Анализ свойств, характеристик и особенностей водорода в газовой и жидкой фазах для обеспечения безопасной морской транспортировки

В статье рассматриваются физико-химические свойства водорода в различных агрегатных состояниях с акцентом на обеспечение безопасности его транспортировки в сжиженном виде (LH2) на морских судах. Цель исследования — выявление ключевых опасностей для судовых систем хранения, экипажа, персонала и окружающей среды, связанных с хранением и транспортировкой LH2. Для достижения этой цели автор обобщил данные отечественных и зарубежных исследований, а также нормативных документов, включая фазовые диаграммы, характеристики изомеров водорода (орто- и параводорода), пределы воспламеняемости и взаимодействия с материалами. Основные задачи статьи включают: анализ физических характеристик водорода в газовом и жидком состояниях; оценку химических свойств, таких как высокая диффузионная способность, широкие пределы воспламеняемости и склонность к детонации; изучение влияния на конструкционные материалы, включая водородное охрупчивание и криогенное воздействие на пластичность металлов; анализ физиологического воздействия на человека.
В результате выделены категории рисков: криогенные (холодовые травмы, охрупчивание материалов), пожароопасные (невидимое пламя, взрывоопасные смеси с кислородом), технологические (утечки, проницаемость) и связанные с человеческим фактором (недостаток подготовки экипажа). LH2 — наиболее эффективный, но сложный в обращении носитель энергии, требующий специальных мер митигации рисков, включая выбор материалов (аустенитные стали, алюминий) и систем изоляции. Актуальное в контексте перехода к водородной энергетике и декарбонизации транспорта исследование предлагает основу для проектирования безопасных судовых систем. Рекомендуется дальнейшее изучение емкостей хранения и методов оценки рисков. Цель статьи — выявить ключевые физико-химические свойства водорода в газовой и жидкой фазах, а также связанные с ними опасности для судовых систем хранения, для экипажа, персонала и окружающей среды, чтобы обеспечить безопасную морскую транспортировку сжиженного водорода (LH2) как перспективного энергоносителя в контексте декарбонизации и перехода к экологически чистой энергетике.
Задачи статьи:
обобщить и проанализировать данные исследований и нормативов по свойствам водорода в различных агрегатных состояниях, включая фазовую диаграмму, плотность, диффузию и изомерные формы (орто- и параводород) с орто-параконверсией;
изучить химические свойства водорода (пределы воспламеняемости, скорость горения, детонация, взаимодействие с кислородом) и влияние на материалы (водородное охрупчивание, криогенное воздействие, термическое сжатие);
проанализировать физиологическое воздействие на человека (удушье, ожоги, переохлаждение), выделить категории рисков и предложить меры митигации для безопасных систем хранения и транспортировки LH2 на судах.

1. Буянов А.С. Анализ опыта применения метанола и этанола в качестве топлива на судах / А.С. Буянов, О.Н. Леонова, А.С. Реуцкий // Научно-технический сборник Российского морского регистра судоходства. — 2021. — № 64/65. — С. 91–97. — EDN MIMXNW.

2. Реуцкий А.С. Определение основных путей реализации климатических проектов на водном транспорте / А.С. Реуцкий, Д.С. Семионичев, А.А. Михеева // Научно-технический сборник Российского морского регистра судоходства. — 2024. — № 75. — С. 4–15. — EDN FJOQTC.

3. Реуцкий А.С. Оценка влияния типа используемого судового топлива на величину углеродного следа транспортной услуги / А.С. Реуцкий, В.В. Якимов, А.А. Буцанец // Научно-технический сборник Российского морского регистра судоходства. — 2024. — № 76. — С. 87–95. — EDN ICJSDQ.

4. Кузык Б.Н. Россия: стратегия перехода к водородной энергетике / Б.Н. Кузык, Ю.В. Яковец. — М.: Ин-т эконом. стратегий, 2007. — 398 с.

5. Реуцкий А.С. Анализ положений руководящих принципов ИМО по оценке интенсивности выбросов парниковых газов на протяжении жизненного цикла для всех видов судового топлива / А.С. Реуцкий, В.К. Шурпяк, С.А. Толмачев // Научно-технический сборник Российского морского регистра судоходства. — 2025. — № 79. — С. 14–25. — EDN FBBBJV.

6. Крылов О.В. Углекислотная конверсия метана в синтез-газ / О.В. Крылов // Российский химический журнал. — 2000. — Т. 44. — С. 19–33.

7. Шварц А.Л. Конверсия метана в технологические газы / А.Л. Шварц, Л.Г. Брук. — М.: МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 2012. — 32 с.

8. Рамочная конвенция Организации Объединенных Наций об изменении климата [от 9 мая 1992 г.]. — [Электронный ресурс] URL: https://unfccc.int/resource/docs/convkp/convru.pdf (дата обращения 23.12.2025).

9. Бебко Д.А. Исследование влияния электрических параметров водородного генератора на производство водорода и тепловой энергии, применяемой для снижения вязкости нефти и предотвращения АСПО на промысловом оборудовании / Д.А. Бебко, Е.И. Величко // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. — 2025. — № 2(386). — С. 14–18. — EDN BPQVUA.

10. Чистофорова Н.В. Исследование установки извлечения водорода из водородсодержащих газов / Н. В. Чистофорова // Современные технологии и научно-технический прогресс. — 2025. — № 12. — С. 123–124. — EDN ZUEZDB.

11. Щеклеин С.Е. Получение водорода и гибридное использование щелочных металлов в технологиях энергетического производства и хранения электрической энергии с применением ЭХГ и ГТУ / С.Е. Щеклеин, А.М. Дубинин, К.Ш. Юзбашиева // Альтернативная энергетика и экология. — 2025. — № 1(430). — С. 159–172. — DOI 10.15518/isjaee.2025.01.159-172. — EDN HXPQCZ.

12. Кулешов Н.В. Электролиз воды как основа водородной энергетики / Н.В. Кулешов, В.Н. Фатеев, А.А. Терентьев // Труды III Междунар. симпозиума по водородной энергетике. — М.: МЭИ, 2009. — C. 122–124.

13. Реуцкий А.С. Сравнительный анализ способов транспортировки водорода морским транспортом по критерию удельной грузоподъемности // А.С. Реуцкий, А.С. Буянов, А.А. Буцанец // Вестник Государственного университета морского и речного флота им. адм. С.О. Макарова. — 2024. — Т. 16. — № 5. — С. 709–725.

14. The Suiso Frontier. — [Электронный ресурс] URL: https://www.hydrogenenergysupplychain.com/about-the-pilot/supply-chain/the-suisofrontier/ (дата обращения 16.06.2025).

15. Реуцкий А.С. Применяемые в морской практике методы оценки рисков / А.С. Реуцкий, Д.С. Семионичев, А.А. Буцанец // Транспортное дело России. — 2025. — № 6. — С. 156–162. — EDN YSSWRR.

16. Семионичев Д.С. Применение формализованной оценки безопасности в качестве инструмента принятия решений с целью обеспечения безопасности морских судов / Д.С. Семионичев, В.К. Шурпяк, А.С. Реуцкий // Сборник научных статей Нац. науч.- практ. конф. проф.-преп. состава ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова», Санкт-Петербург, 30 сентября — 20 октября 2024 года. Т. 3. — СПб.: ГУМРФ им. адм. С.О. Макарова, 2025. — С. 91–95. — EDN XBGKMS.

17. Klier J. A new cryogenic high-pressure H2 test area: First results / J. Klier, M. Rattey, G. Kaiser, M. Klupsch et al. // Proceedings of the 12th IIR International Conference, Dresden, September 11–14, 2012. — [Электронный ресурс] URL: https://www.ilkdresden.de/fileadmin/user_upload/Artikel/2013/Wasserstoff/cryogenic_high-pressure_H2_test_area.pdf (дата обращения 28.03.2026).

18. Soave G. Equilibrium constants from a modified Redlich — Kwong equation of state / G. Soave // Chemical Engineering Science. — 1972. — Vol. 27. — P. 1197–1203.

19. Verfondern K. Handbook of hydrogen safety: Chapter on LH2 safety / K. Verfondern, D. Cirrone, V. Molkov, D. Makarov et al. — 31 March 2021. — (Pre-normative research for safe use of liquid hydrogen (PRESLHY): project deliverable.)

20. Edeskuty F.J. Safety in the handling of cryogenic fluids / F.J. Edeskuty, W.F. Stewart. — New York: Plenum Press, 1996. — (International Cryogenics Monograph Series.)

21. Цуцуран В.И. Военно-технический анализ состояния и перспективы развития ракетных топлив: учебник / В.И. Цуцуран, Н.В. Петрухин, С.А. Гусев. — М.: МО РФ, 1999. — 332 с.

22. Верещагин Л.Ф. Возможность перехода водорода в проводящее состояние / Л.Ф. Верещагин, Е.Н. Яковлев, Ю.А. Тимофеев // Успехи физических наук. — 1975. — Т. 117, № 1. — С. 183–184.

23. Weir S.T. Metallization of fluid molecular hydrogen at 140 GPa (1,4 Mbar) / S.T. Weir, A.C. Mitchell, W.J. Nellis // Physical Review Letters. — 2004. — Vol. 76, No. 11. — P. 1860. — DOI 10.1103/PhysRevLett.76.1860.

24. Deemyad S. The melting line of hydrogen at high pressures / S. Deemyad, I.F. Silvera // Physical Review Letters. — 2008. — Vol. 100, No. 15. — DOI 10.1103/PhysRevLett.100.155701. — arXiv:0803.2321.

25. Knudson M.D. Direct observation of an abrupt insulator-to-metal transition in dense liquid deuterium / M.D. Knudson, M.P. Desjarlais, A. Becker, R.W. Lemke et al. // Science. — Vol. 348, No. 6242. —26 June 2015. — P. 1455–1460. — DOI 10.1126/science.aaa7471.

26. Karlsson E. Catalytic ortho- to parahydrogen conversion in liquid hydrogen: Master’s thesis / E. Karlsson; Lund University. — 2017.

