Индивидуальный итоговый проект: «Водород как альтернативный вид топлива»

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №20»

Тульская область, г. Новомосковск, ул. Дёмкина,7

ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ИТОГОВЫЙ ПРОЕКТ

ПО ТЕМЕ:

«Водород как альтернативный вид топлива»

Выполнил: ученик …

Руководитель: …

2024

Содержание

1. Паспорт проекта

Нельзя представить себе современное общество без использования топлива где бы то ни было: в быту, в производстве, в сельскохозяйственной деятельности и других отраслях жизни человека, но задумывались вы, однако, как и когда человечество пришло к нему?

Значительную роль в использовании природных энергетических источников играют транспортные средства, потребляющие около трети всей добываемой в мире нефти, причем из всех видов транспорта наиболее энергоемким является автомобильный. Использование в автомобилях углеводородных топлив нефтяного происхождения сопровождается выбросом в атмосферу огромного количества вредных веществ. В результате на автомобильный транспорт приходится от 39 до 63% загрязнения окружающей среды, масштабы которой глобальны – воздух, суша и вода. Альтернативные приводы и источники энергии, не наносящие ущерба окружающей среде, называют надеждой завтрашнего дня. Топливные элементы считаются самым оптимальным решением энергетических проблем: из водорода и кислорода вырабатывается электрический ток, который используется для привода двигателя. В результате электрохимического процесса, помимо электрической энергии, образуются только тепло и водяной пар. Водородное топливо уже давно занимает ведущие позиции среди других источников энергии. Обладающий уникальными свойствами, водород по праву называют топливом ближайшего будущего. По сравнению с дизельным и бензиновым топливом, у него больший КПД и экологичность вещества. Хотя водород обладает чудесными характеристиками, его почти не применяют на автотранспорте потому, что люди привыкли использовать бензин, хотя он и дорожает с каждым днем. Также ведущие автокомпании постоянно откладывают сроки перехода на водородное топливо, мотивируя это тем, что установки для получения водорода появятся только к 2030 году.

Применение водорода в качестве топлива началось еще в XIX веке, когда французский изобретатель Франсуа Исаака де Риваз в 1806 году разработал самый первый в мире ДВС, потребляющий водородное топливо. Необходимую электрическую энергию он получал методом электролиза воды.

Позже бельгийский изобретатель Жан Жозеф Этьен Ленуар заставил самоходный экипаж двигаться с помощью энергии водорода. Так бы водород и служил бы человечеству в качестве основного топлива, но в 1870 году в ДВС стали применять бензин, сведя на нет первые опыты с водородным топливом. О водороде вспомнили только в блокадном Ленинграде в конце 1941 года, благодаря военному технику Б. И. Шелищу, который предложил использовать отработанный водородный газ для заправки автотранспорта.

От налетов вражеской авиации Ленинград защищался зенитными орудиями, а также заградительными аэростатами, наполненными водородом, чтобы помешать прицельной бомбардировке города. Когда водородные аэростаты спускались на землю, их использовали в качестве альтернативного источника топлива. Всего лишь за неделю группа техников переоборудовала на водородное топливо 600 грузовиков ГАЗ. После войны об этом изобретении снова забыли, перейдя опять на бензин. В 1970 годах, когда произошел энергетический кризис, люди опять оценили необходимость альтернативных источников энергии. Так, Украинским ИПМ был переоборудован весь свой автомобильный парк водородное топливо, отлично справившись с топливным кризисом. Об успешных экспериментах снова забыли после распада советского союза.

Современные автомобили на водороде находятся пока в стадии проектирования, а вернее выпускать серийно опытные модели пока не собираются из-за неразвитой инфраструктуры заправок автотранспорта водородным топливом. В промышленных масштабах получить водород электролизом воды недешево, поэтому автокомпании пока не спешат на него переходить, ожидая более дешевый и простой способ получения топлива.

1. Теоретическая часть

Топливо – это вещество, способное выделять энергию, используемою для технических целей, в ходе определенных физико-химических процессов. Все процессы жизнедеятельности человека так или иначе связаны с теплом: приготовление пищи, плавление тех или иных видов металла, обогревание жилья, получение других видов энергии и многие другие процессы деятельности человека получают тепловую энергию в большинстве своем с помощью топливных ресурсов.

Топливо используется человеком еще с незапамятных времен, когда люди только научились пользоваться огнем. В то время в качестве сгораемого топлива по большинству использовались дрова, но также имели место быть жир рыб и диких животных. В процессе своего развития и эволюции человечеству требовались все новые и новые виды топлива.

Таким образом произошла первая промышленная революция XIX века, результатом которого стал переход от древесного топлива к ископаемому угольному. Промышленная революция своим завершением полностью преобразовала аграрные системы стран Европы, и, в последствии, Америки.

