Революция в хранении водорода: раскрывая недостающее звено чистой энергетики

В конце 2024 года Национальная лаборатория возобновляемой энергии (NREL) и GKN Hydrogen ввели в эксплуатацию первый в своем роде «мега-резервуар» для хранения водорода в виде металлического гидрида на 500 кг в Колорадо.
Японское судно для перевозки сжиженного водорода Suiso Frontier в 2022 году продемонстрировало транспортировку жидкого водорода из Австралии в Японию.
Hydrogenious LOHC Technologies строит крупнейший в мире завод LOHC — проект Hector — в Дормагене, Германия, для хранения около 1800 тонн водорода в год в системе LOHC на основе бензилтолуола; одобрение ожидается в апреле 2025 года, открытие запланировано на 2027 год.
Advanced Clean Energy Storage (ACES) в Юте будет использовать две соляные каверны для хранения водорода, производимого электролизерами мощностью 220 МВт; изначально в 2025 году планируется смесь с 30% водорода и цель — 100% водорода к 2045 году.
Пилотный проект Uniper по хранению водорода в соляной каверне в Германии начал закачку водорода в сентябре 2024 года, и первые результаты показывают успешную герметизацию и извлечение.
Водородные автомобили Toyota Mirai хранят водород в баллонах под давлением около 700 бар, что обеспечивает запас хода примерно 500–600 км (более 300 миль).
Подземная водородная каверна HYBRIT в Лулео, Швеция, объемом 100 кубических метров была открыта в 2022 году.
Европейский союз одобрил проект IPCEI Hy2Move в мае 2024 года для развития водородной цепочки создания стоимости, включая инновации в хранении.
В конце 2024 года испытания NASA продемонстрировали изоляцию, которая снизила испарение жидкого водорода в резервуарах примерно на 50%.
Сжижение водорода потребляет около 30% его энергетического содержания, что подчеркивает энергозатраты криогенного хранения.

Водород часто называют «топливом будущего» в экономике чистой энергии. Но чтобы выполнить это обещание, необходимо решить критическую задачу: как хранить водород эффективно, безопасно и в больших масштабах. Почему это так важно? Водород можно производить в неограниченных количествах из воды и возобновляемой электроэнергии (получая «зеленый водород»), и при его использовании не выделяются парниковые газы — только вода. Кроме того, он содержит больше энергии на фунт, чем любое другое топливо, но в газообразном состоянии это чрезвычайно низкоплотное топливо energy.gov. На практике это означает, что некомпримированный водород потребовал бы резервуар больше дома, чтобы соответствовать энергии бензобака. Поэтому эффективные методы хранения необходимы, чтобы упаковать достаточно водорода в разумные объемы для использования в транспорте, энергетике и промышленности energy.gov. Как отмечает Международное энергетическое агентство, «Водород — один из ведущих вариантов хранения энергии из возобновляемых источников», потенциально по самой низкой стоимости для долгосрочного хранения на дни и даже месяцы iea.org.

Роль водорода в глобальном энергетическом переходе многогранна. Он предлагает способ декарбонизации секторов, которые сложно электрифицировать (таких как тяжелая промышленность, судоходство или авиация), а также позволяет хранить избыточную энергию из возобновляемых источников для использования, когда солнце не светит или ветер не дует iea.org. Многие эксперты рассматривают хранение водорода как «недостающее звено», которое может соединить прерывистую генерацию из возобновляемых источников с постоянным, круглосуточным спросом на энергию. «Водород сегодня переживает беспрецедентный подъем. Мир не должен упустить этот уникальный шанс сделать водород важной частью нашего чистого и безопасного энергетического будущего», — сказал Фатих Бироль, исполнительный директор МЭА iea.org. Короче говоря, овладение технологиями хранения водорода — ключ к раскрытию его потенциала как чистого топлива и энергетического буфера в экономике с нулевым выбросом.

Как (и зачем) мы храним водород

В отличие от нефти или природного газа, водород не встречается в готовом виде под землей — его необходимо производить, затем хранить и транспортировать перед использованием. Но хранение водорода — непростая задача, несмотря на то, что водород — самый легкий элемент nrel.gov. В обычных условиях это разреженный газ, поэтому инженеры разработали различные методы, чтобы упаковать водород более плотно для хранения. В целом, водород можно хранить физически в виде сжатого газа или криогенной жидкости, либо химически в составе других материалов.

Зачем все эти усилия? Потому что эффективное хранение водорода позволяет нам создавать запасы чистой энергии. Например, избыточная солнечная или ветровая энергия может использоваться для расщепления воды с получением водорода, который затем хранится и впоследствии преобразуется обратно в электричество в топливном элементе или турбине по мере необходимости. Эта возможность смещать во времени подачу энергии крайне важна для энергосистем, основанных на возобновляемых источниках. Хранение водорода также позволяет топливным элементам транспортных средств иметь достаточный запас топлива на борту для дальних поездок, а промышленным предприятиям — поддерживать резерв для критически важных процессов. По сути, хранение водорода превращает его в гибкую энергетическую валюту — производится, когда есть избыток зеленой энергии, и потребляется там и тогда, где и когда это необходимо.

Ключевые методы хранения водорода

Сегодня исследователи и промышленность разрабатывают несколько методов хранения водорода, каждый из которых имеет свои преимущества и сложности:

