Водород расправит крылья
В России активно разрабатываются новые источники энергии — водородные топливные элементы для беспилотных летательных аппаратов. Благодаря более высокой энергоемкости они могут увеличить время нахождения дрона в воздухе без подзарядки с получаса до трех часов и более
Одно из ограничений для роста рынка дронов — недостаточно высокая энергоемкость аккумуляторных батарей, на которых летает подавляющее большинство беспилотников в мире. Альтернатива электрическому мотору — двигатель внутреннего сгорания (ДВС), но дроны с ДВС слишком шумные и к тому же вибрируют, что не позволяет получить четкое изображение при съемке, и неудобны в эксплуатации.
Если необходимо больше энергии, приходится устанавливать на беспилотник дополнительные аккумуляторы, а это увеличивает его массу, которая является важнейшим параметром эффективности аппарата.
Лучшие индустриальные аппараты сегодня могут летать 30–40 минут. С момента появления дронов стали обсуждаться идеи создать достаточно легковесный (уж точно не тяжелее литий-ионных аккумуляторов) топливный элемент, который позволил бы им летать без подзарядки значительно дольше. Если для съемки территории или доставки подарка дрону может хватить и получаса полета, то для мониторинга газопроводов и линий электропередачи этого мало. Алексей Иваненко, директор по развитию компании BMPower (разработчик водородных топливных элементов), приводит пример: расстояние между компрессорными станциями «Газпрома» — 150 км; дрон, скорость которого 50 км/ч, может пролететь на серийно производимых аккумуляторах 12 км в одну сторону и обратно. В итоге газовики вынуждены нанимать вертолеты и платить от 500 до 5000 долларов за час аренды в зависимости от региона. Вряд ли они откажутся от дрона, способного пролететь три часа при цене аренды 150 долларов в час.
Ученые не перестают искать новые источники электроэнергии для дронов. Например, в МАИ много лет разрабатывают воздушно-алюминиевые источники тока. Но до создания рабочей энергоустановки на основе алюминия пока не дошло. Несколько быстрее движется история создания генераторов энергии на основе водорода. Такие топливные элементы могут позволить дрону выдержать до шести часов непрерывного полета. Водородные топливные системы потенциально очень энергоемки: показатель удельной массовой энергоемкости у них может варьироваться от 700 до 1300 Вт/ч на килограмм. У литий-ионных аккумуляторов энергоемкость в три–пять раз ниже.
Ученые из Института проблем химической физики РАН (ИПХФ; находится в городе Черноголовке Московской области) и из Центра водородной энергетики Московского энергетического института Юрий Добровольский и Сергей Нефедкин плотно занялись разработкой топливных элементов на основе водорода для дронов и роботов еще в начале 2010-х годов. Вскоре к ученым присоединился предприниматель Данила Шапошников; в 2012 году они зарегистрировали компанию AT Energy (ООО «Эй Ти Энерджи»). В черноголовском технопарке стартап сделал топливный элемент для беспилотников.
В разработку технологии вложили порядка двух миллионов долларов — это и деньги частных инвесторов, и гранты, и средства поверивших в водород фондов North Energy Ventures и Phystech Ventures.
AT Energy заявила в 2016 году, что заключила ряд контрактов и предконтрактов с потенциальной выручкой сто миллионов рублей, преимущественно с госструктурами.
А в прошлом году на рынок с водородными топливными элементами вышла компания BMPower. В число ее акционеров входит Сергей Нефедкин, который участвовал в AT Energy, а Юрий Добровольский покинул проект, но не оставил эту тему. Данила Шапошников тоже участвует в проекте — он партнер инвестировавшего в BMPower фонда «Норс Энерджи Венчурс». Среди акционеров компании Сергей Панов (технический директор BMPower) и директор по развитию Алексей Иваненко. Эти данные сообщил сам Иваненко.
По его словам, до 2016 года компания AT Energy находилась, скорее, на стадии R&D, чем производства готового продукта. «Там мы производили только мембранно-электродный блок. “Обвязка” и электроника были не наши. А BMPower обеспечивает полный цикл производства конечного изделия», — объясняет Алексей Иваненко. Он утверждает, что теперь в компании за точку отсчета принимают август 2017 года, когда новая топливная система на основе водорода прошла испытания.
