Долгие годы в нашей стране отсутствовала единая государственная политика и межведомственная координация в части разработок технологий водородной энергетики, что приводило подчас к нерациональному дублированию и недофинансированию перспективных проектов. Однако, за последние три года отношение к водородной энергетике в нашей стране кардинально изменилось. Такой поворот был неизбежен на фоне того, как передовые страны Запада и Востока заявили о переходе к безуглеродной энергетике, постепенном отказе от ископаемых углеводородных энергоносителей, объявили водород самым перспективным видом топлива.  Развитие технологий и запрос общества на экологичность энергетики меняют облик энергосистем и модальность энергопотребления. На диаграмме «Источники генерации электроэнергии» можно видеть, как с 2015 г. к 2050 г. изменится структура генерации электроэнергии.

Если в 2015 г. доля возобновляемых источников энергии (ВИЭ) составляла всего 24%, то через 35 лет до 85% электроэнергии будет производиться с использованием ВИЭ. А на традиционные энергоносители останется всего 15%.

Движущими силами «новой энергетики» являются: государственная политика, направленная на декарбонизацию, энергобезопасность, доступность источников, а также развитие технологий. На Западе и в промышленно развитых странах Азии становление водородных технологий происходит такими темпами, которые нам пока недоступны. Но можно надеяться, что в скором времени эта ситуация изменится. К «энергетическому переходу» подталкивает также мировая тенденция на децентрализацию (островная экономика и концепция «чистых зон»).

В центре этого процесса, по мнению многих ученых, находится водород. Крайне важно, чтобы этот тренд сохранялся, и задачи, которые ставит то или иное государство реализовались в запланированные сроки. По различным прогнозам, такой переход в мировом масштабе должен совершиться до 2040 г. В Германии, Японии, США этот переход ожидается в более ранний период.

Важнейшим мероприятием, содействующим такому переходу, является государственная поддержка водородной энергетики. Без такой поддержки столь глобальную проблему решить невозможно. Наиболее продвинутой в этом плане является Япония. В Стране восходящего солнца упор делается на то, что водород станет тем самым топливом, которое будет поддерживать экологию на уровне, достойном для комфортного проживания человека. Уже сегодня у Японии заключен договор с производителем водорода в Австралии, предполагающий его поставку в Японию водным путем.

Согласно Энергетической стратегии Российской Федерации на период до 2035 г., утвержденной 09.06.2020 г., экспорт водорода к 2024 г. составит
0,2 млн тонн, к 2035 г. – 2 млн тонн.

О том, что водород на мировом рынке сегодня в тренде, говорят данные по капитализации активов некоторых игроков на рынке водородной энергетики. У американской компании Plug Power, занимающейся разработкой энергоустановок на водородных топливных элементах, капитализация выросла в 16 раз; у канадского разработчика топливных элементов с протонообменной мембраной Ballard – в 4 раза; у немецкой фирмы Fuelcellenergy – в 7 раз. И с каждым годом эти показатели будут только увеличиваться.

Водород может использоваться в качестве компонента в целом ряде процессов в нефтехимии, металлургии, в электронной промышленности. Но в данной статье мы говорим о водороде, в первую очередь, как об энергоносителе, как источнике генерации электроэнергии.

Целевым рынком использования водорода как энергоносителя являются транспортные средства – колесный безрельсовый и рельсовый наземный транспорт, водный и воздушный транспорт, также перспективными считаются стационарные ЭУ с ТЭ для распределенной энергетики. Объем рынка водородных топливных элементов для транспорта оценивается в $180 млрд, для стационарного применения – $210 млрд.

Топливные элементы – качественная ступень повышения эффективности преобразования энергии

Электрическую энергию при помощи водорода можно получить двумя путями. Н₂ можно просто сжигать, получая тепловую энергию, преобразовывать ее в механическую энергию вращения, которая затем в генераторе превращается в электрическую энергию. Более короткий путь, в одну стадию, реализуется путем преобразования химической энергии водорода в топливных элементах непосредственно в электрическую энергию постоянного тока.

Динамики рынка топливных элементов (ТЭ) с начала XXI века впечатляет. Так если в 2007 г. суммарная мощность энергоустановок (ЭУ) с ТЭ, введенных в эксплуатацию, составила 37 МВт, то в 2020 г. она выросла в 30 раз и составила 1,319 ГВт. Всего за период 2007-2020 гг. в мире было введено в эксплуатацию таких энергоустановок суммарной мощностью более 4,5 ГВт. При этом спрос на транспортные ТЭ с 6 МВт в 2007 г. возрос до 993,5 МВт в 2020 г., т.е. в 166 раз.

На транспорт: электроавтомобили, тяжелые грузовики, автобусы, поезда, речной транспорт – приходится ~ 80% установленной мощности ТЭ, порядка 200-250 МВт – на стационарные установки и совсем немного – на портативные ТЭ для зарядных устройств, мобильных телефонов и других гаджетов. 