Сжатый водородный газ: Самый простой способ хранения водорода — в виде газа в баллонах высокого давления. Водородный газ закачивается в прочные баллоны под давлением 350–700 бар (5 000–10 000 psi) energy.gov, что значительно увеличивает его плотность. Именно так автомобили на водородных топливных элементах хранят H₂ — например, баллоны в Toyota Mirai содержат водород под давлением около 700 бар, чего хватает примерно на 500–600 км (300+ миль) пробега. Хранение сжатого газа — это проверенный временем способ с быстрой заправкой, но баллоны громоздкие (толстые стенки из углеродного волокна), и даже при 700 барах энергетическая плотность водорода на единицу объёма всё равно составляет лишь часть от бензина. Это идеальный метод для транспортных средств и малых объёмов хранения благодаря простоте, хотя при масштабировании потребуется использовать много больших баллонов или даже огромные резервуары для хранения больших объёмов.
Жидкий водород (криогенное хранение): Охлаждение водородного газа до -253 °C (-423 °F) превращает его в жидкость, что позволяет достичь гораздо большей энергетической плотности на литр energy.gov. Жидкий водород (LH₂) десятилетиями используется в топливных баках ракет (например, Saturn V и космический шаттл NASA). Сейчас его рассматривают для массовых перевозок (на автоцистернах или даже судах) и на заправочных станциях. Преимущество в том, что жидкий водород примерно в 8 раз плотнее, чем газ при 700 барах. Однако для этого требуются дорогие криогенные резервуары с суперизоляцией, и часть водорода со временем испаряется. Поддержание такой низкой температуры требует больших энергозатрат. Жидкое хранение оправдано, когда нужна максимальная плотность — например, японское инновационное судно для перевозки LH₂ Suiso Frontier в 2022 году продемонстрировало транспортировку жидкого водорода из Австралии в Японию. В будущем жидкий водород может использоваться для заправки самолётов и судов или как форма распределения, но потери на испарение и затраты на охлаждение остаются основными препятствиями.
Металлические гидриды (твердотельное хранение): Интригующий метод — хранить водород внутри твердых материалов. Некоторые металлы и сплавы (например, магний, титан или соединения лантан-никеля) легко поглощают водородный газ в свою кристаллическую структуру, образуя металлические гидриды — по сути, металлические губки для водорода. Это превращает водород в стабильную твердую форму nrel.gov. Например, некоторые никелевые сплавы могут впитывать водород при умеренном давлении и температуре и выделять его при нагревании. Главное преимущество — это безопасность и плотность: водород фиксируется в твердой матрице, не требуется ни высокое давление, ни экстремальный холод nrel.gov. Это может избавить от необходимости толстостенных баллонов, и это очень компактно по объему (металлические гидриды могут достигать большей объемной плотности, чем жидкий H₂). Недостаток — это вес — металлы тяжелые — и необходимость подачи тепла для высвобождения водорода. Системы металлических гидридов демонстрируются для стационарного хранения. В конце 2024 года консорциум под руководством NREL и GKN Hydrogen ввел в эксплуатацию первый в своем роде “мега-резервуар” для металлических гидридов водорода на 500 кг в Колорадо nrel.gov nrel.gov. «Хотя металлические гидриды как технология хранения водорода существуют уже много лет, на коммерческом уровне они относительно новы», — отмечает Алан Ланг из GKN Hydrogen. Такие демонстрации, как у NREL, доказывают их жизнеспособность и уникальную ценность с точки зрения безопасности, занимаемой площади и эффективности для крупномасштабного хранения энергии nrel.gov.
Жидкие органические носители водорода (LOHC): Еще один новый подход заключается в хранении водорода в жидких химических веществах, чем-то похожих на перезаряжаемое топливо. Жидкие органические носители водорода — это стабильные жидкости, похожие на масло (например, толуол или дибензилтолуол), которые можно химически «заряжать» водородом, а затем «разряжать», чтобы высвободить его. По сути, водородный газ хемосорбируется в жидкость посредством реакции гидрирования, образуя жидкость, обогащенную водородом; затем процесс дегидрирования (с использованием тепла и катализатора) выделяет газообразный H₂ по требованию en.wikipedia.org. Главное преимущество LOHC в том, что жидкость можно использовать при комнатной температуре и давлении – не нужны криогенные или высоконапорные резервуары. Жидкости LOHC используют существующую топливную инфраструктуру: их можно перекачивать и транспортировать в цистернах, как бензин. Они невзрывоопасны и могут плотно хранить большие объемы водорода (некоторые LOHC содержат ~6–7% водорода по массе). Недостаток — это энергозатраты на химические реакции: для высвобождения водорода требуется нагрев и катализаторы. Это снижает эффективность полного цикла (обычно только 60–70% эффективности при выделении без рекуперации тепла) en.wikipedia.org. Однако исследования улучшают этот показатель, а преимущества в безопасности и логистике делают LOHC привлекательными для дальней транспортировки водорода. В 2020 году Япония запустила первую в мире международную цепочку поставок водорода, используя LOHC на основе толуола для перевозки водорода из Брунея в Кавасаки en.wikipedia.org. Крупные компании, такие как немецкая Hydrogenious LOHC Technologies, масштабируют LOHC. Hydrogenious строит крупнейший в мире завод LOHC (проект «Гектор») в Дормагене, Германия, чтобы хранить около 1 800 тонн водорода в год в системе LOHC на основе бензилтолуола h2-international.com. Объект только что получил одобрение в апреле 2025 года и планируется к открытию в 2027 году h2-international.com. Генеральный директор Hydrogenious Андреас Леманн называет это доказательством «зрелости и промышленной применимости нашей технологии LOHC» h2-international.com.
Химические носители (аммиак и другие): Водород также можно хранить косвенно, преобразуя его в другие химические соединения, богатые водородом, такие как аммиак (NH₃) или метанол. Аммиак — соединение водорода и азота — уже широко производится и транспортируется по всему миру (как удобрение), и он содержит больше водорода на литр, чем жидкий H₂, при этом не требуя криогенных резервуаров (аммиак сжижается при -33 °C, что гораздо проще, чем -253 °C для H₂). Идея заключается в производстве «зеленого аммиака» из зеленого водорода, транспортировке или хранении аммиака (с которым проще обращаться, чем с чистым водородом), а затем либо использовании аммиака в качестве топлива (некоторые электростанции и суда уже адаптируются для сжигания аммиака), либо «разложении» его обратно на водород в пункте назначения. Преимущество — использование существующей инфраструктуры для аммиака: трубопроводов, резервуаров, судов, — но разложение аммиака на водород энергоемко и пока не получило широкого распространения. Аналогично, метанол или другие синтетические топлива могут служить жидкими носителями водорода углеродно-нейтральным способом (если они произведены из CO₂ + H₂). Эти химические носители перспективны для международной торговли водородом: например, крупные проекты по производству зеленого аммиака на Ближнем Востоке и в Австралии планируют отправлять аммиак импортерам энергии в качестве аналога водорода. Выбор носителя часто зависит от конечного применения: для топливных элементов и транспорта, где требуется чистый H₂, могут быть предпочтительнее LOHC или сжатый водород, тогда как для топлива для судов или электростанций аммиак может использоваться напрямую.

