УДК 662.769.21

Применение водородной энергетики в авиации

Зиннурова Ольга Васильевна – доцент кафедры Химической технологии переработки нефти и газа Казанского национального исследовательского технологического университета

Фаттахов Данил Альбертович – бакалавр Казанского национального исследовательского технологического университета

Барахнина Вера Борисовна – доцент кафедры Промышленной безопасности и охраны труда Уфимского государственного нефтяного технического университета

Аннотация: В данной статье описывается практическое применение водорода в авиации. Авторы дают глубокий анализ и оценку применения водорода в авиации. Использование водорода имеет множество преимуществ и возможностей, но также определенные риски и ограничения. Также обращается внимание на экологическую значимость использования водорода в авиации, подчеркивается потенциал водорода как экологически чистого, не загрязняющего окружающую среду источника энергии. Однако стоит отметить, что для определения оптимального способа использования водорода в авиации необходимы дальнейшие исследования и разработки. В заключение приводится современная практика использования водорода в авиации. В ней подчеркиваются преимущества и ограничения использования водорода и рассматривается потенциал данного альтернативного источника энергии.

Ключевые слова: водород, авиация, применение, хронология, энергетический рынок.

В современном мире новым модным словом стало "безуглеродное" общество. Запущено множество проектов, направленных на разработку альтернатив не только экологическому кризису, но и дефициту ископаемого топлива. Благодаря успешным проектам в области автомобильных технологий, водород сейчас тестируется и используется в качестве экологически чистого топлива в авиации, что приведет к безуглеродному будущему. С середины XX века до начала XXI века многие страны и компании финансировали многомиллионные проекты по исследованию и разработке водородных самолетов [1-3]. Эмпирические данные показывают, что различные проекты дали положительные результаты. В результате крупные компании вкладывают средства в инновации, осуществляемые исследователями под их руководством. Хотя эффективность самолетов, работающих на водороде, со временем возросла, коммерциализации водородного топлива препятствуют отсутствие заправочных станций, высокая себестоимость производства и интегрированный углеродный рынок [1-2]. Кроме того, беспилотные летательные аппараты (БПЛА) являются еще одним важным компонентом аэрокосмической промышленности, и водород широко используется в качестве альтернативного топлива для тяжелых беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) с использованием технологии топливных элементов. Цель данной статьи - представить обзор развития авиационных технологий, работающих на водороде, а также возможности для будущих исследований.

Мировой энергетический рынок стоимостью около 1,5 триллиона долларов в значительной степени зависит от ископаемого топлива [1-3, 5]. "Зеленый" водород уже находится в центре проектов во многих странах, цель которых - снизить стоимость производства возобновляемого водорода на 80% в течение следующих десяти лет. Высокий уровень использования и потребления ископаемого топлива в энергетическом и транспортном секторах увеличивает выбросы загрязняющих веществ, вызывает значительные негативные внешние эффекты и воздействие на окружающую среду и ставит разработчиков политики в сложное положение [3-4]. Однако ископаемое топливо - невозобновляемый ресурс, поэтому это серьезная проблема для современного мирового энергетического сектора. Широкое использование и потребление ископаемого топлива в энергетическом и транспортном секторах приводит к увеличению выбросов, значительным негативным внешним эффектам и экологическому ущербу, что ставит политиков в сложное положение. С одной стороны, отвергаются новые устойчивые источники энергии, а с другой - ископаемое топливо продолжают добывать и сжигать для удовлетворения растущего спроса на энергию, что приводит к серьезным экологическим последствиям. Стоит отметить, что выбросы напрямую связаны с количеством топлива, потребляемого в энергетическом и транспортном секторах, и что эти загрязнители оказывают значительное влияние на окружающую среду и условия жизни. Исследования показали, что проблемы с физическим и психическим здоровьем, вызванные загрязнением воздуха ископаемым топливом, а также респираторные заболевания у детей сегодня широко распространены в обществе. В последние годы наблюдается сокращение использования ископаемого топлива и рост его использования в качестве источника энергии, что привело к увеличению выбросов углекислого газа. Учитывая большие и сложные проблемы с выбросами, связанные с зависимостью от ископаемого топлива, исследование подчеркивает необходимость поиска устойчивых альтернативных источников энергии. По мере роста использования ископаемого топлива во всем мире качество воздуха ухудшается, а выбросы парниковых газов растут. На транспорт (автомобильный, воздушный, морской и другие виды транспорта) приходится 33 % глобальных выбросов, а на автомобильный транспорт - почти три четверти всех выбросов. 41 % выбросов приходится на электростанции, 16 % - на промышленность и сельское хозяйство и 10 % - на другие источники [5]. По этим причинам растет интерес к использованию водорода, произведенного из первичных источников энергии с низким уровнем выбросов, в частности из возобновляемых источников энергии, в качестве альтернативы бензину и дизельному топливу в качестве транспортного топлива и средства хранения энергии для обеспечения надежного и непрерывного снабжения энергией из периодически возобновляемых источников энергии. Растущий объем исследований свидетельствует о том, что водород может сыграть важную роль в устойчивой глобальной энергетической стратегии, которая позволит эффективно снизить угрозу изменения климата, обеспечить транспортное топливо без выбросов и положить конец истощению нефтяных ресурсов.

