Водород как альтернативный вид топлива

Проект:Водород как альтернативный вид топлива.

Показать глобальность и актуальность проблемы, привлечь внимание к проблеме современных энергоресурсов.

· работая с различными источниками информации, узнать о водороде как об альтернативном виде топлива;

· проанализировать полученную информацию;

· систематизировать и обобщить полученные результаты.

Предполагаемый продукт(ы) проекта

Систематизированный материал по данной теме.

Этапы работы над проектом

· определение темы и цели проекта;

· подготовка материалов к творческой работе;

· установление способов предоставления результатов (формы отчета) и критериев оценки результата и процесса.

· определение источников, способов сбора и анализа информации

3. Разработка проекта

· Накопление информации путем работы с литературой;

4. Оформление результатов.

5. Работа над презентацией.

7. Защита результата.

ГЛАВА 1. Водород.

1. Водород в природе. 7-10

2. Области применения водорода. 11-12

ГЛАВА 2. Водород –новый энергоноситель мировой экономики.

1. Водородная технология. 13-14

2. Водородные двигатели. 15-21

ГЛАВА 3 ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. 22

Список литературы. 24

Исследования межзвездного пространства, звёзд, Солнца показывают, что самым распространённым элементом Вселенной является водород (в космосе в виде раскалённой плазмы он составляет 70 % массы Солнца и звёзд).

По некоторым расчётам, каждую секунду в глубинах Солнца примерно 564 млн. тонн водорода в результате термоядерного синтеза превращаются в 560 млн. тонн гелия, а 4 млн. тонн водорода превращаются в мощное излучение, которое уходит в космическое пространство. Нет опасений, что на Солнце скоро иссякнут запасы водорода. Оно существует миллиарды лет, а запас водорода в нём достаточен для того, чтобы обеспечить ещё столько же лет горения.

Человек живёт в водородно-гелиевой вселенной, поэтому водород представляет для нас очень большой интерес. Влияние и польза водорода в наши дни очень велика. Практически все известные сейчас виды топлива, за исключением, разумеется, водорода, загрязняют окружающую среду. В городах нашей страны ежегодно проходит озеленение, но этого, как видно, недостаточно. 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. От этого происходят различные заболевания, многие из которых практически не поддаются лечению, а уж тем более невозможно лечить их, продолжая находиться в можно сказать «заражённой» выхлопными газами атмосфере. Мы хотим быть здоровыми, и разумеется, хотим, чтобы поколения, которые пойдут за нами, тоже не жаловались и не страдали от постоянного загрязняемого воздуха, а наоборот, помнили и доверяли пословице: «Солнце, воздух и вода – наши лучшие друзья».

А пока я не могу сказать, что эти слова оправдывают себя. Что касается воздуха, то здесь на повестке дня уже много лет стоит не менее важная проблема. И если представить, хотя бы на секунду, что все современные двигатели будут работать на экологически чистом топливе, коим, разумеется, является водород, то наша планета встанет на путь, ведущий к экологическому раю. Но это всё фантазии и представления, которые, к великому нашему сожалению ещё не скоро станут реальностью.

Несмотря на то, что наш мир приближается к экологическому кризису, все страны, даже те, которые в большей степени загрязняют своей промышленностью окружающую среду, (ФРГ, Япония, США, и как это не прискорбно – Россия) не торопятся паниковать и начинать экстренную политику по её очищению.

Сколько бы мы не говорили о положительном влиянии водорода, на практике это можно увидеть довольно таки не часто. Но всё же разрабатывается множество проектов, и целью моей работы явился не только рассказ о самом чудесном топливе, но и о его применении. Эта тема очень актуальна, поскольку сейчас жителей не только нашей страны, но и всего мира, волнует проблема экологии и возможные пути решения этой проблемы.

Глава I. Водород в природе

Водород (Н) очень легкий химический элемент, с содержанием в Земной коре 0,9% по массе, а в воде 11,19%.

По легкости он первый среди газов. При нормальных условиях безвкусен, бесцветен, и абсолютно без запаха. При попадании в термосферу улетает в космос из-за малого веса.

Во всей вселенной это самый многочисленный химический элемент (75% от всей массы веществ). Настолько, что многие звезды в космическом пространстве состоят полностью из него. Например, Солнце. Его основной компонент — водород. А тепло и свет — это итог выделения энергии при слиянии ядер материала. Так же в космосе есть целые облака из его молекул различной величины, плотности и температуры.

