Мир медленно, но верно переходит на экологичное водородное топливо. По некоторым городам уже колесят автомобили с ДВС, работающем на водороде. Таким оснащены, например, Toyota Mirai и Hyundai Nexo. В Германии вовсю эксплуатируются водородные поезда Coradia iLint компании Alstom. Разрабатываются даже водородные самолёты, такие как Airbus ZEROe, которые планируется запустить в эксплуатацию уже к 2035 году. Россия пока находится в самом начале пути. Но и здесь есть свои пионеры. Так, команда ученых Омского государственного университета путей сообщения разработала уникальную водородную систему*, которой предполагается оснастить железнодорожный транспорт.
Как это скажется на пассажирских перевозках, по какому принципу работает инновационная топливная система, насколько безопасно водородное топливо и каковы перспективы у такого вида транспорта – об этом изданию «Евразия сегодня» рассказал кандидат технических наук и доцент кафедры «Подвижной состав электрических железных дорог» Омского государственного университета путей сообщения Кирилл Доманов.
– Расскажите о своей разработке. Какова цель этого проекта?
– Основная часть – это разработка инновационного гибридного рельсового транспорта. Мы предлагаем дооснащать существующие электропоезда (если точнее, их головные вагоны) водородными топливными элементами. Правильнее сказать, водородными системами, потому что система под собой подразумевает и резервуары для хранения водорода, и специальный преобразователь для передачи электроэнергии на тяговые и электрические двигатели. То есть, по сути, мы модернизируем существующий электропоезд. Зачем это нужно?
В 2015 году Генеральная Ассамблея ООН утвердила так называемые 17 целей в области устойчивого развития. И наша разработка направлена на реализацию седьмой в этом списке задачи – это доступная и чистая энергия.
– Если рассматривать практическое применение этой разработки, то как она может послужить стране?
– Дело в том, что в железнодорожной системе нашей страны есть участки электрифицированные и неэлектрифицированные, то есть такие, где отсутствует питающая электрический транспорт контактная сеть. И РЖД к нам обратились с запросом: как на таких участках пустить электропоезд или поезд меньшей мощности. Сегодня пассажирское движение там осуществляется следующим образом: электропоезд движется по электрифицированной линии, доходит до места, где контактная сеть кончается, – подъезжает тепловоз. На него и на электропоезд устанавливается дополнительное оборудование, чтобы система работала. И потом по неэлектрифицированному участку электропоезд движется уже с тепловозом. Какие минусы тут есть: тепловоз заправляется дизельным топливом, которое при сгорании выбрасывает в атмосферу углеводороды, задействуются две локомотивные бригады и так далее. А наша разработка решает эту проблему: когда электропоезд подходит к неэлектрифицированному участку, он просто переключается на водородную топливную систему и движется дальше самостоятельно.
– Опирались ли вы в своих исследования на международный опыт? Я знаю, что подобные поезда производили в Германии, Японии, Китае.
– Конечно, мы проводили большой анализ научно-технической информации, искали сообщения по теме и на новостных каналах. Вообще первопроходцем в области водородного топлива можно назвать французскую компанию Alstom. Еще в 2016 году они представили первый водородный поезд. А вообще по всему миру темой транспорта, работающего на водородном топливе, активно занимается более 70 компаний. Если говорить кратко, то лидерами в этом направлении являются Европа, Китай, США и, как ни странно, Индия. То есть азиатская часть мира тоже преуспевает. Такие компании, как Siemens, Alstom, Stagg, Talga, Toyota, ведут разработки в данной области. Но в чем нюанс? Все-таки они говорят либо о полностью водородном подвижном составе, либо о гибридном с использованием аккумуляторных батарей. У нас все-таки принципиально новая разработка, отличающаяся от уже известных. Мы предлагаем устанавливать водородную систему на головные вагоны. Потому что головной вагон в электропоезде всегда входит в составность. Электропоезда могут быть 4-, 8- и 10-вагонные, но в них всегда присутствуют головные вагоны.
– Насколько эта система большая и тяжелая, ей хватит места в головном вагоне?
– Мы провели анализ и пришли к выводу, что оснащение головных вагонов возможно без нарушения так называемого габарита приближения строений (максимально допустимые размеры транспортного средства, которые позволяют безопасно двигаться по железной дороге, не задевая окружающие строения, мосты, тоннели или другие объекты. – Прим. ред.), а также без превышения норм нагрузки на ось колесной пары. На сегодняшний день допустимая нагрузка составляет не более 25 тонн на ось. Соответственно, все работы мы можем выполнить с соблюдением установленных норм и требований.
