RuEn
© 2018–2019 Train and Brain

Капля водорода

В ЕС определились, какой водород можно считать зеленым. После того как эта позиция получит признание в остальных странах, мир ускоренными темпами начнет переходить на H2. Машиностроители давно тестируют силовые установки с водородными элементами, а потому без раскачки включились в новую промышленную гонку.

Самый зеленый

Водород всегда считался потенциально одним из самых мощных источников энергии. В лабораторных условиях 1 г этого вещества может дать в три раза больше энергии, чем 1 г природного топлива, например бензина. Характеристики также позволяют многократно увеличить стартовый крутящий момент, запас хода. Сегодня водород уже широко используется в различных отраслях в качестве промышленного сырья, в первую очередь в химической промышленности и нефтепереработке. Популярность водородных двигателей особенно растет в последние 10–15 лет, после того как H2 начали рассматривать как способ декарбонизации атмосферы. Существует порядка 10 вариантов его выделения, каждому из которых присвоен определенный цвет (см. таблицу). Пока более 90% всего H2 производится по технологии паровой конверсии (риформинга) метана и угля. Но основным побочным продуктом (иначе говоря, отходом) является углекислый газ, который производителю также приходится улавливать. Сейчас доля электролизного зеленого водорода в мире оценивается порядка 0,1–3%. Точная цифра зависит от того, какой способ производства считают экологичным в конкретной стране.
Зеленый водород в ЕС считают самым перспективным. 1 грамм H2 может дать в три раза больше энергии, чем 1 грамм традиционного топлива.
Быстро, но дорого
Работы с водородом длятся с середины XX века. Но повсеместное внедрение водородных двигателей сдерживало рентабельность выделения H2 — в чистом виде в природе его не найти. По оценкам Международного энергетического агентства (IEA), себестоимость производства наиболее «дешевого» водорода из газа оценивается в 1,5– 3,5 долл. за 1 кг. Пока это выше, чем стоимость топлива, полученного из природных источников: нефти, газа и иных природных ресурсов. В результате из всей потребляемой транспортным сектором энергии на водород пока приходится менее 0,01%

Закон суров

В мае этого года Еврокомиссия опубликовала план развития водородной энергетики REPOwerEU. Его приняли для реализации курса, нацеленного на снижение выбросов углерода в атмосферу. Одна из заявленных целей — достичь 10 млн т внутреннего производства и 10 млн т импорта именно зеленого водорода к 2030 году. Почти сразу Еврокомиссия опубликовала проект директивы, где впервые в мировой истории появилось определение зеленого водорода. Юридические формулировки все еще сложны. Указано, что производитель водорода должен обеспечить прямое соединение источника альтернативной энергетики (ВИЭ) и электролизера. Доля использования ВИЭ для выделения H2 варьируется в зависимости от отрасли.

Также зафиксировано, в каком объеме и в каких случаях поставщики водорода для транспортного сектора смогут использовать традиционное возобновляемое топливо для производства. Прогнозируется, что, когда директиву ЕС официально одобрят, откроется доступ к дополнительному финансированию для множества стартапов, которые специализируются именно на производстве дорогого, но перспективного зеленого водорода. Машиностроительные концерны также готовы включиться в «водородную гонку» фактически без раскачки. Большинство из них за последние 20 лет уже скопили завидный опыт работы с H2 и готовы предложить рынку модели, всерьез не уступающие аналогам, с силовыми установками на традиционных источниках энергии.
Концепт автобуса, оснащенного водородным двигателем.
Полмиллиарда тонн H2
По оценкам IEA, в 2020 году объем рынка H2 составлял 90 млн т. Но прогнозируется, что мировой годовой спрос на водород увеличится к 2050 году до 520 млн т. При этом стремительное снижение цен (как минимум до 1 долл. за кг) приведет к тому, что водород будет обеспечивать 24% мировых потребностей в энергии. Это поможет сократить глобальные выбросы парниковых газов на 34%.

