение щелочных матричных и твердополимер-ных топливных элементов
Свойства Твердополимерные Щелочные матричные
Тип электролита Nafion, МФ -4СК, толщиной 50-70 мкм, с кислотностью эквивалентной 10 % серной кислоты Матрица из асбеста толщиной 400 мкм, пропитанная КОН (30 %)
Рабочее давление, атм 1-4 1-10
Компоненты топлива водород/воздух Водород/ кислород
Рабочая температура, С 70-80 70-150
Ресурс в настоящее время и (ожидаемый в 2010 г.), ч 1000-3000 (5000) 2000-6000 (10000)
Лидирующие компании Ballard (Канада), Siemens (Германия), GM (США) УЭХК (РФ), №С (США)
Область применения (в настоящее время) Наземный транспорт, в том числе спецтехника Аэрокосмическая техника
Срок службы, лет Нет данных 16
Рис. 1. Области применения водородных технологий в космосе
В настоящее время в России для космического применения могут быть использованы щелочные матричные батареи топливных элементов нового поколения, разрабатываемые УЭХК с использованием новых материалов, ультрадисперсных порошков. Установки с этими батареями, разрабатываемые в РКК «Энергия» с использованием новых конструктивных и схемных решений, позволяют создавать космические
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 3 (59) 2008 © Научно-технический центр «TATA», 2008
энергоустановки различного назначения в кратчайшие сроки.
Электролизеры воды высокого давления (350 атм и более) могут быть созданы на основе электролизных элементов с водным щелочным электролитом матричного типа. В России электролизные элементы этого типа созданы в 90 годах прошлого века в УЭХК по ТЗ РКК «Энергия».
Разрабатываются в настоящее время и электролизеры воды высокого давления на основе твердополимерного электролита, однако, они по российским и зарубежным данным обеспечивают уровень давления генерируемых газов не выше 30-170 атм. В России электролизная установка этого типа создана в РКК «Энергия» [3].
Обзор достижений [3] американских производителей электролизных установок, проведенный Национальной лабораторией возобновляемой энергетики, позволяет оценить достигнутый уровень технологий (табл. 2).
Таблица 2
Достигнутый уровень технологий
Производитель Тип электролизных элементов Уд. расход электроэнергии, кВт^ч/ м3 Н2 Электрическая мощность, кВт Давление водорода, кг/см2
Avalence ЩУ 5,4 - 5,6 2 -25 460 до 700
Proton ПОМ 5,6 - 6,3 3 - 63 14
Teledyne ЩБ 4,5 - 6,1 17 - 240 4 - 8
Stuart ЩБ 4,8 - 4,9 15 - 360 25
Norsk Hydro ЩБ 4,8 48 - 290 16
Примечание. ЩУ - щелочные униполярные, ЩБ - щелочные биполярные, ПОМ - протонообменные мембраны.
В настоящее время данные о процессах, происходящих в электролизерах при высоких давлениях, вплоть до 700 атм, являются конфиденциальной информацией фирм-разработчиков, информация носит противоречивый характер, что делает весьма актуальным проведение отечественных опытно-конструкторских и экспериментальных работ по созданию таких электролизеров. В России имеющийся задел позволяет в короткий срок создать электролизные установки двойного назначения с уровнем давления электролизных газов 350 атм и выше.
Аккумулятор энергии с водородным циклом
Аккумулятор энергии с водородным циклом АЭВЦ предназначен для накопления значительного количества электроэнергии (500...15000 кВт • ч) в системах энергоснабжения и обеспечения жизнедеятельности экипажей космических аппаратов, орбитальных и напланетных станций (лунная, марсианская база) [6, 7].
АЭВЦ также может использоваться в наземных системах электроснабжения с непостоянными источниками электроэнергии (солнечные батареи, ветрогене-раторы и т.д.) и как источник газообразного водорода и кислорода высокой чистоты.
АЭВЦ обладает высокой удельной энергоемкостью (500...700 Вт-ч/кг при энергоемкости более 1000 кВт • ч), низким саморазрядом, что дает возможность использовать его не только в буферном режиме, но также использовать его для хранения резервного количества электричества. АЭВЦ может быть выполнен по схеме, при которой возможен отбор водорода и кислорода высокого давления. Электрический
Рис. 2. Структурная схема АЭВЦ
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (59) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
КПД АЭВЦ составляет 50 %, однако, при полезном использовании низкопотенциального тепла, образующегося при его работе, для обогрева различных потребителей его суммарный КПД составляет 80 %. Таким образом, накопитель с АЭВЦ является универсальным накопителем энергии.
