Электролизёр: устройство, типы, технологии и применение в водородной энергетике

Что такое электролизёр?

Определение и базовый принцип работы

Электролизёр (электролитическая ванна) — это аппарат для осуществления электролиза, то есть проведения электрохимических процессов путём пропускания постоянного электрического тока через вещество. В контексте водородной энергетики электролизёр используется для разложения воды на составляющие элементы — водород и кислород.

Принцип действия основан на том, что при прохождении постоянного тока через электроды, погружённые в электролит (вещество, проводящее электрический ток за счёт движения ионов), на катоде (отрицательном электроде) выделяется водород, а на аноде (положительном электроде) — кислород . Этот процесс называется электролизом воды и является одним из основных методов производства «зелёного» водорода.

Устройство электролизёра

Современный электролизёр состоит из следующих основных элементов :

Корпус (ванна) — ёмкость, заполненная электролитом, выполненная из материалов, устойчивых к химическому воздействию (пластические массы, стеклопластики, керамика, винипласт) .

Электроды — катоды и аноды, между которыми происходит электрохимическая реакция:

• Аноды изготавливаются из графита, углеграфитовых материалов, платины, оксидов железа, свинца, никеля, а также титана с защитными покрытиями (оксиды рутения и титана — ОРТА, оксиды кобальта, диоксид марганца) .

• Катоды в большинстве электролизёров выполняются из стали .

Концевые плиты и изолирующие прокладки — обеспечивают герметичность и изоляцию электродов друг от друга .

Система циркуляции электролита — включает мешалки или систему протока для регулирования массо- и теплопереноса .

Теплообменники — встроенные или выносные устройства для поддержания оптимальной температуры процесса .

Газоотводящие системы — для сбора выделяющихся водорода и кислорода и их раздельного отведения.

Способы включения электролизёров в электрическую цепь

По способу подключения электролизёры разделяют на два основных типа :

Монополярные электролизёры — состоят из одной электролитической ячейки с электродами одной полярности. Каждый электрод может состоять из нескольких элементов, включённых в цепь параллельно. Напряжение на электродах равно напряжению одной ячейки.

Биполярные электролизёры — имеют большое число ячеек (до 100–160), включённых в цепь последовательно. При этом каждый электрод, за исключением двух крайних, работает одной стороной как катод, а другой — как анод. Такая схема требует меньшего количества присоединений к источнику питания, но напряжение на электродах увеличивается пропорционально количеству ячеек. Современные крупные биполярные электролизёры могут иметь нагрузку, эквивалентную 1600 кА .

Важной характеристикой электролизёра является его рассеивающая способность, зависящая от конструкции и состава электролита .

Технологии электролиза: от щелочной до твердооксидной

Современное производство водорода опирается на четыре основные технологии электролиза, каждая из которых имеет свои преимущества, недостатки и области применения .

Щелочные электролизёры (AEL — Alkaline Electrolysis)

Принцип работы: В качестве электролита используется водный раствор щелочи (обычно KOH или NaOH). Электроды разделены диафрагмой (сепаратором), предотвращающей смешивание выделяющихся газов .

Ключевые характеристики :

• Рабочая температура: 70–90°C

• Эффективность (КПД): 60–70%

• Плотность тока: 0,3–0,5 А/см²

• Энергопотребление: 4,0–4,5 кВт·ч/м³ H₂

• Время отклика на изменение нагрузки: 5–15 минут

Преимущества:

• Наиболее зрелая и коммерчески доступная технология

• Относительно низкая стоимость материалов и оборудования

• Медленная деградация (менее 1% в год) 

• Длительный срок службы

Недостатки:

• Низкая плотность тока, что требует громоздких конструкций

• Медленная динамика, плохая работа при переменных нагрузках

• Коррозионная активность щелочного электролита

• Ограниченная масштабируемость (обычно до 10 МВт) 

Щелочные системы доминируют в крупных промышленных объектах, особенно в производстве аммиака, благодаря проверенной конструкции и низкой стоимости материалов. Типичный щелочной электролизёр мощностью 10 МВт производит примерно 4500 кг водорода в сутки .

PEM-электролизёры (Proton Exchange Membrane / Polymer Electrolyte Membrane)

Принцип работы: Используют твёрдую полимерную мембрану (например, Nafion) в качестве электролита, которая проводит протоны (ионы водорода). Мембрана разделяет электродные пространства и обеспечивает высокую чистоту газов .

