Попробуй взорви!

Разработали, изготовили и успешно испытали опытные образцы с рабочим давлением 700 атмосфер в Центре технологических компетенций «Полимерные композиционные материалы» ООО «НПО “Центротех”» (предприятие топливного дивизиона «Росатома» в Новоуральске Свердловской области) в сотрудничестве с компанией ООО «НПФ “Реал-Шторм”» (входит в композитный дивизион «Росатома»). Инновационная разработка выполнена по заказу АО «Концерн “Росэнергоатом”» (электроэнергетический дивизион «Росатома») в рамках инвестиционного проекта по созданию отечественных технологий для крупномасштабного производства и потребления водорода.

Так называемый лейнер (внутренний герметизирующий слой баллона) изготовлен из алюминиевого сплава на заводе НПФ «Реал-Шторм» в Ижевске. Упрочняющая обмотка баллона рассчитана и изготовлена специалистами «Центротеха» с использованием углеродного волокна, серийно выпускаемого предприятием композитного дивизиона «Росатома».

По результатам испытаний опытный образец металлокомпозитного баллона объемом 50 литров подтвердил соответствие высоким требованиям, предъявляемым к сосуду с рабочим давлением 700 атмосфер. В ходе испытаний баллон продемонстрировал требуемый запас прочности (выдержал предельные нагрузки с коэффициентом запаса 2,4) и подтвердил стойкость к циклическим нагрузкам. В дальнейших планах — создание линейки баллонов сверхвысокого давления различных емкостей и организация серийного производства.

«Производство композитных и металлокомпозитных баллонов является одним из крупнейших потребителей углеродного волокна. По нашей оценке, к 2030 году объем потребления углеродного волокна в данном сегменте вырастет в три‒пять раз. Использование композитных баллонов сверхвысокого давления 700 атмосфер в качестве топливного бака с водородом становится стандартным и общепринятым решением для транспортных средств на водородном топливе», — отметил коммерческий директор НПФ «Реал-Шторм» Александр Куралесов.

Директор по развитию Композитного дивизиона «Росатома» Никита Давыдов

Композитный дивизион Госкорпорации «Росатом»

Лейнер в коконе

«Металлокомпозитные баллоны имеют сложную конструкцию, — рассказал в беседе со “Стимулом” директор по развитию композитного дивизиона “Росатома” Никита Давыдов. — Внутри у них находится металлический лейнер — тонкостенный баллон. Сначала мы делаем лейнер. Сам по себе большого давления он не выдерживает, но он нужен для герметичности баллона. А потом снаружи на этот лейнер наматываем композитный материал при помощи специального оборудования. Берется катушка со жгутом углеродного волокна, нашего флагманского материала, очень прочного, очень современного. Этот жгут пропускается через ванночку с эпоксидной смолой, смачивается ею и наматывается на лейнер по специальной программе намотки. Намотку делаем в разных направлениях, в результате получается плотный композитный кокон с лейнером внутри. После намотки мы его помещаем в печь отжига, где композит полимеризуется, затвердевает, и в результате получается очень прочная конструкция».

Задача этой сложной процедуры — сделать баллон значительно легче. Теоретически его можно изготовить и целиком из металла, но с очень толстой стенкой. Вместимость он будет иметь точно такую же, как и композитный, но станет слишком тяжелым. А на транспортных средствах вес имеет принципиальное значение.

«К примеру, в автобусе баллоны располагаются на крыше, и поэтому важна экономия каждого килограмма, — поясняет Никита Давыдов. — Допустим, установлены пять столитровых баллонов, а на больших городских автобусах, которые сейчас ездят на метане, ставят и до 13. Если на каждый накинуть дополнительно килограммов 70‒100 веса, то общая прибавка получается очень большой, сразу значительно возрастают требования к прочности кузова, к тому, как автобус себя ведет на поворотах, в аварийных ситуациях, как трогается на остановке. Соответственно, снижается пассажировместимость. Одним словом, экономика очень четко работает на снижение веса баллонов».

Лейнер (внутренний герметизирующий слой баллона) изготовляется из алюминиевого сплава на заводе НПФ «Реал-Шторм» в Ижевске

Композитный дивизион Госкорпорации «Росатом»

Водородные сложности

По весу водород — наиболее энергоемкое топливо. При сжигании килограмма водорода выделяется больше энергии, чем при сгорании других углеводородов: бензина, керосина, любого другого газа — метана, пропан-бутана и так далее. Кроме того, это вещество очень экологично, при сгорании водорода образуется только водяной пар. Самое чистое топливо, которое только можно себе представить.