В состав АЭВЦ входят:
• электролизер высокого давления;
• система хранения газов;
• электрохимический генератор;
• обслуживающие системы.
Структурная схема АЭВЦ приведена на рисунке 2.
В электролизере с использованием электроэнергии от внешнего источника в процессе электролиза воды производятся газообразные водород и кислород. Полученные газы хранятся в баллонах высокого давления.
В электрохимическом генераторе в результате электрохимического взаимодействия газов, запасенных в баллонах, производится электроэнергия, которая выдается потребителю. Образующаяся при этом вода снова используется в электролизере.
Накопитель с АЭВЦ найдет применение в составе систем энергоснабжения:
• перспективных космических аппаратов (технологические аппараты типа «ОКА-Т», вариант «Союз-К», «Клипер», жилые модули лунной базы, транспортная инфраструктура и др. космические объекты;
• высотных аэростатических платформ;
• объектов народного хозяйства, энергообеспечение которых осуществляется комбинированными установками на основе источников возобновляемой энергии (солнечные батареи, ветрогенера-торы и др.);
• автотранспортных средств нового поколения;
• спецтранспорта.
Энергообеспечение средств транспортной инфраструктуры лунной и марсианской баз (луноходы, марсоходы)
Первичным источником энергии лунохода (или мар-сохода) является ориентированная солнечная батарея (СБ) или атомная ЭУ, накопителем энергии - аккумулятор энергии с водородным циклом (АЭВЦ).
В течение лунного дня луноход стоит на месте и производит технологическую операцию, например бурение. Питание бурильной установки и накопление энергии в накопителе производится от солнечной батареи. При этом электролизер разлагает воду на составные газы, которые, очищаясь и охлаждаясь служебными системами, накапливаются в баллонах при давлении до 35 МПа.
В течение лунной ночи производится перемещение лунохода к новому месту бурения на расстояние до 100 км. При этом СБ складывается. Питание двигателей и приборов производится от ЭХГ. Тепло, выделяющееся при работе ЭХГ, электролизера, идет на обогрев приборов лунохода. В случае пилотируемого варианта
лунохода АЭВЦ обеспечивает экипаж кислородом для дыхания, теплом, резервным количеством электричества, кислорода и воды.
Энергоустановки с ЭХГ перспективных технологических модулей
В настоящее время для космической техники разработан целый спектр автономных энергоустановок на основе солнечных батарей, химических источников тока, предназначенных для использования как на пилотируемых, так и на беспилотных космических аппаратах.
Для использования в составе перспективных технологических модулей целесообразно применять энергоустановки с ЭХГ на основе водородно-кисло-родных топливных элементов, обладающие важными достоинствами [4].
К ним относятся:
• высокий КПД, удельная энергия;
• простота обслуживания;
• самые низкие из существующих энергоустановок вибрационные и акустические характеристики;
• высокий ресурс;
• возможность интегрироваться в целевые и служебные системы технологического модуля.
Возможно использовать реакционную воду из ЭХГ, низкопотенциальное тепло электрохимической реакции для проведения биотехнологических экспериментов. Наличие водорода и кислорода позволяет также получить высокопотенциальное тепло в каталитических нагревателях (~ 120 мДж/кг, температура ~ 2000 оС). Его можно использовать при проведении различного рода плавок на борту модуля. Получение водорода и кислорода для установок этого типа с использованием электролизеров высокого давления (~ 200 атм) позволяет сделать также установки многоразовыми. Вода, образующаяся в процессе электрохимической реакции, может вновь быть разложена на водород и кислород или использована для теплозащиты готовых продуктов при необходимости их транспортирования и спуска на Землю.
Требования к уровню микрогравитации перспективных космических экспериментов отражены в таблице 3.
Таблица 3
Требования к уровню микрогравитации текущих и перспективных космических экспериментов
№ п/п Направление экспериментов Необходимый уровень микроускорений Время проведения Энерго-потребление
1 Биотехнология 10-4g 30 суток от 8 до 200 Вт
2 Физика невесомости 10-7-10-8g 30 суток от 15 до 400 Вт
3 Космическое материаловедение 10-7go до 3-х месяцев от 0,2 до 5 кВт
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 3 (59) 2008 © Научно-технический центр «TATA», 2008
Анализ микрогравитационной обстановки пилотируемых и автоматических аппаратов, на которых могут проводиться технологические исследования («Space Shuttle», МКС, «Фотон-М», «Прогресс-М»), показывает, что, хотя на автоматических аппаратах микрогравитационная обстановка лучше, чем на пилотируемых, ни один из существующих КА не удовлетворяет перспективным требованиям, выдвигаемым постановщиками микрогравитационных экспериментов (табл. 3). Лишь переход на энергоустановки с ЭХГ позволяет решить поставленные задачи (табл. 4).
