Дмитрий ХОЛКИН
Директор АНО «Центр энергетических систем будущего «Энерджинет»
E-mail: dvh@internetofenergy.ru
Игорь ЧАУСОВ
Руководитель аналитического направления АНО «Центр энергетических систем будущего «Энерджинет»
E-mail: chi@internetofenergy.ru
Анна Шуранова
Ведущий аналитик АНО «Центр энергетических систем будущего «Энерджинет», стажёр-исследователь научно-учебной лаборатории экономики изменения климата ФМЭиМП НИУ ВШЭ
E-mail: ashuranova@hse.ru
В настоящее время наметился устойчивый рост спроса на беспилотные авиационные системы и беспилотные воздушные суда (БВС) для специальных, гражданских и коммерческих сфер применения. Актуальный размер этого рынка составляет, по разным оценкам, от консервативных 12,5 млрд долл. до оптимистичных 26,2 млрд долл. в год, а к 2030 г. он может вырасти до 52,3–77,7 млрд долл. в год. Прорыв в сфере БВС возник в результате достижений в области микропроцессоров и искусственного интеллекта, а также в результате появлении новых мобильных источников энергии, позволяющих создавать интеллектуальные беспилотники с низкой стоимостью и высокой мобильностью. Постольку поскольку в России в последнее время, в том числе в рамках Национальной технологической инициативы, активно развивается данное направление работ, то рассмотрим энергетические аспекты БВС.
Сферы применения БВС включают доставку грузов, сельское хозяйство, мониторинг дорожного движения, инфраструктурных объектов, в т. ч. электросетей, состояния окружающей среды, обеспечения беспроводного покрытия мобильных сетей, военные цели и т. д. Кроме того, БВС можно различать по классам и категориям в зависимости от их массы и дальности полёта (таблица 1).
Источник: Kimon P. Valavanis, George J. Vachtsevanos. Handbook of Unmanned Aerial Vehicles. Springer Dordrecht, 2014. URL: https://doi.org/10.1007/978-90-481-9707-1
БВС, использующиеся для доставки на большие расстояния тяжелых грузов, а также в военных целях, имеющие значительную взлётную массу и дальность полёта, скорее можно отнести к малой авиации. Данный сегмент беспилотников имеет уже значительную историю и отработанные решения. Однако, в последнее время стали массово применяться микро- и мини-БВС, энергетические решения для которых еще находятся на стадии становления. Далее мы изучим особенности энергоснабжения таких БВС, частично также затрагивая аппараты специального назначения. Эта тема представляется актуальной в свете значительного потенциала их применения в российских реалиях и необходимости составления чёткого представления о том, какие решения будут релевантны в ближайшие годы с учётом тенденций энергоперехода и развития новейших энергетических технологий.
Двигатели БВС
Для БВС наиболее распространено использование газотурбинных двигателей, двигателей внутреннего сгорания и электродвигателей.
Газотурбинные двигатели, используемые в силовых установках летательных аппаратов, демонстрируют хорошие характеристики только в диапазоне высокой мощности (более 100 л. с.) и не подходят для применения в малых БВС, поскольку отличаются низкими показателями экономии топлива и эффективности при высоком уровне шума.
Широкое распространение получили двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и электродвигатели. По сравнению с электродвигателем, ДВС способен обеспечивать большую длительность полета и дальность полезной нагрузки, благодаря более высокой мощности и топливной экономичности. Однако электродвигатели остаются предпочтительными для малых БВС вследствие наличия таких ключевых характеристик, как:
− низкие тепловые и акустические характеристики (сложнее обнаружить тепловым радаром);
− хорошо развитые электронные системы управления;
− низкая стоимость;
− более высокая надёжность и меньшая взрывоопасность.
В настоящее время электродвигатели являются самым распространённым решением для малых БВС, источниками энергии для которых обычно являются электрические аккумуляторы, фотоэлектрические модули, топливные элементы.
Аккумуляторные батареи
Большинство небольших БВС, особенно квадрокоптеров, работают на батарейных системах. Решения на базе аккумуляторов способны закрыть основные потребности гражданского сегмента в плане длительности полёта, стоимости и гибкости. Наибольшее время полёта (до 1,5 ч) обеспечивают литий-полимерные аккумуляторы, которые, к примеру, для микро-беспилотников весят менее 2 кг. Также применяются литий-ионные, никель-кадмиевые, никель-марганцевые, литий-серные, свинцово-кислотные и иные накопители. Эти аккумуляторы уступают литий-полимерным по плотности энергии, экономии массы и другим характеристикам.
Недостатками аккумуляторного типа энергоснабжения являются ограничения по накопленному запасу энергии, что значительно сужает время функционирования БВС. Для устранения этой проблемы и обеспечения возможности выполнять длительные миссии используется несколько решений, связанных с различными способами подзарядки аккумуляторов БВС.