Первопроходцы

Хотя первыми экспериментировать с водородными топливными элементами начали автопроизводители, создать продукт для широкого круга потребителей удалось железнодорожникам. В гибридных поездах водородные двигатели рассматриваются как альтернатива дизельным. С их помощью предполагается проходить неэлектрифицированные участки путей.

Датой рождения водородных поездов можно считать 2002 год, когда в Квебеке мир увидел карьерный локомотив японской компании Nuvera. Показатели модели были достаточно скромные: вес — 3,6 т, а мощность — 17 кВт.
В свою очередь, японский NE Train стал первым в мире водородным поездом, который дожил до коммерческой эксплуатации
В свою очередь, японский NE Train стал первым в мире водородным поездом, который дожил до коммерческой эксплуатации. В 2008 году его оснастили шестью баками для хранения H2 (общей емкостью 270 л) и литийионными аккумуляторами емкостью 19 кВт·ч.

Мощность двух тяговых двигателей достигала 95 кВт. Благодаря им поезд развивал скорость до 100 км/ч. В 2018 году модель производителя Alstom Coradia iLint получила допуск на рынок Германии, а чуть позже — на дороги Австрии. В этих странах эти поезда уже прошли более 200 000 км. С 2021 года iLint тес тируется во Франции.
Alstom Coradia iLint
Готовится коммерческая эксплуатация модели в Италии, Нидерландах, Венгрии, Чехии, Польше. Прямо сейчас Coradia — это самый массовый электропоезд с водородным топливным элементом. Он оснащен также аккумуляторной батареей, которая подзаряжается за счет накопленной энергии торможения, имеет режимы ускорения и обеспечивает питанием бортовые системы. Как следствие, при движении со скоростью 140 км/ч в обычном режиме без
дозаправки он в среднем проходит от 600 до 800 км.

В 2019 году швейцарский Stadler Rail заключил контракт на поставку в США водородного поезда Flirt. Это будет первая модель такого типа на железных дорогах Северной Америки.

Эксплуатировать водородные поезда выгодно уже сегодня. По оценкам аналитиков Ballard Motive Solutions (BMS), стоимость киловатт-часа, генерируемого водородным и дизельным двигателем локомотива, сегодня уже сравнялась и составляет порядка 0,40 долл. Водород дороже, но коэффициент полезного действия (КПД) у такого двигателя выше (40–45% против 30–33%). Иное дело, что стоимость, ремонт, заправка и обслуживание водородных поездов обходятся пока гораздо выше, чем дизельных.
Параллельный курс
В прошлом году Правительство России утвердило Концепцию развития водородной энергетики. Ее планируется реализовать в три этапа. Начальный - экспериментальный - продлится три года. В этот период создадут минимум три территориальных производственных кластера. Предварительно северо-западный будет специализироваться на поставках водорода в страны Европы и реализации мер по снижению углеродного следа. Восточный ориентирован на поставки H2 в страны Азии, а также должен заниматься развитием водородной логистики. Арктический призван обеспечить низкоуглеродное электроснабжение Заполярья.

Два следующих этапа — 2035 и 2050 годы. К этим срокам планируется открыть крупные производства H2 и перейти к серийному применению водородных технологий в различных секторах экономики.

Крупнейшие отечественные компании, в частности «Газпром» и «Росатом», работают над технологиями получения водорода с минимальным углеродным следом уже несколько лет. H2 они предлагают добывать за счет адиабатической конверсии метана с применением атомной энергии.

Идут работы и в сфере практического применения водорода. Специалисты Центрального института авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ) в 2022 году начали разработку гибридного авиадвигателя, где в качестве топлива будет использоваться жидкий H2. Новую силовую установку создадут на базе двигателя ВК-2500. Испытания проходят на модели Як-40ЛЛ.

РЖД, ТМХ, правительство Сахалинской области и «Росатом», в свою очередь, заключили соглашение о разработке и последующем внедрении водородного локомотива. Его создадут на базе рельсового автобуса «Орлан».