Внедрение водорода в качестве альтернативы ископаемому топливу - важный шаг на пути к декарбонизации и удовлетворению потребностей энергетического сектора. Водород является отличным выбором по сравнению с другими вариантами для широкого спектра применений. Однако за пределами систем производства и распределения могут возникнуть многочисленные экологические проблемы, особенно при использовании водорода в топливных элементах и системах сгорания.

Глобализация и растущий спрос на энергию приводят к снижению потребности в ископаемом топливе. В результате многие страны рассматривают возможность использования альтернативных источников энергии, и водород является эффективным и экономически выгодным решением. Автомобили, работающие на водороде, были разработаны для повышения топливной эффективности при значительном снижении выбросов и концентрации вредных веществ. В данном исследовании изучается влияние водорода в качестве вспомогательного топлива в бензиновых и дизельных двигателях на характеристики двигателя и выбросы. Использование водорода в качестве топлива снижает крутящий момент, мощность и тепловую эффективность двигателя внутреннего сгорания, но увеличивает расход топлива при торможении. Водород в качестве топлива — это чистый и устойчивый источник энергии, который следует развивать и дальше, поскольку он может снизить выбросы большинства двигателей, что благоприятно скажется на окружающей среде.

С 1999 по 2004 год NASA создало исследовательскую программу по разработке технологий летной эксплуатации, которые позволили бы аэрокосмической промышленности создать систему воздушного транспорта, показанную на рисунке 1. Экологическая цель заключалась в создании бесшумных самолетов, не выбрасывающих вредных веществ. Для реализации своего видения воздушного транспорта XXI века НАСА предложило поэтапный подход к исследованиям в области воздушной тяги, обусловленный технологической революцией и национальными потребностями [4-5].

Рисунок 1. Модель FLOPS (Floating Points Operations per Second).

Модель FLOPS была представлена для дальнемагистральных самолетов. Она потребовала множества технических модификаций. Одной из самых больших проблем было расположение водородных баков внутри самолета. Длина фюзеляжа определяется количеством топлива, необходимого для выполнения миссии, и модель FLOPS применяется итеративно, пока вес топлива и длина фюзеляжа не сойдутся. Длина и вес топливного бака рассчитываются различными методами, описанными в контексте проектирования криогенного полетного бака LG2, который требует баланса между механическими и тепловыми требованиями. Вес топливного бака добавляется к допустимому весу, рассчитанному FLOPS. Еще 6 % веса вычитается из веса корпуса для учета конструкции, используемой для соединения основной интегрированной структуры бака с остальной частью корпуса. Интеграция баков в корпус имеет преимущества с точки зрения безопасности, так как площадь лобового удара бака намного меньше, чем у крыльевого бака, и он защищен значительным количеством конструкции как спереди, так и снизу. Однако наличие топливных баков в фюзеляже влияет не только на размер и вес фюзеляжа: поскольку топливо не хранится в крыле, как в случае с парафином, то эффект уменьшения изгибающего момента из-за веса топлива исключается, что приводит к увеличению веса крыла. Величина этого увеличения оценивается коэффициентом инерционной релаксации крыла. Этот коэффициент используется для обновления изгибной массы в расчете массы крыла FLOPS, чтобы учесть наличие топлива и двигателей в крыле. В диапазоне проанализированных поверхностей крыла масса изгибаемого материала увеличилась в среднем на 37 %, что соответствует увеличению общей массы крыла на 6 % [7].

