Страшный зверь ВОДОРОД.

[frigate]

ЭНЕРГИЯ РАЗВИТИЯ
ТЕХНОПОЛИС XXI: ЖУРНАЛ ПРОМЫШЛЕННОГО, НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО
И ЭКОНОМИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ 23.09.2008 N14
Интервью с Виталием Лопотой – президентом, генеральным конструктором
Ракетно-космической корпорации «Энергия» имени С.П. Королева

ТЕХНОПОЛИС XXI: Виталий Александрович, вы как-то сказали: «Инновации по-русски – это процесс материализации добытых знаний. Его начал еще Петр I». По программе «Энергия – Буран» было создано около 600 инновационных разработок. Какие из них остаются актуальными для проекта «водородной энергетики»?

В. ЛОПОТА: На базе научно-технического и производственного задела по энергоустановкам с электрохимическими генераторами, созданного РКК «Энергия» совместно с Уральским электрохимическим комбинатом в рамках программы «Энергия– Буран», в настоящее время ведутся работы по современным энергоустановкам для транспортных средств и так называемого распределенного энергоснабжения.

В основе энергоустановок – электрохимические генераторы, в которых используются батареи топливных элементов щелочного матричного типа. Эти батареи и их элементы разработки Уральского электрохимического комбината обладают подтвержденными на практике высокими эксплуатационными характеристиками: батареи, расконсервированные после
15-летнего хранения, показали первоначальные технические характеристики без ремонта и доработки. На комбинате сохранена и работает производственная база, способная обеспечить изготовление и поставку батарей топливных элементов выходной мощностью от нескольких единиц до сотен кВт, отвечающих современным потребительским требованиям.

В типовой энергоустановке системы распределенного энергоснабжения используется электролизер воды, представляющий собой «обращенную» батарею топливных элементов. Электролизер генерирует газообразные водород и кислород высокого давления, которые хранятся и по мере необходимости расходуются в энергоустановке с топливными элементами. Для электролизера можно использовать энергию от возобновляемых источников (солнце, ветер, приливы, геотермальные воды), от электростанций различного типа.

В производстве водорода должна быть использована так называемая атомно-водородная энергетика, концепция которой развита в Курчатовском институте академиком Н.Н. Пономаревым-Степным.

Стоимость топливных элементов постоянно уменьшается, тогда как традиционных углеводородных горючих – неуклонно растет. Поэтому водородная энергетика может оказаться коммерчески привлекательной даже быстрее, чем прогнозируется сегодня.

Ближайшие перспективы развития водородных технологий связаны с созданием:
– электрохимического генератора нового поколения с уровнем удельной мощности до 1 кВт/кг, достижимым ресурсом 10...40 тысяч часов при удельной стоимости батареи топливных элементов 2000 долл./кВт;
– электролизеров воды с уровнем рабочего давления электролизных газов до 70 МПа и ресурсом до 40 тысяч часов;
– аккумуляторов энергии с водородным циклом;
– металлокомпозитных баллонов (например, для хранения водорода) с рабочим давлением до 700 атм. при относительной массе хранимого водорода 6 % от массы баллона.

Будут также совершенствоваться водородно-кислородная арматура, датчики измерения высокого давления.

ТЕХНОПОЛИС XXI: Насколько активно инновации, созданные в ходе работ по «водородной составляющей» ракетно-космических программ – от ЖРД до бортовых силовых установок, – находят применение в других отраслях? Ведь это широчайший спектр новых материалов и технологий.

В. ЛОПОТА: Успехи, достигнутые в космосе, всегда стимулировали инженеров к применению топливных элементов для наземного транспорта, начиная с первых поколений электрохимических генераторов. Если соответствующие разработки и приостанавливались, то только в связи с временным, как оказалось, падением цен на нефть.

Новый и закономерный всплеск интереса к альтернативным силовым установкам на топливных элементах возник в 1970-х в связи с мировым энергетическим кризисом и осознанием серьезности экологических проблем.

В последние 10 лет достижения в области создания энергоустановок с электрохимическими генераторами в российской ракетно-космической технике востребованы не были. Поэтому РКК «Энергия» сосредоточилась на разработке ряда специальных энергоустановок по заказам различных корпораций – ЗАО «АвтоВАЗ», ООО «НИК-НЭП», РАО «РЖД» и других.

