Естественно, что направления разрабатываемых новых водородных технологий гражданского назначения в различных странах различаются. Это связано и с неравномерной обеспеченностью природными энергоресурсами, и с существующими особенностями их технологического развития. Например, в разработках новых водородных технологий, выполняемых в США, Германии, Канаде и России, используется опыт ракетной техники, атомной и химической промышленности, специальной металлургии, криогенной и оборонной промышленности, в Японии — опыт высоких технологий электронной, электротехнической, металлургической и металообрабатывающей промышленности и зарубежный опыт криогенной и авиационно-космической техники. Вместе с тем, результаты разработок последних лет и обостряющиеся экологические проблемы определяют как основные направления развития нового рынка водородных технологий и водорода в качестве экологически чистого энергоносителя в ближайшей перспективе, так и общие для всех стран направления НИОКР. Это, прежде всего, технологии производства, транспортировки, хранения и распределения жидкого и сжатого водорода, водородные автомобили с топливными элементами и двигателями внутреннего сгорания, водородные системы энергообеспечения на основе топливных элементов и мощные водородные энергоустановки паротурбинного цикла, металлогидридные технологии аккумулирования и очистки водорода, разработки и создание элементов водородной инфраструктуры.

Проводимые каждые два года (начиная с 1976 г.) всемирные конференции по водородной энергетике являются наиболее представительным форумом, на котором докладываются новейшие результаты НИОКР в этой области. В июне 2002 г. в Канаде (Монреаль) состоялась 14 конференция, в которой приняло участие более 1000 специалистов из многих развитых и развивающихся стран. Основная особенность этой конференции - активное участие в ней ведущих крупных индустриальных компаний мира и многочисленных небольших вновь созданных фирм, специализирующихся в области коммерциализации новых водородных технологий. Ниже кратко характеризуется современное состояние исследований и разработок в области новых водородных технологий по результатам докладов и обсуждений с ведущими зарубежными специалистами.

Топливные элементы. В настоящее время в США и Канаде основные НИОКР проводятся по созданию топливных элементов (ТЭ) двух типов: с твердополимерным электролитом (PEM FC) и высокотемпературных с твердоокисным (SOFC). Только эти два направления, как наиболее перспективные, финансируются за счет средств федерального бюджета. Высокотемпературные ТЭ с расплавнокарбонатным электролитом (MCFC) продолжают изучаться в рамках программ фундаментальных исследований.

Твердополимерные ТЭ по их техническому уровню находятся по пороге коммерциализации. Однако в настоящее время их высокая стоимость (энергоустановка ~ 104 долл./кВт) в значительной степени сдерживает этот процесс. Многие компании прогнозируют снижение стоимости энергоустановок с PEM FC на порядок и более при их массовом производстве. Для массового применения PEM FC в автотранспорте их стоимость должна быть снижена до 50-100 долл./кВт (при современной стоимости бензина и отсутствии финансовых механизмов, учитывающих качество выхлопных газов). В недалекой перспективе в результате ужесточения стандартов на выбросы, повышения стоимости бензина и снижения стоимости ТЭ ожидается изменение конъюнктуры в пользу автомобилей и автономных энергоустановок мощностью до 100-300 кВт с PEM FC. В этих направлениях НИОКР развиваются с возрастающей активностью.

К настоящему времени созданы и успешно проходят испытания энергетическая установка на базе твердоокисных ТЭ мощностью 100 кВт с КПД по электричеству — 46% и 80-85% при утилизации тепла (ресурс работы свыше 20 тыс. час.) и установка комбинированного типа мощностью 200 кВт. Образован консорциум по созданию гибридной энергоустановки мощностью 1 МВт. Однако инвестиционные расходы на строительство указанных установок еще велики — свыше 10 тыс. долл./кВт установленной мощности. В связи с этим основные усилия разработчиков направлены на снижение стоимости установок за счет использования новых более эффективных керамических материалов и совершенствования технологии изготовления.

