Водородная энергетика в России

В 1941 году техник-лейтенант войск противовоздушной обороны (ПВО) защищавших Ленинград во время Великой отечественной войны Борис Шелищ предложил использовать "отработанный" водород из заградительных аэростатов войск ПВО в качестве топлива для двигателей автомобилей ГАЗ-АА ("полуторка"). Полуторки использовались в качестве транспортно-энергетической единицы поста противовоздушной обороны — лебёдка автомобиля, приводимая в движение от двигателя ГАЗ-АА позволяла осуществлять подъем-спуск аэростатов. Это предложение было внедрено в 1941-1944 годах в блокадном Ленинграде, было оборудовано 400 водородных постов ПВО. В условиях блокады и отсутствия бензина перевод автомобилей с бензина на водород позволил эффективно защитить город от прицельного бомбометания самолётами вражеской авиации.[1]

В 1979 году творческим коллективом работников НАМИ (в составе Кузнецова В.М. (руководитель группы НАМИ), Раменского А.Ю. (аспирант НАМИ), Козлова Ю.А. (механик), под научным руководством Шатрова Е.В.) был разработан и испытан опытный образец микроавтобуса РАФ, работающий на водороде и бензине.[2]

В 1982 году Совет Московского автомеханического института (МАМИ) рассмотрел диссертацию Раменского А.Ю. (научный руководитель Шатров Е.В.) на соискание ученой степени кандидата технических наук по теме "Исследование рабочих процессов автомобильного двигателя на бензино-водородных топливных композициях". В России это по-видимому первая диссертация, в которой подробно изучались вопросы теории рабочих процессов ДВС, работающего на водороде[3].

В 2006 году Национальной ассоциацией водородной энергетики на Международном форуме по проблеме развития водородных технологий для производства энергии, проведенном в Москве 6-10 февраля 2006 года, был представлен автомобиль Газель с двигателем внутреннего сгорания, работающий на бензоводородных топливных композициях. На холостом ходу и малых нагрузках, свойственных движению автомобиля в городских условиях, работа ДВС осуществляется на водороде, по мере увеличения нагрузки осуществляется подача бензина. При этом подача водорода уменьшается. На режиме максимальной мощности ДВС работает только на бензине. Такая организация подачи топлива, позволяет максимально реализовать преимущества водорода и бензина. Автомобиль разработан при участии организаций-членов НАВЭ ( МЭИ(ТУ), ЗАО Автокомбинат 41 (Москва), ООО "Аудит-Премьер.[4]

НП НАВЭ с 20 по 25 августа 2006 года был проведён автопробег бензоводородных автомобилей по маршруту Москва – Н.Новгород – Казань- Нижнекамск – Чебоксары – Москва. По окончании автопробега была проведена в Государственной Думе пресс-конференция, на которой обсуждалась роль технического регулировании в развитии водородной экономики в нашей стране, необходимость гармонизации нормативно-технической базы в области водородных технологий с зарубежными странами, включая США, ЕС, Японию, Китай, Индию и др.[5]

В 2007 году Национальная ассоциация водородной энергетики (Россия) на XI Петербургском международном экономическом форуме представила первый отечественный водородный автомобиль, оснащенный двигателем внутреннего сгорания и комбинированной энергоустановкой. Работа была выполнена в тесном сотрудничестве с ОАО "АВЭКС", Московским энергетическим институтом МЭИ (ТУ) и ЗАО Автокомбинат №41. Полезная нагрузка автомобиля 2000 кг. Мощность электропривода 65-70 квт, мощность ДВС 10 квт. Запас хода автомобиля 200 км, в том числе на аккумуляторной батарее без дозарядки ДВС-генератором 70 км. [6][7]

В СССР первые публикации о топливных элементах появились в 1941 году.

Первые исследования начались в 60-х годах. РКК «Энергия» (с 1966 года) разрабатывала PAFC элементы для советской лунной программы. С 1987 года по 2005 год «Энергия» произвела около 100 топливных элементов, которые наработали суммарно около 80 тыс. часов.

Во время работ над программой «Буран», исследовались щелочные AFC элементы. На «Буране» были установлены 10 кВт. топливные элементы.

В 70-80 годы «Квант» совместно с рижским автобусным заводом «РАФ» разрабатывали щелочные элементы для автобусов. Прототип автобуса на топливных элементах был изготовлен в 1982 году.[8]

В 1989 году «Институт высокотемпературной электрохимии» (Екатеринбург) произвёл первую SOFC установку мощностью 1 кВт.

В 1999 году АвтоВАЗ начал работы с топливными элементами. К 2003 году на базе автомобиля ВАЗ-2131 было создано несколько опытных экземпляров. В моторном отсеке автомобиля располагались батареи топливных элементов, а баки со сжатым водородом в багажном отделении, то есть была применена классическая схема расположения силового агрегата и топливных баков-баллонов. Разработками водородного автомобиля руководил к.т.н. Мирзоев Г. К.