Вслед за ископаемым угольным топливом пришла эра электричества, проявление которого оказало огромное влияние на жизнь общества и стало катализатором зарождения и роста крупнейших стран и городов всего земного шара.

Одновременное применение в качестве топлива природных ископаемых, таких как нефть и газ, вкупе с электроэнергетикой привило к грандиозным преобразованиям стран, итогом которых стал формирование современного мира таким, каким мы его знаем.

Все используемые сегодня человечеством виды топлива можно разделить на 4 ведущие группы, а именно:

• Твердое топливо.

• Жидкое топливо.

• Газообразное топливо.

• Ядерное топливо.

Твердое топливо можно представить в виде нескольких основных подвидов, таких как:

• Древесина и многие другие продукты растительного происхождения;

• Уголь с его разновидностями (каменный, бурый угли, антрацит, торф);

• Горючие сланцы (гумитосапропелитовый, сапропелито-кукеристовый сланцы).

Твердые ископаемые виды топлива (кроме сланцев) являются продуктом разложения массы растений с течением продолжительного времени. Самый “молодой” из них – торф, представляющий собой плотную массу, образованную путем гниения остатков болотных растений. Далее по старшинству идет бурый уголь – землистая, черная однородная масса, при длительном хранении на воздухе частично окисляемая и рассыпающаяся в нечто вроде порошка. Далее идут каменные угли, как правило обладающие высокой прочностью.

Антрацит, самый “старый” из видов углей, претерпел наибольшее изменение органической массы по сравнению со своими одногруппниками, а именно его масса на 93% состоит из углерода (С). Он же отличается высокой твердостью. Горючие сланцы же представляют собой полезное ископаемое, дающее при сухой перегонке количество смолы, близкое по составу к нефти.

Жидкое топливо можно разделить на несколько основных подвидов, таких как:

• Бензин;

• Керосин;

• Мазут;

• Нефть;

Человечество получает энергию из жидкого топлива путем его сгорания. Бензин – горючая смесь легких углеводородов с температурой кипения от +33 до 205 градусов Цельсия (в зависимости от количества и видов примесей), цвет желтоватый.

Существует несколько разновидностей бензина, а именно автомобильный, авиационный, бензин-растворитель и нафта (бензин для нефтехимии), каждый из которых различается своей температурой воспламенения, вспышки и плотностью.

Керосин – горючая смесь жидких углеводородов с температурой кипения от +150 до +250^oС, бесцветная (иногда слегка желтоватая). Также как и у бензинов, керосин подразделяется на несколько видов, а именно авиационный, технический и осветительный. Различается они устойчивостью к термоокислению, теплоте сгорания, смазывающими характеристиками и плотностью.

Нефть - смесь жидких углеводородов различных молекулярных весов и групп, обладающая специфическим запахом. Является ископаемым топливом (ископаемые топлива также называются каустобиолитами).

Является одним из ведущих полезных ископаемых и по сей день. Цвет нефти – чисто-черный (крайне реже встречается буро-коричневая, практически нельзя встретить желто-зеленую/бесцветную нефть). Температура кипения жидких углеродов в составе нефти колеблется от 28^оС до 100^oC (легко воспламеняется).

Виды нефти: парафиновые, ароматические, нафтеновые и др.

Переработка нефти: состоит из подготовки нефти (очистка от механических примесей и обезвоживание), атмосферной перегонки (под действием атмосферного давления) и вакуумной дистилляции (процесс отгонки мазута). По завершению всех этапов образуются бензин, керосин, дизель, гудрон и др.

Газообразное топливо можно разделить на подвиды, а именно:
1) Пропан;
2) Метан, этан (C2H6), бутилен(C4H8);
3) Сжатый природный газ и др.;

Пропан (C3H8) – органическое вещество, содержащееся в природном газе, образующееся при разделении нефтяного газа как побочная продукция других химических реакций.

Чистый пропан бесцветен, не обладает запахом, но в газ могут добавляться компоненты, обладающие запахом (эта система помогает его обнаружить). Мало токсичен, но все равно опасен для нервной системы человека, перенасыщение пропаном может привести к летальному исходу. Мало растворим в воде, кипение происходит при температуре -42.1^оС, точка замерзания равна -188^оС, но при этом температура самовоспламенения приравниваются к 472^оС.

Метан (CH4) – простейший по составу предельный углеводород. Является бесцветным, не обладает запахом или вкусом, мало растворим в воде. При использовании в быту в метан добавляют одоранты (летучие вещества, обладающие “запахом газа”). Является легко воспламеняемым, взрывоопасным, а также парниковым газом. Температура плавления равна -182,5^оС, кипения = -161,6^оС, вспышки = -188^оС, самовоспламенения = 537,8 ^оС.