Водородные технологии для автотранспорта. Это направление НИОКР развивается в последние годы наиболее активно. В США, Канаде, Германии, Японии, Китае, странах ЕЭС и многих других приняты государственные программы создания экологически чистого автомобильного транспорта, использующего водо-родное топливо. Основные направления работ — создание автомобилей с PEM FC и электроприводом, автомобилей с ДВС и автомобилей с гибридной двигательной установкой. Наиболее активно проводятся работы по созданию автомобилей с нулевым выбросом на базе PEM FC. Созданы десятки демонстрационных образцов автомобилей различных моделей. Практически все крупные автомобильные компании мира (Даймлер-Крайслер, Форд, Мазда, Тойота, БМВ, Рено и др.) проводят работы в этом направлении, и демонстрационные автопробеги водородных автомобилей сегодня исчисляются сотнями тысяч км. В США, Германии, Японии, Канаде созданы и эксплуатируются опытные водородные автозаправочные станции. Первые продажи водородных автомобилей планируются на ближайшие год.

Водородные технологии для энергетики. Основные направления работ - системы водородного аккумулирования электроэнергии, автономные энергоустановки мощностью до 200 кВт с использованием ДВС, микротурбин и топливных элементов, мощные водородосжигающие энергоустановки паротурбинного цикла с водородными парогенераторами, энергоустановки на базе возобновляемых энергоресурсов с производством водорода электролизом воды (ветро-солнечно-водородные) мощностью до нескольких мегаватт. Характерная особенность работ последних двух лет - переход от создания ключевых элементов энергоустановок к созданию универсальных систем, полностью обеспечивающих потребителей энергией. Например, компания «Стюарт Энерджи Систем» наряду с продолжением производства электролизеров Стюарта создала производство интегрированных систем обеспечения потребителей сжатым водородом и электроэнергией. Это дает возможность расширить рынок сбыта продукции сегодня и обеспечивает существенный задел для участия в создании инфраструктуры обеспечения водородом автотранспорта.

Инфраструктура обеспечения водородом. В этом направлении основные разработки связаны с инфраструктурой для автотранспорта. На переходный период предлагается дополнение обычных бензозаправок системами производства водорода на месте электролизом воды (системы «Стюарт Энерджи Систем» и аналогичные) и его газобаллонного хранения под давлением до 350-400 атм. в суперлегких баллонах. Производительность системы по водороду 12 нм3/ч и выше. Такая мобильная (на автоприцепе) система использовалась во время автопробега водородного автомобиля Форд с ТЭ и электротрансмиссией по США. В ряде стран (Германия, США, Япония и др.) построены водородные автозаправочные станции, снабжаемые газообразным (под давлением) и жидким H2, а также с производством H2 из воды на месте электролизом, в том числе за счет возобновляемых энергоресурсов (ветровые ЭУ) и провальной электроэнергии. Созданы компактные системы получения водорода для обеспечения индивидуальных потребителей (коттедж, личный автомобиль и т.д.). В качестве первичных источников энергии при этом используются возобновляемые энергоресурсы или дешевая провальная электроэнергия. Разрабатываются компактные реформеры для производства водорода из природных топлив на месте потребления, а также бортовые для автотранспорта.

Новые технологии хранения водорода. В этом направлении разработки главным образом направлены на создание бортовых систем хранения — суперлегких баллонов, компактных криогенных баков и металлогидридных систем. В настоящее время разработаны суперлегкие баллоны на давления до 450 атм. и выше с весовым содержанием водорода до 13% , а также криогенные баки для автомобилей с экранно-вакуумной изоляцией и сроком автономного хранения более 15 суток (потери на испарение жидкого водорода < 1% в сутки). Кругосветный пробег автомобиля BMW 745h с криогенным хранением водорода на борту и двигателем внутреннего сгорания по пяти континентам начался 19 марта 2002 г. в Сакраменто (США) и к июню 2002 г. его общий пробег составил 170 000 км (Сакраменто-Лондон-Стокгольм-Монреаль, WHEC XIV, и далее — Иоганесбург-Пекин).