Высокая температура и давление значительно меняют его качества, но при обычных условиях он:

• обладает высокой теплопроводностью, если сравнивать с другими газами,

• нетоксичен и плохо растворим в воде,

• с плотностью 0,0899 г/л при 0°С и 1 атм.,

• превращается в жидкость при температуре -252,8°С

• становится твердым при -259,1°С.,

• удельная теплота сгорания 120,9•106 Дж/кг.

Для превращения в жидкость или твердое состояние требуются высокое давление и очень низкие температуры. В сжиженном состоянии он текуч и легок.

Под давлением и при охлаждении (-252,87 гр. С) водород обретает жидкое состояние, которое по весу легче любого аналога. В нем он занимает меньше места, чем в газообразном виде.

Он типичный неметалл. В лабораториях его получают путем взаимодействия металлов (например, цинка или железа) с разбавленными кислотами. При обычных условиях малоактивен и вступает в реакцию только с активными неметаллами. Водород может отделять кислород из оксидов, и восстанавливать металлы из соединений. Он и его смеси образуют водородную связь с некоторыми элементами.

Газ хорошо растворяется в этаноле и во многих металлах, особенно в палладии. Серебро его не растворяет. Водород может окисляться во время сжигания в кислороде или на воздухе, и при взаимодействии с галогенами.

Во время соединения с кислородом, образуется вода. Если температура при этом обычная, то реакция идет медленно, если выше 550°С — со взрывом (превращается в гремучий газ).

Нахождение водорода в природе

Хотя водорода очень много на нашей планете, но в чистом виде его найти нелегко. Немного можно обнаружить при извержении вулканов, во время добычи нефти и в месте разложения органических веществ.

Больше половины всего количества находится в составе с водой. Так же он входит в структуру нефти, различной глины, горючих газов, животных и растений (присутствие в каждой живой клетке 50% по числу атомов).

Круговорот водорода в природе

Каждый год в водоемах и почве разлагается колоссальное количество (миллиарды тонн) остатков растений и это разложение выплескивает в атмосферу огромную массу водорода. Так же он выделяется при любом брожении, вызываемом бактериями, сжигании и наравне с кислородом участвует в круговороте воды.

Области применения водорода

Элемент активно используется человечеством в своей деятельности, поэтому мы научились получать его в промышленных масштабах для:

• как горючее для ракет (жидкий водород);

• электроэнергетики для охлаждения электрических генераторов;

• сварки и резки металлов.

Масса водорода используется при производстве синтетического бензина (для улучшения качества топлива низкого качества), аммиака, хлороводорода, спиртов, и других материалов. Атомная энергетика активно использует его изотопы.

Препарат «перекись водорода» широко применяют в металлургии, электронной промышленности, целлюлозно-бумажном производстве, при отбеливании льняных и хлопковых тканей, для изготовления красок для волос и косметики, полимеров и в медицине для обработки ран.

«Взрывной» характер этого газа может стать гибельным оружием — водородной бомбой. Соприкосновение жидкого водорода и кожных покровов грозит сильным и болезненным обморожением.

II Водород –новый энергоноситель мировой экономики

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.

В чём же привлекательность водорода и водородной технологии?

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. Так, годовая энергетическая потребность такой высокоиндустриальной страны, как ФРГ, может быть обеспечена за счёт водорода, полученного из такого количества воды, которое соответствует 1,5% среднего стока реки Рейн (2180 л воды дают 1 тут в виде H ₂ ). Отметим попутно, что на наших глазах становится реальной одна из гениальных догадок великого фантаста Жюля Верна, который устами героя рома «Таинственный остров» (гл. XVII ) заявляет: «Вода – это уголь будущих веков».

Водород, получаемый из воды, — один из наиболее энергонасыщенных носителей энергии. Ведь теплота сгорания 1 кг H ₂ составляет (по низшему пределу) 120 МДж/кг, в то время как теплота сгорания бензина или лучшего углеводородного авиационного топлива – 46 – 50 МДж/кг, т.е. в 2,5 раза меньше 1 т водорода соответствует по своему энергетическому эквиваленту 4,1 тут, к тому же водород – легковозобновляемое топливо.

