Доклад к проектной работе на тему: "Водород как альтернативный вид топлива"

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа № 2»

Коркинский муниципальный район

Водород как альтернативный вид топлива

Тип проекта: исследовательский

Выполнил

Ученик 9 Д класса

Грознецкий Павел Сергеевич 

Проверил наставник:

учитель химии

Воробьёва Ирина Ивановна

Допускается к защите Дата сдачи:______________________

Наставник ____________________ Дата защиты:____________________

«_____» декабря 2018г Оценка:_________________________

2018 год

СОДЕРЖАНИЕ

I. ВВЕДЕНИЕ 3

II. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Теоретическая часть 4

2.1.1 Водородная технология 4

2.1.2 Получение водорода 5

2.1.3 Получение водорода – будущая технология 6

2.1.4 Водородные двигатели 7

2.2 Практическая часть 8

III. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 9

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 10

ПРИЛОЖЕНИЯ 11

I. ВВЕДЕНИЕ

 В миллионы новых моделей автомобилей, которые сейчас выпускаются, заливают такое топливо, которое выпускает в атмосферу углекислый (СО₂) и угарный (СО) газы. Дышать таким воздухом и постоянно находиться в такой атмосфере представляет очень большую опасность для здоровья.

Влияние и польза водорода в наши дни очень велика. Практически все известные сейчас виды топлива, за исключением водорода, загрязняют окружающую среду.

Цели: Изучить самое экологически чистое топливо, и его применение.

Задачи: Предложить замену загрязняющим видам топлива.

Объект исследования: Свойства водорода, как топлива.

Предмет исследования: Водородная технология.

Гипотеза: Водород можно использовать как самый экологически чистый вид топлива.

2.1 Теоретическая часть

Водород – один из наиболее распространённых элементов и на Земле. Он составляет примерно 0,88 % от массы земного шара. Если вспомнить, что массовая доля водорода в воде составляет 11,19 %, то становится ясно, что сырья для получения водорода на Земле – неограниченное количество. Водород входит в состав нефти (10,9 – 13,8 %), древесины (6 %), угля (бурый уголь – 5,5%), природного газа (25,13 %). Водород входит в состав всех животных и растительных организмов. Основная масса водорода попадает в атмосферу в результате биологических процессов. Этот водород в атмосфере быстро рассеивается и диффундирует в верхние слои атмосферы.

2.1.1 Водородная технология

Под водородной технологией подразумевается совокупность промышленных методов и средств, для получения, транспортировки и хранения водорода, а также средств и методов его безопасного использования на основе неисчерпаемых источников сырья и энергии.

Переход транспорта, промышленности, быта на сжигание водорода – это путь к радикальному решению проблемы охраны воздушного бассейна от загрязнения оксидами углерода, азота, серы, углеводородами.

Переход на водородную технологию и использование воды в качестве единственного источника сырья для получения водорода не может изменить не только водного баланса планеты, но и водного баланса отдельных её регионов.

Водород, получаемый из воды, - один из наиболее энергонасыщенных носителей энергии. Ведь теплота сгорания 1 кг H₂ составляет (по низшему пределу) 120 МДж/кг, в то время как теплота сгорания бензина или лучшего углеводородного авиационного топлива в 2,5 раза меньше, к тому же водород – легковозобновляемое топливо.

Но водород как топливо и химическое сырьё обладает и рядом других ценнейших качеств. Универсальность водорода заключается в том, что он может заменить любой вид горючего в самых разных областях энергетики, транспорта, промышленности, в быту. Он заменяет бензин в автомобильных двигателях, керосин в реактивных авиационных двигателях, ацетилен в процессах сварки и резки металлов, природный газ для бытовых и иных целей, метан в топливных элементах, кокс в металлургических процессах (прямое восстановление руд), углеводороды в ряде микробиологических процессов. Водород легко транспортируется по трубам и распределяется по мелким потребителям, его можно получать и хранить в любых количествах. В то же время водород – сырьё для ряда важнейших химических синтезов (аммиака, метанола, гидразина), для получения синтетических углеводородов.

Вобщем, переход транспорта, промышленности, быта на сжигание водорода – это путь к радикальному решению проблемы охраны воздушного бассейна.

2.1.2 Получение водорода

В распоряжении современных технологов имеются сотни технических методов получения водородного топлива, углеводородных газов, жидких углеводородов, воды. Выбор того или иного метода диктуется экономическими соображениями, наличием соответствующих сырьевых и энергетических ресурсов. Например, в странах, где имеется дешёвая избыточная электроэнергия, вырабатываемая на гидроэлектростанциях, можно получать водород электролизом воды (Норвегия); где много твёрдого топлива и дороги углеводороды, можно получать водород газификацией твёрдого топлива (Китай); где дешёвая нефть, можно получать водород из жидких углеводородов (Ближний Восток). Однако больше всего водорода получают в настоящее время из углеводородных газов конверсией метана и его гомологов (США, Россия).