В последние 2-3 года активизировались НИОКР по разработке систем хранения водорода в наноструктурах: фуллеренах и нанотрубках. Результаты фундаментальных исследований указывают на возможность создания таких сред хранения с емкостью по водороду до 7-8 весовых %.

Новые технологии производства водорода. В этой области фундаментальные и прикладные исследования и разработки относятся главным образом к плазмохимическим методам, новым типам электролизеров (в том числе с твердополимерным электролитом), процессам переработки угля,биоконверсии и компактным реформерам углеводородных топлив., Сегодня в промышленных и опытно-промышленных изделиях реализован КПД электролизера ~70-80%, в том числе для электролиза под давлением. Японскими исследователями разработаны экспериментальные мембранно-электродные блоки с твердополимерным электролитом, обеспечивающие электролиз воды с КПД > 90% при плотностях тока до 3 А/см2. Создание таких электролизеров — дело относительно недалекого будущего.

Работы по новым плазмохимическим методам производства водорода вслед за пионерскими работами Института водородной энергетики и плазменных технологий (ИВЭПТ) Российского научного центра «Курчатовский институт» активно развиваются в США, Канаде, Франции и других странах. Реализация этих разработок позволит получать достаточно дешевый водород из нетрадиционного сырья и природных углеводородных топлив. Сегодня Россия в этой области лидирует, однако зарубежные работы финансируются в более крупных масштабах и осуществляются более быстрыми темпами.

Интегрированные системы. Основные элементы интегрированных систем энергообеспечения на базе водородных технологий и возобновляемых энергоресурсов создаются в рамках крупных международных и национальных проектов (WE-NET и др.). Эти разработки настолько продвинулись, что в ряде стран принимаются решения об их практической реализации в близкой перспективе на региональном и более крупных уровнях. В этом отношении характерно решение правительства Исландии о построении водородных систем топливо- и энергообеспечения в масштабах страны к 2030 г. и программа — о создания интегрированной водородной системы на одном из островов с населением около 800 чел. Все энерго- и топливообеспечение острова будет основано на ветро-солнечно-водородных энергоустановках, топливных элементах, использовании водорода в качестве топлива для автотранспорта, топлива для рыболовецких судов, бытовых и других нужд.

Металлогидридные технологии. Среди водородных технологий, разрабатывающихся в последние годы, металлогидридные — одни из первых, успешно выходящих на рынок. Достаточно упомянуть о NiMeHy батареях и аккумуляторах, в короткий срок занявших существенный сектор рынка компактных источников тока. В настоящее время во многих странах выпускаются компактные безопасные системы хранения водорода на основе металлогидридов, разрабатываются металлогидридные системы для автотранспорта, подводных лодок, малотоннажных судов и т.д., а также создаются новые сплавы-накопители водорода. Одно из перспективных направлений — создание металлогидридных систем очистки водорода, в частности, для включения в системы водородного охлаждения мощных турбогенераторов с целью повышения КПД электростанций (Япония).

Стандарты, коды безопасности. Начало коммерциализации новых водородных технологий потребовало разработки соответствующих стандартов и кодов безопасности на национальных и международном уровнях. Эта работа выполняется в США, Канаде, Германии, Франции, Японии и других странах. В рамках International Standarts Organization (ISO) создана группа ISO/TC-197, разрабатывающая международные стандарты на новые водородные технологии (водород как топливо, водородные автомобили, электролизеры, системы хранения, заправочные станции и т.д.). Очевидно, что те страны, представители которых участвуют в этой работе, заинтересованы в продвижении своих водородных технологий на мировой рынок и получат в перспективе определенные преимущества.