Ключевые характеристики :

• Рабочая температура: 50–80°C

• Эффективность (КПД): 65–80% (до 80% и выше)

• Плотность тока: 2,0–3,0 А/см² (значительно выше щелочных)

• Давление: до 50 бар и выше

• Время отклика: менее 1 секунды

Преимущества:

• Высокая плотность тока (компактность установок)

• Быстрый отклик на изменение нагрузки (идеально для интеграции с ВИЭ)

• Высокая чистота производимого водорода

• Меньшая занимаемая площадь (на 40% меньше на каждый кг H₂) 

• Работа под высоким давлением

Недостатки:

• Высокая стоимость из-за катализаторов на основе платины и иридия

• Чувствительность к примесям в воде (требуется высокая степень очистки)

• Более быстрая деградация (2–4% потерь эффективности в год) 

• Высокая стоимость мембран

PEM-электролизёры отлично масштабируются за пределы 100 МВт и являются предпочтительным выбором для проектов, интегрированных с возобновляемыми источниками энергии, благодаря способности быстро реагировать на колебания нагрузки .

Твердооксидные электролизёры (SOEC — Solid Oxide Electrolysis Cells)

Принцип работы: Используют твёрдый керамический электролит (обычно на основе диоксида циркония), работающий при высоких температурах (700–1000°C). Вода подаётся в виде пара, и под действием электричества происходит её разложение .

Ключевые характеристики :

• Рабочая температура: 700–900°C (до 1000°C)

• Эффективность (КПД): 80–90% (наивысшая среди технологий)

• Режим работы: требует постоянной высокой температуры

Преимущества:

• Наивысшая эффективность, особенно при использовании тепла от других промышленных процессов

• Возможность обратимого режима (может работать как топливный элемент)

• Потенциально низкая стоимость материалов

Недостатки:

• Сложность терморегулирования и поддержания стабильной температуры

• Проблемы долговечности материалов при высоких температурах

• Медленный запуск и остановка

• Пока высокая стоимость и ограниченная коммерческая доступность

SOEC-технология наиболее перспективна для промышленных кластеров, где есть доступ к дешёвому теплу (например, на металлургических или химических производствах).

Анионообменные мембранные электролизёры (AEM — Anion Exchange Membrane)

Принцип работы: Комбинируют преимущества щелочной технологии и PEM-электролиза. Используют полимерную мембрану, проводящую гидроксид-ионы (OH-), с щелочным раствором низкой концентрации .

Ключевые характеристики :

• Эффективность: 50–65% (в лабораторных условиях)

• Конструкция: модульная, компактная

Преимущества:

• Использование недорогих материалов (без благородных металлов)

• Меньшая чувствительность к примесям в воде

• Потенциально низкая стоимость

• Хорошая масштабируемость

Недостатки:

• Технология находится на стадии развития

• Пока较低 эффективность и долговечность

• Ограниченная коммерческая доступность

Росатом разработал инновационную установку на основе уникальной анионопроводящей матрицы, которая сочетает преимущества щелочной и PEM-технологий, но лишена их недостатков: компактность (в 9–10 раз меньше проточных щелочных батарей) при невысоких требованиях к очистке воды .

Сравнение технологий электролиза

Характеристика	Щелочной (AEL)	PEM	SOEC	AEM
Электролит	Раствор KOH/NaOH	Полимерная мембрана	Керамика (ZrO₂)	Анионообменная мембрана
Температура, °C	70–90	50–80	700–1000	40–60
КПД, %	60–70	65–80	80–90	50–65
Плотность тока, А/см²	0,3–0,5	2,0–3,0	0,3–1,0	0,5–1,0
Время отклика	Минуты	Секунды	Часы	Секунды
Стоимость	Низкая	Высокая	Очень высокая	Средняя
Зрелость технологии	Коммерческая	Коммерческая	Демонстрационная	Разработка

Масштабы применения электролизёров

Электролизёры различаются по масштабу — от небольших лабораторных установок до гигаваттных промышленных комплексов .