«Горэлектротранс» и ЦНИИ СЭТ (входит в Крыловский государственный научный центр) работают над созданием водородного трамвая на базе модели ЛМ-68М.
  • Алексей Жихарев
    Директор Ассоциации развития возобновляемой энергетики

«Так называемый зеленый водород, который считается наиболее эффективным для декарбонизации, получают за счет электролиза воды с применением электроэнергии из возобновляемых источников (ВИЭ). В мае этого года Европейская комиссия выставила на публичное обсуждение проект, где впервые дано определение зеленого
водорода.

Один из вариантов доказать, что производимый вариант - зеленый, — обеспечить наличие прямого соединения между ВИЭ-объектом и электролизером и дополнительно соблюсти принципы одновременности и дополнительности. То есть выработка электроэнергии объектом ВИЭ-генерации должна происходить одновременно с потреблением электроэнергии для производства зеленого водорода. Объект ВИЭ-генерации, вырабатывающий электроэнергию для производства водорода, должен быть запущен не ранее чем за три года до ввода в эксплуатацию электролизера.

Также водород могут признать зеленым в ЕС, если производитель подключит электролизер к сети и одновременно заключит договоры Power Purchasing Agreement (PPA) на покупку энергии ВИЭ и соблюдет еще ряд дополнительных требований.

При сравнении низкоуглеродных водородных технологий главным конкурентом зеленого водорода считается голубой, который производят из природного газа и при производстве которого побочный углекислый газ улавливается и помещается в специальные хранилища (технология CCS — улавливание и хранение углерода).

В долгосрочной перспективе многие страны заинтересованы в потреблении зеленого углерода. Однако на начальных этапах трансформации мировой экономики большое значение отводится именно голубому.

Прогнозируется, что в разных странах в зависимости от сценария цен на углеводороды ценовой паритет голубого и зеленого водорода будет достигнут на горизонте до 2030 года. При этом при текущих мировых ценах на энергоносители он может быть достигнут существенно раньше, а в отдельных странах — уже сегодня.

Важнейшим фактором является цена на углеводороды, которая находится на исторически беспрецедентных уровнях более восьми месяцев подряд. Другими важными факторами повышения эффективности являются КПД возобновляемой генерации, КПД электролизеров и топливных ячеек и удешевление технологий».

Дорожное движение

Автопроизводители сегодня также проявляют решительность. Казалось, совсем недавно, в 2014 году, на рынке появился первый серийный автомобиль данного типа - Toyota Mirai. А сегодня почти все крупные концерны (Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford, Nissan, Daimler и др.) уже представили модели на водороде. По подсчетам аналитиков НРА (High Performance Analytics), уже по итогам 2021 года в мире было продано более 11 200 водородомобилей.

Также развивается сегмент водородобусов. Самый активный спрос на них пока в Китае (продано порядка 1000 в 2021 году). Тем не менее пока автопроизводители скорее «столбят» рынок. Из-за отсутствия инфраструктуры пользоваться водородными автомобилями потребителям сложно.

В целом, по оценкам Rystad, даже при бесплатном водородном топливе средняя стоимость владения Toyota Mirai на километр превышает на 30% стоимость поездок на Tesla M3 на 10–16 тыс. км.

Стоимость моделей также несопоставима. Для сравнения: Toyota в 2021 году начала реализовывать модель Mirai за 50 тыс. долл. Еще 20 тыс. долл. субсидируется правительством Японии. В то же время близкие по характеристикам модели электрокаров — Kia Niro, Nissan Leaf, Chevrolet Bolt — сегодня реализуются в диапазоне 30 тыс. долл. без всяких субсидий.

Сами концерны делают ставку в первую очередь на электромобили. Для сравнения: по данным IEA, прода-
жи электрифицированных машин в прошлом году выросли более чем вдвое — с 3,1 млн до 6,6 млн штук.
Развитие водородного транспорта сдерживает недостаток заправочной инфраструктуры

Скоро в небо

Производители самолетов пока используют водородные силовые установки в основном при проектировании моделей малой авиации.

Еще в 2008 году первый пилотируемый полет совершил легкий самолет с двигателем на водородных топливных элементах PEM от компании Boeing. В NASA анонсировали модель X57 Maxwell, созданную на базе итальянского легкого двухмоторного самолета Tecnam P2006T. Китай уже провел испытательный полет двухместного самолета RX1E.

