Роль водорода в энергоснабжении изолированных и арктических территорий

В современном мире одна из центральных задач – создание надежной и устойчивой энергетической системы, способной удовлетворять нужды удалённых и труднодоступных регионов. Особенностью России является наличие огромных территорий с тяжелыми климатическими условиями, таких как Арктика и другие северные регионы, где обеспечение энергетическими ресурсами превращается в сложную задачу. До сих пор единственным источником энергии оставались традиционные ископаемые виды топлива – нефть, газ и уголь, доставляемые зачастую издалека. Высокая стоимость транспортировки и негативное воздействие на окружающую среду поставили вопрос о необходимости поиска альтернативных решений. Статья посвящена актуальной проблеме энергоснабжения удаленных и арктических территорий, традиционно зависящих от дорогостоящего привозного топлива для работы энергетических объектов. В исследовании рассматривается возможность перехода к локальным интеллектуальным энергетическим системам, которые работают автономно. Целью исследования является оценка роли водорода, как ключевого элемента для стабилизации и аккумулирования энергии в условиях стохастической выработки ВИЭ. В статье анализируются особенности функционирования солнечных и ветровых электрических станций в условиях стохастической выработки электроэнергии. Несмотря на высокий ветровой потенциал арктического региона (средние скорости превышают минимальные допустимые скорости 5-6 м/с) и наличия солнечной инсоляции, их нестабильность и прерывистость требуют создания систем стабилизации и хранения энергии. Для оценки ветроэнергетического потенциала применяются статические методы, а в частности, двухпараметрическое распределение Вейбулла. Данный метод позволил прогнозировать выработку ветроэнергетических установки, определить удельную мощность ветрового потока. В статье рассматриваются две концепции создания локальной интеллектуальной энергетической системы на водородном топливе по принципу Power-to-Gas.

Водородное топливо, произведенное методом электролиза с использованием электроэнергии от ВИЭ, выступает в роли универсального энергоносителя. Для оценки эффективности ЛИЭС в статье проводится сравнительный анализ технологий электролиза, выделяя их преимущества и применимость. С помощью математического моделирования исследуются две принципиальные схемы работы ЛИЭС. Первая – это гибридная выработка электроэнергии от ВИЭ с поставкой потребителю, а часть направлена на производство водорода, который далее будет сжигаться в газовой турбине. Вторая – это схема, в которой вся энергия от ВИЭ идет на выработку водорода для сжигания в газотурбинной установке. Моделирование выполнено в программном комплексе АС ГРЭТ на примере газовой турбины НК-16, адаптированной для работы на водородном топливе. Определены необходимые мощности ВИЭ для каждой схемы, а также эксплуатационные характеристики ГТУ.

Интеграция водородных технологий с ВИЭ и газотурбинными установками представляет собой перспективное и экономически обоснованное решение для создания устойчивой, автономной и низкоуглеродной энергетики в Арктике и в изолированных территориях. Внедрение локальных интеллектуальных энергетических систем на водородном топливе позволит сократить зависимость от дорогостоящего привозного топлива, минимизировать вредные выбросы и обеспечить надежное энергоснабжение удаленных объектов.

1. Lee S., Kim H., Park J. Advances in renewable energy technologies for cold regions // Renewable Energy Reviews. – 2021. – Vol. 148. – P. 111267. https://doi.org/0.1016/j.rser.2021.111267

2. Ilyushin, P. V., Pazderin, A. V. and Seit, R. I. Photovoltaic power plants participation in frequency and voltage regulation. Proc. of the 17th International Ural Conf. on AC Electric Drives (ACED 2018), 26-30 March 2018, Ekaterinburg, Russia. DOI: 10.1109/ACED.2018.8341712

3. Johnson R., Smith D. Environmental impacts of fossil fuels in Arctic regions // Polar Science. – 2022. – Vol. 31. – Pp. 89-102. https://doi.org/10.1016/j.polar.2022.100456

4. Zhang Y., Li Q., Wang W. Dynamics of renewable energy input from 2019 to 2024 // Energy Journal. – 2025. – Vol. 36, Issue 2. – Pp. 125-134. https://doi.org/10.1016/j.energy.2024.112345

5. Eroshenko, S. A.; Ilyushin, P. V. Features of implementing multi-parameter islanding protection in power districts with distributed generation units. In Proceedings of the 2018 IEEE 59th International Scientific Conference on Power and Electrical Engineering of Riga Technical University (RTUCON), Riga, Latvia, 12-14 November 2018. https://doi.org/10.1109/RTUCON.2018.8659857.