Каждый из этих методов хранения решает основную задачу — повышение энергетической плотности водорода и управление его сложными свойствами, но ни один из способов не является универсальным для всех случаев. На практике будет сосуществовать комбинация технологий хранения — от баллонов высокого давления на заправочных станциях до автоцистерн с LOHC и твердотельных накопителей для резервного электропитания.

Технические проблемы и последние достижения

Хранение водорода значительно продвинулось, но остаются серьезные технические проблемы. Одна из основных задач — достижение высокой плотности без чрезмерно тяжелых или дорогих систем. Например, баллоны для сжатого газа в автомобилях должны быть изготовлены из углеродного волокна, чтобы выдерживать 700 бар, что дорого и занимает много места в машине. Даже в этом случае типичный баллон на 700 бар вмещает всего около 5–6 кг H₂ — этого хватает на несколько сотен километров пробега. В таких сферах, как авиация или грузоперевозки на дальние расстояния, масса и объем хранилища представляют собой серьезные проблемы по сравнению с энергоемким дизельным или авиационным топливом. Жидкий водород увеличивает плотность, но потери из-за испарения и затраты энергии на сжижение водорода (около 30% его энергетического содержания) являются недостатками. Водород также известен своей способностью к утечкам — молекула H₂ очень мала и может проходить через уплотнения, которые удерживают другие газы. Обеспечение герметичности систем и обнаружение утечек — важнейшее направление по обеспечению безопасности, поскольку водород воспламеняем.

Еще одна проблема — это совместимость материалов: водород со временем может делать некоторые металлы хрупкими (явление, называемое водородное охрупчивание), что может ослаблять резервуары или трубопроводы energy.ec.europa.eu. Инженерам приходится использовать специальные стали или композиты и тщательно тестировать оборудование — например, новые водородные трубопроводы или материалы резервуаров проходят строгие испытания на циклическое давление и охрупчивание, чтобы обеспечить долгосрочную безопасность energy.ec.europa.eu. Есть также вопрос эффективности: каждый этап хранения (сжатие, охлаждение, абсорбция и т.д.) требует энергии, снижая общую эффективность системы «зеленого водорода». Снижение этих потерь с помощью лучших технологий — постоянная задача.

Хорошая новость в том, что быстрый прогресс идет по многим направлениям. Исследователи разрабатывают новые материалы, такие как металло-органические каркасы (MOF) — по сути, кристаллические губки с порами нанометрового размера — которые могут адсорбировать водород с высокой плотностью. Уже открыто более 95 000 MOF-материалов, многие из которых показывают перспективы для хранения газов southampton.ac.uk. В 2024 году команда из Университета Саутгемптона создала новый пористый материал на основе органических солей, который может хранить водород как губка, потенциально дешевле и стабильнее традиционных MOF southampton.ac.uk. Тем временем стартапы, такие как H2MOF (соучредитель — лауреат Нобелевской премии сэр Фрейзер Стоддарт), спешат коммерциализировать хранение водорода на основе MOF, которое может работать при почти комнатной температуре и низком давлении, что стало бы прорывом gasworld.com gasworld.com. Как отметил сэр Фрейзер Стоддарт, «Водородное топливо обладает самой высокой плотностью энергии среди всех горючих топлив; при этом оно не дает выбросов.» gasworld.com Это означает, что если мы решим проблему хранения с помощью передовых материалов, водород действительно сможет конкурировать с ископаемым топливом по удобству, обеспечивая при этом чистую энергию.

Технологии резервуаров и инфраструктуры также совершенствуются. Для сжатого газа новые конструкции композитных резервуаров (баллоны типов IV и V) уменьшают вес и увеличивают вместимость для транспортных средств. Компании тестируют криосжатый водород — гибрид холодного и сжатого водорода — чтобы упаковать больше газа в резервуары без полной сжижения. В области твердотельного хранения недавний проект NREL–GKN Hydrogen продемонстрировал, что отработанное тепло от предприятия может быть использовано для эффективного высвобождения водорода из металлических гидридов, повышая эффективность системы nrel.gov nrel.gov. Ввод в эксплуатацию этого 500-килограммового блока хранения гидридов в 2024 году показывает, что твердотельное хранение переходит от лабораторного масштаба к практическому, подключенному к сети nrel.gov. Аналогично, технология LOHC развивается: разрабатываются новые катализаторы и жидкие носители для снижения температуры и энергии, необходимых для высвобождения водорода, а реальные пилотные проекты (например, 5-тонные в сутки блоки хранения LOHC от Hydrogenious) подтверждают долговременную цикличность и экономическую эффективность. Каждое постепенное улучшение — резервуар, вмещающий больше H₂ на литр, материал, высвобождающий H₂ при температуре на 10 °C ниже, насос, уменьшающий потери на испарение — приближает хранение водорода к необходимым для массового внедрения характеристикам.

Инфраструктура и вопросы безопасности

Построение энергетической системы на основе водорода — это не только вопрос среды хранения; необходимы поддерживающая инфраструктура и строгие меры безопасности. Со стороны инфраструктуры представьте себе будущую цепочку поставок водорода — она начинается с производства (электролизеры или риформеры), затем транспортировка (трубопроводы, грузовики или суда), затем хранение и, наконец, конечное использование (топливные элементы, турбины и т.д.). Каждый элемент этой цепочки разрабатывается уже сегодня.