Но у водорода есть недостаток: он очень разрежен. И килограмм водорода занимает огромный объем в пространстве. Это самый разреженный газ из существующих. Поэтому проблема состоит в том, чтобы сделать его максимально компактным. Есть два способа. Один — это сжижение. Если водород охладить до температуры порядка −253 °С, он перейдет в жидкое состояние и таким образом уплотнится. Но это слишком трудноисполнимая и дорогая технология. Другой способ — очень сильно его сжать.

«Для этого мы и делаем наши баллоны, которые могут использоваться как топливные баки, — поясняет Никита Давыдов. — Если транспортное средство достаточно большое, к примеру автобус, на него можно несколько баллонов поставить, там может использоваться давление 350 атмосфер. В легковых автомобилях места мало — уже нужны 700 атмосфер, чтобы баллон вмещал достаточно водорода для пробега без дозаправки. Мы находимся в контакте с рынком, понимаем, для каких автомобилей это понадобится. Наши российские автомобилестроители разрабатывают сейчас и автобусы, и легковые машины на водороде, у них уже есть сигнальные образцы, которые показывались на выставках и уже ездят по нашим дорогам».

Еще одно свойство водорода — он очень текучий: у него очень маленькая молекула, которая просачивается между молекул многих других материалов. И далеко не всякий материал можно использовать для производства баллонов. Специалисты «Реал-Шторма» применяют алюминиевый сплав АД33, который для таких целей отлично подходит. Через баллоны, стенки которых сделаны из АД33, водород не протекает.

Третья проблема: водород как химический элемент сравнительно агрессивен. Не со всякими металлами он нормально взаимодействует, во многих он вызывает так называемое водородное охрупчивание. «Если в металлический баллон поместить водород, то через некоторое время металл деградирует, растрескается и начнет пропускать газ. А вот сплав, который мы используем, стоек к водородному охрупчиванию, с ним ничего не происходит», — поясняет Никита Давыдов.

Наконец, проблема номер четыре: водород горюч и взрывоопасен. Любая технология, связанная с водородом, проходит обязательный контроль на безопасность применения. Очень много ступенек надо пройти, чтобы сертифицировать оборудование, но зато, если баллоны допущены на рынок, они исключительно надежны.

Цеха завода НПФ «Реал-Шторм» в Ижевске

Композитный дивизион Госкорпорации «Росатом»

Уронить, взорвать, прострелить, сжечь

«Когда мы разрабатываем новый баллон, для его сертификации необходимо провести 17 испытаний разного рода на его разрушение и поведение в разных обстоятельствах (и мы проделали это со многими моделями ранее), — рассказывает Никита Давыдов. — Что с ним случается при падении с высоты, при простреливании пулей, при поджигании, при попадании в огонь. Что будет, если он подвергнется подрыву извне. Проводим очень много экспериментов по циклированию, когда баллон многократно нагружается высоким давлением, а потом опять опорожняется. В одном из испытаний баллон сначала циклируется тысячи раз на морозе, при минус 40 градусах, затем — в жару, при плюс 85 и влажности 95 процентов — это очень суровые испытания».

Последняя разработка — баллон на 700 атмосфер — пока прошла только два испытания, но они очень важны.

Одно из них — испытание на разрыв, когда изделие подвергают максимально высокому давлению. Мощный компрессор нагнетает в баллон специальную жидкость или газ до тех пор, пока он не разорвется. Процедура проходит в специальной бронекамере, чтобы никто не пострадал. Баллон должен выдерживать давление в 2,4 раза выше рабочего. То есть если речь идет о баллоне на 700 атмосфер, то он должен на разрыв выдержать давление 1680 атмосфер.

Новый баллон также прошел первый этап циклических испытаний — выдержал более 1000 циклов нагружения высоким давлением более 700 атмосфер.

Прохождение этих испытаний показывает, что конструкция баллона надежна и в будущем можно рассчитывать на его сертификацию в качестве емкости для хранения водорода, например на водородной заправочной станции.

«Наша следующая цель, — рассказывает Давыдов, — баллон должен выдержать нагрузку очень большим количеством циклов — для использования в качестве топливного бака на транспорте: там самые жесткие требования. Чтобы нашу разработку можно было поставить на автобус и сказать, что она прослужит пятнадцать лет, надо провести с ней испытания на 11 тысяч циклов. То есть 11 тысяч раз надо его накачать водородом под давлением 120 процентов от рабочего, а потом опорожнить. Это очень тяжелая нагрузка для баллонов, но, когда мы достигнем этой цели, их можно будет использовать где угодно».

