Водородная «бомба» для РЖД. От Илона Маска до взрывов АЗС: перспективы перевода ЖД-тяги на водородное топливо

Тренд на всеобщую декарбонизацию коснулся и железнодорожного транспорта. Международный союз железных дорог (МСЖД) в своих документах ставит цели сократить на 50% средние выбросы СО2 от эксплуатации поездов к 2030 году и перейти к полностью безуглеродной эксплуатации к 2050 году. К этому времени обществу должна быть представлена климатически нейтральная транспортная альтернатива. Одним из наиболее перспективных направлений сегодня является перевод локомотивов на водородное топливо. Главные проблемы, которые предстоит решить на этом пути — дороговизна производства экологически чистого водорода и безопасность топливной инфраструктуры. 

«Использование водорода предлагает решение для декарбонизации промышленных процессов и секторов экономики, где сокращение выбросов СО2 одновременно срочно необходимо и сложно в реализации. Все это делает водород необходимым для поддержки обязательства ЕС достичь углеродной нейтральности к 2050 г. и для глобальных усилий выполнить условия Парижского соглашения на пути к нулевым выбросам», — говорится в преамбуле Водородной стратегии ЕС.

В числе приоритетов: частичная замена угля на водород при производстве стали и перевод на водородное топливо пассажирского и грузового автомобильного и железнодорожного транспорта.

Водород в качестве топлива для локомотивов имеет ряд неоспоримых преимуществ. Это, прежде всего:

- высокая энергоэффективность — энергетическая плотность водорода почти в 3 раза больше, чем у любого другого топлива, которое используется на транспорте;

- экологичность;

- возможность обойтись без использования электросетей.

Последнее соображение для России особенно актуально — в стране более 41 тыс. км неэлектрифицированных железных дорог (почти 50% от их общей протяжённости). Доля дизтоплива в энергопотреблении РЖД составляет 30% или 2,4 млн т в год (данные 2019 года). При его сжигании в двигателях производится примерно 7,5 млн т СО2. Кроме того, в состав выхлопных газов дизельных двигателей входят и другие загрязняющие вещества, в том числе канцерогенные.

Перевод на водородную тягу позволит свести эти выбросы к нулю. 

Речь, разумеется, идёт не о прямом сжигании водорода в двигателях, а об использовании топливных элементов, производящих электричество для питания тяговых электродвигателей. Побочный продукт такого источника энергии — конденсированная вода и пар. 

В мире уже есть примеры действующих электропоездов на топливных элементах, самый известный из которых — Coradia iLint от фирмы Alstom (Франция). В России разработки такого рода также ведутся уже довольно давно. Эксперименты по созданию энергетической установки на топливных элементах начались около 10 лет назад. В 2013 году НИИ железнодорожного транспорта представил её опытный образец на IV Международном железнодорожном салоне техники и технологий «ЭКСПО 1520». Проведённые натурные испытания подтвердили возможность и целесообразность идеи использования водорода в качестве источника энергии для подвижного состава. Однако развития тема тогда не получила.

Впрочем, и сейчас водородные проекты в области железнодорожного транспорта можно пересчитать по пальцам. Несмотря на то, что эффективность топливных элементов за последние три десятилетия выросла в 5 раз и теперь они позволяют снимать до 1 Вт с 1 см2 активной поверхности, проблемой остаётся дороговизна самого водорода. Например, по расчётам Минэнерго США, водород становится конкурентоспособным топливом для автомобилей при цене менее $2 за кг, для промышленности и энергетики — при цене менее $1 за кг.

Специальных расчётов для железнодорожного транспорта не проводилось. 

При этом даже лучшие из существующих технологий производства так называемого «зелёного» водорода, то есть получаемого электролизом воды с использованием возобновляемых источников энергии (ветер или солнце), обеспечивают себестоимость только в районе $5-6 за кг.

Более дешёвое топливо можно получать путём паровой конверсии метана или пиролиза широкой фракции лёгких углеводородов (ШФЛУ). При использовании этих технологий цена водорода падает ниже $2 за кг. Однако побочным продуктом этих реакций является углекислый газ, ради сокращения выбросов которого всё и затевалось. Существующие технологии его улавливания и захоронения довольно дороги и не слишком надёжны — недаром Илон Маск недавно объявил о награде в $100 млн тому, кто предложит лучший способ их усовершенствования.

Наряду с проблемой дороговизны придётся решать и проблему безопасной эксплуатации водородной инфраструктуры. Молекулы водорода настолько малы, что легко проникают через мельчайшие неплотности, непреодолимые даже для метана, не говоря уже о более тяжёлых углеводородах. При этом воздушно-водородная смесь крайне взрывоопасна. В этом все могли убедиться 10 июня 2019 года, когда в городке Сандвик (Норвегия) взорвалась водородная АЗС. 

Пока это единственный инцидент такого рода, при том, что по миру работает уже несколько сотен водородных заправок. Однако пренебрегать этим риском явно не следует, тем более на железных дорогах, где в случае аварии пострадать могут уже не единицы, а сотни человек.

Дмитрий Коптев, эксперт ИРТТЭК

Р. S. Локомотивы на альтернативных видах топлива – важная тенденция последних лет. Недавно стало известно, что с 2025 года ОАО «РЖД» также планирует отказаться от закупок дизельных локомотивов в пользу подвижного состава на альтернативных видах топлива. Вот, как перспективы использования водорода в России vgudok.com прокомментировал Александр Маняхин, исполнительный директор СРО Ассоциация «Промжелдортранс»: 

«Новые виды тягового подвижного состава актуальны не только для ОАО «РЖД», но и для предприятий, работающих на путях необщего пользования. Перспективы гибридных локомотивов с аккумуляторной батареей оцениваются в основном положительно. Однако переход на такие виды тяги – дело не самого ближайшего будущего. Сейчас российские компании ведут разработки газотурбовозов и газотепловозов, но ни один локомотив на газомоторном топливе пока не поступил в серийное производство.

Что касается аккумуляторных и гибридных локомотивов, то здесь ведутся разработки двумя нашими ведущими локомотивостроителями.

ТМХ, РЖД и Роснано приступили к проектировке электровоза с аккумуляторной тягой, тепловоз ТЭМ5Х был показан на выставке ЭКСПО-1520 в 2019 году. АО "Синара - транспортные машины" также ведет активную работу в этом направлении. Главной проблемой использования аккумуляторных батарей была их нестабильность и дороговизна, но с каждым годом мы наблюдаем, что накопители дешевеют в цене. Это позволяет предположить, что у такого вида локомотивов огромное будущее».

Больше лёгкого чтива для тяжёлых будней ищите в нашем разделе LIGHT, лучший фото- и видеоконтент на нашей странице в Instagram