Чтобы накопить ископаемое горючее на нашей планете, нужны миллионы лет, а, чтобы в цикле получения и использования водорода из воды получить воду, нужны дни, недели, а иногда часы и минуты.

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, а 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.

2. 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.).

Очевидно, что если под «водородным двигателем» понимать электрический, получающий энергию от реакции соединения водорода и кислорода в топливных элементах, то окислов азота не будет совсем. А углеводородное топливо «поставляет» при сжигании целый букет токсичных соединений, среди которых сажа — далеко не самая вредная.

Первый этап становления водородной энергетики — это применение водорода в качестве моторного топлива. Пока топливные элементы, при всей их перспективности, удовольствие очень дорогое. Не все технологии отработаны, и процесс этот идет достаточно медленно, еще далеко не все вопросы решены. Ожидают, что … вот-вот будет. Еще двадцать пять лет назад можно было видеть «Рафик» на топливных элементах. Впрочем, истории водорода как топлива тоже не один десяток лет.

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

Никаких движущихся частей, никаких взрывов. Водород и кислород тихо-мирно соединяются в «ящике с мембраной» (так упрощённо можно представить топливный элемент) и дают водяной пар плюс электричество.

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.

Потеря в полезном пространстве также меньше у машины с водородным ДВС (хотя водородный бак и в том, и другом случае съедает часть багажника).

Эту потерю можно было бы вообще свести к нулю, если сделать автомобиль (с ДВС), потребляющий только водород. Но тут-то и проявляется главный козырь японских и германских «раскольников».

BMW и Mazda предлагают сохранить в автомобиле возможность ездить на бензине (по аналогии с распространёнными ныне двухтопливными машинами «бензин/газ»).

Такой подход, по замыслу автостроителей, облегчит постепенный переход автотранспорта только на водородное питание.

Ведь клиент сможет с чистой совестью купить подобную машину уже тогда, когда в регионе, где он живёт, появится хоть одна водородная заправка. И ему не придётся опасаться застрять поодаль от неё с пустым водородным баком.

Меж тем, серийный выпуск и массовые продажи машин на топливных элементах долгое время будут сильно сдерживаться малым числом таких заправочных станций. Да, и стоимость топливных элементов пока велика.

Водород обладает намного более широким, по сравнению с бензином, диапазоном пропорций смешивания его с воздухом, при которых ещё возможен поджог смеси.

И сгорает водород полнее, даже вблизи стенок цилиндра, где в бензиновых двигателях обычно остаётся несгоревшая рабочая смесь.

Итак, решено — «скармливаем» водород двигателю внутреннего сгорания. Физические свойства водорода существенно отличаются от таковых у бензина. Над системами питания немцам и японцам пришлось поломать голову. Но результат того стоил.

Показанные BMW и Mazda водородные автомобили сочетают привычную для владельцев обычных авто высокую динамику с нулевым выхлопом.

А главное — они куда лучше приспособлены к массовому производству, чем «ультраинновационные» машины на топливных элементах.

Американские исследователи Университета штата Окла­хома приспособили для водорода классический бензиновый автомобильный двигатель. Оказалось, что при прямом впрыскивании водорода в цилиндры — как в дизельных двигателях — отпадает надобность в опережении зажига­ния. Как показал анализ выхлопных газов, окислы серы и углерода в них вообще отсутствуют, а окислы азота со­держится лишь в незначительных количествах.

Однако широкому применению водорода в качестве авто­мобильного топлива препятствует немало проблем, и са­мая трудная из них — топливные баки. На 10 кг водорода автомобиль может проехать столько же, сколько на 30 кг бензина, но такое количество газообразного водорода занимает объем 8000 л, а, чтобы хранить его требуется прочный резервуар массой 1500 кг. Это натолкнуло кон­структоров на мысль использовать сжиженный водород; тогда те же 10 кг водорода помещаются в баллоне массой 80 кг и емкостью 160 л. Но, чтобы иметь водород в сжиженном состоянии, нужно под­держивать в баллоне температуру -253 0 С. Применять со­суды Дьюара было бы слишком дорого. Возможно, конст­рукторам удастся использовать какие-то варианты широко применяемых в настоящее время резервуаров для хранения жидкого топлива, у которых суточные потери на испаре­ние не превышают 1,5%. Так, в экспериментальном авто­мобиле «Волга» смонтирован криогенный водородный бак общей массой 140 кг. Специалисты нашли и другое реше­ние: бак можно изготовить из гидридов металлов сплавов магния, марганца, титана и железа, которые обладают тем преимуществом, что поглощают часть испаряющегося водорода, а при нагреве (хотя бы выхлопными газами) ­снова выделяют его. Масса водородного бака из гидридов металлов превышает 150 кг.