Например, аккумулятор энергии с водородным циклом предназначен для накопления значительного количества электроэнергии в системах энергоснабжения. Этот аккумулятор также может использоваться в наземных системах электроснабжения с непостоянными источниками электроэнергии (солнечные батареи, ветрогенераторы и т.д.) и как источник газообразного водорода и кислорода высокой чистоты.

Накопитель с подобным аккумулятором может найти применение в составе систем энергоснабжения таких технических объектов, как высотные аэростатические платформы; объекты социального назначения, энергообеспечение которых осуществляется комбинированными установками на основе источников возобновляемой энергии; автотранспортные средства нового поколения и спецтранспорт.

Так, на Волжском автомобильном заводе работы по применению топливных элементов на автомобилях были начаты в 2000 году, а в 2001 году был изготовлен первый автомобиль на топливных элементах – «Антэл-1». Его энергоустановка была создана в РКК «Энергия» на основе модернизированного электрохимического генератора «Фотон».

В Энергетической стратегии РАО «РЖД» до 2010 года и на перспективу до 2020 года для автономных локомотивов предусмотрено использование энергоустановок на топливных элементах, что отражает мировые тенденции. Предварительные технико-экономические проработки показали эффективность использования аналогичных энергоустановок и на маневровых локомотивах.

В России сохранился научно-технический потенциал и коллективы разработчиков, владеющих технологиями и «ноу-хау» создания современных щелочных матричных топливных элементов.
Этот класс топливных элементов наиболее рационально использовать при создании энергоустановок с электрохимическими генераторами для транспорта с большим сроком службы (20 лет и более). Это, в частности, морские суда и перспективные локомотивы.

ТЕХНОПОЛИС XXI: Одним из самых серьезных препятствий на пути становления «водородной экономики» считается отсутствие адекватной ей инфраструктуры. Но в нашей стране в рамках программ, подобных Н1-Л3 или «Энергия – Буран», накоплен богатейший опыт не только использования водородного топлива в ракетно-космической технике, но и развертывания инфраструктуры его производства, хранения и т.п. Это существенное стартовое преимущество?

В. ЛОПОТА: Уже в начале 1960-х в РКК «Энергия» (тогда ОКБ-1, руководимое С.П. Королевым) были разработаны предложения по внедрению кислородно-водородного топлива в ракетную технику и созданию в стране необходимой инфраструктуры производства и эксплуатации жидкого водорода.

Начинать было решено с космических ракетных блоков относительно небольшой размерности. Блоки, получившие обозначение С и Р, предполагалось использовать в составе комплекса Н1-Л3 лунной программы. Для этих блоков были разработаны кислородно-водородные двигатели 11Д56 и 11Д57. Первый запуск двигателя 11Д56 был осуществлен в июне 1967 года. Оба типа двигателей прошли полный объем экспериментальной отработки и межведомственные испытания.
При проведении работ по внедрению жидкого водорода как ракетного горючего для комплекса Н1-Л3 были созданы промышленная база по производству жидкого водорода, средства его транспортирования и длительного хранения, стендовая база для проведения испытаний двигателей, отработки водородных систем и огневых стендовых испытаний ракетных блоков. Были исследованы и решены многие научно-технические проблемы, созданы конструкционные и теплоизоляционные материалы, работоспособные при температуре жидкого водорода. Именно в это время наши специалисты-ракетчики научились работать с жидким водородом.

Развернутая промышленная база для производства жидкого водорода, разработанные технологии, накопленный опыт позволили в короткие сроки создать к 1980-м годам кислородно-водородный блок Ц для ракеты-носителя «Энергия», его двигатели РД-0120 и необходимую наземную инфраструктуру, а также обеспечить безотказную работу наземных систем и самого блока Ц, начиная с первого пуска ракеты-носителя «Энергия».

В РКК «Энергия» им. С.П. Королева имеет более чем 60-летний опыт создания ракет-носителей и разгонных блоков на криогенных компонентах топлива. Это позволяет с минимальными материальными и временными затратами решать вопросы проектирования, отработки и надежного функционирования криогенных систем вновь создаваемых изделий.
Силами многих научно-технических и производственных предприятий была развернута инфраструктура обеспечения многоразового ракетно-космического комплекса «Энергия – Буран» жидким водородом, включающая производство, транспортирование и эксплуатацию жидкого водорода.

