Рис. 1 Производство электроэнергии в мире и в России на 2006 г.[1].

На долю ТЭС приходится около 14 процентов общего загрязнения атмосферы техническими средствами, что составляет в год:
двуокиси серы –                   27 млн. тонн
двуокиси углерода –             53 млн. тонн
окиси азота –                        9 млн. тонн
углеводородов –                   12 млн. тонн

Выбросы СО₂ от ТЭС сравнялись с количеством СО₂, вырабатываемым всем животным миром (включая человека, как биологическое существо).

Если еще приплюсовать выбросы от промышленности, то получается, что индустриальная деятельность человека уже в несколько раз превысила выбросы по СО₂ и равновесие уже нарушено. Недалек уже и тот день, когда на Земле будет ощущаться и нехватка кислорода. В крупных городах Японии уже сейчас есть уличные установки для дыхания с повышенным содержанием кислорода.

По данным Всемирного банка, если темпы роста потребления ископаемого топлива и объемов выбросов СО₂ в атмосферу не снизятся, то к началу XXII в. средняя температура на Земле увеличится на 3-7°С, что станет причиной необратимых изменений климата [1].

Положение в России

С одной стороны, страна располагает крупнейшими разведанными запасами угля, природного газа, нефти и может не только удовлетворять собственные потребности в этих видах топлива, но и в значительных объемах поставлять их на экспорт, получая при высоких мировых ценах мировую горную ренту. Она в такой ситуации становится основным источником доходов госбюджета и сверхприбылей нефтегазовых компаний. С другой стороны, объем экспорта топлива непрерывно увеличивается (в 2004 г. он составил половину всего российского экспорта, тогда как среднемировой показатель равняется 8%, у стран с низкими доходами - 28%, а у богатых стран - 5%), а доходы от горной ренты концентрируются в валютном резерве Центробанка, Стабилизационном фонде правительства, на счетах нефтегазовых олигархов и в малой доле направляются на модернизацию и инновационное обновление экономики страны [1].

Энергосектор России работает с низкой эффективностью: в 2003 г. производство ВВП на единицу использованной энергии в нефтяном эквиваленте составило 1,9 долл., тогда как среднемировой показатель равен 4,7 долл., а в странах с высоким доходом - 5,2 долл. Объем выбросов СО₂ на душу населения составил в 2002 г. соответственно 9,9; 3,9 и 12,8 кг, на 1 долл. ВВП соответственно 1,3; 0,5 и 0,5 кг.

Самая важная проблема российской энергетики - использование устаревших, неэффективных и неэкономичных технологий сжигания углеводородного сырья при низком КПД его преобразования. Существующие технологии генерации тепло- и электроэнергии безнадежно устарели, а их продукция неконкурентоспособна. Ненадежное централизованное энергоснабжение становится все более уязвимым и опасным как для экономики России, так и для населения страны. Даже простая модернизация газовых ТЭС и ТЭЦ с переводом на парогазовый цикл [4] с минимальными инвестициями может повысить эффективность энерговыработки на 30-50%, однако не слышно, чтобы это стало стратегическим планом энергогенерирующих компаний. Да и зачем что-то менять при доставшихся почти даром активах? Существующая система мотивации модернизации экономически не стимулирует подобные работы, а обязательства модернизации, принятые как условие при приватизации, просто игнорируются без экономических и административных последствий.

Энергетическая революция

По уверениям автора [1] современная энергетическая революция неразрывно связана и будет происходить одновременно с экологической революцией, энергосектор приобретет ноосферный характер. Поэтому правомерно говорить о глобальной энергоэкологической революции XXI в., которая изменит лицо планеты. [1] Таким образом авторы [1] предполагают увеличение потребления до 80% ископаемого топлива в балансе энерговыработки к 2030 году. Получается, что для получения водорода потребуется сжигать все больше и больше ископаемого топлива. Если предположить, что кпд производства электроэнергии с помощью топливных элементов (ТЭ) будет на уровне 60%, то с учетом затрат на производство водорода суммарный кпд будет не более 17%. Многие современные автомобильные моторы имеют гораздо большую эффективность, а использование гибридных схем дает еще большую экономию топлива.

Так к чему мы придем к середине 21 века? К еще большей зависимости от ископаемых источников энергии? Авторы [1] пишут: «Применение водорода в сочетании с топливными элементами (ТЭ) приводит к экономии первичного углеводородного топлива, из которого может производиться водород, а также к улучшению экологической ситуации.» Но так ли это? Ведь на выделение водорода из первичного углеводородного топлива также требуются затраты энергии, и к тому же, в этом случае, нельзя говорить о возобновляемой энергетике. Однако авторы книги [1], предполагая получать водород из углеводородов, причислили водородную энергетику к возобновляемым источникам энергии в одном ряду с солнечной, ветровой, атомной и термоядерной, забыв указать, где в природе имеется свободный водород. Получение водорода из воды требует затрат энергии в 3,5 раза больше, чем можно получить потом из водорода. Конечно, техническая мысль не стоит на месте и, возможно, появятся менее энергоемкие способы получения водорода. Например, на основе открытия, сделанного исследователями Калифорнийского университета в Беркли (UC Berkeley) ещё в 1999 году. Тогда учёными было обнаружено, что в зависимости от химической среды водоросли ведут себя по-разному: у них наблюдается баланс между процессами фотосинтеза и выработки водорода. В частности, если водорослям не хватает кислорода и серы, то процессы фотосинтеза у них резко ослабевают, и начинается бурная выработка водорода. А это как раз то, что нужно. Вопрос остается только в масштабах подобных процессов, будет ли он выгоден для промышленных объемов выработки водорода? Также остается острым вопрос безопасности. Казалось бы, что мы научились безопасно использовать природный газ, однако практически каждую неделю приходит сообщение о взрывах природного газа в домах и жертвах этих взрывов. В этом отношении использование водорода потребует гораздо более сложной технологии и системы обеспечения безопасности, чем используемая система для природного газа. После долгих исследований нет уверенности, что водородные системы вытеснят электрические системы с химическими аккумуляторами. За эти годы специалисты в этой области тоже не стояли на месте и достигли определенных успехов. Пока первые серийные электромобили базируются на химических аккумуляторах и супермаховиках [5].