Новое топливо уже опробовано на практике. Успешно прошел испытания автомобиль «Жигули» с комбинированным двигателем на бензине и водороде. К.П.Д. двигателя по­высился на четверть, расход бензина уменьшился на треть, а содержание вредных веществ в выхлопных газах снизилось до минимума. Большие надежды возлагаются и на электромобили, снабженные водородо-кислотными топ­ливными системами.

По мнению многих специалистов, водородный двигатель вряд ли найдет применение в легковых автомобилях, по соображениям безопасности, но он может пригодиться для общественного транспорта.

Большой интерес к водородному топливу проявляют и авиаконструкторы. В США еще в 1957г. исследовательская группа Национального управления по аэронавтике и ис­следованию космического пространства проводила испыта­ния двухмоторного самолета на водородном топливе. В 1973г. НАСА поручило фирме «Локхид» приспособить для водородного топлива два серийных боевых самолета (С-141 и «Старфайтер»). Фирма «Боинг» разработала вариант крупнейшего самолета «Джамбо-Джет» на водородном топ­ливе.

Есть еще одно важное соединение водорода — это пере­кись водорода, которая применяется для двигателей под­водных лодок, ракетных двигателей, в том числе и та­ких, которые могут поместиться в ранце за спиной чело­века.

На прошедшей в Москве международной конференции по моторному топливу заместитель директора научно-произ­водственной фирмы «Фордигаз» Сергей Шипунов уверял участников конференции, что если установить на автомо­билях их топливные системы для двигателей внутреннего сгорания, то содержание вредных веществ в выхлопных газах уменьшится в сотни раз. Во всем мире считается большим достижением, если удается уменьшить на не­сколько процентов количество этих ядов. Даже если пе­ревести автомобили с жидкого на газовое топливо, то вредных веществ в дыме станет в 3-10 раз меньше. А «Фордигаз» уверяет, что может понизить их содержание еще на порядок для машин на газе и на два порядка — на бензине. Это кажется просто невероятным.

Тем не менее «Фордигаз» убедился в этом на опыте. Топливная система была установлена не на автомобиле, а на двигателе для мобильной электростанции мощностью 4 киловатта. 14 человек проходили испытания в комнате площадью 20 квадратных метров. Окна в ней были за­крыты, а выхлопная труба выходила прямо в помещение. И вот мы залили в бак бензин, включили двигатель.

Двигатель работал на полную мощность целый час, но присутствующие не испытывали особых неудобств. Только стало жарко, но воздух был совершенно чистым. А газо­анализатор «Инфолит», сделанный в Германии, показал нулевое содержание вредных веществ в выхлопных газах. Когда сняли топливную систему и двигатель стал рабо­тать в обычном режиме, дым быстро наполнил комнату. Через 4 минуты присутствующие чуть не задохнулись.

А чудо объяснялось просто. Топливная система обеспе­чивала идеальное перемешивание воздуха с бензином, в результате он сгорал полностью — из выхлопной трубы вылетали только пары воды и углекислый газ.

Сначала жидкое топливо превращается потоком воздуха в аэрозоль. Он увлажняет специальную ткань, а с нее воздух срывает уже не капельки, а отдельные молекулы бензина. В результате жидкое топливо превращается в газообразное, и в таком состоянии поступает в специ­альный смеситель. Там к горючему добавляют строго оп­ределенную порцию воздуха и хорошо их перемешивают. Особые устройства поддерживают оптимальное соотношение молекул кислорода и углеводов на протяжении всей ра­боты двигателя — в результате топливо сгорает без ос­татка.

Водители знают, что обычный двигатель дает 7-8% окиси углерода в выхлопных газах, в лучшем случае (если хорошо отрегулировать) до 2%. Но испытания пер­вого двигателя с топливной системой показали, что содержание окиси углерода составило 8 сотых долей про­цента.

Это устройство величиной чуть больше стакана. Воздух и горючее проходят в нем по изогнутым каналам, которые лихо закручивают и перемешивают эту смесь, делая ее максимально однородной. И такая хитрая операция дает удивительный эффект.