Роль государства в развитии отечественной водородной энергетики

Целью энергетической политики России является максимально эффективное использование природных энергетических ресурсов и потенциала энергетического комплекса для устойчивого роста экономики, повышения качества жизни населения страны и содействия укреплению ее внешнеэкономических позиций. За последнее время вышло несколько основополагающих документов, структурирующих всю работу по водородной энергетике.

В Энергетической стратегии России на период до 2035 г. (утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 09.06.2020 г. № 1523-р)– основном документе стратегического планирования в сфере энергетики, нашли отражение как традиционные направления развития (СПГ-сектор, нефтегазохимия), так и сравнительно новые (газовое топливо на транспорте), и инновационные (водородная энергетика). Впервые газомоторное топливо и водородная энергетика были упомянуты наравне с традиционными источниками.

Несмотря на то, что еще 7 июля в 2011 г. В.В.Путин подписал Указ № 899, которым затверждался перечень критических технологий, от уровня развития которых зависит безопасность страны, и куда вошла технология водородной энергетики, вплоть до 2020 г. водородной проблематикой на государственном уровне системно никто не занимался. И вот в 2020 г. утверждается Энергетическая стратегия. В октябре 2020 г. Распоряжением Правительства РФ № 2634-р (12.10.2020 г.) утверждается план мероприятий «Развития водородной энергетики в Российской Федерации до 2024 г.». В документе прописаны основные мероприятия, реализация которых должна позволить достичь паритета в развитии водородной энергетики с ведущими в этой области зарубежными странами.

Затем последовало Распоряжение Правительства РФ от 05.08.2021 г. № 2162-р по утверждению Концепции развития водородной энергетики в Российской Федерации. Параллельно с этим документом вышло Распоряжения Правительства РФ от 23.08.2021 г. № 2290-р по утверждению Концепции по развитию производства и использования электрического автомобильного транспорта в Российской Федерации на период до 2030 г. Концепция развития электротранспорта включает в себя и развитие водородных технологий. Отдельно прописано применение водорода для транспорта. Водородный автомобиль — это электромобиль, использующий электроэнергию, генерируемую в топливных элементах в результате электрохимической реакции водорода с кислородом, содержащемся в воздухе. Применения водородной энергетики для транспорта сегодня является мировым трендом.

В феврале 2023 г. Межведомственной рабочей группой по развитию водородной энергетики в Российской Федерации была утверждена «Дорожная карта» развития высокотехнологичного направления «Водородная энергетика» на период до 2030 г.

 Смена технологии

В настоящее время подавляющая часть электроэнергии производится традиционными способами, в том числе в многостадийном процессе преобразования химической энергии топлива в тепловую, тепловой – в механическую, механической – в электрическую, сопровождающемся на каждой стадии энергопотерями и выбросами вредных веществ. Более 60 % всех мировых электрогенерирующих мощностей приходится на тепловые электростанции, сжигающие органическое топливо.

Топливные элементы (ТЭ) представляют собой устройства прямого (одностадийного) преобразования химической энергии топлива, в данном случае, водорода в электрическую, с минимальными потерями, более эффективно и без выброса вредных веществ.

Водород и кислород (из воздуха) не имеют непосредственного контакта и не вступают в химическую реакцию, а участвуют в электрохимической реакции. Водород подается на анод топливного элемента и через газодиффузионный слой (ГДС) транспортируется к каталитическому слою, нанесенному на поверхность протонообменной мембраны (ПОМ). При контакте с катализатором атом водорода теряет электрон, который через внешнюю цепь движется к катоду, совершая при этом работу и создавая постоянный электрический ток. Положительно заряженный протон движется к катоду через газоплотную ион-проницаемую мембрану. Со стороны катода в топливный элемент поступает воздух, который так же через ГДС диффундирует к каталитическому слою с противоположной стороны мембраны, где атом кислорода из воздуха соединяется с протоном и электроном, совершившим работу, с образованием водяного пара.

Таким образом, ТЭ является экологически чистым источником электричества и тепла, а также воды высокой чистоты.

Многостадийность процесса преобразования химической энергии в электрическую с использованием тепловых машин не позволяет получить КПД выше 35%, в то время как прямое преобразование в электрохимическом генераторе с ТЭ обеспечивает КПД до 50% и более на номинальной нагрузке.

Еще более эффективными принято считать энергоустановки на основе высокотемпературных, в первую очередь твердооксидных ТЭ, работающих при температуре от 700 до 1000 ^оС. Их суммарный коэффициент полезного действия (электроэнергия + полезное тепло) может достигать 80-85%, при этом количество вредных выбросов на несколько порядков ниже, чем у энергоустановок машинного типа.

Ключевым элементом ЭУ является батарея топливных элементов (БТЭ), которая формируется из последовательно устанавливаемых повторяющихся элементов (МЭБ, биполярные пластины, уплотнительные элементы), собираемых в пакет, стягиваемый концевыми пластинами (крышками).