Производство углеродного волокна

Композитный дивизион Госкорпорации «Росатом»

Материал, близкий к совершенству

Специалистам также приходится решать материаловедческие задачи. При таких высоких давлениях и сложных испытаниях значительную роль в разрушении баллонов начинают играть самые малозаметные факторы.

Лейнер изготавливается из трубы, которую производят российские металлургические заводы. От трубы отрезают кусок нужной длины и на специальном станке закатывают его с двух сторон. Труба вращается, а специальный ролик прижимает край так, что она загибается и в результате образуются два купола. Уже почти двадцать лет предприятие «Реал-Шторм» производит и продает баллоны для компримированного метана для газомоторного транспорта.

«Эти баллоны устроены точно так же, как водородные, но их рабочее давление гораздо меньше — 200 атмосфер, — поясняет Никита Давыдов. — И при таких давлениях у нас никаких технических проблем нет: циклируемость, давление на разрыв выдерживаем, все испытания проходим с большим запасом. Но в баллоне на 700 атмосфер тот же материал ведет себя совсем иначе. Если для 200 атмосфер качество имеющейся трубы достаточное, то при 700 начинают играть роль крошечные задиры на поверхности, самые маленькие царапинки, которые обусловлены технологией производства трубы».

При температуре −40° С баллон подвергают давлению в 840 атмосфер. Накачивают и тут же опорожняют, и так две тысячи раз. Потом его же при температуре +85 °С и влажности 95% точно так же две тысячи раз накачивают и опорожняют. Малейшая шероховатость, малейшие дефекты на внутренней поверхности трубы под таким высочайшим давлением постепенно превращаются в трещины, через которые баллон начнет пропускать газ.

Становится важным и качество сплава. Если для баллонов на 200 атмосфер незначительные включения могут быть допустимы, то при 700 атмосферах любая неравномерность в составе сплава приводит к тому, что возникает очаг растрескивания, и баллоны циклику не выдерживают. В связи с этим требования по качеству к поставщикам труб сильно возрастают. Для уменьшения влияния вредных эффектов специалисты «Центротеха» разработали особую конструкцию внутренней обоймы баллона: она снижает деформации в зоне, где возникает максимальное напряжение (переход от донышка к горловине).

Лаборатория на производстве углеродного волокна

Композитный дивизион Госкорпорации «Росатом»

Опыт есть, цель достижима

«Рынка водородной техники в России как такового нет, — говорит Никита Давыдов. — Пока в нашей стране произведены только сигнальные экземпляры автомобилей на водороде, несколько производителей сделали автобусы».

Но в мире рынок есть, и на нем цены уже сложились, для таких баллонов стоимость считается в зависимости от объема, в долларах за литр. Мировая инженерная мысль стремится к тому, чтобы сделать баллон стоимостью не дороже 10 долларов за литр при давлении 700 атмосфер. Такие расчеты сделали в министерстве транспорта США на основе стоимости сырья, материалов, техпроцессов и возможностей масштабирования. Пока эта цена недостижима, и те баллоны, которые продаются в мире, стоят от 20 до 30 долларов за литр (разброс цен может быть и шире).

Серийное производство только появляется. В Корее, например, построили полностью автоматизированный завод по изготовлению баллонов на 700 атмосфер. Есть производство подобных баллонов в Европе и в США.

«Приемлемой цены производства баллонов сверхвысокого давления удастся достичь и нам, — уверен Никита Давыдов. — Компетенции специалистов НПО “Центротех” и поставленные в рамках работ концерна “Росэнергоатом” цели и задачи позволили изначально, на этапе разработки, решать задачи оптимизации и достижения целевых параметров в части себестоимости. Важно и то, что мы внутри композитного дивизиона контролируем всю цепочку изготовления сырья; в мире подобных примеров мы не знаем. У композитного дивизиона “Росатома” собственное производство углеродного волокна, а это наиболее дорогой материал в конструкции баллона. Всем мировым производителям это волокно приходится покупать у внешнего поставщика. Баллонами на своем дочернем предприятии мы занимаемся уже двадцать лет. По другим направлениям находимся полностью в рынке и знаем, как снижать себестоимость производства. Не сомневаемся, что и с водородными баллонами будет точно так же. Уже сейчас мы делаем и продаем изделия на 400 атмосфер; у нас есть заказчики, и наша цена вполне рыночная. Среди клиентов “Реал-Шторма” все крупнейшие российские производители автобусной и автомобильной техники».