Водородная лихорадка

Компания «Российские железные дороги» считает перспективным запуск подвижного состава на водородной тяге. Водородный двигатель, будучи самым технологически сложным, в то же время является самым экологически чистым – в результате работы на топливном элементе появляется пар. По признанию учёных, внедрение водородного транспорта способно произвести переворот, сравнимый с тем, что произошёл при переходе с паровой на дизельную и электрическую тягу. Водородная энергетика – новый мировой экологический тренд, и ОАО «РЖД» может оказаться в числе его пионеров.


Всё готово

В конце августа – начале сентября этого года произошли три события, давших новый старт водородному транспорту и водородной энергетике в России.

В начале сентября во Владивостоке в ходе V Восточного экономического форума ОАО «РЖД», АО «Трансмашхолдинг» и АО «Росатом» заключили соглашение о сотрудничестве и взаимодействии по проекту организации железнодорожного сообщения с применением поездов на водородных топливных элементах. Согласно этому документу, ТМХ и «Росатом» займутся производством подвижного состава на водородных топливных элементах, который будет испытываться в Сахалинском регионе Дальневосточной дороги.

Предусматривается также создание центра компетенций с целью развития и последующего распространения отработанных в Сахалинской области решений на другие неэлектрифицированные участки, прежде всего на Дальнем Востоке. ОАО «РЖД» рассматривает этот проект как важное перспективное направление повышения экологической безопасности и эффективности железнодорожного транспорта.

За несколько дней до подписания этого соглашения, 29 августа, Министерство энергетики России приняло решение разработать программу развития водородной энергетики России. Эксперты Минэнерго оценивают мировой рынок водородного топлива к 2040 году в $32–164 млрд, а Россию считают одним из потенциальных поставщиков этого нового вида топлива.

В то же время на Международном железнодорожном салоне «PRO//Движение.Экспо» председатель Объединённого учёного совета ОАО «РЖД» Борис Лапидус сообщил, что при президенте Академии наук РФ создана рабочая группа по водородному топливу с участием ОАО «РЖД», РАН, «Росатома» и Трансмашхолдинга.
При Институте химической физики РАН существует Центр компетенций по технологиям новых и мобильных источников энергии, включающий специалистов «Сколково», Физико-технического института им. Иоффе РАН, РХТИ им. Менделеева, НИУ МФТИ, МГУ и 11 производственных предприятий. Одним из направлений его работы является разработка водородных топливных элементов для тягового подвижного состава.

Наука и промышленность обладают всеми необходимым технологиями для постройки подвижного состава на водородной тяге, включая самый важный компонент – технологию производства протонообменной мембраны, самой важной детали элемента конструкции водородного топливного элемента.

Водород производится в России в чистом виде для использования в нефтеперерабатывающей, металлургической и химической промышленности. Производство водорода в более широких масштабах возможно на мощностях «Росатома» – на Ленинградской и Кольской АЭС, а также на Усть-Среднеканской ГЭС, обладающей недозагруженными мощностями. Для транспортировки водорода не нужно строительство дополнительной инфраструктуры, поскольку его можно перекачивать по существующим газопроводам вместе с природным газом. Существует также промышленная технология сепарации водорода в точке его доставки.

Водородная тяга может иметь широкие перспективы на сети: примерно 49% сети ОАО «РЖД» неэлектрифицировано, на дизельном топливе работают 6422 локомотива, которые могут быть заменены водородными. В первую очередь замена дизельных локомотивов на водородные благоприятно скажется на экологии городов, где на крупных вокзалах маневровую работу выполняют дизельные локомотивы. Водородная тяга может заменить дизельную на малонагруженных линиях РЖД.

По мнению Бориса Лапидуса, замена дизельной тяги на водородную произведёт революцию в железнодорожном транспорте.


Волшебный пластик

Водородный топливный элемент, или «протонообменная мембрана», состоит из анода, катода и твёрдого электролита – тонкой плёнки фторорганического пластика нафион (российское название – МФ-4СК). Анод и катод наносятся на нафионовую плёнку, после чего элемент покрывается карбоновой бумагой. Толщина такой мембраны в сборе – всего несколько микрон.

Принцип её работы состоит в разделении атомов водорода, состоящих из одного протона и одного электрона и их обратном воссоединении в присутствии кислорода с последующим синтезом молекул воды. Водород подаётся на анод, где происходит его диссоциация – отрицательно заряженные электроны отделяются от положительно заряженных протонов. Протоны проходят через нафионовую мембрану, с другой стороны которой находится катод, на него подаётся воздух из окружающей среды. Электроны, в свою очередь, проходят через электрическую цепь от анода к катоду. Здесь происходит окислительно-восстановительная реакция – молекулы кислорода, электроны и протоны водорода объединяются в молекулы воды.

Применение таких мембран стало возможным благодаря особым свойствам нафиона – его высокой протонной проводимости. Реакция проходит при относительно высокой температуре 50–100 °С, что позволяет превращать производимую реакцией воду в пар. Современные технологии нагрева обеспечивают пуск реакции и стабильную работу элементов в достаточно широком диапазоне температур. Удельная мощность таких топливных элементов достаточно высока – мембрана площадью всего в 1 кв. м производит 10 кВт. Тонкость мембраны позволяет формировать из неё компактные блоки, производящие достаточно большие объёмы электроэнергии.