В свою очередь, модуль ТЭ состоит из одной или нескольких БТЭ, вспомогательного оборудования, конструктивных элементов и контроллера БТЭ.

Следующий уровень – электрохимический генератор (ЭХГ) – сборочная единица, включающая в себя один или более электрически и механически связанных между собой модулей ТЭ в комплексе с системами управления и защиты и вспомогательным оборудованием, обеспечивающими его (их) функционирование.

И наконец верхний уровень иерархии, энергоустановка с ТЭ – генерирующая система, включающая в себя один или несколько электрохимических генераторов, систему хранения и подготовки топлива, систему подготовки окислителя, систему управления, контроля и защиты ЭУ, в состав энергоустановки могут входить система хранения окислителя, устройства преобразования электроэнергии (инверторы), накопители электроэнергии (аккумуляторные батареи, суперконденсаторы), система утилизации тепловой энергии, генерируемой в ТЭ.

С точки зрения энергоресурсосбережения и экологии топливные элементы, безусловно, являются позитивным шагом в развитии энергетики. Наиболее чувствительным моментом в водородных проектах является экономика. Как обстоят дела и каковы ожидания с точки зрения стоимости, демонстрирует график прогноза снижения стоимости ЭХГ (по данным Deloitte).

Например, возможности повышения КПД дизель-генераторных установок, имеющих более чем столетнюю историю, практически исчерпаны. В то время, как возможности повышения эффективности топливных элементов, как показывает опыт разработок последних десятилетий, весьма значительны. Как следствие, вырисовывается хорошая перспектива для значительного снижения стоимости технологий ТЭ. Если 1 кВт установленной мощности для дизель-генератора стоит от $500 то 1 кВт установленной мощности для ТЭ в 2017 г. (по данным Deloitte) стоил $1700. В планах к 2029 г. сравняться по стоимости с дизель-генераторами, то есть приблизиться к 500-700 и при этом достичь ресурса ЭХГ 30 тыс. час.

Состояние и перспективы развития транспорта с ЭУ на топливных элементах в мире и стране. Мировой опыт создания «водородного» транспорта

Локомотивом для продвижения водородной энергетики в современном мире является транспорт. Транспортные средства с гибридными энергетическими установками с ТЭ (сл. 11) обладают целым рядом решающих преимуществ по сравнению с транспортными средствами с механическими или электрическими (питающимися от внешнего источника – контактной сети) силовыми установками (СУ) (сл. 11).

Отсутствуют передаточные звенья при преобразовании химической энергии топлива в электроэнергию, как в традиционных двигателях внутреннего сгорания. Нет механических движущихся частей. На выработку 1 кВт·ч электроэнергии тратится не более 50-60 г водорода при КПД 45-60%. К достоинствам гибридных ЭУ с топливными элементами относятся также:

• экологическая чистота по выбросам и шуму;
• высокая экономичность, меньшая требуемая установленная мощность, более продолжительные межсервисные интервалы и низкая стоимость обслуживания по сравнению с механическими СУ;
• простое масштабирование мощности под требования заказчика;
• большая автономность по сравнению с электрическими СУ, отсутствие привязки к контактной сети.

Развитые зарубежные страны добились значительных успехов в создании транспортных энергоустановок на топливных элементах («водородные» энергоустановки) практически для всех применений: автомобильный, рельсовый, водный и воздушный виды транспорта.

В сентябре 2018 г. в Германии запустили 2 поезда на водородных топливных элементах – Coradia iLint (вышедшие на неэлектрифицированный маршрут, заменив собой дизельные локомотивы), а в ближайших планах еще десятки таких поездов. На крыше Coradia iLint установлены емкости с водородом и электрохимический генератор (ЭХГ). Великобритания тоже представила свой «водородный поезд» на выставке Rail Live в июне 2019 г., это вагон, оборудованный 100-киловаттной батареей топливных элементов, литий-ионными аккумуляторами и хранилищем на 20 кг сжатого водорода. Китай еще в октябре 2017 г. запустил в городе Таншань первый в мире трамвай на водородных топливных элементах.

Планируется применение водородной энергетики и на судах, на сегодняшний день насчитывается порядка 10 таких концепт-проектов, у финнов, норвежцев, голландцев и еще в ряде стран на судах уже используются такие установки. Более того, применяют водородные системы и в авиации. Например, беспилотники с этими системами обеспечивают дальность полета в 2-3 раза большую, чем на аккумуляторных батареях. Разработаны и концепты пассажирских самолетов, рассчитанных на 1-2 человек.

Но самый удачный пример, пожалуй, Toyota Mirai, впервые представленная в ноябре 2013 г. Автомобиль оснащен энергоустановкой с ЭХГ на твердополимерных топливных элементах (PEMFC) мощностью 130 кВт, водород хранится в двух баках емкостью 60 и 62,4 л под давлением 70 МПа. Предельная скорость движения 175 км/ч.

