References

alternative

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)

1608-8298

Международный издательский дом научной периодики "Спейс

10.15518/isjaee.2026.03.176-202

alternative-2795

Research Article

IV. ВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКА. 12 Водородная экономика. 12-2-0-0 Безопасность водородной энергетики

Концепция водородного города будущего

The concept of a future hydrogen city

https://orcid.org/0000-0002-7229-412X

Марьин

Г. Е.

Marin

G. E.

Марьин Георгий Евгеньевич, канд. техн. наук., доцент

109028, г. Москва, Покровский бульвар, д. 11

420066, Казань, ул. Красносельская, 51

Scopus Author ID: 57213835443 Research ID: AGS-9168-2022

Marin George Evgenievich, PhD in Engineering, Associate Professor

109028, Moscow, Pokrovsky Boulevard, 11

420066, Kazan, Krasnoselskaya Street, 51

Scopus Author ID: 57213835443 Research ID: AGS-9168-2022

george64199@mail.ru

https://orcid.org/0000-0003-2921-4603

Зверева

Э. Р.

Zvereva

E. R.

Зверева Эльвира Рафиковна, Профессор, доктор техн. наук

109028, г. Москва, Покровский бульвар, д. 11

420066, Казань, ул. Красносельская, 51

Scopus Author ID: 35218590700 Research ID: A-9651-2016

Zvereva Elvira Rafikovna, Professor, Doctor of Engineering Sciences

109028, Moscow, Pokrovsky Boulevard, 11

420066, Kazan, Krasnoselskaya Street, 51

Scopus Author ID: 35218590700 Research ID: A-9651-2016

https://orcid.org/0000-0002-5183-3040

Илюшин

П. В.

Novoselova

M. S.

Илюшин Павел Владимирович, доктор техн. наук, руководитель Центра интеллектуальных электроэнергетических систем и распределенной энергетики

117186, г. Москва, ул. Нагорная, 31, корп. 2

Scopus Author ID: 55455903000 Research ID: P-3799-2017

Ilyushin Pavel Vladimirovich, Doctor of Technical Sciences, Head of the Center for Intelligent Power Systems and Distributed Energy

117186, Moscow, Nagornaya Street, 31, Building 2

Scopus Author ID: 55455903000 Research ID: P-3799-2017

https://orcid.org/0000-0003-4424-7761

Ахметшин

А. Р.

Akhmetshin

A. R.

Ахметшин Азат Ринатович,

420066, Казань, ул. Красносельская, 51

Scopus Author ID: 57211796456 Research ID: AGM-7165-2022

Akhmetshin Azat Rinatovich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

420066, Kazan, Krasnoselskaya Street, 51

Scopus Author ID: 57211796456 Research ID: AGM-7165-2022

https://orcid.org/0009-0006-0251-4269

Новоселова

М. С.

Novoselova

M. S.

Новоселова Марина Сергеевна, аспирант

420066, Казань, ул. Красносельская, 51

Scopus Author ID: 57739683300 Research ID: KUD-6205-2024

Novoselova Marina Sergeevna, Postgraduate Student

420066, Kazan, Krasnoselskaya Street, 51

Scopus Author ID: 57739683300 Research ID: KUD-6205-2024

Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»; Казанский государственный энергетический университетРоссияNational Research University Higher School of Economics; Kazan State Power Engineering UniversityRussian Federation

Институт энергетических исследований Российской академии наукРоссияEnergy Research Institute of the Russian Academy of SciencesRussian Federation

Казанский государственный энергетический университетРоссияKazan State Power Engineering UniversityRussian Federation

2026

25052026

03176202

2026

Международный издательский дом научной периодики "Спейс

https://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNotice

https://www.isjaee.com/jour/article/view/2795

Для создания количественной модели энергоснабжения «водородного города» в качестве базы выбран город Иннополис, расположенный в Республике Татарстан. Этот молодой населённый пункт справедливо считать уникальной экспериментальной площадкой для отработки низкоуглеродных решений благодаря совокупности трёх факторов. Фактор первый: строительство велось на незастроенной территории, поэтому здесь отсутствует старая, физически изношенная инфраструктура. Фактор второй: в городе функционирует центр обработки данных крупной госкорпорации, который в круглосуточном режиме потребляет 20 МВт (в эту величину включено также энергопотребление систем охлаждения и источников бесперебойного питания). Фактор третий: климатические условия относятся к континентальному типу, что делает Иннополис репрезентативной моделью для большинства регионов России, а также для стран Восточной Европы и североамериканского континента.