Мировой тренд

Свойства водорода как потенциального топлива известны давно. Первый двигатель внутреннего сгорания, работавший на водороде, был изобретён ещё в 1806 году. Однако из-за высокой летучести и пожароопасности, а также вследствие широкой доступности углеводородного топлива интерес к водороду пропал. Но вернулся с началом освоения космоса. Именно тогда впервые нашли практическое применение водородные топливные элементы, разработанные ещё в 50-х годах прошлого столетия – их начали применять как источники электроэнергии на орбитальных космических кораблях. Но настоящим толчком к использованию водородных элементов на транспорте стало стремление мирового сообщества найти альтернативу углеводородам. Водородная энергетика активно развивается в США, Китае и ЕС последние 20 лет. Водородные топливные элементы широко используются в США для снабжения электроэнергией небольших зданий. Во второй половине 2020 года в Германии должен вступить в строй завод компании Shell мощностью 1300 тонн водорода, который планируется производить путём электролиза воды с помощью электроэнергии, получаемой из экологически чистых источников. Строительство водородного завода планируется и в Австрии.

Hydrogen Council – Международный совет по водородным технологиям (общественная организация, объединяющая руководство крупнейших энергетических компаний и представителей правительств развитых стран. – Ред.) – считает, что к 2050 году водород будет обеспечивать 18% энергетических потребностей мировой экономики. Ожидается, что к этому времени мировое потребление водорода вырастет до 370 млн тонн в год (к 2100 году – до 800 млн тонн). В Минэнергетики России считают, что мировой рынок водородного топлива к 2040 году может достичь объёма в 164 млрд тонн.

Водородом планируется заменить примерно 20% природного газа, используемого сейчас в Европе для отопления, и полностью заменить уголь, используемый для выплавки стали. Ещё одной важной сферой применения является железнодорожный транспорт, в котором водородное топливо уже нашло своё практическое применение.


Встать на рельсы

Первым локомотивом на водородных топливных элементах стал 3,6-тонный шахтный локомотив, введённый в эксплуатацию в Канаде в 2002 году. Он был построен на базе типового шахтного локомотива, работавшего на свинцово-кислотных аккумуляторах. Мощность локомотива при тех же габаритах выросла с 7 до 17 кВт. Запаса энергии стало хватать на восемь часов работы вместо шести, а время зарядки батареи снизилось с восьми до шести часов. Единственным недостатком стало снижение веса локомотива с 3,6 до 2,5 тонны, что снизило коэффициент трения колёс о рельсы, поэтому в конструкцию пришлось добавить балласт.

В 2006 году Восточно-Японская железнодорожная компания приступила к испытаниям рельсового автобуса на водородных топливных элементах.

Экспериментальный пассажирский вагон, оборудованный двумя индукционными двигателями мощностью 95 кВт, двумя полимерными топливными элементами мощностью по 65 кВт, литий-ионными батареями ёмкостью 19 кВт·ч, нёс в установленных на крыше танках 270 л сжиженного водорода и развивал скорость до 100 км/ч. Запас хода этого экспериментального прототипа оставался небольшим – 80–100 км.

В 2010 году в России успешно прошла испытания построенная на базе топливных элементов электростанция, помещавшаяся в перестроенном полувагоне. Такая электростанция, не производящая вредных выбросов, предназначалась для питания техники при проведении работ в тоннелях или труднодоступных местах.

В 2012 году в ЮАР были запущены шесть 10-тонных горнорудных локомотивов, построенных по такому же принципу. Локомотивы успешно эксплуатируются до сих пор.

В феврале 2016 года в США закончились испытания двух 130-тонных маневровых локомотивов – самых тяжёлых и мощных на сегодняшний день. Мощность этой модели составляет 1,6 МВт. Один из локомотивов использовался в качестве мобильного источника электропитания на американской базе ВВС Хилл.

Однако первый полностью готовый к эксплуатации пригородный поезд на водородных топливных элементах был представлен французской компанией Alstom в 2016 году на железнодорожной выставке InnoTrans в Берлине.

Coradia iLint – пригородный моторвагонный поезд, состоящий из двух головных вагонов, был построен на платформе Coradia и оснащён двумя топливными элементами мощностью по 225 кВт, бортовая мощность его тяговых и вспомогательных систем составляет 850 кВт. Поезд может развивать скорость до 140 км/ч и перевозить до 160 пассажиров. Дальность следования – до 1000 км. В расположенных на крыше танках Coradia iLint несёт 178 кг водорода. Alstom заявляет, что состав может быть удлинён до 5-вагонной комплектации без снижения мощности и дальности следования.

С сентября 2018 года два состава Coradia iLint эксплуатируются на 100-километровой линии Кукхавен – Букстехуде в Германии. К 2021 году на этой линии будет эксплуатироваться уже 14 таких поездов. Весной этого года был заключён контракт на поставку в 2022 году 27 поездов для эксплуатации на пригородных линиях во Франкфурте. Ещё 41 состав был закуплен «Баварскими региональными железными дорогами».

Британские железнодорожные операторы рассматривают возможность закупки водородных поездов. Весной 2019 года Бирмингемский центр железнодорожных исследований и образования представил разработанный совместно с Alstom 4-вагонный пригородный электропоезд HydroFlex. В нём водородная топливная ячейка мощностью 100 кВт используется как вспомогательный источник питания – на случай потери тока в контактной сети.

Успешная реализация соглашения РЖД, Трансмашхолдинга и «Ростатома» может выдвинуть Россию в лидеры разработок составов на водородных топливных элементах. Основным препятствием до сих пор считалась высокая стоимость водорода. Розничная цена литра сжиженного водорода примерно в два раза выше розничной цены дизельного топлива, но этот недосток компенсируется тем, что энергетическая ценность водорода в четыре раза выше.

Лев Кадик