– А по какому принципу водород работает как топливо? Как вырабатывается энергия?
– Принцип достаточно известный. Сначала заправляются специальные резервуары, которые находятся на подвижном составе. Дальше это все поступает в топливный элемент, где есть так называемая мембрана, разделяющая камеры с анодом и катодом. В первую поступает водород, а во вторую – кислород из воздухозаборника, который тоже имеется на электропоездах. Каждый из электродов этой мембраны покрывается слоем специального катализатора, в результате чего происходит химическая реакция: водород начинает терять электроны – отрицательно заряженные частицы. И в этот момент проходят протоны – положительно заряженные частицы. В результате чего образуется водородный пар и электричество.
– А какой водород нужен для работы – жидкий или газообразный?
– Можно и жидкий, и газообразный. Но в первую очередь мы отдаем предпочтение газообразному, поскольку для него нужны меньшие по объему резервуары.
– На каком этапе сейчас ваш проект?
– Мы завершаем апробацию математической модели, которая описывает взаимодействие водородных топливных элементов с тяговыми электрическими двигателями электропоезда. Здесь есть важный нюанс: мы работаем с электропоездом, который питается от сети постоянного тока, но двигатели у нас асинхронные, то есть рассчитаны на переменный ток. Это создаёт определённые сложности, но мы близки к их решению. У нас уже есть чёткое понимание, какие шаги необходимо предпринять для успешной реализации проекта. И сама идея заключается в том, что водородные топливные элементы можно использовать не только на железных дорогах, но и на трамваях или троллейбусах.
– Я так полагаю, что внедрение гибридного водородного транспорта обойдется дешевле, чем полностью водородный транспорт.
– Безусловно. Вопрос инфраструктуры, конечно, важен. Однако, когда речь идёт о гибридном подвижном составе, по нашим расчётам, в той же Омской области достаточно всего одной заправочной станции, чтобы обеспечить работу подвижного состава по всему региону, частично включая смежные территории, например Новосибирскую область.
– Если говорить про экологию, насколько водородные технологии безопасны для природы? Россия еще в 2016 году подписала Парижское соглашение по климату, в рамках которого обязалась сократить количество углеводородов. Насколько экологичен водород, помогает ли он эту задачу решить?
– При работе водородных топливных элементов выделяется только вода. Более того, с помощью технологий, которые появятся в будущем, из этой воды можно будет снова получать водород. Если сравнивать с тепловозами, которые используются для перемещения подвижного состава по неэлектрифицированным участкам, то здесь мы значительно улучшаем экологическую обстановку. Кроме того, для автомобилей уже существуют двигатели внутреннего сгорания, работающие на водороде, и есть проекты по разработке специальных присадок для таких двигателей. Так как выхлопные газы и продукты работы водородных топливных элементов наносят минимальный вред окружающей среде.
– Одна из сложностей при использовании водородного топлива – это заправка. Для водорода нужна своя система. Получается, для того чтобы заправлять поезда водородом, нужно разработать и саму схему заправки и хранения. У вас это в проекте предусмотрено?
– У нас в первую очередь проект направлен на взаимодействие вырабатываемой электроэнергии с тяговыми электрическими двигателями. И мы прорабатываем вопросы качества электрической энергии. Инфраструктуру в рамках данного исследования мы пока не затрагиваем, потому что это получится слишком масштабно. Здесь должна работать очень большая команда. Но реализовать это вполне возможно. Не нужно изобретать велосипед, в мире есть успешные примеры того, как это работает, да и в России эта отрасль тоже начинает развиваться. Поэтому здесь, я думаю, больших сложностей не предвидится.
– А возможно ли применить вашу водородную топливную систему в других отраслях (например, оснастить ТЭЦ, особенно те, что работают на угле)?
– Это возможно. В России создан водородный кластер, в рамках которого предусмотрено строительство водородного завода. Он обеспечит реализацию всего проекта по производству водорода. У нас также есть различные водородные полигоны, расположенные на Дальнем Востоке. Внедрение предлагаемой технологии, включая использование водорода для получения энергии для обогрева и отопления, – почему бы и нет? Однако здесь возникает вопрос: как управлять вырабатываемой мощностью? Водород, особенно в газообразном состоянии, взрывоопасен. Как обуздать такую большую мощность? Эти вопросы пока остаются нерешенными. Но в целом, я бы сказал, что это вполне реально в обозримом будущем.