Источник: estebande / depositphotos.com
Так, подзарядка аккумуляторных БВС методом подкачки может проводиться средствами либо холодной подкачки, либо горячей замены (рис. 1). Оба этих способа предполагают посадку БВС на наземную зарядную станцию, но при холодной подкачке аккумулятор БВС подключается к зарядке, и сам аппарат остаётся на месте на всю продолжительность этого процесса, а при горячей замене разряженный аккумулятор извлекается из продолжающего работать БВС, и на его место устанавливается полностью заряженный, заранее подготовленный на станции.
Таким образом, при расположении зарядных станций вдоль траектории движения БВС появляется возможность обеспечения длительного времени полёта, но существуют определённые риски безопасности аппаратов при взлёте со станций и посадке на них. Эти риски устраняются при использовании беспроводной лазерной подзарядки (рис. 2), которая, однако, ограничивает расстояние и высоту полёта зоной вокруг радиуса распространения светового луча, передаваемого лазерным генератором на наземной станции.
Наконец, для решения задач на ограниченной местности полезны привязные БВС (рис. 3), преимущество которых состоит в неограниченной автономии и возможности увеличения полезной нагрузки за счёт отсутствия необходимости установки источника или накопителя энергии непосредственно на аппарат.
Фотоэлектрические модули
Низкоуглеродной опцией для энергоснабжения БВС является установка модулей солнечной генерации непосредственно на аппараты так, чтобы энергия солнца могла обеспечивать полёт в течение периодов максимальной солнечной активности, а аккумуляторы с накопленной в эти периоды энергией – в отсутствие инсоляции. Такая система увеличивает время полёта и в определённых условиях может даже сделать его неограниченным. Однако и она имеет такие ограничения, как:
− сложность системы, приобретаемая вследствие необходимости установки на БВС преобразователей, контроллеров, сенсоров и иного оборудования;
− непостоянный характер выработки энергии от солнечной радиации;
− непригодность для малых БВС, во многом из-за потребности в максимизации размеров крыла для того, чтобы на них можно было расположить достаточное количество фотоэлектрических модулей.
Топливные элементы
Беспилотные воздушные суда, использующие водородные топливные элементы, могут работать в течение нескольких часов вместо нескольких минут у аккумуляторных БВС (рис. 4). Топливные элементы превосходят батареи по удельной мощности, поэтому их следует рассматривать как предпочтительное решение для обеспечения большей «выносливости» при ограниченной массе. Кроме того, процесс дозаправки осуществляется практически мгновенно, что снимает проблему простаивания БВС, а энергопотери при передаче энергии сокращаются.
Тем не менее, при применении топливных элементов существует несколько негативных факторов, которые необходимо учитывать:
− водород имеет плотность всего 0,089 кг/м3 при стандартной температуре и давлении – соответственно, чтобы БВС мог перевозить достаточное количество топлива, баки должны быть очень громоздкими;
− нестабильность напряжения при возникновении резких изменений в мощности;
− более низкая эффективность (60 %), чем у литий-ионных батарей (90 %);
− необходимость установки дополнительного оборудования, усложняющая систему.
Тенденции развития систем энергоснабжения БВС
Гибридизация выделяется как наиболее перспективная архитектура для осуществления энергопитания беспилотных воздушных судов. Такой подход позволит сочетать преимущества и характеристики различных источников энергии и уравновешивать их ограничения. Мощность должна быть оптимально распределена между источниками для достижения эффективного энергопотребления и обеспечения высокопроизводительной работы источников питания при максимально возможном продлении срока их службы.
Так, объединение топливного элемента с батареей для формирования гибридной системы энергоснабжения представляется вариантом, который позволит двигательной установке БВС воспользоваться преимуществами обоих источников и сбалансировать их недостатки. Батарея в этом случае может использоваться в периоды пиковой нагрузки (взлёта и набора высоты), т. к. имеет более высокую эффективность и плотность мощности, а также не подвержена нестабильности напряжения. Топливный элемент, в свою очередь, может быть основным источником во время полёта и заправки. Также батареи либо топливные элементы могут быть объединены с любой другой энергетической установкой. Тем не менее, гибридные варианты электроснабжения БВС требуют установки систем управления энергопотреблением (контроллеры и инверторы), которые дополнительно увеличивают массу и сложность устройства.
Кроме того, на уровне теоретических и практических моделей и прототипов разрабатываются БВС с гибридными установками, включающими суперконденсаторы. Суперконденсаторы имеют невысокую стоимость установки и обслуживания, более широкий разброс температур, при которых они могут функционировать, а также устойчивы к перегрузкам и не склонны к нестабильности напряжения в полёте.