Производство жидкого водорода на ПО «Электрохимпром» (Чирчик, Узбекистан) мощностью до 4000 т/год было начато в 1970 году для обеспечения лунной программы. Для задач программы «Энергия – Буран» была проведена реконструкция производства с увеличением мощности до 8700 т/год. Получаемый водород сливался непосредственно в транспортные железнодорожные цистерны типа ЖВЦ-100, их парк насчитывал 50 единиц. Цистерны были разработаны и изготовлены ОАО «Уралкриомаш».

Производство жидкого водорода в российской ракетно-космической промышленности, функционировавшее во время работ по программе «Энергия – Буран» и существующее сегодня (хотя практически и законсервированное), расположено в городе Пересвет Московской области (НИИХИММАШ).

Отсутствие практических задач по использованию жидкого водорода после закрытия программы привело к фактическому распаду инфраструктуры производства и эксплуатации жидкого водорода. В настоящее время в России отсутствуют действующие производства жидкого водорода (кроме экспериментального в воронежском ОАО «КБ химической автоматики»), нет парка транспортных цистерн для жидкого водорода, практически разрушены уникальные системы заправки. Однако имеющиеся огромные теоретические и практические наработки при достаточном финансировании позволяют восстановить эту инфраструктуру в необходимом объеме.

Естественно, становление водородной энергетики предполагает государственное регулирование соответствующих работ на среднесрочный и долгосрочный периоды времени, в том числе в части финансового обеспечения.

ТЕХНОПОЛИС XXI: Повестка международного форума, к которому приурочен этот выпуск журнала, сформулирована как «Водородные технологии для развивающегося мира». Российский Дальний Восток, где решено развернуть строительство космодрома «Восточный», по многим своим параметрам остается на уровне «третьего мира». Впрочем, и американский космодром им. Дж. Кеннеди тоже создавался в преимущественно аграрном штате, но затем вокруг него быстро выросла целая сеть высокотехнологичных структур. Насколько создание космодрома «Восточный» сможет способствовать инновационному развитию?

В. ЛОПОТА: Безусловно, создание космодрома в Амурской области и обеспечение запуска с него ракетных систем космического назначения, использующих наиболее эффективное ракетное горючее – жидкий водород, приведет к возникновению инфраструктуры, благоприятствующей реализации разнообразных «водородных проектов» в смежных секторах экономики.

Это придаст мощный импульс диверсификации экономики и созданию новых наукоемких производств, причем не только на Дальнем Востоке. Космодрому суждено стать одним из ведущих «локомотивов» будущей России. Однако произойдет это постепенно, в течение ближайших 10–15 лет.

[frigate]

Подымаю тему (еле нашел - помог "Николай Васильевич" Гуугл ):

Смесь ксенона и водорода заставили стать твердым телом


Схема полученного материала. Красным показаны молекулы водорода, а желтым - атомы ксенона.

Химикам из Института Карнеги удалось обнаружить новый механизм получения богатых водородом соединений. По словам ученых, данные результаты открывают перспективы создания новых материалов для хранения этого газа. Статья исследователей появилась в Nature Chemistry, а ее краткое изложение приводится в пресс-релизе университета.

В рамках работы ученые поместили смесь ксенона и водорода под давление в несколько тысяч атмосфер. Затем его постепенно увеличивали, а структуру материала "разглядывали" при помощи рентгеновской дифракции.

В результате ученым удалось установить, что при достижении отметки в 41 тысячу атмосфер атомы ксенона и водорода упаковывались особым образом, образуя твердое тело. При этом полученное соединение оставалось стабильным вплоть до отметки в 255 тысяч атмосфер. По словам ученых, этот факт обусловлен необычным взаимодействием между атомами водорода и ксенона. Исследователи подчеркивают, что их "застало врасплох появление нового материала".

Отмечается, что открытие нового эффекта может найти применение при создании новых материалов для хранения водорода. Одной из проблем на пути создания водородной энергетики, которая, как считается, должна быть безопаснее для природы, чем существующая углеводородная, является отсутствие эффективных методов хранения топлива.

Имеющиеся схемы полагаются преимущественно на системы высокого давления, которые хранят водород в сжиженном состоянии. Однако эта методика является дорогостоящей и опасной. Естественной альтернативой является получение материалов, в которых водород будет связан, например, химически. Однако особых успехов в этом направлении пока не достигнуто (речь идет о способности хранить газ в количестве 1-2 процента от массы исходного материала). Ученые надеются, что открытие нового вида взаимодействия атомов водорода с другими атомами поможет в создании более эффективных систем хранения "топлива будущего".