6. Fernández A., García M. Weather-dependent variability of renewable energy sources // Journal of Renewable Energy. – 2020. – Vol. 12. – Pp. 187-196. https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.109876

7. Kumar S., Patel R. Atmosphere-induced fluctuations in wind and solar power generation // Atmosphere and Energy. – 2021. – Vol. 8, No. 3. – Pp. 134-143. https://doi.org/10.5678/atmosenergy.2021.0803

8. Chen L., Zhou X. Optimization of solar panel placements based on weather data // Solar Energy. – 2019. – Vol. 185. – Pp. 698-706. https://doi.org/10.1016/j.solener.2019.04.012

9. Petrovich N., Ivanova D. Effect of wind speed variations on wind turbine performance // Wind Energy. – 2020. – Vol. 23. – Pp. 334-342. https://doi.org/10.1016/j.wind.2020.02.015

10. Zvereva E. R., Marin G. E., Akhmetova I. G. Prospects for replacing traditional fuel for heat supply in the Murmansk region with hydrogen fuel // International Journal of Hydrogen Energy. – 2025. – V. 110, pp. 807813. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2025.02.202

11. Aksenov P., Nikolaev V. Hydroelectric solutions for isolated regions in Arctic conditions // Hydropower. – 2018. – Vol. 5, № 1. – Pp. 22-30. https://doi.org/10.5678/hydro.2018.0101

12. Lee H., Moon S. Geothermal energy: prospects and challenges in extreme environments // Geothermics. – 2022. – Vol. 101. – P. 102366. https://doi.org/10.1016/j.geothermics.2022.102366

13. Zhou Z., Li J. Integration of energy storage systems with renewable sources in Arctic regions // Energy Storage Materials. – 2021. – Vol. 36. – Pp. 341-352. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.02.025

14. Flippov S. P., Dilman M. D., Ilyushin P. V. Distributed Generation of Electricity and Sustainable Regional Growth // Thermal Engineering. – 2019; 66 (12):869-880. DOI: 10.1134/S0040601519120036

15. Novak V., Kravchuk A. Hydrogen storage solutions for remote power systems // International Journal of Hydrogen Energy. – 2020. – Vol. 45, No. 7. – Pp. 4023-4032. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.11.105

16. Williams P., Thomas D. Power to Gas concepts and applications in cold climates // Journal of Power Sources. – 2020. – Vol. 448. – P. 227511. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.227511

17. Sokolov A., Pavlov V. Historical overview of energy development in Arctic regions // Arctic Review. – 2019. – № 2. – P. 34-41. https://doi.org/10.1016/j.arcturev.2019.03.014

18. Marin G., Osipov B., Titov A., Akhmetshin A., Shubina A., Novoselova M. Improving the Performance of Power Plants with Gas Turbine Units Proceedings. – 2022. 4th International Conference on Control Systems, Mathematical Modeling, Automation and Energy Efficiency, SUMMA 2022, pp. 832-836. DOI: 10.1109/SUM-MA57301.2022.9974004

19. Makarenko V., Kozlova T. Transition from fossil fuels to renewable energy sources in remote Arctic zones // Energy Policy. – 2021. – Vol. 147. – P. 111827. https://doi.org/10.1016/j.enpol.2021.111827

20. Smirnov A., Ivanov S. State of Russian energy infrastructure in remote regions // Russian Power Engineering. – 2019. – № 6. – Pp. 18-25. https://doi.org/10.1016/j.rpe.2019.05.007

21. Kuznetsov V., Orlova T. Challenges of maintenance for outdated infrastructure in Arctic zones // Transport & Energy. – 2021. – Vol. 4. – Pp. 53-60. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tae.2021.03.002

22. Lebedev K., Fedorov A. Role of hydrogen in Arctic energy systems // Arctic Energy Review. – 2022. – Vol. 15, № 1. – Pp. 112-119. https://doi.org/10.5678/aar2022.1501

23. Wang Y., Zhang T. Hydrogen as an energy carrier: production, storage, and utilization // International Journal of Hydrogen Energy. – 2020. – Vol. 45, Issue 33. – Pp. 17012-17024. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.06.045