Национальные и международные программы, проекты и соглашения. В последние годы резко возросла активность НИОКР в этой области и их государственная поддержка. Крупные национальные программы НИОКР в области водородной энергетики и технологии реализуются в США, Канаде, Германии, Японии, Китае, странах ЕЭС и ряде других. Государственная поддержка этих программ сегодня исчисляется в сотнях млн. долл. в год. Это связано с появлением новых прорывных технологий в области использования водорода как экологически чистого топлива и аккумулятора энергии, а также с развитием эффективных технологий его производства и созданием соответствующих экспериментальных, опытно-промышленных и промышленных устройств.

Выполняется ряд международных программ и проектов. В рамках «Соглашения о внедрении водорода» Международного Энергетического Агентства выполняется комплекс разработок новых методов получения водорода за счет возобновляемых энергоресурсов, странами ЕС выполняется программа НИОКР по созданию водородных автобусов и ряд других проектов, связанных с созданием инфраструктуры обеспечения водородом, Япония реализует крупный проект «Мировая энергетическая сеть с использованием водорода (WE-NET)» с участием иностранных партнеров (до 2020 г. затраты по проекту составят 4 млрд. долл. США), включающий комплекс НИОКР практически по всем перечисленным выше направлениям. Заключаются многочисленные соглашения между ведущими фирмами различных стран о совместных разработках новых водородных технологий (недавний пример: Берлинское партнерство чистой энергии (CEP), членами которого являются BMW, Daimler-Chrysler, Ford, Linde, MAN, Opel и др., июнь 2002 г.). На правительственном уровне многих стран принимаются важные решения об ускоренном развитии водородной энергетики и технологии. В этой связи характерно недавнее решение президента США Дж. Буша о включении водородной энергетики в число национальных приоритетов США.

В результате в настоящее время происходит формирование нового международного рынка водородных технологий и энергоносителей. В этом участвуют крупнейшие нефтяные компании (Бритиш Петролеум, Шелл, создавшая с этой целью дочернюю компанию Шелл-водород, Эксон, Тексако и др.), автомобилестроительные (Форд, Даймлер-Крайслер, БМВ, Дженерал Моторс, Тойота, Рено, Митсубиси и др.), электротехнические и энергетические (Вестингауз, Сименс, Стюарт Энерджи Систем, Баллард и др.), химические (Дюпон и др.) и многие другие, в том числе сотни мелких инновационных компаний в США, Канаде, Германии, странах ЕС, Японии.

Наша страна до середины 90-х годов занимала передовые позиции в НИОКР по перечисленным выше направлениям. Достаточно упомянуть о первом в мире полете самолета-лаборатории ТУ-155 на водороде, одном из первых экспериментальных автомобилей с топливными элементами, криогенном водородном комплексе Байконур, первых опытно-промышленных плазмохимических установках получения водорода, многочисленных опытных автомобилях на бензо-водородных смесях, экспериментальных водородо-кислородных парогенераторах, разработках разнообразных металлогидридных устройств и создании эффективных сплавов-аккумуляторов водорода, электролизерах с твердополимерным электролитом и многих других разработках, выполнявшихся с середины 70-х годов до середины 90-х.

В настоящее время в рамках федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 гг.» проводятся НИОКР по созданию эффективных технологий производства и использования водорода в различных отраслях экономики и также по разработке энергетических установок на базе топливных элементов для экологически чистого транспорта и производства электроэнергии. Однако государственное финансирование отечественных работ в области водородной энергетики несопоставимо с финансированием этих работ в упомянутых странах (США — 500 млн. долл./год, из них за счет бюджета DOE более 150 млн. долл. в год; Германия -500 млн. евро/год, из них за счет государственного бюджета более 100 млн. евро в год, и т.д.). В сегодняшней ситуации это означает, .что Россия сможет сохранить передовые позиции в НИОКР лишь по двум-трем проектам на весьма короткое время (с учетом имеющегося задела).