Развитие водородной инфраструктуры способствует росту проектов тяги с использованием водорода. Как показывает анализ уже существующих из них, к 2035 году в мире будет эксплуатироваться более 200 поездов на водородных топливных элементах, что позволит дать практические оценки экономической целесообразности дальнейшего развития данного направления. Такое внимание к водороду в основном связано с поиском баланса между затратами на электрификацию транспортной инфраструктуры и использованием возможностей существующих энергосистем, включающих ВИЭ – гидроэнергетику, энергию солнца и ветра. Практически все проекты финансируются со значительным объемом государственной поддержки.
Формирование спроса на водород
Потребность многих стран в диверсификации источников энергии для работы транспорта, в том числе железнодорожного и городского рельсового, продиктована мировой экономической, энергетической и климатической политикой. Помимо роста цен на традиционные энергоносители, тренд задает и ужесточение требований к количеству выбросов CO2 в рамках Парижского соглашения [1]. В странах «Большой восьмерки» (G8) активно стимулируется переход к энергосистемам нового поколения, подразумевающим диверсификацию генерации за счет расширения использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ), технологий накопления энергии, в том числе с использованием водорода – технология Power2Gas. Предполагается, что в рамках производства данного вида топлива возможно получение синергетического эффекта при переводе в водород условно бесплатной электроэнергии, вырабатываемой ВИЭ-генерацией в моменты дисбаланса энергосистем, и использовании его в дальнейшем в качестве топлива.
Отдельно для ряда стран ЕС, США и Канады дополнительным фактором перехода железнодорожного транспорта на водород является относительно низкий уровень электрификации. Так, по состоянию на 2015 год у пассажирского перевозчика в США – компании Amtrak – было электрифицировано только 2-3% путей, у VIA Rail (Канада) – 0%. Во многих европейских странах также наблюдается низкий уровень электрификации железных дорог (рис. 1). Со- ответственно, перевод на водородную тягу может позволить им уйти от использования дизельного топлива на железнодорожном транспорте без капитальных затрат на электрификацию.
В то же время на перспективы внедрения водородного топлива влияет региональное распределение неэлектрифицированных участков по территории каждой отдельной страны, а также наличие (строительство) инфраструктуры производства и транспортировки водорода для нужд других отраслей экономики. Например, на рисунке 2 представлена карта Германии, на которой красным показаны неэлектрифицированные участки, а цветом выделены пилотные федеральные земли, где реализуются водородные проекты и уже создана соответствующая инфраструктура.
К дополнительным факторам, создавшим предпосылки поиска альтернативных топливных источников, можно отнести значительный рост цен на дизельное топливо в 2004-2014 годах (рис. 3).
Сегодня проблема удорожания традиционного топлива не стоит так остро, запуск и согласование бюджетов пилотных проектов пришлись на 2013-2014 годы с учетом продолжавшегося несколько лет подъема цен на нефтепродукты.
Таким образом, внедрение водородных двигателей на железнодорожном транспорте и уход от дизельной тяги снижают стоимость выполнения требований по выбросам CO2 без существенных вложений в инфраструктуру [2]. Также это может позволить странам удовлетворить требования государственных и наднациональных имплементаций Парижского соглашения по климату, получить прямую финансовую выгоду на уже работающем рынке квот на выбросы CO2 в Европе – ЕU Emissions Trading System [3]. Стоит отметить, что в декабре 2017 года аналогичная «торговая площадка» с бюджетом 10 млн евро запущена в Китае. Ожидается, что она будет работать отдельно до сентября 2020 года, а после – интегрирована с рынком ЕС на базе двухсторонних соглашений.
Нюансы технологии
Промышленное производство водорода для топливных нужд в основном осуществляется путем электролиза воды, а также его выделением при переработке метана и природного газа. На рисунке 4 видны многочисленные преобразования энергии в сопутствующей водородной инфраструктуре, что сдерживает внедрение водородной тяги. В силу незначительного времени, которое прошло с момента запуска водородных мощностей, на данный момент отсутствуют отработанные комплексные технологические решения: новые компоненты поездов, топливные ячейки, контейнеры, системы быстрой и безопасной заправки, рекуперация энергии, системы оптимизации нагрузки.