Компримированный (сжатый) природный газ (КПГ) – природный газ, сжатый компрессором до давления 200-250 бар, используется в двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Компрессирование происходит на специализированных автомобильных газ накопительных компрессионных станциях (АГНКС), куда газ поступает путем магистральных трубопроводов.

Обладает высоким октановым числом (110–125). Является более экономичным видом топлива по сравнению с бензиновым (100 километров пробега обходятся в 1,5 – 2,5 раза дешевле).

Ядерное топливо делится на два вида:

Природное урановое;

Вторичное.

Ядерное топливо является сложнейшим топливом с точки зрения добычи и использования. Оно представляет собой материалы, которые используются в ядерных реакторах для осуществления цепной ядерной реакции деления. Ядерное топливо в корне отличается от абсолютно любых других видов топлива, является чрезвычайно энергоемким, но вместе с этим крайне опасно для человека, вследствие чего его использование ограничивается многочисленными рамками из соображений безопасности человечества. Это топливо крайне опасно в применении, требует высочайшую квалификацию персонала и техники, участвующих в процессе.

Горючая часть любого топлива (за исключением ядерного) содержит углерод (С), водород (H), кислород (O), азот (N) и серу (S). Ведущий элемент – углерод, все остальные – органические примеси. Кислород при нахождении с водородом/углеродом снижает количество теплоты, выделяющегося при сгорании. Вредной примесью этой реакции является сера. При ее сгорании выделяется примерно в 3,5 раз меньше теплоты, чем при сгорании углерода.

Также в любом топливе встречаются негорючие минеральные примеси, в газообразном это углекислый газ, азот и водяные пары, в твердых это глина, кремнезем и железный колчедан и др.

Любой вид топлива обладает теми или иными преимуществами и недостатками. Ниже приведена таблица с заключениями о каждом из видов топлива:

Водород (H) – элемент периодической таблицы Менделеева, где стоит на первом месте и обладает самой маленькой атомной массой из всех ныне известных химических элементов. Он – самое распространенное вещество во вселенной, большую часть состава звезд (кроме компактных, компактные звезды: белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры) занимает водород.

Водород обладает тремя изотопами (разновидностями атома): протий (1H), дейтерий (2H) и тритий (3H), (радиоактивен). При стандартных условиях водород бесцветен, не обладает вкусом или запахом, нетоксичен. В смеси с воздухом (или только с кислородом)/окисляющими газами, например хлором, водород становится взрывоопасным.

Первым в истории получить чистый водород смог Парацельс при помощи опыта, заключающегося в погружении железных опилок в серную кислоту. В 1671 году Роберт Бойль описал реакцию между железными опилками и серной кислотой. Михаил Ломоносов подтвердил мнение Генри Кавендиша, который признал газообразный водород индивидуальным элементом и “горючим воздухом”, но российский ученый указал на то, что водород сам по себе не является флогистоном (гипотетической материи, заполняющие все горючие вещества и высвобождающейся при сгорании этих веществ).

Водородное топливо – потенциальная замена бензину. Впервые человечество использовало водород в качестве топлива в 1937 году, когда в Гинденбурге произошла катастрофа пассажирского водородного дирижабля. После этого инцидента водородное топливо стало “изгоем”.

Однако технический прогресс 21 века вспомнил об этом печально известном топливе и теперь человечество намеревается использовать его в автомобильной промышленности. На данный момент водород активно используется в космической сфере. Также с его помощью промышленность преобразовывает энергию химических реакций в электроэнергию.

Снижение стоимости и внедрение ветровых и солнечных электростанций дают возможность генерировать водород с крайне низким уровнем загрязнения окружающей среды.

За последние 15 лет цена водорода упала с $275 до $40 и продолжает постепенно понижаться и до сих пор.

Китай планирует установить до 1000 водородных заправочных станций к 2030 году, готовых обслужить более 1 миллиона автомобилей. Объем инвестиций, вкладываемых в развитие ВЗС оценивается в $1,7 млрд.

Япония также чрезвычайно активно занялась продвижением водород мобилей. Она является одним из лидеров в области инвестиций в господдержку, регулирование и инфраструктуру для обеспечения перехода на водородную технику.

Положительные и отрицательные свойства водородного топлива, его востребованность

Основным преимуществом водородного топлива относительно своих конкурентов является наивысшая экологичность, так как продукт сгорания двигателей на этом типе топлива есть водяной пар. При этом его конструкция ничем ни сложнее по отношению к другим ДВС. Также очень важным достоинством двигателя на водородном топливе является более высокий КПД по сравнению с другими двигателями. ДВС на водородном топливе практически полностью бесшумен.