Разработанная гибридная схема должна заменить действующую систему электроснабжения. Её структура включает следующие элементы: фотоэлектрические установки суммарной мощностью 36,6 МВт (их предполагается монтировать на кровлях и фасадах зданий, на автомобильных навесах, а также на свободных от застройки земельных участках); ветряную электростанцию на 12 МВт; электролизную систему типа PEM производительностью 10 МВт; ёмкость для аккумулирования водорода; батарею топливных элементов мощностью 10 МВт; парогазовую энергоустановку на 25 МВт, в составе которой имеется газовая турбина на 15 МВт с камерой сгорания, приспособленной для работы на топливных смесях с содержанием водорода в диапазоне от 0 до 100 %. Значение электрического КПД данной парогазовой установки при питании метаном равно 56 %, а при переходе на чистый водород – 52 %. В режиме совместной выработки электроэнергии и тепла соответствующие показатели составляют 86 % и 83 %.

Математическое обеспечение работы представляет собой совокупность дифференциальных уравнений, описывающих баланс энергии. Эта модель учитывает стохастическую природу генерации от возобновляемых источников, кинетику электрохимических реакций внутри электролизёра и термодинамические закономерности парогазового цикла. Достоверность модельных расчётов подтверждена путём верификации на реальных данных об инсоляции, о ветровом режиме, а также на почасовых профилях электрических нагрузок. В ходе экспериментальных замеров выяснилось, что фактические значения удельных нагрузок в 2,1-2,7 раза меньше нормативных, закреплённых в СП 256.1325800.2016. Этот неиспользуемый в настоящее время резерв пропускной способности сетевой инфраструктуры может быть задействован для подключения электролизной установки и зарядных станций без необходимости проведения реконструкции.

Результаты численного моделирования зафиксировали ярко выраженную сезонную асимметрию. В летние месяцы избыточная выработка возобновляемой энергии достигает величины 26 МВт · ч за сутки, что позволяет производить до 416 килограммов водорода в час. Этот водород накапливается в хранилище для использования в зимний период. Когда наступает зима и возобновляемой генерации становится недостаточно, парогазовая установка обеспечивает до 65 % суточного объёма потребления. При этом она работает на смеси природного газа с 30-процентной добавкой водорода, что даёт существенное сокращение выбросов углекислого газа.

Предложенная архитектурная схема служит прототипом углеродно-нейтрального города будущего. Она пригодна для масштабирования на любые населённые пункты, находящиеся в зоне континентального климата и имеющие критически важную ИТ-инфраструктуру. Иннополис здесь выполняет роль «живой лаборатории» – города-прототипа, в котором все составляющие водородной экономики, а именно: производство электроэнергии, теплоснабжение, транспортный сектор, центр обработки данных и жилищно-коммунальное хозяйство, – объединены в единую экосистему. Важно, что эта экосистема создаётся с нуля, без каких-либо затрат на переоборудование существующих коммуникаций.

To create a quantitative model of the energy supply of a «hydrogen city», the city of Innopolis, located in the Republic of Tatarstan, was chosen as the base. This young settlement can rightfully be considered a unique experimental platform for testing low-carbon solutions due to a combination of three factors. Factor one: the construction was carried out on an undeveloped territory, so there is no old, physically worn-out infrastructure. Factor two: the city is home to a data center of a major state-owned corporation, which consumes 20 MW of electricity on a 24/7 basis (this includes the energy consumption of cooling systems and uninterruptible power supplies). The third factor is that the climate is continental, which makes Innopolis a representative model for most regions of Russia, as well as for Eastern European countries and the North American continent.

The developed hybrid scheme is intended to replace the current power supply system. Its structure includes the following elements: photovoltaic installations with a total capacity of 36,6 MW (they are supposed to be installed on roofs and facades of buildings, on carports, as well as on land plots free of development); a 12 MW wind power plant; a 10 MW PEM type electrolysis system; a hydrogen storage tank; a 10 MW fuel cell battery A 25 MW combined-cycle power plant, which includes a 15 MW gas turbine with a combustion chamber adapted for operation on fuel mixtures with a hydrogen content in the range from 0 to 100 %. The electrical efficiency of this combined cycle plant is 56 % when powered by methane, and 52 % when powered by pure hydrogen. In the mode of combined electricity and heat generation, the corresponding figures are 86 % and 83 %.

The mathematical support of the work is a set of differential equations describing the energy balance. This model takes into account the stochastic nature of renewable energy generation, the kinetics of electrochemical reactions within the electrolyzer, and the thermodynamic principles of the steam-gas cycle. The accuracy of the model calculations has been verified using real-world data on solar radiation, wind conditions, and hourly electricity load profiles. During the experimental measurements, it was found that the actual values of the specific loads are 2,1-2,7 times lower than the regulatory values specified in SP 256.1325800.2016. This currently unused reserve of network infrastructure capacity can be utilized to connect the electrolyzer and charging stations without the need for reconstruction.

The results of numerical modeling have revealed a pronounced seasonal asymmetry. During the summer months, the excess production of renewable energy reaches 26 MWh per day, allowing for the production of up to 416 kilograms of hydrogen per hour. This hydrogen is stored for use during the winter. When winter sets in and renewable energy production becomes insufficient, the combined cycle plant provides up to 65 % of the daily consumption. It uses a mixture of natural gas with a 30 % hydrogen additive, which significantly reduces carbon dioxide emissions.

The proposed architectural scheme serves as a prototype for a carbon-neutral city of the future. It is suitable for scaling to any settlements located in a continental climate zone and having critical IT infrastructure. In this context, Innopolis acts as a «living laboratory» – a prototype city where all the components of the hydrogen economy, including electricity generation, heat supply, transportation, data center, and housing and utilities, are integrated into a single ecosystem. It is important that this ecosystem is being created from scratch, without any costs for re-equipping existing communications.

зелёный водородпарогазовая установкагазовая турбинатопливный элементцентр обработки данныхPEM-электролизерциркулярная экономика

green hydrogencombined heat and power plantgas turbinefuel celldata centerPEM electrolyzercircular economy

References1

. Abdalla, A. M., Hossain, S., Nisfindy, O. B., Azad, A. T., Dawood, M., Azad, A. K. Hydrogen Production, Storage, Transportation and Key Challenges with Applications: A Review // Energy Conversion and Management. – 2018; 165:602-627. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2018.03.088

. Apostolou, D., Xydis, G. A Literature Review on Hydrogen Refuelling Stations and Infrastructure. Current Status and Future Prospects // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2019; 113:109292. https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.109292

. Barthelmie, R. J., Jensen, L. E. Evaluation of Power Losses due to Wind Turbine Wakes at the Nysted Offshore Wind Farm // Wind Energy. – 2010; 13(6):573-586. https://doi.org/10.1002/we.408

. Bazmi, A. A., Zahedi, G. Sustainable Energy Systems: Role of Optimization Modeling Techniques in Power Generation and Supply – A Review // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2011; 15(8):34803500. https://doi.org/10.1016/j.rser.2011.05.003

. Ilyushin, P. V., Filippov, S. P. 2019. Underfrequency load shedding strategies for power districts with distributed generation, in: Proceedings of the 2019 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), Sochi, Russia, 25-29 March 2019. https://doi.org/10.1109/ICIEAM.2019.8743001 International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology

. Bockris, J. O’. M. The Hydrogen Economy: Its History // International Journal of Hydrogen Energy. – 2013; 38(6):2579-2588. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.07.058

. Marin, G. E., Titov, A. V., Akhmetshin, A. R., Ishalin, A. V. Increasing the efficiency of a conversion gas turbine engine by adding hydrogen to fuel gas // International Journal of Hydrogen Energy. – 2025; 97:649-656.

. Boretti, A. Al Khobar hydrogen city - A fully connected ecosystem powered by hydrogen // International Journal of Hydrogen Energy. – 2024; 67:1074-1079. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.03.285

. Dorahaki, S., Amjady, N., Muyeen, S. M. The role of hydrogen-based local energy communities in the development of hydrogen cities: A systematic review // International Journal of Hydrogen Energy // – 2025; 192:152386. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2025.152386

. Ilyushin, P. V., Shepovalova, O. V., Filippov, S. P., Nekrasov, A. A. Calculating the sequence of stationary modes in power distribution networks of Russia for widescale integration of renewable energy based installations // Energy Reports. – 2021; 7:308-327. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2021.07.118

. Marin, G. E., Titov, A. V., Akhmetshin, A. R. Prospects for implementation of hydrogen filling stations in the Russian Federation // International Journal of Hydrogen Energy. – 2024; 78:901-906.

. Zhang, J., Chapman, A. Toward sustainable mobility: A review of the socio-economic and environmental feasibility of hydrogen fuel cell bus deployment // International Journal of Hydrogen Energy. – 2026; 229:154785. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2026.154785

. Chen, N., Wang, S., He, Y. Integrating Hydrogen Fuel Cell Trucks into Freight Transport: Scenarios for Costs, Emissions, and Policy in China // Energy. – 2025; 138609. https://doi.org/10.1016/j.energy.2025.138609

. Marin, G. E., Karaeva, J. V., Timofeeva, S. S., Akhmetshin, A. R., Novoselova, M. S. Comparative assessment of the parameters of the gas turbine on biohydrogen and biogas // International Journal of Hydrogen Energy. – 2025; 146:149969. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2025.06.159

. Boyko, E., Byk, F., Ilyushin, P., Myshkina, L., Suslov, K. Methods to improve reliability and operational flexibility by integrating hybrid community mini-grids into power systems // Energy Reports. – 2023; 9:481-494. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2023.06.038

. Lund, H., Thellufsen, J. Z., Østergaard, P. A., Breyer, C., Duic, N., Blaabjerg, F., Foley, A., Østergaard, J., Yuan, M., Madsen, P. T., Mathiesen, B. V. SLCOE – system-based LCOE for comparing energy technologies in different systems // Energy. – 2026; 353:140880. https://doi.org/10.1016/j.energy.2026.140880

. Ahmed, M. M., Jong, F. C., Kin, L. W., Haidar, A. M. A. Operational and economic design of multiterminal medium DC voltage hybrid renewable energy systems for effective power sharing // Energy Efficiency First 2. – 2025; 100009. https://doi.org/10.1016/j.eef.2025.100009

. Diesing, P., Bogdanov, D., Keiner, D., Satymov, R., Toke, D., Breyer, C. Exploring the demand for inter-annual storage for balancing wind energy variability in 100 % renewable energy systems // Energy. – 2024; 312:133572. https://doi.org/10.1016/j.energy.2024.133572

. Soluyanov, Y., Akhmetshin, A., Soluyanov, V. Application of Digital Technologies to Analyze the Actual Electrical Loads of Multi-Apartment Residential Buildings, in: Proceedings – 2022 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). – 2022; 153-157. https://doi.org/10.1109/ICIEAM54945.2022.9787163

. Soluyanov, Y. I., Fedotov, A. I., Akhmetshin, A. R., Khalturin, V. A. Monitoring and updating of specific electric loads of residential and public buildings // Journal of Physics: Conference Series. – 2020; 1683(5):052032. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1683/5/052032