Еще одним существенным ограничением для массового перехода на водород является низкая доступность заправочной инфраструктуры, притом что для разовой заправки подвижного состава требуется значительный объем топлива. Например, полная заправка поезда Alstom Coradia iLINT составляет 2,5 тыс. л сжиженного водорода, что позволяет обеспечить запас хода около 600 км [4]. Требуемое количество дизельного топлива для прохождения такого расстояния существенно ниже.
Таким образом, перспективы внедрения водорода зависят от потенциала минимизации затрат на его транспортировку от места производства к месту потребления. Это станет возможным или при близком нахождении водородной генерации к заправочным мощностям, или при наличии водородопроводной инфраструктуры.
Перспективы развития генерации и трубопроводов
В ряде стран водородопроводная инфраструктура уже достаточно распространена и имеет разветвленную сеть (табл. 1). В большинстве случаев она развивалась под потребности химической промышленности и автомобильного транспорта.
Самый первый водородопровод был запущен в эксплуатацию еще в 1938 году в Германии в Рейнско-Рурском регионе протяженностью 240 км. Он до сих пор находится в эксплуатации и, таким образом, составляет основную долю водородопроводной инфраструктуры страны (ориентирован на доставку водорода для производства химической продукции: метанола, аммиака, газового топлива).
Столь значительная по сравнению с остальным миром водородопроводная инфраструктура США в основном сконцентрирована в штатах Техас и Луизиана на побережье Мексиканского залива, где функционирует крупнейший в мире водородный кластер компании AirLiquid. Проект был реализован в 2000-х годах и сегодня обеспечивает в первую очередь потребности местной нефтеперерабатывающей промышленности [5]. При этом протяженность железных дорог в штатах Техас и Луизиана составляет около 27 тыс. км путей, которые практически полностью не электрифицированы.
Наиболее развитая инфраструктура «последней мили» (Конечный участок транспортной цепочки между поставщиком и потребителем) находится в Японии. В 2017 году на территории страны уже эксплуатировались 92 заправочные станции (прежде всего для автомобилей). Также при поддержке государства развернуты программы Hydrogen Town («Водородный город») и Hydrogen Energy Social Infrastructure Development («Развитие водородной энергоинфраструктуры») [6].
Значительное внимание развитию водородогенерирующих и водородотранспортных мощностей уделяется в Австралии на уровне Агентства по возобновляемой энергетике (Australian Renewable Energy Agency, ARENA). Такая заинтересованность связана с большим потенциалом выработки водорода в моменты отсутствия потребления электроэнергии в системах с большой долей генерации в энергосистеме Австралии с использованием энергии солнца и ветра. При этом один из предполагаемых основных потребителей – Япония. Для обеспечения ее нужд в водороде уже строятся терминалы и специализированные суда для транспортировки сжиженного водорода. Старт коммерческой эксплуатации запланирован на 2025 год (реализуется совместно с Kawasaki). Дополнительно в апреле 2018 года на территории Австралии при поддержке государства в размере 100 млн долл. США (общий объем инвестиций – 496 млн долл. США) началось строительство пилотного проекта по выработке водорода путем преобразования в газ бурого угля (рис. 4), который и планируется поставлять морским путем в Японию [7].
При поддержке ARENA в Австралии с 2017 года прорабатывается возможность использовать существующие газопроводы для транспортировки водорода. На проект выделен государственный грант в размере 5 млн долл. США. На данный момент проводятся эксперименты по добавлению в транспортируемый объем 10-30% сжиженного водорода [8]. Также рассматривается проект магистрального водородопровода из Австралии в Китай [9].
В целом подготовка водородной инфраструктуры и развитие технологий, которые могут быть использованы в работы железнодорожного и городского рельсового транспорта, идет в рамках более широких национальных и наднациональных программ «водородной экономики». В ЕС стимулирование внедрения таких технологий включено в программу Energy Transition 2050 [10], основной целью которой является снижение зависимости Европы от поставок углеводородов. Также водород как источник энергии был включен в модели экономического прогнозирования PRIMES и PROMETHEUS, которые используются Еврокомиссией для прогноза потребления и производства электроэнергии с целью выработки регуляторных решений [11].
Крупнейший железнодорожный водородный проект
В сентябре 2014 года в Германии было принято решение использовать водородные поезда в землях Нижняя Саксония, Гессен, Баден-Вюртемберг и Северная Рейн-Вестфалия. В ноябре того же года на разработку водородного поезда Coradia iLINT компания Alstom получила 7,9 млн евро федеральных средств и еще 1,14 млн евро – в октябре 2017 года на вторую часть проекта.