В процессе конверсии метана водяным паром, диоксидом углерода, кислородом и водяным паром протекают следующие каталитические реакции. Рассмотрим процесс получения водорода конверсией природного газа (метана).

Получение водорода осуществляется в три стадии. Первая стадия – конверсия метана в трубчатой печи:

CH₄ + H₂O = CO + 3H₂↑ – 206,4 кДж/моль

или

CH₄ +CO₂ = 2CO + 2H₂↑ – 248, 3 кДж/моль.

Вторая стадия связана с доконверсией остаточного метана первой стадии кислородом воздуха и введением в газовую смесь азота, если водород используется для синтеза аммиака. (Если получается чистый водород, второй стадии принципиально может и не быть).

CH₄ + 0,5O2 = CO + 2H₂↑ + 35,6 кДж/моль.

И, наконец, третья стадия – конверсия оксида углерода водяным паром:

CO + H₂O = СO₂ + H₂↑ + 41,0 кДж/моль.

Для всех указанных стадий требуется водяной пар, а для первой стадии – много тепла, поэтому процесс в энерготехнологическом плане проводится таким образом, чтобы трубчатые печи снаружи обогревались сжигаемым в печах метаном, а остаточное тепло дымовых использовалось для получения водяного пара.

Таким образом, водород получают из метана, электролизом воды и газификацией твёрдого топлива.

2.1.3 Получение водорода – будущая технология

Современная технология обеспечивает ежегодное получение во всём мире десятков миллионов тонн молекулярного водорода. Более 90% его получается каталитической конверсией метана, жидких углеводородов, газификацией твёрдого топлива. Совершенно ясно, что в будущем при переходе на водородную технологию такие источники получения водорода, кроме твёрдого топлива, будут в основном исключены. В качестве основного источника сырья будет использоваться вода. В качестве источника энергии для разложения воды – атомная энергия в различных её видах (тепло, электроэнергия) и энергия воды, ветра в виде электрической энергии, энергия солнечного излучения.

Водород получают в газообразном виде и, если для использования необходим жидкий водород, его подвергают глубокому охлаждению и ожижению.

Производство молекулярного водорода в 1985 году достигло примерно 57 млн. тонн, а в 1990 году уже 95.

Водород используется:

Во-первых, в азотной промышленности, для получения синтетического аммиака.

Во-вторых, для получения метанола из СО и Н₂, Значительное количество водорода используется в нефтехимической промышленности, для гидрирования тяжелых нефтяных фракций и повышения выхода легких фракций, в ряде нефтехимических синтезов, для гидрирования жиров, для восстановления руд черных и цветных металлов, для бытовых целей, жидкий водород необходим в авиации и космонавтике.

Мы, здесь не раскрываем широкое использование водорода в промышленности (водородная сварка и резка металлов, микроэлектроника и т. д.), в сельском хозяйстве. Особо стоит вопрос об использовании изотопов водорода в атомной и термоядерной энергетике.

В будущем потребление водорода будет расти более высокими темпами. Возникнет промышленность синтетического жидкого и газообразного топлива на базе твердых горючих ископаемых.

• 2.1.4 Водородные двигатели

Водород - очень перспективный энергоноситель, позволяющий одновременно решить сложные экологические проблемы. При его сгорании (быстро протекающей экзотермической реакции окисления кислородом) получаются лишь вода и тепло. Да, образуются еще окислы азота, количество которых зависит от температуры сгорания смеси в цилиндре двигателя. И, здесь важно, что в водородных двигателях, температура сгорания топлива, на режимах городской эксплуатации, существенно ниже, чем в углеводородных (бензиновых, спиртовых, метановых, пропан-бутановых и т.д.).

"Водородное будущее" автотранспорта эксперты связывают, прежде всего, с топливными элементами. Их притягательность признают все.

Ford, General Motors, Toyota, Nissan и многие другие компании наперебой щеголяют "топливоэлементными" концепткарами и собираются вот-вот "завалить" всех водородными модификациями некоторых из своих обычных моделей.

Водородные заправки уже появились в нескольких местах в Германии, Японии, США. В Калифорнии строят первые станции по электролизу воды, использующие ток, выработанный солнечными батареями. Аналогичные эксперименты проводят по всему миру.

Между тем, есть ещё один путь внедрения водорода на автотранспорте — сжигание его в ДВС. Такой подход исповедуют BMW и Mazda. Японские и немецкие инженеры видят в этом свои преимущества.