Таблица 4
Основные характеристики отечественных КА, на которых могут проводиться эксперименты, исполь-
зующие микрогравитацию
« I , И := ,
ja i= £ >смическ1 аппарат 11 § S ме Л & ® о <и и s ! Время $тономно] полета Мощност СЭС
52 £ е, а
1 РС МКС 10-3 - 10-4g до 15 лет 2,8 кВт
2 «Фотон-М» 5Т0"6 - 10-6g 14 - 16 суток 800 Вт
3 «Прогресс-М» 10-6g до 30 суток 200 Вт
4 «ОКА-Т» 10-5 - 10-6g до 180 суток 2,5 кВт
Из таблицы 4 видно, что в лучшей стпени требованиям, предъявляемым к КА, удовлетворяет создаваемый в настоящее время КА «ОКА-Т», обслуживаемый в инфраструктуре МКС. Однако анализ прогнозируемой микрогравитационной обстановки на борту данного КА показал, что и на этом КА не удовлетворяются перспективные требования по микрогравитационной обстановке для проведения экспериментов по физике жидкости и космическому материаловедению 10-7-10-8 g. Наибольший вклад в ухудшение микрогравитационной обстановки на борту «ОКА-Т» вносит работа системы управления движением (СУД) КА, которая должна вестись непрерывно и параллельно с проведением технологических экспериментов на борту КА (с целью поддержания постоянной солнечной ориентации КА для обеспечения максимального токосъема с панелей солнечных батарей и соответствующего обеспечения энергоснабжения экспериментальной аппаратуры). Также существенный вклад в ухудшение микрогравитационной обстановки будет вносить сила аэродинамического торможения, обусловленная большой площадью панелей солнечных батарей.
Улучшение уровня микрогравитационной обстановки на борту «ОКА-Т» может быть обеспечено рядом мероприятий.
Первое предложение предусматривает создание КА «ОКА-Т» с системой энергоснабжения, включающей солнечные батареи (СБ), ЭХГ, электролизер, системы хранения электролизных газов. При этом цикл работы
«ОКА-Т» будет проходить в два этапа: на первом этапе с помощью электрического тока, получаемого от СБ, вода разлагается на водород и кислород. На втором этапе эти компоненты используются в ЭХГ с целью получения электроэнергии. На первом этапе возможно проведение экспериментов, не требующих высокого уровня микрогравитации, например экспериментов по биотехнологии или молекулярно-лучевой эпитаксии. На втором этапе КА будет целесообразно перевести в режим пассивной трехосной гравитационной стабилизации, при этом СБ будут находиться в сложенном состоянии либо развернуты в плоскости орбиты ребром к набегающему потоку, а система управления движением после окончания построения ориентации КА отключается. Таким образом, будут созданы условия для проведения экспериментов по физике невесомости и космическому материаловедению. На борту «ОКА-Т» наиболее целесообразно использовать электролизер щелочного матричного типа высокого давления со статической подачей воды. В качестве системы хранения электролизных газов перспективным является газобаллонное хранение реагентов с прямой «перекачкой» водорода и кислорода из электролизной установки в блоки хранения технологического КА.
Второе предложение [4] предусматривает создание космического комплекса «ОКА-Т», состоящего из двух космических аппаратов - технологического КА с ЭХГ и научной аппаратурой и космической энергетической платформы (КЭП) с СБ и электролизером. На электролизере, входящем в состав КЭП, происходит выработка электролизных газов высокого давления, которые очищаются и сохраняются в блоках хранения КЭП. При проведении космических технологических экспериментов происходит дозаправка электролизными газами емкостей технологического КА, где проводятся космические технологические эксперименты с использованием электроэнергии, получаемой от ЭХГ. В процессе периодических стыковок КЭП и технологического КА происходит кругооборот воды и электролизных газов.
Таким образом, на технологическом аппарате создаются условия для проведения микрогравитационных экспериментов всех направлений. Достоинством данного варианта является то, что комплекс «ОКА-Т» может создаваться на базе транспортной грузовой системы типа «Паром», включающей два КА: «межорбитальный буксир» и «грузовой контейнер». При условии соответствующих доработок «межорбитальный буксир» может выступать в роли КЭП, а «грузовой контейнер» - в роли технологического КА.