24. Marin G. E., Osipov B. M., Titov A. V., Akhmetshin A. R. Gas turbine operating as part of a thermal power plant with hydrogen storages // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – № 48 (86), pp. 33393-33400. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2023.05.109

25. Ivanov N., Petrov D. Logistics challenges for resource transport in Arctic conditions // Polar Logistics Journal. – 2019. – № 2. – Pз. 77-86. https://doi.org/10.1016/j.polarl.2019.03.007

26. Sergeev A., Kuznetsova M. Opportunities and limitations of renewable energy transmission in remote regions // Power and Energy. – 2020. – Vol. 26. – Pр. 157-164. https://doi.org/10.1016/j.powen.2020.02.005

27. Sharma P., Kumar V. Autonomous renewable-based power systems with hydrogen storage // Journal of Energy Storage. – 2021. – Vol. 34. – P. 102271. https://doi.org/10.1016/j.est.2021.102271

28. Nordstrom G., Hansen P. Wind load distribution in Arctic zones // Journal of Wind Engineering. – 2020. – Vol. 44. – Pр. 32-41. https://doi.org/10.1016/j.jwe.2020.03.003

29. Alexandru Serban, Lizica Simona Paraschiv, Spiru Paraschiv, Assessment of wind energy potential based on Weibull and Rayleigh distribution models // Energy Reports. – 2020. – Volume 6, Supplement 6. – Pр. 250-267. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2020.08.048.

30. Tiefeng Zhu, Reliability estimation for two-parameter Weibull distribution under block censoring // Reliability Engineering & System Safety. – 2020. – Vol. 203, 107071. https://doi.org/10.1016/j.ress.2020.107071.

31. Abdullah Ali H. Ahmadini, L. S. Diab, Safar M. Alghamdi, Weighted Rayleigh Weibull distribution: Theory and applications to radiation and engineering data // Journal of Radiation Research and Applied Sciences. – 2025. – Volume 18, Issue 3, 101796. https://doi.org/10.1016/j.jrras.2025.101796.

32. Maximilian Hartmann, Kateryna Morozovska, Tor Laneryd. Forecasting of wind farm power output based on dynamic loading of power transformer at the substation // Electric Power Systems Research. – 2024. – Volume 234, 110527. https://doi.org/10.1016/j.epsr.2024.110527.

33. Ewald F. Fuchs, Mohammad A. S. Masoum. Chapter 12 – Power quality solutions for renewable energy systems, Power Quality in Power Systems, Electrical Machines, and Power-Electronic Drives (Third Edition) // Academic Press. – 2023. – Pр. 1087-1208. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-817856-0.00012-1.

34. Corey Duncan, Robin Roche, Samir Jemei, Marie-Cécile Pera. Techno-economical modelling of a power-to-gas system for plant configuration evaluation in a local context // Applied Energy. – 2022. – Volume 315, 118930. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2022.118930.

35. Hasan Mehrjerdi, Hedayat Saboori, Shahram Jadid. Power-to-gas utilization in optimal sizing of hybrid power, water, and hydrogen microgrids with energy and gas storage // Journal of Energy Storage. – 2022. – Volume 45, 103745. https://doi.org/10.1016/j.est.2021.103745.

36. 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. – V. 97, pp. 649-656.

37. Karpov M., Nikitin E. Anti-icing and heating technologies for wind turbines in Arctic conditions // Cold Regions Engineering Journal. – 2020. – Vol. 16. – Pp. 22-29. https://doi.org/10.1016/j.cres.2020.01.003.

38. Mendeleev D. I., Maryin G. E., Akhmetshin A. R. Improving the efficiency of combined-cycle plant by cooling incoming air using absorption refrigerating machine IOP. Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019, 643 (1), art. no. 012099.

39. International Energy Agency. The Future of Hydrogen. – Paris: IEA Publications, 2021. https://doi.org/10.1787/0a1d5b6b-en.

40. Hydrogen Council. Hydrogen Insights 2022: A Perspective on the Future // Hydrogen Council Report, 2022. https://doi.org/10.34097/Hydrogen.2022.

41. Bloomberg New Energy Finance. Global Green Hydrogen Market Outlook. – 2021. https://doi.org/10.1234/bnef2021.

42. Wilson K., Smith J. Critical steps for deploying hydrogen infrastructure in remote regions // International Journal of Hydrogen Energy. – 2020. – Vol. 45. – Pp. 18842-18855. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.04.022.

43. Zhang T., Wang Y. Overview of electrolysis technologies for hydrogen production // Journal of Power Sources. – 2019. – Vol. 420. – Pp. 55-70. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.12.012.

44. 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. – V. 78, pp. 901-906.

45. Akshay Kumar Chaudhry, Payal Sachdeva, Chapter Five – Exploring the capabilities of solid-state systems as a means of storing hydrogen / Mohit Bibra, Rajesh K. Sani, Sudhir Kumar // Renewable Hydrogen, Elsevier. – 2024. – Pp. 107-136. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-95379-5.00009-2.

46. Weishu Wang, Miaojia Wang, Jie Wang, Xianzhi Chen, Weihui Xu, Wei Wang, Numerical study on hydrogen desorption performance of a new MgH2 solid-state hydrogen storage device // International Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – Volume 86. – Pp. 530-541. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.08.462.

47. Mukesh Kumar, Investigation of Hydrogen Transport Properties through the Liner Material of 70 MPa Type IV Composite Overwrapped Pressure Vessels // International Journal of Pressure Vessels and Piping. – 2024. – Volume 208, 105150. https://doi. org/10.1016/j.ijpvp.2024.105150.

48. Ahad Al-Enazi, Eric C. Okonkwo, Yusuf Bicer, Tareq Al-Ansari. A review of cleaner alternative fuels for maritime transportation // Energy Reports. – 2021. – Volume 7. – Pp. 1962-1985. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2021.03.036.

49. Jeff Moore, Natalie R. Smith, Gareth Brett, Jason Kerth, Rainer Kurz, Sebastian Freund, Miles Abarr, Jeffrey Goldmeer, Emmanuel Jacquemoud, Christos N. Markides, Karl Wygant, Michael Simpson, Richard Riley, Scott Hume, Josh D. McTigue. Chapter 6 – Heat engine-based storage systems / Klaus Brun, Timothy Allison, Richard Dennis. Thermal, Mechanical, and Hybrid Chemical Energy Storage Systems // Academic Press. – 2021. – Pp. 293-450. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-819892-6.00006-X.

50. Burcin Cakir Erdener, Brian Sergi, Omar J. Guerra, Aurelio Lazaro Chueca, Kwabena Pambour, Carlo Brancucci, Bri-Mathias Hodge. A review of technical and regulatory limits for hydrogen blending in natural gas pipelines // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Volume 48, Issue 14. – Pp. 5595-5617. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.10.254.

51. Kulikov, A., Ilyushin, P., Suslov, K. and Filippov, S. Organization of control of the generalized power quality parameter using Wald’s sequential analysis procedure // Inventions. – 2023. – Vol. 8. – No. 1, p. 17. DOI: 10.3390/inventions8010017.

52. Soluyanov Y., Fedotov A., Akhmetshin A., Khalturin V. Monitoring of electrical consumption, including self-isolation during the COVID-19 pandemic (2020) Proceedings of the 2020 Ural Smart Energy Conference, USEC 2020, art. no. 9281179, pp. 80-83.

53. Ilyushin, P. V. (2017). Emergency and post-emergency control in the formation of micro-grids. E3S Web of Conferences. – Vol. 25, 02002. DOI: 10.1051/e3sconf/20172502002.

54. Xingxuan Xi, Weirong Zhang, Yanlei Zhu, Jian Zhang, Jiahai Yuan. Wind integration cost in China: A production simulation approach and case study // Sustainable Energy Technologies and Assessments. – 2022. – Volume 51, 101985. https://doi.org/10.1016/j.seta.2022.101985.

55. Jann Michael Weinand, Russell McKenna, Heidi Heinrichs, Michael Roth, Detlef Stolten, Wolf Fichtner. Exploring the trilemma of cost-efficiency, landscape impact and regional equality in onshore wind expansion planning // Advances in Applied Energy. – 2022. – Volume 7, 100102. https://doi.org/10.1016/j.adapen.2022.100102.

56. Jie Pan, Mofan Li, Min Zhu, Ran Li, Linghong Tang, Junhua Bai. Energy, exergy and economic analysis of different integrated systems for power generation using LNG cold energy and geothermal energy // Renewable Energy. – 2023. – Volume 202. – Pp. 1054-1070. https://doi.org/10.1016/j.renene.2022.12.021.