Оригинальная новость (English)
M Somayazulu et al, Nature Chemistry, 2009, DOI: 10.1038/NCHEM.445

[Wyvern]

А еще, на водороде можно сделать одноступенчатую РН

А как с формулой Циолковского?

С формулой нормально. С полезной нагрузкой - плохо.

Выскажу крамольную (тут) вЭсчь: у водорода, как топлива РН нет будущего   :roll:
Причина стара как мир - ДОРОГОВИЗНА. Водородная техника самая дорогая, причем дорогая на всех этапах цепочки: производство, хранение, заправка, баки, двигатели и т.д. И дорогая НЕПРОПОРЦИОНАЛЬНО получаемым преимуществам - преимущества велики, но цена получается больше.
Мое IMHO - перспективны сжиженные криогенные легкие углеводороды метан-пропан-этан. Они дешевы, технологичны, более безопасны при сравнимой эффективности.

[Бродяга]

Надо начинать переходить на водород и не только на первых ступенях, какой смысл иметь два разных топлива на ракете?

[Бродяга]

Выскажу крамольную (тут) вЭсчь: у водорода, как топлива РН нет будущего   :roll:
Причина стара как мир - ДОРОГОВИЗНА. Водородная техника самая дорогая, причем дорогая на всех этапах цепочки: производство, хранение, заправка, баки, двигатели и т.д. И дорогая НЕПРОПОРЦИОНАЛЬНО получаемым преимуществам - преимущества велики, но цена получается больше.
Мое IMHO - перспективны сжиженные криогенные легкие углеводороды метан-пропан-этан. Они дешевы, технологичны, более безопасны при сравнимой эффективности.

Сразу видно сторонника дЭрЭжбандЭлЭй, видит переспективу в том, что нафиг не нужно.

 Почему это "водородная техника дорогая"?

[Wyvern]

Бродяга пишет:
 

Выскажу крамольную (тут) вЭсчь: у водорода, как топлива РН нет будущего   :roll:
 Почему это "водородная техника дорогая"?

Охохох... а что - она дешевая? Вообще техника работающая с:
-одним из самых низкотемпературных в-в из всех криогенных
-самым летучим
-самым взрывопожароопасным
-самым низкоплотным
-весьма агрессивным ко многим материалам
веществом может быть дешевле, какой либо еще?

[Shestoper]

И тем не менее при пусках на ГСО, при двух верхних водородных ступенях, мю ПН поднимается почти вдвое против керосина или вонючки.

[Бродяга]

Охохох... а что - она дешевая? Вообще техника работающая с:
-одним из самых низкотемпературных в-в из всех криогенных
-самым летучим
-самым взрывопожароопасным
-самым низкоплотным
-весьма агрессивным ко многим материалам
веществом может быть дешевле, какой либо еще?

Да-да, водород офигенно пожароопасен, вы ещё скажите, что метан пожароопасен офигенно, сравнительно с пропаном, например.

 То же самое по поводу агрессивности, особо сравнительно с "вонючками".

 Остальное да, создаёт некоторые трудности, но в керосиновых ракетах жидкий кислород используется, он всем перечисленным кроме плотности и летучести обладает, и что, на перекись переходить будем?

[Бродяга]

И тем не менее при пусках на ГСО, при двух верхних водородных ступенях, мю ПН поднимается почти вдвое против керосина или вонючки.

Ага, и без разницы делать водородный двигатель или керосиновый, вопрос в размерности конторы и массовости заказа.

[Wyvern]

И тем не менее при пусках на ГСО, при двух верхних водородных ступенях, мю ПН поднимается почти вдвое против керосина или вонючки.

Про цену кг нет данных?
(кстати, я говорил не про разгонные бустеры, а про РН  :wink: )

[Бродяга]

И тем не менее при пусках на ГСО, при двух верхних водородных ступенях, мю ПН поднимается почти вдвое против керосина или вонючки.

Про цену кг нет данных?
(кстати, я говорил не про разгонные бустеры, а про РН  :wink: )

"Разгонные что", прошу прощения?

[Wyvern]

Да-да, водород офигенно пожароопасен, вы ещё скажите, что метан пожароопасен офигенно, сравнительно с пропаном, например.....

