На острове заработает электропоезд с водородными батареями. Эксперимент проверит жизнеспособность технологии и определит перспективы ее масштабирования на железнодорожном транспорте
В России до конца 2026 года встанет на рельсы первый пассажирский водородный поезд. Его сборка идет на подмосковном Демиховском машиностроительном заводе Трансмашхолдинга (ТМХ), а испытывать и эксплуатировать его будут на Сахалине.
По планам разработчиков, ввод нового поезда в эксплуатацию и начало регулярных перевозок ожидается в 2027‒2028 годах. «Полностью “в железе” мы его ждем в 2026 году. И дальше он отправляется на сертификационные испытания. Ожидаем, что к лету 2027 года такой новый уникальный продукт со всеми сертификационными испытаниями будет у нас готов для эксплуатации», — отметил заместитель гендиректора ТМХ по развитию пассажирского транспорта Александр Лошманов.
Создание водородного поезда — это часть обширной инициативы по внедрению в России экологически безопасных транспортных средств. Ожидается, что в случае успешной реализации этого проекта экологическая обстановка на Сахалине улучшится, а кроме того, появится основа для тиражирования нового типа железнодорожного подвижного состава в других регионах страны.
Разработкой технологий производства водородного топлива и созданием транспортных средств на этой основе многие страны мира занялись уже с начала 1970-х годов.
В СССР работы стартовали в середине 1970-х с создания экспериментальных автомобилей. В 1976 году специалисты Института проблем машиностроения АН УССР в Харькове в рамках экспериментов по применению водорода на транспорте построили автомобиль «Москвич-412» с силовым агрегатом, работающим на водороде, в состав которого входили резервуары для хранения водорода и система очистки. В 1980 году в том же Харькове испытали автомобиль на водородном топливе ГАЗ-24 «Волга».
Вполне возможно, что дело дошло бы и до поездов, но все работы заморозили: нужны были государственные испытания и сложная система безопасности, да и на перестройку производства не было денег.
Интерес к водороду возобновился только в 2010-х годах, когда водородная энергетика постепенно стала частью экологической и технологической повестки. В 2020 году правительство РФ утвердило дорожную карту по развитию водородной энергетики в России до 2024 года, а еще раньше, в 2019-м, РЖД, Трансмашхолдинг, «Росатом» и правительство Сахалинской области подписали соглашение о создании пассажирского поезда на водородных топливных элементах.
Работы над водородными поездами ведутся не только в России, но и на Западе, а также в Азии. В 2023‒2025 годах в США и Канаде были запущены пассажирские водородные поезда на топливных элементах FLIRT H₂ на 108–220 пассажиров и Coradia iLint на 300 пассажиров. Coradia iLint уже эксплуатируются в Европе: Германии, Франции, Испании, Португалии.
Результаты эксплуатации признаны успешными: в Нижней Саксонии по итогам работы двух составов Coradia iLint парк планируется увеличить до 14 составов и построить водородную заправочную станцию. Австрия после трехмесячного тестирования одобрила использование Coradia iLint на четырех региональных линиях. Франция собирается полностью перевести железнодорожный-транспорт на водород к 2035 году. Правительство США планирует довести количество водородных поездов FLIRT H₂ до 1000 единиц к 2030 году.
В 2024 году в Японии в тестовом режиме запустили первый в стране водородный гибридный поезд «Хибари» компании East Japan Railway, рассчитанный на 130 пассажиров. Он оснащен аккумуляторными батареями и топливным элементом, который вырабатывает электроэнергию за счет реакции водорода с кислородом.
В 2023 году южнокорейская компания Woojin Industrial Systems представила прототип двухвагонного водородного поезда с гибридной тяговой системой мощностью 1,2 мегаватта. Запас хода составляет 600 километров, время заправки — 43 минуты. Планируется, что с 2027 года состав начнет перевозить 125 пассажиров на двух линиях Южной Кореи — Кёнвон длиной 21 километр и Тэгок — Уйчжонбу протяженностью 30 километров.
Прежде всего внесем терминологическую ясность. Когда речь заходит о водородном поезде, первое, что приходит в голову, — что локомотив состава оснащен силовой установкой, работающей на водороде. Но в данном случае это не так. Здесь мы имеем дело, грубо говоря, с электровозом, но не обычным, питающимся от контактной сети, а работающим от аккумуляторных батарей. Одни из них традиционного типа, литий-ионные, а другие — на водородных топливных элементах.