В то же время Юрий Добровольский, заведующий лабораторией ИПХФ, продолжает разработку водородных элементов в рамках этого института. ИПХФ каждый год поставляет военным предприятиям 20 беспилотников с водородными батареями (аппараты производятся совместно с промышленными партнерами). Но на гражданском рынке институт не работает. «Возможно, у нас и мелкосерийное производство, но крупнее в мире ничего нет», — говорит Добровольский. По его словам, сейчас ИПХФ ведет судебные разбирательства с AT Energy по поводу прав на интеллектуальную собственность. Эта компания изначально создавалась, чтобы вывести разработки института на гражданский рынок и снизить себестоимость топливных систем, но, к сожалению, быстро прекратила реальную деятельность, утверждает Юрий Добровольский.
По его сведениям, в России водородные топливные элементы сейчас разрабатывают четыре-пять компаний. В их числе, например, «ИнЭнерджи» (Москва). По мнению Добровольского, в стране уже есть «зачатки» водородных топливных элементов. Да, это еще не рыночные в полной мере продукты, но в ближайшей перспективе они неизбежно будут созданы. Чтобы привлечь внимание к этой теме, Российская венчурная компания объявила технологический конкурс Up Great, нацеленный на создание новых энергетических установок для транспортных средств на водородных топливных элементах. Он разделен на две части: «Первый элемент. Земля» (для автомобилей) и «Первый элемент. Воздух» (для мультикоптеров, которые должны держаться в воздухе более трех часов на одной зарядке). По словам Добровольского, на конкурс подано уже несколько заявок, и организаторы рассчитывают, что всего их будет десять-пятнадцать.
Вторая попытка
BMPower, которая как раз пытается предложить рынку не «сырой» экземпляр топливной системы, решила фокусироваться на индустриальных и военных дронах.
По оценкам компании, в мире эксплуатируется порядка полутора тысяч индустриальных дронов, а в ближайшие пять лет рынок будет ежегодно прирастать на шесть тысяч бортов.
Топливные элементы компания делает на подмосковном предприятии, причем, как говорит Алексей Иваненко, у BMPower есть ключевая технология изготовления мембран электродного блока. «Мы делаем весь цикл: от порошка до готовой системы в корпусе», — утверждает он. В цеху установлено оборудование для изготовления катализаторов, нанесения мембран, лазерной резки. В BMPower стараются больше использовать российские компоненты. Если еще год назад почти все было импортным, то сегодня катализаторы, например, делаются уже в России. Но электроника остается полностью импортной. «Мы сами сконструировали систему управления, но компоненты у нее импортные, — говорит Иваненко. — Однако мы работаем с “Алмаз-Антеем” — передаем им интеллектуальную собственность на систему управления, а они адаптируют ее к российской компонентной базе уже без нашего участия».
Хотя сам принцип использования химической реакции водорода для получения энергии известен как минимум сотню лет, все разработчики топливных систем на основе водорода идут своим путем, чтобы сделать их использование наиболее удобным. Исследования ведутся в области разработки оптимальных составов, создания новых катализаторов и технологий модификации мембраны с целью повысить энергоемкость и эффективность работы всей системы, а также снизить ее себестоимость.
В мире такие продукты для дронов и роботов делают как минимум шесть компаний, среди которых Protonex, Intellegent Energy, Horizon. Купить их топливные элементы можно и на российском рынке через дистрибуторов. По словам Иваненко, системы BMPower импортным не уступают, а в чем-то и выигрывают. К примеру, только они позволяют дронам летать в тридцати-сорокаградусные морозы.
Но все не так просто, как и на любом новом рынке.
Дорогой водород
Одна из проблем на поверхности — высокая стоимость изготовления водородных топливных элементов и их цена. Стоят они от 10 тыс. до 15 тыс. долларов за топливную систему. А импортные еще дороже — от 15 тыс. до 30 тыс. долларов.
По словам гендиректора компании «Коптер экспресс технологии» Олега Понфиленка, если говорить о рынке легких дронов и дронов для доставки легковесных грузов, то для него такая цена неприемлема. Если дрон стоит 300–350 тыс. рублей, а аккумулятор — 50 тыс. рублей, то об использовании дорогих водородных топливных элементов и речи не идет. «В нашем сегменте замены аккумуляторам не будет, — считает г-н Понфиленок. — Они сами по себе хорошо развиваются. Раньше дрон мог летать 15–20 минут, а теперь 30–40. Это произошло за последние четыре года. Не только благодаря аккумуляторам, но и за счет конструкции аппаратов». Водородные батарейки должны подешеветь в десять раз, чтобы они стали интересны для всех видов дронов.