Эксплуатационные расходы на водородные самолеты ниже, чем на парафиновые, но для водородных самолетов требуются топливные баки в четыре раза больше, чем для парафиновых. Обычно топливные баки располагаются в крыльях самолета, но водородные самолеты не могут быть размещены в крыльях из-за своих размеров. Поэтому они размещаются в фюзеляже самолета и занимают место в пассажирском или грузовом отсеке. Несмотря на эти недостатки, водородные самолеты, как сообщается, имеют более эффективный вес и более низкие эксплуатационные расходы, чем парафиновые самолеты. В то время как водородные баки для ближне- и среднемагистральных самолетов могут быть установлены над кабиной, водород для дальнемагистральных самолетов хранится в двух больших внутренних баках, один из которых находится непосредственно за кабиной пилота, а другой - за салоном, что значительно влияет на энергоэффективность водородных самолетов. Поскольку этот тип баков весит больше, конструкция подвесных баков, используемая на ближне- и среднемагистральных самолетах, может увеличить потребление энергии на 4-6 процентов [6-8]. Фюзеляжные баки для больших дальнемагистральных транспортных самолетов представлены на рисунке 2.

Рисунок 2. Фюзеляжные баки для больших дальнемагистральных транспортных самолетов.

Из-за различий в выбросах и свойствах парафина и водорода переход на водород в качестве топлива требует внесения изменений в конструкцию самолета и двигателя. Водородное топливо также можно использовать в двигателях меньшего объема. Изменение конструкции самолета и двигателя для использования водорода может увеличить производственные и эксплуатационные расходы на 25 % [7-8].

Рост авиационной промышленности привел к значительному увеличению спроса на топливо и грузоперевозок. Изменение климата влияет на выбросы парниковых газов от самолетов. Признавая важность сокращения выбросов углекислого газа для уменьшения негативного воздействия авиации на окружающую среду, водород продвигается как чистая и перспективная альтернатива традиционному авиационному топливу.

Список литературы

1. Иванов, А. В. Водородная энергетика в авиации: проблемы и перспективы / А. В. Иванов // Вестник Московского авиационного института. – 2016. – Т. 23, № 4. – С. 56-62.
2. Смирнов, В. А. Водородные технологии в авиации: состояние и перспективы / В. А. Смирнов, А. В. Петров // Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. – 2017. – № 2. – С. 32-37.
3. Кузнецов, В. В. Водородные топливные элементы в авиации: преимущества и ограничения / В. В. Кузнецов, А. А. Соколов // Авиационная промышленность. – 2018. – № 1. – С. 45-50.
4. Петров, А. В. Водородные топливные элементы в авиации: применение и экологические аспекты / А. В. Петров, В. А. Смирнов // Экология и промышленность России. – 2019. – Т. 23, № 2. – С. 34-40.
5. Лебедев, А. В. Водородные топливные элементы в авиации: технологии и перспективы / А. В. Лебедев, И. В. Соколов // Техника и технологии. – 2020. – № 3. – С. 78-84.
6. Соколов, И. В. Водородные топливные элементы в авиации: проблемы и решения / И. В. Соколов, В. В. Кузнецов // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. – 2021. – Т. 21, № 1. – С. 56-62.
7. Григорьев, С. А. Водородные технологии в авиации: перспективы и вызовы / С. А. Григорьев, А. В. Иванов // Энергетика и энергосбережение. – 2022. – № 1. – С. 23-29.
8. Смирнова, Е. В. Водородные топливные элементы в авиации: экономические аспекты и перспективы / Е. В. Смирнова, А. В. Лебедев // Экономика и управление. – 2023. – № 2. – С. 45-51.