Водородный топливный элемент (ВТЭ) состоит из множества мембранно-электродных блоков (МЭБ). Каждый такой блок — многослойный: с одной стороны — анод (куда подается водород), с другой — катод (куда поступает кислород из воздуха), а между ними — протонопроводящая мембрана (часто на основе полимерных материалов, например, Nafion). По краям МЭБ зажаты биполярные пластины. В них есть сеть газовых каналов: они нужны, чтобы водород равномерно распределялся по всей площади анода, а воздух — по площади катода.
Важно понимать: сам топливный элемент не хранит водород — он его преобразует. Водород хранится в отдельном резервуаре (баке) рядом с батареей. Емкость этого бака и определяет запас хода. Например, в некоторых автомобилях бак вмещает около пяти килограммов водорода. Сам водород подается из бака в батарею под давлением (часто 700 атмосфер в композитных баллонах).
В топливном элементе водород в аноде под действием катализатора распадается на протоны и электроны. Протоны проходят через мембрану к катоду, где соединяются с кислородом и электронами, образуя воду и создавая электрический ток.
От литий-ионных батарей ВТЭ отличаются тем, что если первые запасают энергию в виде химической связи, то батареи на топливных элементах генерируют электричество из топлива. «Заправка» — это просто пополнение запаса топлива (водорода) в отдельном резервуаре. Когда водород поступает в батарею, внутри снова запускается электрохимическая реакция, и вырабатывается ток. Таким образом, если литий-ионная батарея по мере эксплуатации деградирует, теряя заявленную номинальную мощность, то батарея с ВТЭ лишена этого недостатка.
«Главное преимущество водорода перед аккумуляторами — энергоемкость. Водородный локомотив намного легче аккумуляторного на единицу вырабатываемой энергии. По цене они сейчас сопоставимы, но аккумуляторы уже находятся на пределе своей рентабельности и теоретической емкости, в то время как у топливных элементов есть огромный потенциал для снижения стоимости», — отмечает президент Центра водородной энергетики АФК «Система» Юрий Добровольский.
Стоит отметить, что в мире уже есть транспортные средства, преимущественно автомобили, представляющие собой не просто электромобили с водородной батареей, а оснащенные водородным двигателем, разновидностью двигателя внутреннего сгорания (ДВС), которая вместо бензина или дизеля использует водород.
Такой двигатель устанавливается на современных биотопливных автомобилях, например на Toyota Mirai, Hyundai Nexo с запасом хода на водороде более 800 километров или Hyundai N Vision 74 — лимитированном (200 экземпляров) водородном суперкаре мощностью более 775 лошадиных сил, который должен появиться в 2026 году.
Однако ДВС на водороде обладают рядом существенных недостатков: высокая стоимость водорода по сравнению с традиционными видами топлива делает их эксплуатацию дорогой, а взрывоопасность и летучесть газа создают серьезные риски при хранении, транспортировке и использовании, требуя особых мер безопасности. Этот вопрос решается за счет особой системы безопасности.
Сюда можно добавить быстрый износ деталей двигателя из-за высоких температур и давления в камере сгорания и, наконец, значительный вес водородных машин за счет наличия системы хранения водорода, состоящей из баллонов высокого давления и криогенных емкостей, усиленной конструкции двигателя, специфических систем зажигания, безопасности и вспомогательных систем, что негативно сказывается на его управляемости и скоростных характеристиках.
Конструкция создаваемого для Сахалина электропоезда с ВТЭ предусматривает два варианта исполнения: двухвагонный и трехвагонный.
Чтобы обеспечить тихую и комфортную езду, все силовые установки, водородные топливные элементы, а также системы хранения и накопления энергии будут размещены в отдельном энерговагоне-бустере. На крыше этой секции разместят систему хранения газообразного водорода массой 230 килограммов. Такой подход облегчает обслуживание и дает возможность модернизировать поезд без вмешательства в пассажирские вагоны.