Впрочем, в своем сегменте индустриальных и военных дронов BMPower готова побороться за клиентов. По словам Алексея Иваненко, активнее всего дроны применяются сейчас в нефтегазовой сфере, где периодически объявляются весомые тендеры стоимостью от 200 млн рублей.
Но пока компания преимущественно выполняет опытно-конструкторские работы. Например, для одного заказчика BMPower разрабатывает системы для переносных источников энергии. Такие ОКР — просто короткие испытания, причем эта работа частично оплачивается, по крайней мере, с некоторыми заказчиками об этом удается договориться. В прошлом году BMPower поставила систему топливных элементов «Алмаз-Антею», с которым, по словам Иваненко, компания заключила договор на сто миллионов рублей. В основном проект имеет дело с военными заказами.
Но недавно был подписан первый контракт с крупным «гражданским» клиентом — это ижевская компания «ИДС Технологии», поставляющая беспилотники для нефтяников. Как рассказал ее гендиректор Руслан Ямалиев, по условиям соглашения BMPower обязалась изготовить за полтора года более двух десятков топливных систем для коптеров. Сумма контракта — полмиллиона долларов. Среди потенциальных клиентов BMPower также компания Skat Systems, выпускающая беспилотники, и компания ЮВС, которая поставляет коптеры Министерству обороны РФ.
По словам Руслана Ямалиева, основным фактором при принятии решения была возможность получить более мощный источник энергии, не увеличивая вес дрона. BMPower должна разработать для них систему, обеспечивающую дрону шесть часов полета. Для дорогих тяжелых коптеров цена водородных элементов не является неподъемной, утверждает Ямалиев. Но ограничения у технологии все же есть. В первую очередь это человеческий фактор: беспокойство вызывает то, что на борту устройства топливо — водород, который, как опасаются многие, может взорваться.
Компания из Ижевска «Беспилотные системы» еще в 2016 году сотрудничала с AT Energy, заказывая там топливные элементы для мультикоптера увеличенного размера с полезной нагрузкой до двух килограммов (видеокомплекс для поиска и спасения людей). Как рассказал гендиректор «Беспилотных систем» Максим Шинкевич, они пытались использовать водородные топливные элементы, но быстро свернули опыты. «Мы работаем на Крайнем Севере, группы действуют автономно, на небольших машинах, и им негде заправлять топливные элементы. С аккумуляторными батареями было проще обращаться. Каждый день ребята ведут несколько полетов, и топливных элементов просто не напастись», — говорит г-н Шинкевич. По его словам, компания, возможно, вернется к водороду, когда стоимость элементов серьезно снизится и будут решены все проблемы с зарядкой.
Чтобы решить проблему с отсутствием инфраструктуры в виде заправочных станций, особенно в удаленных районах, BMPower заключила соглашение с компанией «Линде Газ Рус» (Linde Gas — крупнейший в мире производитель промышленных газов). Компания будет поставлять водород пользователям в режиме plug & play, уже в заправленных баллонах. Теоретически это позволит обходиться без заправочных станций. Кроме того, в компании разрабатывают портативное заправочное устройство, которое должно решить вопрос с полевой дозаправкой баллонов.
Как утверждает Алексей Иваненко, несмотря на рамочный характер большинства контрактов, у компании уже есть выручка: за прошлый год она заработала восемь миллионов рублей, а в этом году ожидается уже 47 миллионов. К 2022 году проект рассчитывает подойти с выручкой уже в миллиард рублей. Расходы у стартапа небольшие, считает Иваненко: в среднем 2,7 млн рублей в месяц, притом что в компании работают 15 человек, включая производственный персонал. Следующий этап — выход на мировой рынок. В BMPower оценивают возможность открыть в первом квартале 2019 года офис в Европе или США. За рубежом цикл принятия решения о заключении контракта — три–шесть месяцев, а в России минимум год. Для развития бизнеса (расширение производства и сертификация продукции, в том числе на международных рынках) BMPower намерена привлечь новый раунд инвестиций, до трех миллионов долларов.
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl