Концепция водородного города будущего

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.

1. . 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

2. . 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

3. . 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

4. . 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

5. . 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

6. . 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

7. . 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.

8. . 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

9. . 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

10. . 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

11. . 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.

12. . 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

13. . 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

14. . 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

15. . 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

16. . 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

17. . 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

18. . 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

19. . 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

20. . 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

21. . 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

22. . 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

23. . 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

24. . 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

25. . 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

26. . 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

27. . 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

28. . 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

29. . 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

30. . 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

31. . 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

32. . 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

33. . 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

34. . 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

35. . 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

36. . 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

37. . 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

38. . 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

39. . 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

40. . 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

41. . 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

42. . 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

43. . 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

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

45. . 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

46. . 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

47. . 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

48. . 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