Трубопроводы: Наиболее эффективным способом транспортировки больших объемов водорода внутри страны могут быть трубопроводы, аналогично природному газу. Некоторые страны планируют строительство специализированных водородных трубопроводов (в Европе предложен проект «Водородный хребет», охватывающий весь континент), а пока смешивание водорода с существующими трубопроводами природного газа проходит испытания. Во многих системах возможно добавление до примерно 20% водорода по объему в природный газ, что может снизить выбросы CO₂ при поставке газа (однако при большем содержании водорода часто требуются новые трубы или модернизация из-за хрупкости материалов и совместимости оборудования). Например, коммунальные службы Великобритании провели испытания в жилых районах, поставляя смесь из 20% водорода в газовую сеть обычных домов, при этом потребители не заметили разницы, кроме немного меньших выбросов. В США компания SoCalGas реализует проект «H2 Hydrogen Home», демонстрируя смешивание водорода в трубопроводах для домашней кулинарии и отопления uci.edu. В долгосрочной перспективе цель — построить чисто водородные трубопроводы для промышленных кластеров и водородных «хабов». Существующие трубопроводы природного газа иногда можно переоборудовать — но необходимо заменить участки, не способные выдерживать свойства водорода. ЕС уже предпринимает шаги в этом направлении: директива ЕС 2024 года заложила основу для операторов водородных сетей (ENNOH) и стандартов трубопроводов, отличных от стандартов для природного газа energy.ec.europa.eu.

Объекты для хранения оптом: Так же, как мы храним природный газ в огромных подземных кавернах для сглаживания сезонного спроса, мы можем делать то же самое и с водородом. На самом деле, подземные соляные каверны становятся решением для массового хранения водорода, поскольку соляные образования обладают необходимыми свойствами (они герметичны и могут быть выщелочены для образования больших полостей). Примечательный пример находится на северо-востоке Германии: энергетическая компания Uniper в сентябре 2024 года открыла пилотный проект “HPC Krummhörn”, соляную каверну, переоборудованную для хранения до 500 000 кубических метров водорода под давлением gasworld.com. Эта каверна будет использоваться для испытания реальной эксплуатации крупномасштабного сезонного хранения водорода, хранения зеленого водорода, произведенного летом, для использования зимой gasworld.com. В Соединенных Штатах строится еще более крупный проект под названием Advanced Clean Energy Storage (ACES) в штате Юта. При поддержке кредитной гарантии DOE на сумму 504 миллиона долларов energy.gov, ACES будет использовать две огромные соляные каверны (каждая размером с несколько Эмпайр-стейт-билдинг) для хранения чистого водорода, производимого электролизной установкой мощностью 220 МВт energy.gov energy.gov. Хранимый водород будет подаваться на турбины Intermountain Power Project — сначала смесь с 30% водорода в 2025 году, с целью перехода на 100% водородное топливо к 2045 году energy.gov. Эти проекты показывают, как водород может обеспечивать длительное хранение энергии для энергосистемы, подобно огромной батарее, которая на месяцы запасает избыточную возобновляемую энергию.

Транспортировка и заправка: Для распределения в меньших масштабах сегодня широко используются трубные трейлеры с сжатым водородом (грузовики, перевозящие пакеты баллонов высокого давления) для доставки H₂ на промышленные объекты и заправочные станции. Каждый трейлер может перевозить 300–400 кг H₂. В будущем криогенные автоцистерны для жидкого водорода (изолированные криогенные грузовики, похожие на автоцистерны для СПГ) смогут перевозить большие объемы (~3 500 кг на грузовик) для снабжения заправочных станций. Япония даже запустила демонстрационный корабль для перевозки жидкого водорода, как уже упоминалось, чтобы изучить морские перевозки. Создание сети водородных заправочных станций критически важно для водородных автомобилей — к 2025 году в мире насчитывается более 1 000 станций (лидируют Япония, Германия, Калифорния и Южная Корея), но потребуется гораздо больше, если водородные автомобили станут массовыми. Правительства поддерживают расширение таких станций, часто размещая их рядом с существующими АЗС, проектируя с учетом специальных датчиков безопасности, вентиляции и аварийных отключений.

Говоря о безопасности, понятно, что это вызывает серьезные опасения, учитывая репутацию водорода (миф о Гинденбурге до сих пор жив в общественном воображении). На самом деле, водород можно использовать так же безопасно, как и другие распространенные виды топлива, но его свойства требуют тщательной инженерной проработки. Водород чрезвычайно воспламеняем в широком диапазоне концентраций в воздухе (примерно от 4% до 75% H₂ в воздухе может воспламениться). С другой стороны, у него очень высокая температура самовоспламенения (то есть требуется значительный источник тепла для воспламенения), а его молекулы настолько легкие, что при утечке на открытом воздухе водород быстро поднимается вверх и рассеивается — в отличие от бензина или пропана, которые могут скапливаться на земле. Такое быстрое рассеивание может снизить риск пожара на открытом воздухе. Однако в закрытых помещениях водород может скапливаться под потолком (так как легче воздуха), поэтому необходима хорошая вентиляция и водородные детекторы. Необычной особенностью является то, что водород горит почти невидимым пламенем при дневном свете; поэтому на водородных объектах используются детекторы пламени (ультрафиолетовые/инфракрасные датчики), чтобы обнаружить возгорания, которые не видны глазу.

Стандарты материалов и компонентов также имеют ключевое значение для безопасности. Склонность водорода вызывать охрупчивание некоторых металлов означает, что баки, клапаны и трубы должны быть изготовлены из совместимых материалов или иметь соответствующее покрытие (например, нержавеющая сталь, полимеры, композиты, доказавшие свою устойчивость к проникновению водорода). Все водородные баки для транспортных средств проходят испытания на огнестойкость, падение и экстремальное давление, чтобы гарантировать их целостность даже при серьезных авариях. На заправочных станциях используются высококачественные разъемы с аварийным отсоединением и заземлением для предотвращения статических искр. В отрасли разработаны подробные нормы и стандарты (например, стандарты ISO и NFPA), регулирующие проектирование водородных систем, аналогично тем, что давно применяются для природного газа.