В 2021 г. французскому экипажу удалось на одной заправке проехать
1000 км. Заправившись водородом на станции HysetCo в пригороде Парижа, новая модель Toyota Mirai проехала чуть более 1000 километров без дозаправки. На сегодня это мировой рекорд пробега без дозаправки для сравнительно нового типа автомобилей, использующих водородные топливные элементы. Среднее потребление водорода во время путешествия не превысило 0,55 кг на 100 километров. Всего в Mirai заправляется до 5,6 кг особо чистого водорода, гарантирующего нулевой выброс токсичных веществ в атмосферу.

В июне 2022 г. Европарламент поддержал резолюцию, которая предлагает запрет на продажу после 2035 г. новых автомобилей с уровнем выбросов CO₂ выше нулевого. В 2021 г. ЕК предложила с 2035 г. полностью перейти на электромобили и запретить выпуск на территории Евросоюза автомобилей на традиционном топливе. Но на такое количество электромобилей не хватит лития. При этом возникнет серьезная проблема с утилизацией литиевых батарей. Большая часть электромобилей будет производиться как водородные авто. 

А что в России?

Следует отметить, что проблемой транспорта на водородных топливных элементах начали заниматься еще СССР около 50 лет назад.

В этом направлении были достигнуты научно-практические результаты мирового уровня.

Так, например, в 1982 г. НПО «Квант» (Москва) и заводом РАФ (г. Рига) был создан экспериментальный водородный микроавтобус «Квант-РАФ» с комбинированной энергоустановкой на основе водородно-воздушного ТЭ мощностью 2 кВт и никель-цинковой аккумуляторной батареи энергоемкостью 5 кВт·ч, который был представлен на Московской международной выставке «Электро-82» и прошел экспериментальную эксплуатацию.

После того, как в 1990-х гг. НПО «Квант» практически свернул водородную тематику, «флаг» подхватили «Автоваз» с Уральским электрохимическим комбинатом (УЭХК), усилиями которых были созданы два концепт-автомобиля с ЭХГ линейки «Лада» – «Антэл-1» и «Антэл-2».

При этом от момента создания микроавтобуса «Квант-РАФ» до создания легкового автомобиля «Антэл-1» (2001 г.) прошло почти 20 лет, фактически потерянных для развития транспортных ЭУ на топливных элементах.

Главным достижением создателей «Антэла-1» было то, что все оборудование, предназначенное для челнока «Буран» (знаменитая космическая программа, к сожалению, также свернутая по причине отсутствия финансирования), начиная от баллонов и кончая самой энергетической установкой, уместилось в багажнике, под полом и под капотом обычной длинной «Нивы». Сам автомобиль стал переднеприводным – электродвигатель был размещен впереди, под капотом. «Космический» ЭХГ «Фотон» был основательно доработан, было поднято напряжение с 36 В до 120 В, а также увеличена мощность с 10 кВт до 17 кВт (при кратковременном увеличении до 25 кВт).

А через два года появился «Антэл-2». По сравнению с первенцем, это детище получилось уже куда более похожим на обычный автомобиль, а не просто на ходовой образец, где обкатывалась идея. Базой послужил универсал ВАЗ-2111. «Антэл-2» ничем – ни снаружи, ни в салоне, ни в багажнике – не напоминал о том, что это, мягко говоря, не совсем обычный автомобиль. Только открыв «подпол» багажника, где у обычного автомобиля прячется запасное колесо, вместо него можно было увидеть водородные баллоны. А заглянув в моторный отсек – увидеть там нечто совершенно непохожее на двигатель внутреннего сгорания – электрохимический генератор, под которым скрывался электродвигатель, приводящий в движение передние колеса. Водородные баллоны суммарным объемом 90 л, в которых помещалось 2,1 кг водорода, обеспечивали запас хода автомобиля 350 км при максимальной мощности электродвигателя 90 кВт и максимальной мощности ЭХГ 25 кВт.

Однако и этот проект был свернут, не вызвав интереса как у инвесторов, так и у руководства «АвтоВАЗа».

Следует особо подчеркнуть, что все представленные выше проекты были реализованы исключительно на основе отечественных технологий.

Проект водородного трамвая в Санкт-Петербурге

Следующей отечественной практической инновационной разработки пришлось ждать более 15 лет.

В 2019 г. в рамках совместного проекта городов-побратимов «Трансформация в сторону безвыбросного городского транспорта в Дрездене и Санкт-Петербурге» был создан действующий макет «Водородный трамвай». На основании соглашения ГУП “Горэлектротранс” и ФГУП «Крыловский государственный научный центр» менее чем за пол года выполнили проект доработки типового трамвая ЛМ68М2, был изготовлен и смонтирован в составе трамвая макетный образец энергоустановки на топливных элементах, который в составе трамвая прошел стендовые, а также эксплуатационные испытания в условиях городской среды на Московском проспекте СПб (сл. 20).

Особо следует подчеркнуть, что энергоустановка была изготовлена исключительно по отечественным технологиям с минимальным использованием импортных материалов и комплектующих. Основной целью проекта было показать возможность и целесообразность внедрения технологий водородной энергетики на транспорте. В результате было получено представление об эксплуатационных характеристиках «водородного» трамвая, работоспособности ЭУТЭ в условиях динамических нагрузок. Уточнено фактическое потребление водорода 0,22 кг(H₂)/км при измеренном удельном расходе электроэнергии в режиме автономного хода 4,1 кВт·ч/км и средней мощности ЭУТЭ около 30 кВт. Определено усредненное значение КПД ЭХГ, равное 56%, исследованы и отработаны динамические режимы функционирования ЭХГ без подключения накопителей энергии.>

Перспектива оснащения трамваев ЭУТЭ состоит в том, что это позволяет отказаться от контактных и кабельных сетей и что самое главное, от тяговых подстанций стоимостью до 120 млн рублей (в ценах 2019 г.), которые должны располагаться на расстоянии не более 2 км друг от друга. Несмотря на то, что оснащение трамвая энергоустановкой на топливных элементах увеличивает его стоимость на около 30%, как показали экономические расчеты, такой проект экономически целесообразен особенно на вылетных линиях, соединяющих мегаполис с ближайшими пригородами.

К сожалению, проект не нашел поддержки у нового руководства ГУП «Горэлектротранс», и по завершении демонстрационных испытаний энергоустановка в декабре 2019 г. была демонтирована, а ее оборудование возвращено в Крыловский центр.

Опыт, полученный при создании макета ЭУТЭ, может быть с успехом использован при разработке транспортных ЭУТЭ для электробусов, трамваев, маневровых тепловозов, речных прогулочных судов, грузовых автомобилей и т.п.

На сегодня в России есть два ярко выраженных лидера в области разработок и создания транспортных ЭУ с ТЭ. Это уже упомянутое выше ФГУП «Крыловский государственный научный центр», обладающее более чем 40-летним опытом работ по тематике водородной и ООО «Инэнерджи», динамично развивающаяся негосударственная компания, сумевшая за короткое время заявить о себе, как о ведущем игроке на рынке водородных технологий.

ООО «Инэнерджи» выполняет разработки гибридных энергоустановок (ЭХГ+АКБ) для всех видов транспорта: автомобильного, железнодорожного, водного и воздушного, используя свои компетенции в части электрохимических решений для новой энергетики. За десять лет работы компанией произведено более 5000 батарей топливных элементов с протонообменной мембраной, с твердооксидным электролитом, а также накопителей энергии.

По инициативе специалистов «Инэнерджи» была разработана концепция программы развития Новых и Мобильных Источников Энергии (NAMES) (сл.14), включающая три направления: «Генерация», «Накопители энергии», «Водород и зеленая химия». При реализации концепции упор делается на использование российских технологий и развитие отечественной науки и производства.

Последние 2 года, благодаря активной политике Государства, направленной на развитие водородной энергетики и электротранспорта, а значительной мере активизировались разработки транспортных ЭУ на топливных элементах.

 Автомобильный транспорт

Наиболее значимым для отрасли проектом, выполняемым ООО «Инэнерджи», является проект по созданию совместно с Государственным научным центром «Центральный научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт «НАМИ» ЭХГ на базе отечественных технологий и комплектующих  для автомобиля AURUS. Срок реализации проекта – 2024 г. Основные параметры ЭХГ: номинальная мощность ЭХГ не менее 85 кВт, максимальная сухая масса ЭХГ не более 185 кг, минимальная долговременная мощность ЭХГ не более 15 кВт; КПД ЭХГ после DC/DC на номинальной мощности не менее 47%; выходное напряжение постоянного тока ЭХГ после DC/DC от 450 до 820 В.

Другим значимым проектом ООО «Инэнерджи» для автомобильного транспорта является совместная с КАМАЗом разработка гибридной силовой установки (СУ) для городского электробуса с ЭХГ на водород-воздушных ТЭ и буферной АКБ. Следует отметить высокую степень поддержки водородных новаций правительством Москвы. Мэр столицы С. Собянин считает, что в скором времени Москва сумеет выпустить на улицы города транспорт на водороде. В сентябре текущего года должен быть готов автобус для «обкатки». А к 2030 г. Министерство энергетики России намерено перевести 10 % столичного автобусного парка на водород. Мощность, потребляемая при движении автобуса 18 т/26 т, небольшая – 45/60 кВт. Пиковая мощность приходится на страгивание с места и разгон. 45 кВт-модуль ЭХГ способен обеспечить эксплуатацию водоробуса с крейсерской скоростью до 60 км/час в течение 8-часовой смены. Основные параметры гибридной энергоустановки с ЭХГ и АКБ составят:

• установленная эл. мощность ЭХГ – 45 кВт,
• номинальная эл. мощность ЭХГ – 36 кВт,
• емкость буферной АКБ – 43,8 кВт·ч,
• утилизируемая тепловая мощность ЭУ – 35 кВт,
• расход водорода в режиме номинальной мощности – 2,9 кг/ч,
• габариты ЭХГ – (ВхДхШ) – 1,2 х 1 х 0,6 м,
• масс ЭХГ – 200 кг,
• запас топлива в хранилище водорода – 32 кг,
• хранилище водорода:

• композитные баллоны Ø 418х2020, 350 бар, объем 185 л/4,25 кг Н₂,
• количество – 8 шт.
• масса – 1360 кг.

Стоимость эксплуатации водоробуса ниже, чем электробуса на литиевых батареях, однако по этому показателю он пока проигрывает автобусу на газе и дизельном топливе (сл.17). При этом у водоробуса есть значительные резервы для снижения стоимости эксплуатации и он не производит никаких выбросов.

В перспективе у ООО «Инэнерджи» разработка СУ для магистрального тягача КАМАЗ (40т, 200 кВт), карьерного самосвала КАМАЗ (240 кВт), карьерного самосвала БЕЛАЗ (90т, 2х150 кВт); для коммерческого транспорта (доставка), коммунальной техники, вилочных погрузчиков; мотоциклов, скутеров, самокатов, багги.

Железнодорожный транспорт

В организации водородных проектов активно участвует ОАО «РЖД». Первым регионом в России, где реализуется проект по углеродной нейтральности, является Сахалинская область. Сахалин станет местом создания водородного кластера, в рамках которого предполагается организация производства, экспорта и внутреннего потребления водорода, в том числе для нужд транспорта. Сахалинский проект реализуется в рамках соглашения, подписанного в 2019 г. ОАО «РЖД», АО «Трансмашхолдинг», ГК «Росатом» и правительством региона. На Восточном экономическом форуме (ВЭФ-2021) ими был подписан протокол, согласно которому РЖД содействуют в разработке и производстве водородного подвижного состава, предоставляют инфраструктуру для проведения испытаний и подконтрольной эксплуатации, администрация Сахалинской области – за обеспечение условий для реализации проекта, ТМХ изготавливает подвижной состав, «Росатом» отвечает за производство и поставку водородного топлива, организацию и эксплуатацию систем заправочной инфраструктуры.

В 2030 г. объем производства водорода в Сахалинской области должен достичь 100 тыс. т/год.

Для железнодорожных пассажирских перевозок ОАО «РЖД» реализует проект по созданию 13 рельсовых автобусов «Орлан» по 3 вагона с водородными энергоустановками (СУ – 2х180 кВт). Первый водородный поезд ОАО «РЖД» готовится запустить к 2024 г.

Также для РЖД разрабатываются силовые установки для магистрального локомотива (14х200 кВт), для маневрового локомотива (110 кВт), для межрегионального электропоезда в 5 вагонов (3х200 кВт), пассажирских вагонов локомотивной тяги (32/43 кВт), путеукладочного поезда (31 кВт), поезда для детских ж.д. (105-210 кВт). В перспективных проектах – источники питания для линейных объектов РЖД (2-15 кВт) и СУ для трамвая (100 кВт).

Из перечисленных выше проектов для подвижного состава для РЖД  опережающими темпами развивается проект маневрового локомотива с силовой установкой с топливными элементами номинальной мощностью 750 кВт. Время работы между заправками 120 час, мощность ЭХГ 110 кВт, запас водорода
1000 кг.

Для магистрального локомотива с силовой установкой с топливными элементами для полигона БАМ ее мощность должна составлять 2х3500 кВт, мощность модуля ЭХГ 200 кВт, количество модулей ЭХГ в ЭУ 2х14 шт., запас водорода 2500 кг, общая протяженность маршрута 2350 км.

Появление первого головного образца маневрового локомотива на водороде ожидается в 2026 г. Первый магистральный локомотив на водородном двигателе ОАО «РЖД» ожидает в 2028 г.

Водный транспорт

Продолжает расти интерес к гибридным системам и к технологиям с использованием водорода для водного транспорта. Крыловский государственный научный центр – научный центр судостроения работает над проектом пассажирского прогулочного судна мощностью ЭУ 70 кВт со сроком окончания в 2023 г. По контракту с Минпромторгом должно быть спроектировано и изготовлено судно, оснащенное универсальным модулем на топливных элементах, системой электродвижения, системой хранения водорода и системами безопасности, позволяющими классифицировать его для использования в акваториях Санкт-Петербурга. Это будет экскурсионно-прогулочное судно пассажировместимостью 12-15 человек. Номинальная электрическая мощность универсального модуля, выдаваемая БТЭ, должна быть не менее 70 кВт. Судно заложено на судостроительном заводе имени А.М.Горького в г. Зеленодольске 6 марта 2013 г. и уже через несколько месяцев оно будет спущено на воду. К этому же времени должна быть создана береговая заправочная инфраструктура.

Своим путем идет Москва, в транспортную систему столицы будут включены и 23 электрических судна на водороде для речного транспорта столицы. Суда на 80 посадочных мест будут обслуживать пассажиров – москвичей и гостей столицы.

По заявлению генерального директора Центра водородной энергетики АФК «Система» Ю.А. Добровольского испытания водородного речного трамвайчика начнутся уже в апреле 2023 г.

Такой речной трамвайчик с ЭХГ по своему жизненному циклу в четыре раза выгоднее, чем трамвайчик на аккумуляторе, отмечают в Центре. При этом по сравнению с литий-ионными аккумуляторными батареями, заправка энергоустановок на водородных топливных элементах может быть обеспечена в течение 3-5 минут, что позволит значительно повысить эксплуатационные характеристики водного транспорта. 

Воздушный транспорт

В России сфера гражданского авиастроения развита слабо в отличие от Запада, где это направление развивается активно. Прогнозируется, что короткие рейсы на малых самолетах перейдут на водород, а в крупных самолетах появятся вспомогательные силовые установки на водороде. Строительство крупных коммерческих самолетов на водородных топливных элементах возможно только ближе к 2030 г. Интерес к использованию самолетов на топливных элементах в качестве личных самолетов возрастет в ближайшем будущем.

Специалисты Исследовательского центра «Гибридные и электрические силовые установки» Центрального института авиационного моторостроения (ЦИАМ) разрабатывают энергетическую силовую установку мощностью 35 кВт на основе водородных топливных элементов для полностью электрического самолета. Практически все системы энергоузла разработаны в ЦИАМ совместно с Санкт-Петербургским морским государственным техническим университетом (СПбГМТУ), на базе которого в г. Приморске Ленинградской области в 2022 и 2023 гг. были проведены испытания демонстратора авиационной СУ. Такая энергоустановка сможет работать и как вспомогательная силовая установка для «больших» летательных аппаратов, и служить основным источником энергии для электрических силовых установок малоразмерных ЛА.

В перспективе запланированы ее испытания на сверхлегком пилотируемом самолете “Сигма-4Э”, оснащенном электрическим двигателем мощностью 60 кВт.

Разработкой отечественной водородной силовой установки для гражданских воздушных беспилотников занимается Центр водородных технологий по заказу компании “Аэромакс” (входит в АФК “Система”) Мощность силовой установки — до 100 кВт, она должна поднимать в воздух грузовой беспилотный вертолёт взлётной массой 750 кг. Летные испытания вертолета на водородных топливных элементах ожидаются осенью 2023 г.

Водородная заправочная инфраструктура

Массовое использование транспорта, в первую очередь автомобильного, с применением ЭУ с ТЭ невозможно без решения вопроса организации заправочной инфраструктуры. Согласно Концепции развития электротранспорта, в России первые водородные заправочные станции (100 единиц) должны появиться в 2025 г. К 2030 г. их число должно быть доведено до 1000.

С необходимыми объемами производства водорода для обеспечения заправочной инфраструктуры, в принципе, проблем нет. Общий объем производства водорода в мире оценивается в 55-65 млн тонн, хотя только 10% Н₂ является рыночным продуктом, производимым на специализированных предприятиях.

Зато мы сталкиваемся с серьезными проблемами, связанными с хранением и транспортировкой водорода.

Теплотворная способность водорода примерно в 3 раза выше, у традиционных углеводородных топлив, но при этом он в 9 раз легче природного газа и в 9000 раз – жидких топлив.

Хранить и транспортировать водород можно либо в газообразном состоянии под высоким давлением, либо в криогенном (жидком) виде. И тот, и другой способ страдают существенными недостатками.

Плотность газообразного водорода при давлении 35 МПа составляет около
23 кг/м³, а при 70 МПа – 41 кг/м³, таким образом, даже при столь высоком давлении хранения удельная масса водорода составляет не более 5% от массы системы хранения.

Более благоприятная картина при хранении и транспортировании криогенного водорода, плотность которого составляет 71 кг/м³, при температуре минус 253 °С, однако неизбежно добавляются большие затраты на сжижение (~10 кВт·ч/кг) и потери от испарения около 1% в сутки.

Таким образом, напрашивается вывод, что производство H₂ для заправки автотранспорта целесообразно размещать в местах его потребления. Но в любом случае, так как в свободном виде водород отсутствует, для его производства требуются затраты энергии.

Получить водород можно различными способами, однако к промышленно освоенным следует отнести, в первую очередь: паровую конверсию природного газа, пиролиз угля и электролиз воды. При этом 95 % продуктового Н₂ получают из природного газа методом конверсии.