Производство водорода и его хранение

Исследователи из университета Пердью разработали очень простой способ получения водорода из воды с помощью металлического сплава, состоящего из алюминия и галлия. Для получения водорода не нужно сложного химического реактора или другого устройства - достаточно налить воды на поверхность гранулы металлического сплава, чтобы началась самопроизвольная реакция. Очень привлекательным фактором нового газогенератора является то, что он выдает водород по мере необходимости в нем, а исходные компоненты реакции - сплав алюминия и вода - негорючие. Отпадает необходимость использовать сосуды под давлением для хранения водорода. Реакция не дает никаких вредных газов, загрязняющих окружающую среду. Сейчас продвижением проекта занимается молодая компания AlGalCo LLC, которая получила исключительные права от изобретателя.

Будущее покажет, сможет ли новый генератор водорода конкурировать с бензином. При нынешней цене на алюминий чуть более $2 за килограмм 500-километровая поездка обойдется в $60 (при условии возврата образующегося оксида алюминия для его последующей регенерации в металлический порошок путем электролиза или любым другим способом).

Исследователи из Университета Райс показали с помощью компьютерной модели, что такой источник энергии, как водород, можно хранить внутри бакиболов - кластерных углеродных структур, напоминающих по форме футбольные мячи.

Бакиболы, обнаруженные более чем 20 лет тому назад, являются представителями фуллеренов - аллотропных форм углерода, представляющих собой выпуклые замкнутые многогранники. Типичный бакибол имеет 60 атомов, существуют и бакиболы, состоящие из 2000 или более атомов.

Ученые имитировали ситуацию, когда внутри бикибола находится водород, и обнаружили, что сила атомных связей бакиболов достаточно велика, чтобы хранить водород в количестве до 8% своего веса. Кроме того, ученые исследовали условия, при которых водород может быть высвобожден наружу.

В статье А. Филипса (Adam Phillips) и Б. Шиварама (Bellave Shivaram) из университета штата Вирджиния (США), опубликованной в Physical Reviews Letters, описаны эксперименты по синтезу вещества, обладающего замечательными способностями поглощения водорода при нормальных температурных условиях. Композиты на основе металлического титана продемонстрировали возможность поглощения 12,4% водорода (весовая доля водорода в образце). Это значительно превышает уровень 5,4%, который был определен Министерством энергетики США как пороговое значение, при достижении которого имеет смысл поддерживать дальнейшие разработки за счет федерального бюджета.

Разработка надежного способа хранения водорода во многом определяет будущее развитие водородной энергетики. Несмотря на поиски в самых разных направлениях, включая клатраты, углеродные нанотрубки и другие наноструктуры, пригодного для практического применения материала пока не найдено.

Возобновляемые источники энергии

Есть ли альтернативы водородной энергетике? Какие возобновляемые источники энергии доступны на земле? Прежде всего – геотермальная, ядерная, термоядерная, солнечная и производные от солнечной активности: ветровая, энергия океана и т.д.

Можно ли отнести ядерную энергетику к возобновляемым источникам? Безусловно, если перевести энергетику на использование 238U и 232Th в качестве первичного сырьевого ресурса с замыканием топливного цикла и 100% переработкой отработанного ядерного топлива (ОЯТ), то по оценке ФЭИ первичный сырьевой ресурс окажется практически неисчерпаемым - его хватит на длительный, исторически значимый срок, более 1000 лет. При этом вторичного топлива можно наработать ровно столько, сколько потребуется. Иными словами, мощности энергетики будут определяться не ограниченным сырьевым ресурсом, а технологическим и интеллектуальным ресурсами, которые являются воспроизводимыми. А это, в свою очередь, будет означать свершившийся переход ядерной энергетики в разряд возобновляемых (renewable) источников энергии.

По оценкам разных авторов, доступная часть энергии Мирового океана, т. е. та часть, которая может быть практически использована при современном уровне техники преобразования, во много раз превышает уровень современного потребления энергии в мире, который определяется цифрой около 3*10²⁰ Дж в год. Больше всего в океане тепловой энергии, поскольку океан - гигантский тепловой аккумулятор энергии Солнца. В таблице 1 представлено сравнение стоимостных показателей различных источников энергии.

Таблица 1. Мощность и удельная стоимость производства электроэнергии от энергетических ресурсов мирового океана и других источников энергии