Информирование общественности также является частью обеспечения безопасности — например, людям объясняют, что в водородном автомобиле невозможно почувствовать утечку водорода по запаху (H₂ не имеет запаха, в отличие от природного газа с одорантами), поэтому устанавливаются автоматические детекторы. В целом, десятилетия опыта обращения с водородом в промышленности (нефтеперерабатывающие заводы, заводы по производству удобрений, объекты NASA) дают уверенность, что при соблюдении необходимых мер предосторожности водород может быть таким же безопасным, как и традиционные виды топлива. По мере развития водородной инфраструктуры регуляторы и компании придерживаются принципа «безопасность прежде всего», принимая консервативные проектные решения и тщательно тестируя системы, чтобы заслужить доверие общества.

Крупнейшие игроки, проекты и инвестиции

Глобальный интерес к водороду привлек широкий круг участников отрасли и крупных инвестиций — от энергетических гигантов до технологических стартапов и правительств. Вот краткий обзор тех, кто движет бумом хранения водорода, и некоторых ключевых проектов:

Промышленные газовые компании: Устоявшиеся фирмы, такие как Linde, Air Liquide и Air Products, которые давно поставляют водород для промышленности, активно инвестируют в новую водородную инфраструктуру. Они являются экспертами в таких областях, как сжижение, сжатие и распределение в промышленных масштабах. Например, Air Liquide объявила о вложении 850 миллионов долларов в водородный проект в Техасе совместно с ExxonMobil в 2024 году, включая строительство новых установок разделения воздуха и трубопроводов для поддержки крупного низкоуглеродного комплекса по производству водорода и аммиака в Бейтауне, штат Техас gasworld.com. Air Liquide и Linde вместе эксплуатируют тысячи километров водородных трубопроводов (особенно вдоль побережья Мексиканского залива США и в Северной Европе), которые расширяются. Эти компании также развивают крупномасштабное хранение водорода – Air Liquide построила установки по сжижению водорода (одна из крупнейших в мире находится в Неваде и снабжает жидким H₂ заправочные станции на Западном побережье). Air Products инвестирует в масштабные проекты по производству и экспорту «зеленого водорода» (например, проект на 5 миллиардов долларов в Саудовской Аравии по производству зеленого аммиака на экспорт). Эти лидеры рынка обладают глубокими инженерными знаниями и играют ключевую роль в масштабировании технологий хранения (например, Linde производит многие из высоконапорных баллонов и криогенных сосудов, используемых в водородных проектах по всему миру).
Энергетические и нефтегазовые гиганты: Многие традиционные нефтяные компании и коммунальные предприятия переходят к водороду. Shell, BP, TotalEnergies и Chevron создали водородные подразделения и пилотные проекты. Shell построила водородные заправочные станции в Европе и является партнером проекта REFHYNE (один из крупнейших электролизеров ЕС на нефтеперерабатывающем заводе в Германии). BP участвует в планируемом водородном хабе в Австралии. Chevron инвестировала в проект ACES в Юте и владеет долей в Hydrogenious LOHC. Ближневосточные нефтяные компании (Saudi Aramco, ADNOC в ОАЭ) вкладывают средства в планы по экспорту водорода/аммиака, чтобы оставаться поставщиками энергии в декарбонизированном мире. Крупные коммунальные компании, такие как Uniper, RWE, Enel, разрабатывают системы хранения водорода для балансировки энергосистемы и переоборудуют газовую инфраструктуру под H₂. Mitsubishi Power – еще один ключевой игрок: компания поставляет газовые турбины, способные работать на водороде, для проекта ACES в Юте и в 2023 году завершила знаковое испытание электростанции в Японии, работающей на топливной смеси с 30% водорода. Эти крупные компании часто выступают интеграторами, объединяя производство, хранение и конечное использование в демонстрационных проектах.
Инновационные стартапы: С другой стороны, многие стартапы и исследовательские спин-оффы занимаются разработкой конкретных технологий хранения. Мы упоминали H2MOF (фокусируется на MOF-материалах). Другой пример — Hydrogenious LOHC (основана в 2013 году, сейчас лидер в области LOHC при поддержке Chevron и Mitsubishi). GKN Hydrogen (поддерживается британской инжиниринговой компанией) продвигает системы хранения на основе металлических гидридов для микросетей. Plug Power, хотя в основном известна топливными элементами и электролизерами, также внедряет инновации в области сжижения и хранения водорода для поддержки своей национальной сети доставки водорода для заправки погрузчиков. Стартапы также работают над химическим хранением водорода, например, Powerpaste (паста на основе гидрида магния, разработанная Fraunhofer для малых транспортных средств) и новыми катализаторами для расщепления аммиака. Экосистема охватывает от небольших венчурных компаний до крупных промышленных конгломератов, все они стремятся улучшить способы хранения и транспортировки водорода.
Флагманские проекты: Помимо компаний, некоторые проекты заслуживают особого внимания из-за их масштаба и значимости:
- Advanced Clean Energy Storage (Юта, США): Как уже описывалось, это будет один из крупнейших в мире объектов хранения водородной энергии, с хранилищем в кавернах, эквивалентным суточному запасу электроэнергии для крупного города. Проект объединяет солнечную/ветровую энергетику, массивные электролизеры, соляные каверны и электростанцию на водороде energy.gov energy.gov. Это пример использования водорода для сезонного хранения энергии для электросетей.
- Hector LOHC Plant (Германия): Крупнейшее в мире планируемое хранилище на основе LOHC (1 800 тонн H₂ в год). Оно будет связано с проектом Green Hydrogen @ Blue Danube по импорту водорода, демонстрируя LOHC для межрегиональной торговли водородом h2-international.com.
- HyStock (Нидерланды): Проект компании Gasunie по созданию соляной каверны для водорода и сопутствующих трубопроводов, часть голландской стратегии по хранению возобновляемого водорода для балансировки энергии от морских ветропарков.
- H₂H Saltend (Великобритания): Предлагаемый водородный хаб на северо-востоке Англии, где избыточный водород от промышленного производства будет храниться (сначала в наземных резервуарах, позже — в подземных кавернах) для снабжения близлежащей электростанции и промышленности.
