Поезда нового поколения

Согласно Статистическому обзору мировой энергетики за 2024 год, «ископаемое топливо по-прежнему является основой энергетической системы, составляя 86% энергобаланса». С каждым годом растут и спрос на электроэнергию, и добыча ископаемых углеводородов. Да, ветровая и солнечная энергетика тоже активно развиваются, но все же не так быстро, как необходимо для решения экологических проблем.

Существует критически важный аспект развития «зеленой» энергетики: для нее необходимы промышленные накопители энергии. Это могут быть электрохимические аккумуляторы, гидроаккумуляторы или гравитационные аккумуляторы. Первый вариант весьма дорог, но и два последних недешевы и, кроме того, требуют особых условий для размещения.

Одним из вариантов сохранения энергии может стать водород: тратим электричество для его производства, потом получаем его обратно путем несложной химической реакции.

Самый дешевый способ производства водорода ‒ риформинг метана водяным паром. В результате получаем либо «серый» водород и углекислый газ, либо, если СО улавливать и захоранивать, «голубой» водород. Цветная классификация обозначает уровни экологической нагрузки на окружающую среду. А самый корректный с точки зрения экологии и самый дорогой способ выработки ‒ электролиз воды, дающий «зеленый» водород.

В свое время существовали и проекты непосредственного использования водорода в двигателях внутреннего сгорания, но в итоге развитие получила другая концепция: получение электричества при соединении ионов водорода с кислородом.

Для этой цели используют так называемые топливные элементы. Принцип их работы по-своему красив. В них молекулы водорода на аноде теряют электроны и через протонпроводящую мембрану движутся к подаваемым на катод молекулам кислорода, получаемого из воздуха. В результате этой реакции помимо электрического тока образуются водяной пар ‒ если его собрать, получится около 250 мл воды на 100 км пробега водородного автомобиля ‒ и тепло.

Водородные топливные элементы изобрели еще в 1839, году однако вопрос их практического применения начали всерьез изучать только в 1960-х для использования на космических аппаратах. В частности, они были установлены на «Буране».

В начале XXI века водород начали все чаще упоминать в качестве альтернативного источника энергии для транспорта. Увы, пока его широкое применение сдерживают, прежде всего, экономические причины.

По данным ресурса «Энергия+», «водородомобили, которые производят сегодня, расходуют в среднем 0,8–1 килограмм водорода на 100 километров пути. С энергетической точки зрения это эквивалентно примерно шести литрам бензина. В России водородных АЗС (как и производства водородомобилей) пока нет, но на заграничных станциях цена одного килограмма водорода стартует с 800–1000 рублей». Бензин пока дешевле ‒ 6 литров 95-го в октябре 2025 г. обойдутся не дороже 400 рублей.

Как мы уже говорили, в производстве самый дорогой водород — «зеленый», получаемый методом электролиза. Таким способом добывают менее 0,1% водорода. Его цена в итоге колеблется в диапазоне от $3 до $7 за кг (в среднем $6), но она сильно зависит от стоимости электроэнергии.

Дешевый «серый» водород получают, смешивая природный газ с парами воды. Получившееся сырье нагревают с катализатором, получая в результате водород и углекислый газ. Себестоимость конечного продукта завязана на цену природного газа в стране: на Ближнем Востоке «серый» водород стоит $0,9/кг, в США $1/кг, в России $1,1/кг.

«Экономика водорода сильно отличается от экономики остальных топлив, что связано с физико-химическими свойствами этого газа. Себестоимость получения водорода – в лучшем случае 25% от стоимости водорода для потребителей, оставшуюся часть "съедает" хранение водорода и его транспортировка», ‒ пояснил специально для читателей «ТехИнсайдера» генеральный директор Центра водородных технологий АФК «Система», научный руководитель Центра компетенций НТИ по новым и мобильным источникам энергии ИПХФ РАН Юрий Добровольский.

Проблема в том, что молекулы водорода ‒ самые маленькие среди всех химических элементов, и он невероятно летуч. А при свободном смешивании с кислородом воздуха образует взрывоопасную смесь ‒ гремучий газ. Как следствие, емкости для него должны отличаться высочайшими изоляционными свойствами.