. Vdovin, O., Efimenko, S., Chernorutsky, I., Smetankin, A., Kolesnichenko, S., Cimai, Y. Concept of the Innovative Model of Architecture Formation of the «Smart» Redistribution of Single-Phased Electric International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology Network. Lecture Notes in Civil Engineering. – 2024; 335:77-93. https://doi.org/10.1007/978-3-031-30570-2_8

. Vyalkova, S., Nadtoka, I., Kornyukova, O. Application of Neural Networks to Predict Power Consumption of a Megapolis, in: Proceedings - 2023 International Conference on Industrial Engineering // Applications and Manufacturing (ICIEAM). – 2023; 949-953. https://doi.org/10.1109/ICIEAM57311.2023.10139236

. Nadtoka, I. I., Kravchenko, O. A. Trends and prospects in development of the Russian energy organisations selling electrical energy // Space and Culture, India. – 2018; 6(4):15-24. https://doi.org/10.20896/saci.v6i4.388

. Jin, Z., Zhang, Y., Sun, H., Han, M., Zheng, Y., Zhao, Y., Han, W., Zhang, M. Indoor thermal nonuniformity of atrium-centered public building: Monitoring and diagnosis for energy saving // Case Studies in Thermal Engineering. – 2024; 54:104058. https://doi.org/10.1016/j.csite.2024.104058

. Jia, C., Sun, Z., Zhao, S., Wang, X., Gao, S., Zhang, H., Zhai, Y. Human thermal comfort during intermittent exercise at different air temperatures // Energy and Buildings. – 2026; 361:117485. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2026.117485

. Liu, X., Chen, T., Zhou, W., Liu, S., Ji, W. A metabolic rate prediction method under the effects of multiple factors for Chinese young males // Building and Environment. – 2026; 291:114178. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2025.114178

. Maula, H., Sivula, A., Radun, J., Tervahartiala, I. -K., Hongisto, V. Working under the collided supply jets of active chilled beams – The effect on comfort and work performance. Building Services Engineering Research & Technology. – 2026. https://doi.org/10.1177/01436244261419312

. Do, H. Q., Luther, M. B., Matthews, J., Martek, I. Experimental evaluation of radiant ceiling panels in office building perimeter zones // Energy and Buildings. – 2025; 349:116531. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2025.116531

. Bourzik, M., Elbaz, H., El Hilali Alaoui, A. Advanced modeling and optimization of wireless charging networks for electric vehicles with reinforcement learning // Sustainable Energy, Grids and Networks. – 2025; 44:102053. https://doi.org/10.1016/j.segan.2025.102053

. Wadekar, S., Mittal, S., Wakte, G., Shinde, R. Enhancing IoT-Enabled Electric Vehicle Efficiency: Smart Charging Station and Battery Management Solution // Energy Engineering. – 2025; 123(1). https://doi.org/10.32604/ee.2025.071761

. Wu, J., Kang, Y., Feng, J. Modeling and Optimization of Solar Collector Design for the Improvement of Solar-Air Source Heat Pump Building Heating System // Energy Engineering. – 2023; 120(12):2783-2802. https://doi.org/10.32604/ee.2023.029358

. Shrestha, G., Bando, K., Ishihara, T., Fujino, T., Isoishi, K., Tomigashi, A., Uchida, Y. Assessment of installation suitability of a vertical closed loop ground source heat pump system in regional scale // Geothermics. – 2023; 113:102766. https://doi.org/10.1016/j.geothermics.2023.102766

. Woo, Y. -B., Moon, I. Bilevel optimization for multi-user systems with mixed demand response programs for enhanced operational efficiency in electric power grids // Applied Energy. – 2025; 399:126507. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2025.126507

. Karamov, D. N., Ilyushin, P. V., Suslov, K. V. Electrification of Rural Remote Areas Using Renewable Energy Sources: Literature Review // Energies. – 2022; 15:5881. https://doi.org/10.3390/en15165881

. Hong, L., Liu, H., Yang, Q., Yao, J. Model predictive attitude control of unmanned surface vehicle based on short-time wave prediction // Ocean Engineering. – 2024; 314(Part 2):119727. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2024.119727