Расход горючего снизился 20%. Но главное — количе­ство токсичных выбросов в атмосферы уменьшилось в 3 раза.

Преимущества водородных двигателей внутреннего сгорания

1. Главное неоспоримое преимущество автомобилей на водороде – это высокая экологичность, так как продуктом горения водорода является водяной пар.

2. Простая конструкция.

3. Отсутствие дорогостоящих систем топливоподачи, которые к тому же опасны и ненадежны.

5. КПД электродвигателя на водородном топливе намного выше, чем у ДВС.

Имеются и недостатки у автомобилей на водородном топливе:

1. Дорогой и сложный способ получения топлива в промышленных объемах.

2. Отсутствие водородной инфраструктуры заправок автотранспорта.

3. Не разработаны стандарты транспортировки, хранения и применения топлива на водороде.

4. Несовершенство технологий хранения такого топлива.

5. Дорогие водородные элементы.

6. Большой вес транспорта. Работа электродвигателя на водородном топливе требует водородные преобразователи тока и мощные аккумуляторные батареи, которые весят не мало, а также обладают внушительными габаритами.

7. Существует опасность возгорания и взрыва при работе водорода с традиционным топливом.

Ознакомившись с достоинствами и недостатками водородного топлива можно понять, почему до сих пор откладывается серийный выпуск водородных автомобилей. Однако из-за ухудшающейся экологии этот альтернативный источник энергии может оказаться единственным решением проблемы.

Глава 3. Практическая часть

Водители знают, что обычный двигатель дает 7-8% окиси углерода в выхлопных газах, в лучшем случае (если хорошо отрегулировать) до 2%. Но испытания первого двигателя с водородной топливной системой показали, что содержание окиси углерода составило 8 сотых долей процента. Но главное — количество токсичных выбросов в атмосферe уменьшилось в 3 раза.

Исходя из этого опыта, я попробую выяснить насколько снизится содержание вредных веществ в воздухе, если применить водородное топливо на автомобилях.

Один двигатель выбрасывает в атмосферу 7-8% угарного газа (СО), а 1 топливный двигатель – 0,08%. Разница колоссальна и составляет 87,5 раз. Общие выбросы автотранспорта составляют 21,5-22,7%. Можем посчитать сколько процентов составит выброс от 100 тысяч автомобилей, если использовать водородное топливо.

Это значит, что при использовании водородного двигателя количество выбросов вредных веществ снизится в 88 раз.

В результате написанной работы я очень много узнала о таком важном и незаменимом веществе на нашей планете, как водород.

Но, к сожалению, невозможно прекратить работу промышленных объектов, различных станций, заводов, фабрик, невозможно убрать из нашей повседневной жизни автомобили, однако, возможно сделать их максимально чистыми, использовать наиболее эффективные, безотходные технологии. Посмотрите, чем мы дышим, сколько выхлопных газов, разнообразных вредных веществ выбрасываются в атмосферу. И если есть возможность предотвратить попадание этих опаснейших веществ, то нужно это делать. Изучив множество источников, я пришла к выводу, что это возможно. Но нужно, чтобы этого захотели все люди нашей планеты. Вот тогда мы будем жить в экологически чистом доме. Один из способов решения данной проблемы – водородное топливо. Главным и неоспоримым преимуществом автомобилей на водородном топливе является высокая их экологичность. Продуктом горения водорода является вода, точнее водяной пар. Таким образом, водород не без оснований называют чудесным топливом будущего.

Водородное топливо – альтернатива или тупиковое направление?

Экологи и ученые уже давно бьются над решением проблемы создания максимально экологичного и чистого вида топлива. Причем оно должно быть не только дешевым, но и неисчерпаемым, поскольку призвано заменить привычные для нас энергоресурсы. Его цена не должна превышать стоимости угля, нефти и природного газа. Задача кажется невыполнимой, однако все чаще взоры энергетиков обращаются на водород как вид топлива, способный удовлетворить имеющимся требованиям и стать широкоиспользуемым ресурсом.