В 2016 году Министерство транспорта Германии опубликовало исследование «Водородная инфраструктура для железнодорожного транспорта» [12], которое стало одним из обоснований для выделения в декабре 2017 года еще 11,7 млн евро государственного финансирования компании Siemens на проект X-EMU по разработке и внедрению топливных элементов для гибридных поездов. Разработки ведутся совместно с канадской компанией Ballard Power Systems.
К марту 2018 года были получены заявки на 160 водородных поездов от федеральных земель Германии, а в августе состоялся запуск в эксплуатацию Coradia iLINT в тестовом режиме в Нижней Саксонии. Поезд Coradia iLINT (рис. 5) создан на основе дизельного поезда Coradia LINT 54.
В 2021 году планируется запуск первого коммерческого маршрута в Нижней Саксонии (14 поездов), еще четырех – к 2022 году в Гессене (28 поездов). Обслуживать маршрут в Нижней Саксонии будет одна станция, на которой возможна параллельная заправка сразу 2 поездов (максимум 12 процессов заправки в день) длительностью менее 15 мин. Стоимость проекта станции составляет 10 млн евро, из которых 8,4 млн евро будут направлены в качестве гранта федерального правительства Германии в рамках Национальной инновационной программы по развитию водородных технологий и топливных элементов.
Другие железнодорожные проекты
16 мая 2018 года в Австрии были подведены итоги конкурса компании Zillertalbahn (ZVB) на поставку 5 водородных поездов, победителем которого признана компания Stadler. Стоимость контракта – 80 млн евро. Прототип должен быть готов к испытаниям в 2020 году, а все поезда поставлены к 2022 году. Проект запущен в связи с отказом от планов по электрификации 317 км маршрута Енбах – Майрхофен (в 2015 году стоимость электрификации оценивалась в 156 млн евро, и проект не получил согласование местных властей). Поставки водорода планируется обеспечить за счет использования электроэнергии, получаемой с местной гидроэлектростанции.
В Канаде в стадии согласования находится проект компании Metrolinx по закупке к 2025 году 70 локомотивов и 84 четырехвагонных рельсовых автобусов, работающих на водороде. В рамках проекта планируется заплатить по 1 млн долл. США трем производителям подвижного состава за разработку концепта водородных локомотивов. Также уже заключены контракты с Alstom и Siemens на 1,5 млн долл. США на разработку рельсовых автобусов. Дополнительно 1 млн долл. направлен канадской компании Hydrogenics, которая поставляет топливные элементы для Alstom.
В Великобритании ведутся совместные работы Alstom и объединением железнодорожных компаний RSSB (Rail Safety and Standards Board) по запуску к концу 2019 – началу 2020 года пилотного проекта водо- родного поезда. Также компания-перевозчик Greater Anglia анонсировала планы по модернизации к 2040 году парка электро- поездов Class 321 (более 100 поездов в эксплуатации) с заменой силовой установки на установку на топливных элементах.
Городские рельсовые проекты
Основные водородные инициативы в сфере городского рельсового транспорта на данный момент реализуются в Китае. В 2016 году были представлены проекты двух трамваев с силовыми установками на топливных элементах: первый – компании CRRC Tangshan совместно с Ballard Power Systems (рис. 6), второй – трамвай ForCity 27T, разработанный Quinqdao Sifang совместно с чешской Skoda Transportation и Ballard (рис. 7). При этом сейчас в г. Таншань трамвай уже эксплуатируется на линии длиной 14 км с 5 остановками, а в г. Фоншань 8 трамваев должны быть направлены в эксплуатацию в 2019 году.
Целесообразно ли в России?
В России в силу специфики энергетической системы (низкие цены на энергоресурсы, большая доля газовой и угольной генерации) и климатических особенностей на данный момент проекты рельсового транспорта на водородном топливе распространения не получили. В то же время уровень электрификации железнодорожной сети России составляет 51,2% (43,7 тыс. км) и по доле находится на уровне Германии [13]. В 2009- 2011 годах ОАО «ВНИИЖТ» был разработан вагон с энергоустановкой на топливных элементах, но он несет функции мобильной электростанции, способной работать в тоннелях, где остро стоит вопрос задымленности от работы дизельных двигателей [14]. Пока широкого распространения он не получил.