Важную роль в развитии энергоснабжения БВС будут играть не только бортовые системы, но и зарядная инфраструктура для аккумуляторных дронов, являющихся в настоящее время наиболее распространённым их типом. Соответственно, возникает проблематика строительства такой инфраструктуры и её интеграции в электрические сети, которая вызовет дополнительную нагрузку на них. В ряде случаев зарядные станции могут работать автономно при помощи ВИЭ (например, установленных на них фотоэлектрических систем) и накопителей энергии. Некоторые исследования предлагают объединение соответствующей инфраструктуры для БВС и электротранспорта с тем, чтобы беспилотники могли использовать в т. ч. существующие зарядные станции электромобилей. Отдельной проблемой является пространственное расположение зарядных станций с учётом особенностей городской и сельской местности. В случае зарядки методом подкачки возникает необходимость расположения зарядных станций вдоль траектории движения БВС, т. е. с достаточно высокой частотой распределения на местности. Это связано с тем, что аппараты могут запускаться по самым разным маршрутам. Поскольку размер таких станций компактен, их можно размещать на крышах зданий, столбах, светофорах и т. п. Здания рассматриваются как перспективные места и для расположения станций беспроводной лазерной подзарядки. Альтернативными вариантами могут служить башни или вышки. Вследствие недостаточной развитости технологий автоматизации метода подкачки его использование в ряде случаев предполагает присутствие человека, а также может оказаться сложным и аварийно опасным. Беспроводные же варианты подзарядки считаются более безопасными как для самих БВС, так и для их операторов.
Наконец, по мере перехода к гибридным архитектурам БВС и появления территориально распределенной зарядной инфраструктуры повышается значимость управления энергопотреблением. Оно позволяет сочетать преимущества и характеристики различных источников питания и уравновешивать их ограничения. Мощность должна быть оптимально распределена между источниками для достижения эффективного энергопотребления и обеспечения высокопроизводительной работы источников питания при максимально возможном продлении длительности их работы. Таким образом, должна быть внедрена система управления энергопотреблением для распределения мощности в режиме реального времени между доступными источниками с учетом таких ограничений, как эффективность, быстрая реакция, расход топлива, требуемая мощность и условия полета.
Ключевые технологические задачи в сфере энергетики для БВС в России
По результатам анализа тенденций в развитии энергетики БВС можно сделать несколько выводов.
Во-первых, для всех основных выделенных типов источников энергии существуют фронтирные технологические направления, недостаточный уровень развития которых будет сдерживать их переход к массовому использованию и коммерциализацию. Для БВС на водородных топливных элементах такой первостепенной задачей является повышение давления в баллонах для хранения водорода, что позволит увеличить его количество при сохранении объёма и, таким образом, продлить дальность полёта аппарата. С этой же целью в аккумуляторных БВС приоритетным направлением является увеличение плотности мощности. Параллельно должна развиваться и инфраструктура подзарядки, которая будет наиболее актуальна для микро- и малых БВС, неспособных переносить тяжёлые аккумуляторы. Наконец, для фотоэлектрических систем ключевой задачей представляется развитие в сторону гибридизации, в первую очередь с накопителями энергии, и совершенствование интеллектуальных систем управления энергопотреблением, которые позволят наиболее эффективно использовать потенциал солнечной энергии с целью увеличения автономности БВС.
Во-вторых, число конкретных прикладных направлений, в которых БВС востребованы в российском гражданском сегменте, велико и ранжируется от мониторинга обширных и протяжённых инфраструктурных объектов (электрических сетей, строительных и нефтегазовых объектов) и сельскохозяйственных территорий до использования в науке (картографирование, изучение природных явлений, наблюдение за лесными массивами и ледниками) и коммерческих целях (логистика, реклама). Вне зависимости от цели применения БВС их экономическая целесообразность зависит от двух ключевых параметров – запаса хода и времени барражирования – которые, в свою очередь, определяются именно характеристиками источника энергии аппарата.
Рис. 6 демонстрирует состояние развития основных рассмотренных технологий энергоснабжения БВС в мире и в России. Очевидно, что некоторые технологии – например, водород и компрессионные баллоны – являются одними из наиболее перспективных для страны в технологической гонке на будущее, т. к. ещё достаточно слабо распространены по миру, но имеют большой накопленный отечественный задел.
Принимая во внимание данные факты, можно заключить, что в России с учётом имеющегося научно-технического и ресурсного потенциала перспективно разрабатывать и развивать следующие технологии в сфере энергоснабжения БВС:
− компрессия водорода и баллоны для его хранения, в т. ч. создание новых композитных материалов для них;
− аккумуляторы, в особенности литий-серные и постлитиевые, а также их развитие в части повышения плотности мощности;
− полная автоматизация и роботизация систем подзарядки малых БВС, которые станут одним из важных элементов сетевой инфраструктуры будущего;
− системы интеллектуального управления энергопотреблением БВС – поиск наиболее эффективных конфигураций различных источников и оптимизация процессов их работы в зависимости от режима полёта, условий окружающей среды и т. п.
В то время как эти технологии имеют наибольшие перспективы, развитие энергоснабжения БВС в России не может ограничиваться исключительно ими, поскольку обеспечение технологического суверенитета, в особенности в таком значимом направлении, должно носить более комплексный характер. В условиях ограниченного санкционными мерами доступа к зарубежным технологиям представляется приоритетным налаживание импортозамещения и развитие отечественных наукоёмких производств, в первую очередь по тем решениям энергоснабжения БВС, где отставание от мирового уровня значительно – аккумуляторным системам и методам их подзарядки, а также фотоэлектрическим модулям.
БВС – сравнительно новая, особенно для России, область практики со стремительно растущим спросом в гражданском и военном секторах, и многие вопросы энергоснабжения БВС и создания соответствующей инфраструктуры требуют детального исследования.