Как правило, мощность силовых установок на водородных элементах таких самолетов невысока — 20 кВт — и они носят вспомогательный характер. Однако постепенно амбиции авиаторов тоже увеличиваются. В 2021 году ZeroAvia провела первую пусковую эксплуатацию водородного авиадвигателя ЗА600 с силовой установкой мощностью 600 кВт. Оснащенный таким двигателем самолет рассчитан уже на перевозку 19 пассажиров.

Airbus в мае 2022 года объявил, что протестирует силовую установку с водородными топливными элементами на модифицированной версии лайнера A380. Правда, в небо такой борт поднимется не раньше 2035 года.
Airbus протестирует двигатель с водородными топливными элементами на модифицированной версии лайнера A380
На перспективу
Водородные локомотивы следующего поколения будут еще мощнее, быстрее и дешевле в эксплуатации, чем предшественники. В 2022 году анонсировано уже несколько новых моделей. Siemens Mobility начала испытания поезда Mireo plus H. Водородный двигатель установили на проверенную платформу Mireo, которую можно модифицировать под различные системы тяги. Модель оснастили системой топливных элементов HD8 с повышенным КПД (до 50%). Кроме того, Siemens внес изменения в конструкции резервуаров высокого давления, трубопроводов и блока обработки газа. С января 2024 года два поезда будут введены в регулярную эксплуатацию.

Испанский концерн CAF начал статические испытания демонстрационного поезда с водородным двигателем на заводе в Сарагосе. Производитель создает модель для проекта FCH2Rail. Его реализует консорциум компаний, в который также вошли DLR, Toyota, Renfe, Adif и другие. Топливные элементы этой же серии, что и для FCH2Rail, Toyota поставила для японского поезда Hybari (Hydrogen-Hybrid Advanced Rail Vehicle for Innovation). Оператор East Japan Railway начал испытания модели весной 2022 года. По предварительным расчетам, поезд сможет проехать до 140 км на одном заряде водорода. Однако тестовый прототип будет двигаться с меньшей скоростью — 100 км/ч.

Под будущие водородные поезда уже создается специальная инфраструктура. Для немецкого рынка Siemens представил новые емкости для транспортировки водорода. Блок хранения и блок-цистерна сконструированы таким образом, что их можно перевозить поездом или грузовиком. Также в компании презентовали новую систему подачи топлива в локомотив с тягой на H2. Во время демонстрации компании удалось повторить время заправки обычной дизельной модели.

Переходный период

Складывается впечатление, что многие машиностроители заблаговременно знали о плане REPоwerEU и встретили новые директивы во всеоружии. В то же время говорить, что для всех новых проектов будет использоваться именно зеленый водород, неверно: рынок еще не готов. Себестоимость H2, полученного с помощью ВИЭ, пока выше, чем синего, почти в два раза — 2–6 долл. на 1 кг.

На цены влияет дефицит оборудования. Так, по данным IRENA, к концу 2021 года в мире установлены электро лизеры совокупной мощностью 0,7 ГВт. Для реализации всех только заявленных зеленых проектов в мире к 2030 году это число должно увеличиться до 91 ГВт.

Постепенно по мере удешевления необходимого оборудования и стоимости генерации ВИЭ цена зеленого водорода будет снижаться. Но как минимум десятилетие в мире продлится переходный период. Экологичный H2 будет сосуществовать Airbus протестирует двигатель с водородными
топливными элементами на модифицированной версии лайнера A380 с иными углеродонейтральными видами водорода, но на распространение водородных поездов, самолетов и автомобилей это существенного влияния не окажет.
В 2014 году появился первый серийный автомобиль с водородным двигателем - Toyota Mirai.
Коротко:
1
Еврокомиссия опубликовала проект директивы, где впервые дала определение зеленого водорода.
2
Существует порядка 10 способов выделения водорода, каждому из которых присвоен определенный цвет.
3
Водород уже широко используется в различных отраслях в качестве промышленного сырья.
4
Как минимум десятилетие зеленый водород будет сосуществовать с иными углеродонейтральными решениями.