Учитывая глобальные тренды, значительное стимулирование развитие ВИЭ в России, а также существующие технологические наработки, вполне целесообразно оценить возможность применения водородной тяги на железнодорожной сети России и ЕАЭС. Анализ должен включать моделирование на основе параметров текущей и перспективной модели рынка электроэнергии в России, генеральной схемы размещения объектов электроэнергетики до 2035 года, информации о планах и фактическом развитии газотранспортной сети, электрификации и других данных.
Подобное исследование было проведено центром SINTEF для Норвегии в 2016 году [2]. Как показали результаты моделирования, если капитальные затраты на создание водородной инфраструктуры будут совмещены с другими транспортными и энергетическими проектами в рамках комплексного перехода на «низкоуглеродные технологии» (например, городским рельсовым и автобусным транспортом, заправками для автомобилей, системами накопителей энергии), то потенциал экономического эффекта дает основания для проведения оценки использования водородного топлива и в странах с углеводородной энергетикой.
Смирнов Р.С., советник генерального директора ООО «Энергопромсбыт»;
Белов С.А., заместитель генерального директора, руководитель департамента внешних связей Института проблем естественных монополий (ИПЕМ);
Голинат Р.В., специалист по связям с общественностью департамента внешних связей ИПЕМ;
Техника железных дорог, №4 (44), ноябрь, 2018
Список использованной литературы
- The Paris Agreement [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://unfccc.int/process-and-meetings/the-paris-agreement/the-paris-agreement.(Дата обращения: 29.10.2018).
- F. Zenith, S. Møller-Holst, M. Thomassen. Hydrogen and Batteries for Propulsion of Freight Trains in Norway [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://hydrail.appstate.edu/sites/hydrail.appstate.edu/files/11_zenith.pdf. (Дата обращения: 29.10.2018).
- EU Emissions Trading System (EU ETS) [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://ec.europa.eu/clima/policies/ets_en. (Дата обращения: 29.10.2018).
- Hydrail comes of age [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.railengineer.uk/2018/01/05/hydrail-comes-of-age/. (Дата обращения: 29.10.2018).
- J. Molony, Air Products dedicates world’s largest hydrogen pipeline system [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.airproducts.com/~/media/Files/PDF/microsites/article-air-products-dedicates-worlds-largest-hydrogen-pipeline-system.pdf . (Дата обращения: 08.11.2018).
- S. Watanabe. Hydrogen Infrastructure in Japan [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review14/h2in_watanabe_2014_o.pdf. (Дата обращения: 29.10.2018).
- World-first coal to hydrogen plant trial launched in Victoria [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.abc.net.au/news/2018-04-12/coal-to-hydrogen-trial-for-latrobe-valley/9643570. (Дата обращения: 29.10.2018).
- Hydrogen to be injected into Adelaide’s gas grid in ‘power-to-gas’ trial [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.abc.net.au/news/2017-08-08/trial-to-inject-hydrogen-into-gas-lines/8782956. (Дата обращения: 29.10.2018).
- Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.csiro.au/. (Дата обращения: 29.10.2018).
- 2050 Energy Strategy [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://ec.europa.eu/energy/en/topics/energy-strategy-and-energy-union/2050-energy-strategy. (Дата обращения: 29.10.2018).
- Modelling tools for EU analysis [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://ec.europa.eu/clima/policies/strategies/analysis/models_en. (Дата обращения: 29.10.2018).
- Abschlusspräsentation «Wasserstoff-Infrastruktur für die Schiene», 01.07.2016 [Электронный ресурс]. Режим доступа: https:/www.now-gmbh.de/de/aktuelles/presse/bmvi-studie-untersucht-wirtschaftliche-rechtliche-und-technische-voraussetzungen-fuer-den-einsatz-von-brennstoffzellentriebwagen-im-zugverkehr . (Дата обращения: 29.10.2018).
- Годовой отчет ОАО «РЖД» за 2017 год [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://ir.rzd.ru/static/public/ru?STRUCTURE_ID=32#2. (Дата обращения: 29.10.2018).
- Григорович Д.Н. Использование альтернативных видов топлива и энергоустановок на железнодорожном транспорте / Д.Н. Григорович // Техника железных дорог. – 2012. – No 1 (17). – С. 49–56.