27. Харитон Ю.Б. О двух модификациях водорода / Ю.Б. Харитон // Успехи физических наук. — 1930. — Т. 10, вып. 1. — С. 95–110.

28. ГОСТ Р 71076-2023 Оборудование криогенное. Системы транспортирования и хранения жидкого водорода. Общие требования к эксплуатации. — 2023.

29. Leachman J. Fundamental equations of state for parahydrogen, normal hydrogen, and orthohydrogen / J. Leachman, R. Jacobsen, S. Penoncello, E. Lemmon // Journal of Physical and Chemical Reference Data. — 2009— Vol. 38. — P. 721–748. — DOI 10.1063/1.3160306.

30. ГОСТ Р 56248-2014 Водород жидкий. Технические условия. — 2019.

31. Zabetakis M.G. Safety with cryogenic fluids / M.G. Zabetakis. — New York: Plenum Press, 1967.

32. Eichert H. et al. Gefährdungspotential bei einem verstärkten Wasserstoffeinsatz: Studie für das Büro für Technikfolgenabschäzung des Deutschen Bundestags / Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). — Stuttgart, 1992.

33. Schroeder V. Explosion characteristics hydrogen-air and hydrogen-oxygen mixtures at elevated pressures / V. Schroeder, K. Holtappels // [Papers of the International Conference on Hydrogen Safety 2005].

34. Kuznetsov M. Effect of temperature on laminar flame velocity for hydrogen-air mixtures at reduced pressures / M. Kuznetsov, M. Czerniak, J. Grune, T. Jordan // Proceedings of the 5th International Conference on Hydrogen Safety (ICHS-5), Brussels, September 9–11, 2013. — Paper 231.

35. Proust C. INERIS research performed within PRESLHY / C. Proust // [Presentation at the] 13th International Symposium on Hazards, Prevention, and Mitigation of Industrial Explosions (ISHPMIE), Braunschweig, 2020.

36. Breitung W. A model for structural response to hydrogen combustion loads in severe accidents / W. Breitung, R. Redlinger // Nuclear Technology. — 1995. — Vol. 111, No. 3. — P. 420–425.

37. Гельд П.В. Водород и несовершенства структуры металла / П.В. Гельд, Р.A. Рябов, Е.С. Кодес. — М.: Металлургия, 1979. — 221 с.

38. NASA. Report of the Presidential Commission on the Space Shuttle Challenger accident. 1986.

39. Биологические эффекты молекулярного водорода и возможности его применения в клинической практике / С.В. Чепур, Н.Н. Плужников, О.Г. Хурцилава, Е.И. Маевский и др. // Успехи современной биологии. — 2017. — Т. 137, № 3. — С. 311–318. — EDN YTMDBF.

40. Рахманин Ю.А. Молекулярный водород: биологическое действие, возможности применения в здравоохранении (обзор) / Ю.А. Рахманин, Н.А. Егорова, Р.И. Михайлова, И.Н. Рыжова и др. // Гигиена и санитария. — 2019. — № 4. — C. 359–365. — [Электронный ресурс] URL: https://permmedjournal.ru/0016-9900/article/view/640192/155528 (дата обращения 09.06.2025).

41. Hong Y. Hydrogen as a selective antioxidant: a review of clinical and experimental studies / Y. Hong, S. Chen, J.M. Zhang // Journal of International Medical Research. — 2010. — Vol. 38, No. 6. — P. 1893–1903.

42. Ohta S. Molecular hydrogen is a novel antioxidant to efficiently reduce oxidative stress with potential for the improvement of mithochondrial diseases / S. Ohta // Biochimica et Biophysica Acta. — 2012. Vol. 1820, No. 5. — P. 586–594.

43. Garib B. Anti-inflammatory properties of molecular hydrogen: investigation on parasite-induced liver inflammation / B. Garib, S. Hanna, O.M.S. Abdallahi, H. Lepidi et al. // Comptes rendus de l'Académie des sciences. Série III: Sciences de la vie. — 2001. — Vol. 324, No. 8. — P. 719–724.

44. Ishibashi T. Molecular hydrogen: new antioxidant and anti-inflammatory therapy for rheumatoid arthritis and related diseases / T. Ishibashi // Current Pharmaceutical Design. — 2013. — Vol. 19, No. 35. — P. 6375–6381.

45. Федеральный регистр потенциально опасных химических и биологических веществ. — [Электронный ресурс] URL: https://rpohv.ru/online/detail.html?id=416 (дата обращения 09.06.2025).

46. Реуцкий А.С. Определение потерь СПГ при выполнении бункеровки и сопутствующих технологических операций / А.С. Реуцкий, В.А. Павловский, О.В. Таровик // Труды Крыловского государственного научного центра. — 2020. — Специальный выпуск 1. — С. 122–130. — DOI 10.24937/2542-2324-2020-1-S-I-122-130. — EDN TFMMJP.

47. Буянов А.С. Перспективы бункеровки судов альтернативными видами топлива / А.С. Буянов, А.С. Реуцкий // Сборник научных трудов АО «ЦНИИМФ». — СПб.: ЦНИИМФ, 2022. — С. 89–102. — EDN KOFEXZ.