Маломасштабные электролизёры (до 1 МВт)

• Производительность: от 1 кг водорода в сутки и менее

• Применение: лаборатории, небольшие производственные участки, демонстрационные проекты, заправочные станции для малой техники

• Особенности: ориентированы на компактность и быстрый отклик 

Среднемасштабные электролизёры (1–10 МВт)

• Производительность: до 4500 кг водорода в сутки

• Применение: промышленные предприятия, локальные энергетические системы, водородные заправочные станции для транспорта

• В этом диапазоне доминируют щелочные системы благодаря более низким капитальным затратам 

Крупномасштабные электролизёры (более 10 МВт, до гигаваттных кластеров)

• Производительность: сотни тонн водорода в сутки

• Применение: централизованное производство водорода для нефтепереработки, производства аммиака, металлургии, экспорта

• Пример: проект в Северном море объединяет щелочные электролизеры мощностью 1,2 ГВт с резервными PEM-системами, достигая 90% использования мощности и производя около 220 000 тонн водорода в год 

PEM-электролизёры эффективно масштабируются за пределы 100 МВт и занимают на 40% меньше площади на каждый кг произведённого H₂, что критично для проектов с ограниченным пространством .

Российские разработки и производство электролизёров

Разработки Росатома (НПО «Центротех»)

Росатом активно развивает производство электролизного оборудования. Специалисты НПО «Центротех» (г. Новоуральск) разработали линейку электролизных установок производительностью от 5 до 50 Нм³/ч на основе уникальной российской технологии с применением анионопроводящей матрицы .

Ключевые особенности разработки Росатома :

• Сочетает преимущества щелочной и PEM-технологий без их недостатков

• Электролизные батареи в 9–10 раз меньше проточных щелочных аналогов

• Низкие требования к очистке воды (дешевле эксплуатация)

• Низкое удельное энергопотребление: не более 4 кВт·ч/Нм³ водорода

• Высокие динамические характеристики для интеграции с ВИЭ

• Безопасная эксплуатация от 0 до 115% номинальной производительности

• Контейнерное исполнение со всем комплектом оборудования

Впервые для изготовления концевых фланцев электролизных батарей использована 3D-печать, что позволило снизить массу и кратно сократить трудоёмкость и сроки изготовления .

Запуск первого электролизёра на водородном полигоне

В июле 2024 года на первом в РФ водородном полигоне в Южно-Сахалинске был запущен инновационный электролизный модуль ЭМ-30 производства НПО «Центротех» . Это событие знаменует начало новой эры в водородной энергетике России. Электролизер выполнен в современном дизайне, подчёркивающем стремление к инновациям.

Индустриальная лаборатория электрохимии в Уфе

В Уфимском университете науки и технологий создана Индустриальная лаборатория электрохимии и «зелёных» технологий (ИЛЭЗТ) для решения задач нефтегазохимии и ТЭК . Лаборатория реализует проект по удалению серы электрохимическим способом из стоков ООО «Газпром нефтехим Салават». Выделенная электролизом сера может использоваться для получения удобрений и серной кислоты, а очищенный щелочной сток возвращается в производственный цикл.

Применение электролизёров

Производство «зелёного» водорода

Основное и наиболее перспективное применение — производство водорода с использованием электроэнергии от возобновляемых источников (ветровые и солнечные электростанции). Электролизёры выступают в роли гибкой нагрузки, потребляя избыточную энергию и стабилизируя энергосистему .

Промышленное применение водорода

• Нефтепереработка: гидрокрекинг и гидроочистка требуют больших объёмов водорода

• Производство аммиака: водород является сырьём для синтеза аммиака (удобрения)

• Металлургия: прямое восстановление железа (DRI) с использованием водорода

• Производство метанола и других химических продуктов

Энергетика и стабилизация сетей

Электролизёры могут использоваться как балластная нагрузка для стабилизации режима работы электростанций. Исследования Томского политехнического университета показывают, что использование электролизёра в составе микро-ГЭС позволяет производить водород по себестоимости около 0,99 USD/кг, используя дешёвую электроэнергию и речную воду в качестве сырья .

Очистка и переработка промышленных стоков

Электрохимические методы применяются для удаления загрязнений из промышленных сточных вод. Например, проект УУНиТ для «Газпром нефтехим Салават» направлен на электрохимическое удаление серы из сульфидсодержащих щелочных стоков .

Транспорт и заправочная инфраструктура

Водород, произведённый электролизёрами, используется для заправки транспорта на топливных элементах (автобусы, поезда, грузовики). На Сахалине планируется создание водородного заправочного комплекса для обеспечения поездов на водородных топливных элементах .

Экономика и рынок электролизёров

Стоимость электролизёров

Стоимость электролизёров зависит от технологии, производительности и происхождения оборудования :

Технология	Стоимость, $/кВт (2025 г.)	Прогноз к 2030 г.
Щелочные	400–600	300–450
PEM	800–1200	500–800
AEM	600–900 (оценка)	400–600

Китайские производители предлагают щелочные электролизёры по цене в среднем в 4 раза ниже европейских аналогов .