- Asian Renewable Energy Hub (Австралия): Гигантский планируемый проект по производству зеленого водорода и аммиака в Западной Австралии для экспорта, требующий хранения и сжижения на месте. Хотя основной акцент на производстве, масштаб проекта подразумевает внедрение новых технологий хранения (например, резервуары для аммиака размером с нефтяные).
- Японо-австралийская цепочка поставок LH₂: Демонстрационные проекты Японии не только отправляли LOHC из Брунея, но и жидкий водород из Австралии. Судно Suiso Frontier для перевозки LH₂ в начале 2022 года доставило сжиженный водород на расстояние ~9 000 км, доказав, что морские перевозки осуществимы. Японская компания Kawasaki Heavy Industries построила специальные резервуары, которые могут поддерживать температуру водорода -253 °C во время рейсов.
- Водородные долины ЕС: ЕС финансирует кластеры (долины), где интегрированы производство, хранение и использование водорода. Многие из них включают инновационные методы хранения — например, проект в Каталонии (Испания) строит водородную долину с подземным хранением в истощённом газовом резервуаре, а в одной из шведских долин интегрировано подземное хранилище водорода проекта HYBRIT для производства стали.
- Проект HYBRIT по производству стали (Швеция): Этот проект трансформирует производство стали, используя водород вместо угля. Для обеспечения стабильных поставок водорода на сталелитейный завод HYBRIT построил уникальное подземное хранилище водорода в скальной каверне в Лулео, Швеция — по сути, это старая скальная каверна, облицованная и герметизированная для хранения водорода под давлением hybritdevelopment.se. В 2022 году они ввели в эксплуатацию это хранилище объёмом 100 м³, которое с тех пор успешно работает, аккумулируя водород, произведённый из возобновляемых источников, для подачи на пилотный сталелитейный завод hybritdevelopment.se. Это меньший масштаб по сравнению с соляными кавернами, но новаторское использование водородного хранения для обеспечения непрерывной работы промышленности. Пример сталелитейной отрасли показывает, что хранение водорода может напрямую декарбонизировать промышленные процессы: пилотный проект HYBRIT уже произвёл высококачественную сталь с нулевыми выбросами углерода, используя накопленный безуглеродный водород fasken.com.
Государственный и общественный сектор: Наконец, но не менее важно, сами правительства являются ключевыми игроками благодаря финансированию и политике. За последние два года наблюдается беспрецедентная волна государственных инвестиций в водород. В Соединённых Штатах Закон о двухпартийной инфраструктуре 2021 года выделил 8 миллиардов долларов на региональные центры чистого водорода, что привело к объявлению в октябре 2023 года о семи проектах водородных хабов, которые получат 7 миллиардов долларов федерального финансирования bidenwhitehouse.archives.gov. Эти хабы — расположенные по всей стране от Пенсильвании до Техаса и Калифорнии — привлекли более 40 миллиардов долларов частных совместных инвестиций bidenwhitehouse.archives.gov. В совокупности они нацелены на производство 3 миллионов тонн чистого водорода в год к 2030 году (примерно треть от цели США на этот год) и создание десятков тысяч рабочих мест bidenwhitehouse.archives.gov. Важно, что многие хабы включают планы по созданию подземных хранилищ водорода, трубопроводов и инфраструктуры распределения для соединения производителей водорода с потребителями. Правительство США также ввело щедрые стимулы, такие как налоговый кредит на производство чистого водорода (45V) — до 3 доллара за килограмм произведённого чистого водорода — чтобы стимулировать инвестиции во всю цепочку поставок projectfinance.law. Этот налоговый кредит (часть Закона о снижении инфляции 2022 года) привёл к росту на 247% в планируемых водородных проектах, поскольку разработчики ожидают кредиты, делающие зелёный водород гораздо более конкурентоспособным по стоимости. В Европе «Зелёный курс» ЕС и план REPowerEU вывели водород на передний план. ЕС поставил цель производить 10 миллионов тонн возобновляемого водорода ежегодно к 2030 году и импортировать ещё 10 миллионов тонн energy.ec.europa.eu. Для поддержки этого ЕС и государства-члены запустили программы финансирования, такие как Важные проекты общего европейского интереса (IPCEI). В 2022–2024 годах были одобрены три программы IPCEI (Hy2Tech, Hy2Use, Hy2Infra), направившие миллиарды в водородные технологии и инфраструктуру. Hy2Infra IPCEI (февраль 2024) прямо поддерживает строительство «крупномасштабных объектов хранения водорода и трубопроводов» в нескольких странах energy.ec.europa.eu. Кроме того, ЕС создаёт «Европейский водородный банк» для субсидирования зелёногопроизводство водорода и обеспечение его сбыта, что косвенно способствует хранению, гарантируя спрос. Отдельные европейские страны имеют свои собственные стратегии: например, Германия удвоила финансирование водородных проектов до 20 млрд евро и софинансирует НИОКР по хранению водорода, в то время как Франция инвестирует в технологии жидководородных баков для авиации. Правительства региона Азия–Тихоокеанский также участвуют в этом процессе: Япония планирует использовать 5 млн тонн водорода в год к 2030 году и реализует стратегию, акцентирующую внимание на строительстве судов-газовозов LH₂ и терминалов хранения; Южная Корея стремится создать множество водородных городов с электростанциями на топливных элементах и уже построила крупное хранилище водорода и электростанцию на топливных элементах (проект “Hanam Fuel Cell”). Китай, хотя в настоящее время сосредоточен на транспорте и промышленном использовании, быстро наращивает производство электролизеров и, вероятно, развернет крупные объекты хранения водорода по мере интеграции водорода в свою энергетическую систему.

Все эти игроки и проекты подчеркивают ключевой момент: хранение водорода привлекает крупный капитал и таланты по всему миру. Сближение устоявшейся индустрии, инновационных стартапов и государственных инвестиций ускоряет прогресс. Эта широкая поддержка — причина, по которой многие аналитики считают, что на этот раз водород останется (в отличие от предыдущих волн ажиотажа). Как выразился один из отраслевых наблюдателей, история водорода достигла настоящей точки перегиба — по мере того как технологии созревают и в отрасль вливаются огромные инвестиции, водород готов играть все более важную роль в глобальном энергетическом переходе fasken.com.