И тем не менее водород в качестве топлива уже используют. Например, первый работающий на нем серийный автомобиль поступил в продажу еще в декабре 2014 года: это был седан Toyota Mirai. Он имел запас хода в 650 км, а заправка двух его баков водородом занимала всего 3 минуты. Следом выпустил свои водородные модели ряд других брендов, включая Mercedes-Benz и BMW.

Эксплуатация таких моделей пока остается уделом энтузиастов. В том числе и потому, что сеть водородных заправочных станций находится в стадии развития.

«Ни один город мира не решится разместить у себя водородную заправку ‒ вблизи жилых кварталов последствия ее взрыва будут катастрофическими», ‒ считает Александр Грек, главный редактор журнала «ТехИнсайдер».

Зато уже существуют проекты городских автобусов на водородном топливе, в том числе и у российских производителей, ГАЗа и КамАЗа. Они сделаны на базе серийных электробусов, а баллоны у них расположены на крыше, чтобы в случае взрыва вся энергия ушла вверх. В серию эти модели планируют запустить к 2027 году.

Одно из самых перспективных направлений использования водорода вместо накопителя электроэнергии ‒ поезда. С одной стороны, от них требуется огромное тяговое усилие, с другой ‒ они позволяют использовать силовые установки солидных размеров. И для такой большой страны, как Россия, не зависящие от электросетей водородные локомотивы были бы весьма актуальны. Они могли бы заменить тепловозы, объем поставок которых, как сообщает РЖД, у нас в 2024 году составил 226 единиц. Дело в том, что хотя Россия и занимает первое место в мире по протяженности электрифицированных железнодорожных магистралей (по данным «Учебно-методического центра по образованию на железнодорожном транспорте», 2019 г.), их длина составляет около 43 тыс. км. Это чуть больше 50% от 85 тыс. км ж/д путей общего пользования в стране.

Обкатать технологию водородных локомотивов, из труб которых вместо дыма идет водяной пар, предстоит Сахалину. Там, на базе проекта «Восточный водородный кластер», планируют запустить первые в странах колеи 1520 мм поезда такого типа. Их создали в рамках масштабного проекта, реализуемого Трансмашхолдингом (ТМХ) совместно с «Росатомом», РЖД и Правительством Сахалинской области.

В ходе недавнего форума «Общественный транспорт-2025» генеральный директор компании «ТМХ–Пассажирский транспорт» Александр Лошманов поделился сроками создания первого российского водородного поезда: «Полностью в железе» мы его ждем к лету 2026 года. И дальше он у нас отправляется на сертификационные испытания. Ожидаем, что к лету 2027 года такой новый уникальный продукт со всеми сертификационными испытаниями будет у нас готов для эксплуатации. Надеемся, что на Сахалине».

Газ для поезда будет поставлять В-завод, входящий в Восточный водородный кластер. Производство организуют методом риформинга природного газа, но с улавливанием и захоронением выбросов СО. Полученный таким образом водород по международной классификации называется «голубым» и считается следующим после «зеленого» в плане экологической корректности.

Опытные поезда запроектированы в двух вариантах: двухвагонном (два головных вагона и бустерная секция) и трехвагонном (плюс промежуточный вагон).

«Состав будет иметь запас хода в 725 километров на водороде и 80 на батарейках ‒ накопителях энергии, трехвагонного ‒ 435 и 40 соответственно, ‒ пояснил Александр Лошманов. ‒ Все силовое оборудование, водородные топливные элементы, система хранения, накопители энергии расположены в энерговагоне-бустере. Максимальная вместимость поезда от 551 до 875 человек в зависимости от состава. В нем все предусмотрено для комфорта пассажиров, в том числе маломобильных: широкие входные двери (1400 миллиметров), эргономичный салон, расширенные пассажирские сервисы. Вагоны имеют бестамбурную конструкцию. Впервые в отечественном транспортном машиностроении создается поезд с пониженным уровнем пола во входной зоне, что обеспечивает удобную и безопасную посадку с низких и средних платформ».