– Не зря вы упомянули про взрывоопасность. Водород, помимо всего прочего, обладает высокой летучестью, проникает даже в небольшие щели и легко воспламеняется. Например, в июне 2019 года утечка водорода привела к взрыву на заправке в Норвегии. Сила ударной волны была сопоставима с землетрясением в радиусе 28 км. После этого водородные АЗС в Норвегии запретили. А здесь железнодорожный транспорт, огромное количество пассажиров. Как обеспечить безопасность?
– Верно, при применении данной технологии нужны беспрецедентные меры безопасности. Потому что использоваться в первую очередь подвижной состав будет для перевозки пассажиров. Но если мы только планируем оснащать топливными элементами головные вагоны, то в мире уже эксплуатируются целые водородные поезда. Другой вопрос – как они ездят, здесь еще есть некоторые трудности. Например, в Германии Siemens запустил 26 поездов, и 13 из них очень быстро вышли из строя. Но с другой стороны, все развивается. В 2024 году в Германии проходила самая престижная выставка железнодорожной техники InnoTrans, где четыре компании представили свои водородные поезда, которые уже прошли подконтрольную эксплуатацию. Это о чем говорит? О том, что все меры по безопасности соблюдены, уже существует европейский стандарт. И такие стандарты по использованию водородного транспорта сегодня разрабатываются и в России. В конце 2025 года на свет должен появиться уже утвержденный государственный стандарт по использованию водородных топливных элементов на транспорте. Но конечно, нужно изучать международный опыт в этой области. Как европейский, так и китайский, потому что у Китая есть не только водородный поезд, но и полностью водородный трамвай.
– На ваш взгляд, насколько для транспортной отрасли перспективна водородная энергетика? Потому что само топливо стоит дорого, заправочные станции тоже обходятся недешево.
– Ответ простой, он, возможно, вам не понравится, но наука деньги не считает. Что такое время и деньги? Если мы возьмем 2000 год: у нас бензин стоил 7 рублей и доллар по 28. Что стало через 23 года? Что такое 23 года в рамках истории? Поэтому сегодня полностью водородный поезд по европейским меркам будет стоить более 80 миллионов долларов. А сама разработка еще дороже выходила. Но тем не менее более 80 таких поездов уже эксплуатируются. Возможно, через те же 5-10 лет для нас это будут уже не деньги. И в любом случае сегодня отечественное производство выходит на этот путь. В России создан водородный кластер, в ряде вузов, таких как Сахалинский государственный университет и Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, открыты магистерские специальности, программы по подготовке специалистов водородной отрасли. Поэтому водородная энергетика – это перспективное направление. Если мы говорим о зелёной энергетике, о здоровой энергетике, то в будущем это одно из основных направлений
– Есть ли смысл, на ваш взгляд, делать поезда не гибридными, а исключительно на водородном топливе?
– Это будет зависеть от конкретного региона и участка эксплуатации такого подвижного состава. Например, если речь идёт о регионах с вечной мерзлотой, где строительство инфраструктуры с элементами питания от контактной сети крайне затруднительно, особенно на фоне глобального потепления, которое приводит к таянию грунтов, то здесь наиболее эффективным решением могут стать полностью водородные подвижные составы. Однако в большинстве случаев предлагаемый нами гибридный подвижной состав будет более универсальным и эффективным.
* Исследование проводится в рамках проекта № 24-79-00250 Российского научного фонда, конкурса «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Мария Седнева
Фото предоставлены героем публикации
Авторы книги «Смех – дело серьезное. Россия и мир на рубеже XIX-XX веков в политической карикатуре» – об эволюции этого вида искусства.
Телеведущий – о том, как стать журналистом ему помогла жесткая дисциплина Суворовского училища, а также о том, почему его проекты априори не могут быть нерейтинговыми.
Ведущий научный сотрудник Института всеобщей истории РАН – о «восточноазиатском» аспекте советской политики в сфере языка и письменности в 20–30-е годы XX века, целью которой являлась ликвидация неграмотности китайского, дунганского, корейского населения СССР.
Врач авиационной и космической медицины – о том, что нужно учесть при планировании длительных межпланетных путешествий, а также о перспективах сотрудничества стран БРИКС в сфере космической медицины.