Применения: транспорт, хранение в сетях и промышленное использование

Что же мы на самом деле будем делать со всем этим запасённым водородом? Прекрасная особенность водорода — его универсальность: один и тот же водород может приводить в движение автомобиль, нагревать промышленную печь или обеспечивать работу электростанции. Вот некоторые из ключевых областей применения и то, как хранение водорода их обеспечивает:

Транспорт: Транспортные средства на водородных топливных элементах (FCEV) являются основой видения водородной экономики. К ним относятся легковые автомобили (например, Toyota Mirai, Hyundai Nexo), автобусы, грузовики (например, прототипы Nikola, Toyota/Kenworth, Hyundai Xcient), поезда и даже погрузчики. В транспортных средствах компактное бортовое хранение имеет решающее значение. Большинство FCEV используют баллоны сжатого газа на 700 бар, как уже упоминалось. Эти современные баллоны обеспечивают автомобилям запас хода 300–400 миль, что делает FCEV конкурентоспособными с бензиновыми авто по дальности хода energy.gov. Грузовики и автобусы большой грузоподъемности часто используют системы на 350 бар (более крупные баллоны при меньшем давлении), но также зависят от хранения высокой плотности для приемлемого запаса хода/частоты заправки. Технологии хранения водорода напрямую влияют на жизнеспособность транспорта: лучшие баллоны означают более легкие автомобили или больший запас хода. Преимущество водорода перед батареями — быстрая заправка и меньший вес при том же запасе хода, поэтому его рассматривают для дальнемагистральных и интенсивно используемых перевозок. Например, в 2023 году водородные поезда Alstom начали курсировать в Германии на региональных линиях — каждый поезд имеет баллоны с водородом на крыше и может проехать 1000 км на одной заправке, заменяя дизельные поезда на неэлектрифицированных участках. В авиации компании тестируют дроны и малые самолеты на водороде, а также рассматривают возможность использования жидкого водорода для самолетов среднего размера в 2030-х годах. Судоходство исследует водородные топлива: некоторые демонстрационные суда используют топливные элементы с бортовым хранением водорода, но многие склоняются к аммиаку или метанолу (для них нужны другие типы резервуаров). Важно, что необходима и внешняя инфраструктура хранения водорода: сеть заправочных станций и водородных депо для обслуживания такого транспорта. Для грузовых маршрутов отрасль рассматривает «водородные коридоры» с заправочными станциями примерно каждые 100 миль. В портах и аэропортах хранение водорода (скорее всего, в виде жидкости или аммиака) может обеспечивать топливо для будущих судов и самолетов. Сектор погрузчиков и складской техники стал одним из первых успешных примеров для водорода — такие компании, как Amazon и Walmart, уже используют тысячи погрузчиков на топливных элементах в распределительных центрах. Эти погрузчики имеют небольшие баллоны на 350 бар, которые операторы заправляют за считанные минуты на местном водородном диспенсере (снабжаемом либо жидким водородом, либо компрессором и баллонами на месте). Быстрая заправка и непрерывная работа (без необходимости замены батарей) доказали эффективность такого применения. Это показывает, как хранение водорода обеспечивает рост производительности в отдельных нишах уже сегодня.
Аккумулирование энергии в сетях: По мере увеличения доли солнечной и ветровой энергии в электросетях растет и потребность в длительном хранении энергии для сглаживания их переменчивости. Батареи отлично подходят для хранения энергии на несколько часов, но для хранения энергии на дни или недели водород является сильным кандидатом. Идея заключается в использовании избыточной возобновляемой энергии (например, в ветреные дни или солнечные выходные, когда спрос низкий) для производства водорода методом электролиза, хранения этого водорода в резервуарах или кавернах, а затем использования его в топливных элементах или турбинах для выработки электроэнергии по мере необходимости (например, во время продолжительной облачности или зимнего затишья с низким ветром). Это по сути создает резерв возобновляемой энергии. Пилотные проекты уже реализуются: помимо ACES в Юте, в Европе проект “BigBattery” в Австрии хранит возобновляемый водород в каверне для подачи на газовую турбину в периоды пиковых нагрузок. Немецкий проект Uniper, о котором мы упоминали, будет тестировать, как соляная каверна может балансировать сеть и обеспечивать энергетическую безопасность, храня зеленый водород, который можно быстро использовать. Если эти проекты окажутся успешными, страны смогут поддерживать стратегические запасы водорода, подобно стратегическим запасам нефти — но для чистой энергии. Еще одно применение в сетях — это power-to-gas: преобразование возобновляемой электроэнергии в водород и закачка его в газовую сеть (в виде смеси или преобразованного в синтетический метан) для хранения энергии в существующей газовой инфраструктуре. Некоторые коммунальные предприятия уже делают это в небольших масштабах, по сути используя сеть природного газа как гигантскую «батарею» путем сезонной закачки водорода. Водород также может обеспечивать сетевые услуги: электростанции на топливных элементах могут быстро увеличивать или снижать мощность для стабилизации частоты, а распределенные генераторы на топливных элементах могут обеспечивать резервное питание больниц и дата-центров (топливные элементы с хранением водорода на месте уже установлены для критически важного резервного питания, поскольку они могут иметь запас топлива на несколько дней, что в некоторых случаях превосходит дизель-генераторы).
Промышленные применения: Водород уже используется в промышленности (нефтеперерабатывающие заводы, заводы по производству удобрений, химические предприятия), но в основном это «серый» водород из ископаемого топлива. Переход заключается в использовании чистого водорода в тех же процессах, чтобы устранить выбросы CO₂. Например, нефтеперерабатывающие заводы используют водород для обессеривания топлива; они могли бы использовать зеленый водород с ближайшего электролизера и хранить его на месте для стабильных поставок. Заводы по производству аммиачных удобрений нуждаются в водороде в качестве сырья; новые проекты нацелены на производство зеленого аммиака с использованием хранимого водорода из переменных возобновляемых источников. Производство стали — это прорывное применение: традиционно сталь производится с использованием угля в доменных печах, но использование водорода в процессе прямого восстановления железа (DRI) может сократить выбросы CO₂ на 90% и более. Проект HYBRIT в Швеции доказал в 2021–2022 годах, что сталь высокого качества можно производить с использованием водорода без ископаемого топлива fasken.com. Водород временно хранят на месте, чтобы сталелитейный завод мог работать круглосуточно, даже если электролизеры или ветровая энергия нестабильны. ArcelorMittal и другие сталелитейные гиганты следуют их примеру, демонстрационные печи на водороде работают в Германии, Канаде и других странах. Здесь хранение водорода (даже если это просто буферные баки на несколько часов) критически важно для непрерывности промышленного процесса и предотвращения простоев. Другие промышленные применения включают высокотемпературное тепло в производстве цемента или стекла — водород можно хранить, а затем сжигать в печах или топках для получения очень высокой температуры без CO₂. Некоторые экспериментальные стекольные заводы (например, в Германии) уже работали на смесях с водородом. Впрыск в сеть для отопления: водородные котлы в будущем могут обеспечивать отопление зданий или промышленный пар. В Великобритании пилотный проект «Водородные дома» демонстрирует котлы и плиты, работающие на 100% водороде; если газовая сеть города перейдет на водород, потребуется централизованное производство и хранение водорода для управления колебаниями спроса (например, большой резервуар для утренних пиков отопления). Растущее промышленное применение — использование водорода для хранения энергии на удалённых объектах или в микросетях — по сути, замена дизельных генераторов водородными решениями. Например, телекоммуникационные вышки или изолированные лаборатории могут использовать солнечные панели + электролизер для производства водорода, хранить его в баллонах или металлических гидридах, а затем использовать топливный элемент, когда ночью требуется энергия. Даже некоторые дата-центры тестируют водородные топливные элементы в качестве резервного питания вместо дизель-генераторов, что требует хранения водорода на месте (обычно в баллонах под давлением).