Прибавку в весе машины даёт лишь водородная топливная система, в то время, как в авто на топливных элементах прирост (топливные элементы, топливная система, электромоторы, преобразователи тока, мощные аккумуляторы) — существенно превышает "экономию" от удаления ДВС и его механической трансмиссии.

Итак, мы убедились, что водород - очень перспективный вид топлива, который уже используется в автотранспорте.

2.2 Практическая часть

2.2.1.Получение водорода в лабораторных условиях

В лабораториях водород получают большей частью электролизом водных растворов гидроксидов натрия и калия (NaOH, KOH)

или же выделяют из растворов серной или соляной кислот действием на них цинка. Например:

Zn + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂↑ ;

Кроме этого водород выделяется в ходе реакции:

• растворения кальция в воде:

Ca + 2H₂O = Ca(OH)₂ + H₂↑ ;

• гидролиза гидридов:

NaH + H₂O = NaOH + H₂↑ ;

• действия щелочей на цинк или алюминий:

2Al + 2NaOH + 6H₂O = 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂↑ ;

Zn + 2KOH + 2H₂O = K₂[Zn(OH)₄] + H₂↑;

Также, с помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например:

2H₃O + 2e^- = 2H₂O + H₂↑ ;

В результате написанной работы я очень много узнал о таком важном, незаменимом, и интереснейшем веществе на нашей планете, как водород. Сколько бесценной информации уже смогли открыть учёные, изучая его, и сейчас, остаётся только гадать, что ещё можно открыть и узнать.

Я узнал, что у нашего мира ещё есть возможность хоть как то наладить экологическую обстановку, но захотят ли это сделать остальные, и будет ли им интересны дальнейшие разработки учёных этой отрасли, которые, тоже являются людьми этой планеты имеющие прямую заинтересованность в этом вопросе.

Переход транспорта, промышленности, быта на сжигание водорода – это путь к радикальному решению проблемы охраны воздушного бассейна. Водород получают из метана, электролизом воды и газификацией твёрдого топлива, без вреда окружающей среды.

В будущем потребление водорода будет расти более высокими темпами. Возникнет промышленность синтетического жидкого и газообразного топлива на базе твердых горючих ископаемых.

• Кузьменко Н. Е., Еремин В. В., Попков В. А. Начала химии. Современный курс для поступающих в вузы: Учебное пособие для вузов. — М.: Издательство «Экзамен», 2005.

• Учебный справочник школьника. Учебное издание. — М.: Дрофа, 2001.

• Дигонский С. В., Тен В. В. Неизвестный водород. — СПб: Наука, 2006. ISBN 5-02-025114-3

• Рифкин Дж. Если нефти больше нет... Кто возглавит мировую энергетическую революцию? = The Hidrogen Economy: The Creation of the World-Wide Energy Web and the Redistribution of Power on Earth. — М.: Секрет фирмы, 2006. — 416 с. — 3 000 экз. — ISBN 5-98888-004-5.

• Козлов С. И. Водородная энергетика: современное состояние, проблемы, перспективы. - М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2009. - 520 с. -ISBN 5-89754-062-4;

• Кузык Б. Н., Яковец, Ю. В. Россия: стратегия перехода к водородной энергетике. - М.: Институт экономических стратегий, 2007. - 400 с. - ISBN 978-5-93618-110-8;

• Клямкин С. Н. Водородная энергетика: достижения и проблемы / С. Н. Клямкин, Б. П. Тарасов // Возобновляемые источники энергии. Вып. 5 : 6 Всерос. науч.-молодежная школа, Москва, 26-27 нояб. 2008 г. – М., 2008. – С. 147-157.

• Кузык Б. Партнерство государства и бизнеса : перспективы в сфере возобновляемых источников энергии // Проблемы теории и практики управления. – 2008. – № 7. – С. 8-19.

• Водород // Химическая энциклопедия: в 5 т / Кнунянц И. Л. (гл. ред.). — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1: Абл—Дар. — С. 400—402. — 623 с. — 100 000 экз. — ISBN 5-85270-008-8.

• Водород // Химическая энциклопедия: в 5 т / Кнунянц И. Л. (гл. ред.). — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1: Абл—Дар. — С. 400—402. — 623 с. — 100 000 экз. — ISBN 5-85270-008-8.

• Канило П. М., Костенко К. В. Перспективы становления водородной энергетики и транспорта // Автомобильный транспорт (Харьков). - 2008. - № 23. - С. 107-113.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Лабораторная работа

Тема: Получение водорода

Цель: Получить водород, используя лабораторное оборудование.

Оборудование: Аппарат Киппа, аппарат Кирюшкина, штатив, пробирка, спиртовка.

Вывод: В лаборатораторных условиях для получения небольшого количества водорода, используют специальные приборы.

12