Опасные концентрации в смесях с воздухом:
Пропан - 2,1-9,5%
Метан - 5-15%
Водород - 4-75%

Энергия воспламенения газовоздушной смеси:
Пропан - 250мДж
Метан - 280мДж
Водород - 16мДж

[Wyvern]

....
(кстати, я говорил не про разгонные бустеры, а про РН  :wink: )

"Разгонные что", прошу прощения? [/quote]

Не придирайся  :lol:

[Бродяга]

Опасные концентрации в смесях с воздухом:
Пропан - 2,1-9,5%
Метан - 5-15%
Водород - 4-75%

Энергия воспламенения газовоздушной смеси:
Пропан - 250мДж
Метан - 280мДж
Водород - 16мДж

Всё верно, если у вас постоянно идёт утечка водорода или метана, то необходимо озаботиться вентиляцией, что, например, прописано в мерах по безопасности помещений где производится электролиз или стоят аккумуляторные батареи.

 Но вот если у вас идёт утечка пропана, который тяжелее воздуха и с воздухом может просто не смешаться, то вы "бросили спичку и слой газа вспыхнул".

 Водород и метан опасны в верхней замкнутой части помещения, которой, как правило, "просто вообще нет", а пропан "везде и всегда".
 Мало того, я вам скажу, что бензин ещё опаснее пропана.

[Павел73]

Водород - фюить - и нету его. Улетит со скоростью воздушного шарика, и моментально будет раздут ветром. Метан намного тяжелее, и взрывоопасная концентрация будет держаться дольше. О пропане и говорить нечего. Помните, как однажды на перегоне в Башкирии два пассажирских поезда разнесло? Утечка из трубы тяжёлых газообразных углеводородов, скопившихся в низине...

[Бродяга]

Водород - фюить - и нету его. Улетит со скоростью воздушного шарика, и моментально будет раздут ветром. Метан намного тяжелее, и взрывоопасная концентрация будет держаться дольше. О пропане и говорить нечего. Помните, как однажды на перегоне в Башкирии два пассажирских поезда разнесло? Утечка из трубы тяжёлых газообразных углеводородов, скопившихся в низине...

Вот-вот, а сколько народу погорело из-за паров бензина и лакокрасочных материалов?
 Не так давно был случай неподалёку от моей дачи, сгорел цех лакокрасочный, "формально" погибло 19 человек, реально, говорят, 40.

[Лютич]

Более того, "туупыыые" американцы на старте Дельты-4 даже не заморачиваются горелками (как французы), тупо травят дренаж в атмосферу. Максимум, что получается - файерболл при старте Хэви.

[Бродяга]

Более того, "туупыыые" американцы на старте Дельты-4 даже не заморачиваются горелками (как французы), тупо травят дренаж в атмосферу. Максимум, что получается - файерболл при старте Хэви.

Раз наблюдал как делают врезку в метановую трубу прямо не снимая давления.
 Спрашиваю мужиков, мол он не загорится?
 Отвечают, мол ну загорится, и что с того? Если потечёт, так мы его сами подожгём, чтобы не вонял.

[Nikola]

Вашими устами да мед бы пить...
1) для ожижения водород надо сильно чистить (особенно от кислорода )
2) ожижать дорого, есть большие потери на конверсию
3) смешная плотность
4) нужна хорошая теплоизоляция (по сравнению с ЖК)
5) диффундирует практически сквозь все, потом ХРУУП и полетел сварной шов (или теплоизоляция заводородилась)
6) при разливах хорошо впитывается в пористые вещи и холодненький медленно испаряется, прилипает к людям
7) да и сам по себе дорогой

[Бродяга]

Вашими устами да мед бы пить...
1) для ожижения водород надо сильно чистить (особенно от кислорода )
2) ожижать дорого, есть большие потери на конверсию
3) смешная плотность
4) нужна хорошая теплоизоляция (по сравнению с ЖК)
5) диффундирует практически сквозь все, потом ХРУУП и полетел сварной шов (или теплоизоляция заводородилась)
6) при разливах хорошо впитывается в пористые вещи и холодненький медленно испаряется, прилипает к людям
7) да и сам по себе дорогой

Из всего перечисленного наиболее поганым является "наводороживание", у все остальных топливных компонентов, ну за исключением керосина, тоже есть разного рода "подарки", а относительно стоимости, я не скажу, что дороже, водород или НДМГ, например.

 Однако, со всеми "подарками водорода" научились уже как-то справляться, так что не вижу смысла использовать неэффективное топливо, если есть эффективное топливо.