Стоимость промышленного электролизёра в России: для установок производительностью 50–200 м³/ч водорода составляет примерно от 10 до 50 миллионов рублей (данные 2024–2025 гг.) .

Мировые производственные мощности

Мировые мощности по производству электролизёров в 2025 году оцениваются в 8–10 ГВт, при этом более 60% сосредоточено в Китае .

Ключевые мировые игроки :

• Европа: ITM Power, Siemens Energy, Bosch (серия Hybrion с мощностью 1,25 МВт/установка)

• США: Cummins (PEM-системы производительностью до 500 Нм³/ч)

• Китай: LONGi, Trina Solar (доминирование в щелочной технологии)

Российский рынок

Общий парк электролизёров в России оценивается примерно в 2000 установок, преимущественно устаревших щелочных моделей . Однако активно развиваются новые производства:

• Росатом (НПО «Центротех») осваивает серийное производство двух линеек: малой производительности (5–40 Нм³/ч) и высокой (от 50 Нм³/ч)

• Проект должен быть завершён к концу 2026 года 

Планируется использование этих установок на Кольской АЭС, водородном полигоне на Сахалине и других пилотных проектах.

Требования безопасности при эксплуатации электролизёров

Электролиз воды сопровождается выделением газообразных водорода и кислорода, смесь которых взрывоопасна .

Основные требования безопасности

1. Вентиляция: Смесь водорода с воздухом взрывоопасна при концентрации водорода более 4 об.%. Электролизёры оборудуются системами вытяжной вентиляции, обеспечивающими разбавление водорода до концентрации менее 0,4 об.% (в 10 раз ниже порога взрывоопасности) .

2. Разделение газов: Необходимо надёжное разделение водорода и кислорода для предотвращения образования гремучего газа.

3. Контроль температуры: Электролиз всегда сопровождается выделением тепла, требуется система охлаждения для поддержания оптимальной температуры .

4. Материальная совместимость: Электроды и корпус должны быть устойчивы к коррозионному воздействию электролита и выделяющихся газов.

5. Автоматизация: Современные электролизёры оснащаются системами автоматического контроля параметров и аварийного останова.

Конструктивные особенности для безопасности

• Устройства для очистки межэлектродного пространства от пены и нерастворимых продуктов

• Иловые камеры для накопления выпадающих осадков

• Системы продувки сжатым воздухом или механической депассивации электродов 

Перспективы развития технологии

Тренды развития электролизёров

1. Снижение стоимости: Прогнозируется снижение стоимости PEM-электролизёров до $500/кВт к 2030 году .

2. Увеличение масштабов: Переход к гигаваттным установкам для централизованного производства водорода.

3. Интеграция с ВИЭ: Развитие гибких режимов работы и быстрого отклика для эффективного использования переменной возобновляемой энергии.

4. Новые материалы: Разработка недорогих катализаторов и мембран для снижения стоимости PEM и AEM-технологий.

5. Цифровизация: Внедрение систем машинного обучения для оптимизации режимов работы и прогнозирования обслуживания.

Применение в нефтегазовом секторе

Для нефтегазовых и строительных компаний развитие электролизных технологий открывает новые возможности:

• Производство водорода на промыслах для собственных нужд (гидроочистка, энергетика)

• Утилизация избыточной электроэнергии от газотурбинных и газопоршневых электростанций

• Переработка попутного нефтяного газа в водород (через паровую конверсию с последующим электролизом)

• Создание водородных кластеров на базе существующей инфраструктуры

Заключение

Электролизёр — ключевой элемент водородной энергетики, позволяющий производить экологически чистый водород из воды и электричества. Современные технологии электролиза (щелочная, PEM, SOEC, AEM) находятся на разных стадиях зрелости и предлагают решения для различных масштабов применения — от лабораторных установок до гигаваттных промышленных комплексов.

В России активно развивается производство собственных электролизёров, в первую очередь усилиями Росатома (НПО «Центротех»), созданы инновационные разработки на основе анионопроводящей матрицы, запущен первый водородный полигон на Сахалине.

Для строительных и нефтегазовых компаний электролизные технологии представляют интерес как с точки зрения участия в новых проектах (сооружение водородных кластеров, установка электролизёров на промыслах), так и для собственного применения (производство водорода для технологических нужд, утилизация электроэнергии, переработка стоков).