В зависимости от того, какие источники энергии и экологические мероприятия применяются при электролизе воды, водород подразделяется на:

• «зеленый» H₂ – источник энергии ВИЭ,
• «розовый» H₂ – источник энергии АЭС,
• «желтый» H₂ – смешанный источник эл. энергии.

Электролизный водород является экологически чистым продуктом, но на его производство требуются большие затраты эл. энергии. Паровой конверсией и пиролизом ископаемых топлив получают: «голубой» H_2, «бирюзовый» H₂ – с улавливанием и утилизацией CO₂ или С, и «серый» H₂ – без улавливания CO₂.

«Серый» водород получают из природного газа методом конверсии. Водяной пар смешивается с природным газом, парогазовая смесь в присутствии катализатора на основе никеля при температуре в диапазоне 600 – 800 ^оС превращается (конвертируется) в синтез-газ с высоким содержанием водорода. Затем из синтез-газа тем или иным способом выделяется чистый водород, а углекислый газ выбрасывается в атмосферу, тем самым оказывая негативное влияние («парниковый эффект») климат Планеты. «Серый» H₂ – самый дешевый. Он стоит $1,5-2 за 1 кг. «Зеленый» водород в 5 раз дороже – до $10 за 1 кг. Для массового использования Н₂ необходимо решить проблему снижения стоимости зеленого Н₂ до приемлемых величин. Экологически чистый «зеленый» водород в России на текущий момент можно производить только в ограниченных количествах.

На модульных водородных газозаправочных комплексах (ВГЗК) производительностью 10 кг/ч при производстве «серого» Н₂ можно выйти на 290 руб. за 1 кг. При электролизном производстве «зеленого» Н₂ его стоимость может составить 770 руб. за 1 кг.

Перспективы применения водорода в энергетике

Проанализировав современное состояние и перспективы развития водородной энергетики, можно заключить, что мировая экономика находится на пороге нового энергоперехода: от традиционной энергетики к энергетике, основанной на возобновляемых источниках энергии. И одним из универсальных средств для решения этой задачи является водород. По мере развития этого направления все более очевидными становятся экологические и энергоресурсосберегающие преимущества водородных технологий в различных областях экономики. Запасы водорода в связанном состоянии практически не ограничены, кроме того, водород – универсальный вид энергоресурса, который может использоваться в качестве горючего для производства электричества и в качестве энергоносителя для транспортировки в газообразном, жидком и связанном состояниях. Важнейшей технологией водородной энергетики является технология топливных элементов.

Многие промышленно развитые страны уже приняли и успешно продвигают национальные водородные программы, связанные с переходом на «зеленую» энергетику и экономику. Чтобы добиться этого, будут вводиться экономические меры — т.н. углеродный налог. Переход на водород для России может стать экономически выгодным.

Наиболее перспективным направлением для внутреннего потребления водорода для России является транспорт. Существующие электромобили на аккумуляторах в меньшей степени пригодны для больших расстояний и порой суровых погодных условий нашей страны. Водородные топливные элементы кроме электричества в качестве побочного продукта производят тепло, которое можно использовать для обогрева, что для России является дополнительным преимуществом водородной энергетики с ее нежарким климатом.

Развитие водородных проектов находится в зоне пристального внимания российского правительства. В ближайшие три года на развитие водородной энергетики оно намерено выделить более 9 млрд руб. Они пойдут на разработку и апробацию отечественных технологий производства, транспортировки, хранения и что особенно важно, использования водорода в качестве энергоносителя.

Россия должна войти в число разработчиков и поставщиков новой высокотехнологичной продукции, поскольку именно это предопределит путь инновационного развития отечественной энергетики.

Учить с малых лет

Темпы развития технологий водородной энергетики в России во многом зависят от уровня общественного сознания, понимания неизбежности, а главное целесообразности перехода к «водородному укладу» жизни. Кроме того, необходимо опережающими темпами готовить на всех стадиях обучающего процесса специалистов: ученых, инженеров, экономистов, ориентированных на участие разработках изделий водородной энергетики. Короче говоря, водородной энергетике надо учить с самого раннего возраста, как это делается, например, в Японии.

В этом направлении ООО «Инэнерджи» не стоит в стороне и занимается разработкой технологий, обучающих основам новой энергетики. Для средних школ, колледжей, центров дополнительного научно-технического образования, университетов, корпоративных центров дополнительного образования созданы учебные программы и образовательные стенды, полнофункциональные, уменьшенные узлы систем альтернативной энергетики (топливные элементы, солнечные батареи и ветрогенераторы, редокс-накопители). Их обучающий эффект намного превосходит традиционные схемы, мониторы. По сути, это лабораторная работа, где своими руками можно собрать ЭХГ, ветряк и т.д., и приобрести полезный опыт.

Автор: И.К. Ландграф
Источник: http://www.proatom.ru/