В заключение, хранение водорода открывает гибкость: оно отделяет производство водорода от его использования. Это означает, что водородные автомобили могут быстро заправляться, потому что топливо было произведено заранее и хранится; электростанции могут запускаться, используя водород, произведённый в более дешёвое ночное время; заводы могут работать без перебоев, имея запасы водорода под рукой. По мере расширения этих применений растёт спрос на более совершенные и дешёвые решения для хранения водорода, что создаёт благоприятный цикл технологического прогресса и масштабирования.

Заключение: К будущему на водороде

Хранение водорода, когда-то бывшее нишевой технической темой, теперь стало краеугольным камнем планов по чистой энергетике во всём мире. Возможность безопасно и эффективно хранить водород позволяет нам переосмыслить наши энергетические системы — от автомобилей и грузовиков, выбрасывающих только воду, до электросетей, способных запасать зимний ветер для летнего тепла, и тяжёлой промышленности, такой как металлургия и химия, которая может работать без выбросов углерода. Конечно, остаются проблемы, включая снижение стоимости и дальнейшее повышение плотности хранения. Но, как мы видим, глобальная волна инноваций и инвестиций решает эти задачи напрямую.

Каждый способ хранения — баллоны высокого давления, криогенные жидкости, металлические гидриды, химические носители — вносит свой вклад в решение задачи. В ближайшие годы мы, вероятно, увидим, как эти решения будут совершенствоваться и комбинироваться необычными способами (представьте, например, будущую водородную заправку, где используется крионасос для заправки автомобилей, баки с металлическими гидридами для буферизации поставок, а грузовик с LOHC периодически привозит водород, полученный на далёкой ветроэлектростанции). Революция в хранении водорода — это не борьба технологий, а внедрение оптимального набора решений для каждой задачи.

Импульс, стоящий за водородом, реален и набирает обороты. «Время водорода пришло», как провозгласил один энергетический отчет fasken.com, отмечая, что сочетание климатической необходимости, технологической готовности и политической поддержки никогда не было столь сильным. Крупнейшие экономики вкладывают миллиарды в водородную инфраструктуру, и частный сектор идет с ними в ногу. Это означает, что то, что раньше было теорией — например, работа целого сталелитейного завода на водороде или обеспечение города энергией во время недельного блэкаута с помощью накопленного водорода — теперь практически на горизонте.

Для широкой публики развитие технологий хранения водорода вскоре может стать заметным в повседневной жизни: возможно, в виде большего количества водородных автобусов на улицах города, новых знаков «H₂» на заправках или новостей о проекте по хранению энергии, использующем подземный водород вместо огромных аккумуляторных ферм. Это признаки смены парадигмы в нашем восприятии топлива. Водород, самый простой элемент, готов сыграть сложную и неоценимую роль в нашем переходе к чистой энергетике. Овладев искусством его хранения, мы раскрываем его полный потенциал как чистого и гибкого носителя энергии.

Дальнейший путь потребует продолжения сотрудничества между учеными, инженерами, промышленностью и правительствами, чтобы системы хранения водорода были безопасными, доступными и интегрированными в наши энергетические сети. Но если нынешняя траектория сохранится, эти усилия окупятся. Хранить самый легкий газ во Вселенной — задача не из легких, но с помощью изобретательности именно он может осветить путь к устойчивому энергетическому будущему. Как часто говорят лидеры водородной отрасли, на этот раз всё действительно иначе — мы становимся свидетелями рождения водородной эры, и надежное хранение водорода — ключ, который всё это объединяет. fasken.com iea.org

Источники: energy.gov, iea.org, energy.gov, nrel.gov, en.wikipedia.org, en.wikipedia.org, h2-international.com, nrel.gov, southampton.ac.uk, gasworld.com, energy.gov, gasworld.com, energy.gov, energy.ec.europa.eu, gasworld.com, bidenwhitehouse.archives.gov, projectfinance.law, energy.ec.europa.eu, fasken.com, gasworld.com.