. López-Queija, J., Jugo, J., Tena, A., Robles, E., Sotomayor, E. Floating offshore wind turbine nonlinear model predictive control optimisation method // Ocean Engineering. – 2024; 314(Part 1):119754. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2024.119754

. Martinez, A., Iglesias, G. Global wind energy resources decline under climate change // Energy. 2024; 288:129765. https://doi.org/10.1016/j.energy.2023.129765

. Ding, J. -W., Fu, Y. -S., Hsieh, I. -Y. L. The cost of green: Analyzing the economic feasibility of hydrogen production from offshore wind power. Energy Conversion and Management: X 24. – 2024; 100770. https://doi.org/10.1016/j.ecmx.2024.100770

. Pérez Londo, N. A., Lema Londo, D. S., Hugo, R. O., Londo, F., Salcán, N. S., Campoverde-Santos, D. K., Quingatuña, D., Coello-Cabezas, J. Estimation of Weibull distribution parameters to assess the wind energy potential of high altitude sites in the Andean region of Ecuador // Results in Engineering. – 2025; 27:106053. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2025.106053

. Bousla, M., Belfkir, M., Haddi, A., El Mourabit, Y., Sadki, A. Comparative evaluation of weibull parameter estimation methods for wind energy forecasting: A case study of the tetouan wind farm with SCADA-based availability integration // Results in Engineering. – 2025; 27:106835. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2025.106835

. Marin, G. E., Osipov, B. M., Titov, A. V., Akhmetshin, A. R., Shubina, A., Novoselova, M. S. Improving the Performance of Power Plants with Gas Turbine Units, in: 2022 4th International Conference on Control Systems, Mathematical Modeling, Automation and Energy Efficiency (SUMMA). – 2022; 832-836. https://doi.org/10.1109/SUMMA57301.2022.9974004

. Marin, G. E., Osipov, B. M., Akhmetshin, A. R. Analysis of the Operation of a Gas Turbine Plant When Burning Hydrogen Fuel, in: 2022 International Russian Automation Conference (RusAutoCon). – 2022; 961-965. https://doi.org/10.1109/RusAutoCon54946.2022.9896214

. Marin, G. E., Ilyushin, P. V., Akhmetshin, A. R., Zvereva, E. R. Concept of heat and power supply of hydrogen microdistrict // International Journal of Hydrogen Energy. – 2025; 111:295-303. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2025.02.204

. Razak, A. M. Y. Industrial gas turbines: Performance and operability. Woodhead Publishing. – 2007. https://doi.org/10.1533/9781845693404

. Clifford, T. A., Cruz-Manzo, S., Zhang, Y., Panov, V., Latimer, A. Development of a steady-state thermodynamic model in microsoft excel for performance analysis of industrial gas turbines, in: Proceedings IECON 2017 – 43rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. – 2017. – Pp. 4717-4723. https://doi.org/10.1109/IECON.2017.8216813

. Kulikov, A. L., Ilyushin, P. V., Suslov, K. V., Karamov, D. N. Coherence of digital processing of current and voltage signals at decimation for power systems with a large share of renewable power stations // Energy Reports. – 2022; 8:1464-1478. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2022.08.215

. Muhammed, N. S., Gbadamosi, A. O., Epelle, E. I., Abdulrasheed, A. A., Haq, B., Patil, S., Al-Shehri, D., Kamal, M. S. Hydrogen production, transportation, utilization, and storage: Recent advances towards sustainable energy // Journal of Energy Storage – 2023; 73(Part D):109207. https://doi.org/10.1016/j.est.2023.109207

. Sebastian, S., Wijewardane, S., Srinivasan, S. Recent advances in hydrogen production, storage, and fuel cell Technologies with an emphasis on inventions, innovations, and commercialization // Solar Compass. – 2023; 8:100065. https://doi.org/10.1016/j.solcom.2023.100065

The authors declare that there are no conflicts of interest present.