Несмотря на все достоинства водородного топлива, оно обладает и определенными недостатками. Во-первых, получение водородного топлива в промышленных масштабах до сих пор является сложностью. Водородная инфраструктура еще плохо развита в большинстве стран, в том числе и самых технически развитых стран, например Японии. Все еще не зарегистрированы так таковые стандарты транспортировки водородного топлива. Компоненты ДВС на водороде очень дорогостоящи. Из-за конструкции двигателя значительно повышается вес транспорта. Также очень настораживающим минусом этого топлива является опасность воспламенения при контакте со стандартным топливом.  

Однако водородное топливо обладает высокими перспективами развития из-за единственного в своем роде вида горючего. Его будущее в руках ученых, под наблюдением которых начали бы развивать инфраструктуру, способы добычи и популяризацию двигателей на водородном топливе. В таком случае мир сможет увидеть мир без проблем бензиновой зависимости, давно закрепившейся в человеческой жизни.

1. Практическая часть

С целью осознания важности выбора топлива было проведено анкетирование учащихся 11 класса МБОУ” СОШ № 20”.

Всего приняли участие - 28 респондентов.

При обработке анкет получены следующие результаты:

1. Большинство учащихся знают только бензин и дизельное топливо, и только малая часть владеет информацией о водороде, как топливе.

1. У большинства автомобиль использует бензин, в качестве топлива, но также половина опрошенных попросту не имеет транспорта.

1. 100% опрошенных считают, что именно выхлопные газы являются основным фактором загрязнения воздуха.

1. Все ученики знают о существовании альтернативных источниках энергии, но большинство выделило солнечную.

1. Большинство учащихся за то, чтобы использовать альтернативные источники энергии.

1. Половина учеников считают, что электричество и водород – самые экологичные виды топлива.

1. Заключение

Современный мир все еще не способен полностью перейти на более экологически чистые источники снабжения человечества теплом и энергией из-за крепкой связи старых видов топлива, но все большее количество передовых компаний начинает вкладываться в популяризацию и развитие водородной индустрии, включая технику, заправочные станции и двигатели на водородной основе.

Для инвесторов это вложение является выгодным из-за всех положительных и малого количества отрицательных характеристик водородного топлива, а также современных тенденций, стремящихся к восстановлению окружающей среды. За столетия существования тяжелой индустриальной промышленности планете Земля был нанесен колоссальный ущерб, уже приведший к непоправимым последствиям, таким как вымирания целых видов животных, загрязнение морей, океанов и других водоемов, воздуха и также повреждения озонового слоя. Таким образом моя гипотеза была доказана.

Все эти проблемы могут стать причиной грандиозных катастроф, худшая из которых – гибель всего живого на планете. Но еще далеко не все потеряно, и одним из путей к восстановлению окружающей среды как раз и является переход на водородное топливо. Этот процесс очень трудоемок и требует траты поистине крупных материальных средств, но по его окончанию человечество значительно приблизится к реабилитации планеты. Водород – ключ к возобновлению здоровой планете и жизни людей.

1. Источники информации

1. novellamultimedia.narod.ru›public/2010-garbage-89…

2. lib.biblioclub.ru›book…Na…k_vodorodnoi_energetike/

3. studmed.ru›kuzyk…perehoda-k-vodorodnoy-energetike…

4. mosvet.ru›page419-page4.html

5. otherreferats.allbest.ru›Физика›00256404_0.html

Приложение 1

Анкетирование

Для сбора данных с целью реализации проекта по теме

«Водород как альтернативный вид топлива»

Просим Вас ответить на ряд вопросов анкеты.

Инструкция: из предложенных вариантов укажите один ответ, соответствующий Вашему выбору.

1. Какие виды топлива вы знаете?

__________________________________________________________

2) На каком топливе едет ваш автомобиль?

а) Бензин б) Дизельное топливо в) Газ г) Электричество д) Нет автомобиля

3) Считаете ли вы, что основным фактором загрязнения воздуха являются выхлопные газы автомобилей?

а) Да б) Нет

4) Какие альтернативные источники топлива вы знаете?

__________________________________________________________

5) Использовали бы вы альтернативные источники топлива?

а) Да б) Нет

6) Как вы считаете, какой вид топлива является самым экологичным?

а) Водород б) Электричество в) Солнечная энергия г) Газ д) Бензин

Благодарим за участие!

Приложение 2

Результаты анкетирования по теме “ Водород как альтернативный вид топлива”

Всего опрошено: 28 человек

“Таблица 1- Какие виды топлива вы знаете?”

“Таблица 2- На каком топливе едет ваш автомобиль?”

“Таблица 3- Считаете ли вы, что основным фактором загрязнения воздуха являются выхлопные газы автомобилей?”

“Таблица 4- Какие альтернативные источники энергии вы знаете?”

“Таблица 5- Использовали бы вы альтернативные источники энергии?”

“Таблица 6 - Как вы считаете, какой вид топлива является самым экологичным?”