На основной части маршрута поезд будет использовать батарею с ВТЭ. А на участках, требующих резкого увеличения тяги (разгон, подъемы), подключатся мощные литий-ионные аккумуляторы. В случае необходимости состав может полностью работать на аккумуляторах, экономя водород.
Александр Лошманов рассказал, что на водороде двухвагонный поезд способен проехать 725 километров, а на аккумуляторах — 80. Трехвагонный поезд имеет запас хода 487 километров на водороде и 40 — на аккумуляторах.
Стоимость пяти двухсекционных пригородных поездов и двух трехсекционных составляет 6,9 млрд рублей, создание сопутствующей инфраструктуры обойдется в 7,1 млрд.
Для работы первого в РФ водородного поезда была выбрана Сахалинская область и это неслучайно: здесь создается необходимая инфраструктура для производства, хранения и использования водорода в качестве экологически чистого энергоносителя.
В июле 2024 года в Южно-Сахалинске Специальное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований (СКБ САМИ) Дальневосточного отделения РАН и АНО «УК Восточный водородный кластер» запустили первый и пока единственный в России полигон по отработке водородных технологий. На нем с помощью электролиза воды, то есть расщепления молекулы H2O с использованием электричества, произведенного из возобновляемых источников энергии, получают экологически безопасный «зеленый» водород. В 2029 году на Сахалине должен заработать завод по производству «голубого» водорода (из природного газа с улавливанием CO₂) мощностью 5000 тонн в год.
Вдобавок к этому в регионе изолированная железнодорожная сеть, электрификация здесь затруднена и экономически нецелесообразна. Лишь в 2020 году РЖД завершила растянувшиеся на 17 лет работы по перекладке на острове железнодорожных путей, построенных в годы оккупации Южного Сахалина Японией, на российскую колею 1520 миллиметров. Используемые сейчас на сахалинской железной дороге дизельные локомотивы экологически небезупречны.
На основной части маршрута поезд будет использовать водородную батарею, а на участках, требующих резкого увеличения тяги, подключатся литий-ионные аккумуляторы
Было бы нечестно не сказать и о проблемах, с которыми сталкивается использование водорода. Его не только дорого производить, но и сложно хранить и транспортировать: смесь водорода с воздухом взрывоопасна, к тому же водород охрупчивает традиционную сталь.
Однако эти трудности преодолимы. «На мой взгляд, пожароопасность водорода сильно преувеличена в головах чиновников и обывателей. Самое опасное — это аккумуляторы, которые невозможно потушить (только ждать, пока прогорят). Водород же крайне летуч: он в восемь раз легче метана и мгновенно уходит вверх, не скапливаясь. В Москве ежедневно вырабатываются тонны водорода на заводах и для охлаждения ГЭС, при этом не зафиксировано ни единой аварии. Автомобили с водородными двигателями (Toyota Mirai, Hyundai Nexo) проходят жесткие краш-тесты и признаны безопасными», — считает Юрий Добровольский.
Для купирования проблемы безопасного хранения водорода специалисты предлагают комплексный подход: использование высокопрочных композитных баллонов высокого давления, размещение системы хранения в вентилируемых зонах (чаще — на крыше), внедрение многоуровневой системы безопасности (датчики, клапаны, продувка), соблюдение жестких стандартов проектирования и эксплуатации, создание специализированной инфраструктуры для заправки и обслуживания.
В случае полноценного развития собственных водородных технологий Россия имеет все шансы выйти на мировой рынок и стать как минимум региональным лидером. «В развитых странах (Европа, Китай, Корея) все места уже заняты. Однако они есть в Южной Америке, Африке, Юго-Восточной Азии (Индонезия, Вьетнам), где наблюдается дефицит электроэнергии и интерес к зеленым технологиям. Именно там Россия может стать региональным лидером, начав выпускать свои топливные элементы с высокой степенью локализации, чтобы преодолеть зависимость от китайских технологий», — говорит Юрий Добровольский.
Что касается внутреннего рынка, то, по мнению Добровольского, без господдержки водородный транспорт «не взлетит»: «Один поезд стоит слишком дорого для стартапа и даже для крупного частного бизнеса, поэтому субсидии и льготы необходимы, как это было с электрокарами. Минпромторг начал раздавать гранты, но пока рынок приходится создавать самим производителям».