В 2021 г. правительство РФ утвердило "Концепцию по развитию производства и использования электрического автомобильного транспорта в Российской Федерации на период до 2030 года"[9] К 2030 г. запланировано строительство 1000 зарядных станций для автомобильного транспорта с электрическим питанием от водородных топливных элементов.[10]

В начале 1980-х годов в конструкторском бюро Н. Кузнецова (Самара) были разработаны авиационные двигатели, предназначенные для пассажирских самолётов Туполева. Эти двигатели, работающие на водороде, прошли стендовые и лётные испытания. К сожалению, известные события в России в конце 1980-х — начале 1990-х годов, не позволили довести работы по водородным авиадвигателям Кузнецова до широкого их применения в транспортной и пассажирской авиации. К настоящему времени сохранились несколько законсервированных работоспособных авиационных двигателей Кузнецова на складах КБ в Самаре.

Также, в конце 1980-х — начале 90-х проходил испытания авиационный реактивный двигатель на жидком водороде, установленный на самолёте Ту-154.

В конце 1980-х годов Владимиром Львовичем Фрайштадтом из Научно-исследовательского предприятия гиперзвуковых систем (НИПГС) была предложена концепция гиперзвукового аппарата; водород производится на борту самолёта из углеводородов.[11]

В соответствии с правительственной дорожной картой по развитию водородной энергетики в России до 2024 года[12] запланировано создание в стране опытного образца железнодорожного транспорта на водороде. Само соглашение о разработке и эксплуатации поездов на водородных топливных элементах было подписано в начале сентября 2019 года на Восточном экономическом форуме между Сахалином, «РЖД», «Росатомом» и «Трансмашхолдингом» (ТМХ). До середины 2021 года Минэнерго России должно подготовить консолидированное предложение по формированию кластеров для апробации и комплексного внедрения технологий водородной энергетики. Формируемый в министерстве для аппарата правительства документ, между тем, имеет непосредственное отношение к сахалинскому «водородному» проекту и, скорее всего, рассматриваться уже будет наряду с готовящимся к внесению проектом концепции развития водородной энергетики в России.

Ключевым аргументом в пользу природного газа при производстве водорода пока является низкая себестоимость его конверсии – в пределах $1,5–3 за 1 кг. При более дорогой технологии электролиза воды себестоимость резко возрастает в 2,5–3 раза. Именно вопрос рентабельности водородного топлива в сравнении с традиционным оказывается в числе решающих для технологов ТМХ. Дело в том, что существующая модель водородного поезда удорожает его жизненный цикл более чем в 2 раза. Но при использовании технологии, основанной на получении из природного газа, вполне возможно добиться снижения стоимости водорода в 3–4 раза[13].

При потенциальном использовании газотранспортных сетей в экспорте водорода в Европу конкуренцию «Газпрому» и «Новатэку» (доля совокупного газового импорта которых в ЕС в 2019 году составила 47,5%) составят наиболее перспективные с позиции водородной генерации регионы Евросоюза — это прежде всего страны Скандинавии, акватории Северного и Балтийского морей, а также Южная Европа.

Ключевой специализацией Европейского Севера являются гидроэнергетические технологии выработки водорода (скандинавские страны) либо за счёт ветровой энергии (акватерриториальные комплексы ВИЭ). Европейский Юг (страны Средиземноморья) богат солнечной энергией — здесь стоит обратить внимание на подписанное в июне 2020 года марокко-германское соглашение о строительстве первого в Марокко завода по производству «зелёного» водорода. Проект, реализуемый в рамках действующего с 2012 года совместного энергетического партнерства (PAREMA), направлен на развитие индустриальных решений по преобразованию солнечной энергии на основе технологии Power-to-X.

Но даже с учётом экономической привлекательности до сих пор нерешённым остаётся вопрос с локализацией производства и транспортировкой водорода. В качестве вероятных вариантов действий российских газоэкспортирующих компаний на европейском водородном рынке приводится возможность использования действующей газотранспортной системы.

Оценочно, технические возможности позволяют довести уровень содержания водорода в метано-водородной смеси (МВС) до 20 %, с последующей её доставкой по газотранспортной инфраструктуре. Причём предлагается даже перевести нитку газопровода «Северный поток» и возводимый «Северный поток — 2» полностью под экспорт водорода либо с доведением концентрации водорода в МВС до 70 %[14].

Пока же «Газпром» скорее исходит из нежелательности подобного варианта, указывая на риски несоблюдения долгосрочных контрактных обязательств как по поставкам газа, так и в отношении качества экспортируемого сырья. Кроме того, совершенно неясно: на кого в таком случае будет возложено бремя допинвестиций на адаптивную модернизацию газотранспортной инфраструктуры к пропуску МВС?

По мнению эксперта-регионоведа Рината Резванова, потенциальным решением проблемы может стать производство водорода на стороне потребителя, в пределах действующих газокомпрессорных станций. Соответственно, мощности водородогенерирующих мощностей вблизи станций будут варьироваться в зависимости от параметров существующего/прогнозируемого локального спроса. Это позволит, с одной стороны, обеспечить необходимый объем производства водорода как в самой России, так и в европейских регионах, согласно заявленной его востребованности, а с другой – сохранить специализацию газотранспортной системы без инициации спецпрограмм по ее модернизации либо вообще строительства дополнительных ниток[13].