Водородная технология в космосе даст возможность освоения Солнечной системы
В период кризиса конца ХХ - начала XXI века в РКК «Энергия» проводились работы по поиску возможных долговременных перспективных путей развития косми-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology №3 (59) 2008 Pi ( c
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008 M P
ческой ракетной техники, которые дали бы реальную возможность дальнейшего исследования и постепенного освоения планет и малых тел Солнечной системы, что и останется в обозримом будущем основной задачей космической ракетной техники.
При этом на первом плане адаптации к дальнему космосу возникают проблемы многократного пополнения запасов эффективного ракетного топлива и максимального упрощения условий его сохранения и использования на борту космического аппарата вне связи с Землей. Космические аппараты (КА) должны обладать тяговооруженностью, достаточной для посадки и взлета с космических тел, которые обладают сырьевыми ресурсами для производства ракетного топлива или являются целевыми объектами научного исследования.
Результаты указанных работ [5] показали, что в ближайшее время только создание космических электростанций на базе солнечных батарей (СБ) и питаемых от них космических электролизных установок для производства высокоэффективного кислородно-водородного ракетного топлива из больших запасов водяного льда на малых телах Солнечной системы даст принципиальную возможность осуществлять периодическую дозаправку этим топливом КА, выполняющих многолетние сложные полеты в пределах Солнечной системы. Особый интерес в этом отношении представляют короткопериодические кометы, которые дают уникальную возможность переработки в топливо льдов с периферии Солнечной системы в штатных условиях функционирования современных СБ на расстояниях около 1 а.е. от Солнца.
В качестве первого шага по этому пути РКК «Энергия» впервые были предложены солнечные водяные двигательные установки (СВДУ) с бортовыми электролизерами как с щелочным [8], так и с твердопо-лимерным [9] электролитами, способные работать в условиях невесомости и знакопеременных перегрузок на борту КА. Характеристики СВДУ выбраны с учетом возможности их использования для выведения энергоемких долговременных КА с помощью имеющихся ракет-носителей, а также для автономной посадки и взлета исследовательских КА с СВДУ с малых тел Солнечной системы.
Следует отметить, что экологически чистые СВДУ особо привлекательны для пилотируемых КА и космических станций. Двигатели СВДУ могут осуществлять изменение и коррекцию орбит, управлять ориентацией и стабилизировать положение КА в полете. Возможность производства кислорода, аккумуляции электроэнер-
гии и запаса воды является мощным резервом систем жизнеобеспечения пилотируемых КА и орбитальных космических станций.
Заключение
Успешное развитие современных водородных технологий для нужд спецтранспорта, энергетики, создание и успешная многолетняя опытная эксплуатация во всех развитых странах прототипов транспортных средств с водородными силовыми установками позволяет применить их в космической технике.
Список литературы
1. Подшивалов С.А., Иванов Э.И., Муратов Л.И. Энергетические установки космических аппаратов. М.: Энергоиздат. 1981.
2. Коровин Н.В. Топливные элементы и электрохимические энергоустановки. М.: МЭИ. 2005.
3. Глухих И.Н., Зеленщиков Н.И. и др. Электролизная установка высокого давления. Современный опыт и прогноз на будущее // Водородная экономика и водородная обработка материалов: Труды пятой Международной конференции «В0М-2007». Донецк. 21-25 мая 2007. ДонИФЦ ИАУ 2007.
4. Елкин К.С., Левтов В.Л., Лобыкин А.А. и др. Обслуживаемый модуль для производства в космосе материалов с уникальными свойствами // Известия РАН. Энергетика. № 3. Май-июнь 2007. С.106-114.
5. Подобедов Г.Г., Соколов Б.А., Тупицын Н.Н. Солнечная энергетическая установка для производства ракетного топлива и кислорода из воды в космических условиях // Известия РАН. Энергетика № 1. 2006. С.67-73.
6. Пилотируемая экспедиция на Марс. Под. ред. А.С. Коротеева. М., Российская академия космонавтики им. К.Э. Циолковского. 2006.
7. Кисичев А.И., Медведев А.А. и др. Космонавтика на рубежах тысячелетий. Итоги и перспектива. М., 2001. 672 с.
8. Патент RU 2215891 РФ C2 Солнечная энергетическая ракетная двигательная установка импульсного действия Подобедов Г.Г., Соколов Б.А., Тупицын Н.Н. // Изобретения. 2003. № 31.
9. Патент RU 2310768 РФ C2. Солнечная ракетная кислородно-водородная двигательная установка импульсного действия / Подобедов Г.Г., Соколов Б.А., Тупицын Н.Н. // Изобретения. 2007. № 32.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 3 (59) 2008 © Научно-технический центр «TATA», 2008