Ко всему прочему ситуация в мире становится нестабильна и каждое государство хочет снизить зависимость от того или иного топлива, добыча которого производится на территории других стран. Все чаще водород рассматривается как возможность использования его в качестве альтернативного варианта. У него есть определенные плюсы, но есть и минусы. Попробуем разобраться в аспектах использования водорода, как топлива, его преимуществах и недостатках. А также постараемся ответить на вопрос: быть ли ему полноценной заменой существующих видов топлива.

Сам по себе водород является побочным продуктом энергетического процесса и по идее должен уничтожаться, поскольку его скопление очень опасно. Но энергетики решили найти ему практическое применение.

Водород в качестве альтернативного топлива

Транспортные средства достаточно активно используют природные источники энергии, потребляя около трети всей нефти, добываемой в мире, и из всех видов транспорта автомобили являются наиболее энергоемкими. Использование углеводородного топлива на нефтяной основе сопровождается выбросом в атмосферу большого количества вредных веществ. Это приводит к глобальному загрязнению окружающей среды. В качестве альтернативы предлагается начать активно использовать гидроген и на его основе устанавливать в машины топливные элементы. Давайте сначала поймем, почему выбор пал на этот изотоп.

Водород (H2) — один из немногих газов, широко распространенный на планете, обладающий высокой теплотвотворной способностью. Это абсолютно бесцветный газ, без вкуса и без запаха, из-за чего экологи ратуют за его применение в качестве топлива. Можно отметить, что он очень перспективный энергоноситель. Промышленный процесс его получения таков, что когда вещество соединяется с кислородом, образуется вода и выделяется определенное количество тепла. Это сгорание не вызывает вредных выбросов в окружающую среду, в частности двуокиси углерода. При горении с доступом кислорода снова образуется вода, которую можно использовать повторно. Это делает источник энергии самообновляемым, а отсутствие вредных веществ – экологически чистым и безвредным для окружающей среды.

Идея создания углеводородного электродвигателя пришла с запада, а точнее из Америки. Интерес к газу как альтернативному питанию для транспорта обусловлен, прежде всего:

• возможностью использования топливных элементов в FCEV (fuel cell vehicle) в электромобилях топливного типа без выбросов;
• быстрой заправкой автомашин, занимающей от 3 до 5 минут;
• эффективностью ТЭ с точки зрения расхода и стоимости;
• возможностью получения его из углеводородов, биомассы и мусора;
• потенциалом для отечественного производства.

Принцип действия ТЭ основан на прокачивании кислорода и водорода через катоды и аноды, контактирующими с платиновым катализатором. В результате происходит химическая реакция, в которой образуется вода и электрический ток. Топливный элемент, подсоединенный к электродвигателю, в два-три раза быстрее и экономичнее, чем бензиновый мотор внутреннего сгорания.

Следует отметить, что большинство развитых стран охотно переходят на водородный изотоп и начали строить АЗС на его основе. Заправки появились в Японии, США и Германии. Также крупные автомобильные концерны готовы предложить новые разработки автомобилей с водородными ТЭ. Немалый интерес к этому типу горючего проявляют авиаконструкторы и уже фирмой “Боинг” был разработан самолет “Джамбо Джет” на основе водорода. А перекись водорода, являющаяся соединением водорода, применяется в электромоторах ракет и подводных лодок. Более подробную информацию о топливе можно прочитать в статье “Почему биотопливо считается перспективным направлением?”

Плюсы и минусы

У вида горючего есть сторонники, которые уверены, что за водородом будущее. Но есть и скептики, которые находят больше минусов, чем плюсов. Взвесим все “за” и “против”.

Плюсы водородного топлива.

• Наверное, самым главным плюсом является его экологичность. При эксплуатации других марок топлива образуются вредные выхлопы, загрязняющие воздух. У углеводорода с ними проблем нет. Все, что остается после внутреннего сгорания – это водяной пар. Безусловно, при расходовании сгорают разные масла, но их токсичный выброс в разы меньше по сравнению с бензиновым.
• Простота конструкции и ее использование. Для мотора не требуется сложных систем подачи горючего, которые пока есть в современных авто и которые не отличаются надежностью, а порой бывают даже опасны. У электродвигателей с искровым зажиганием, которые работают на водородном изотопе, имеется возможность качественно регулировать топливоздушную смесь. Этот газ также способен сделать маленькие двигатели достаточно мощными, а авто высокоскоростными.
• Водородное топливо делает движение автомобиля полностью бесшумным.
• Нельзя не игнорировать тот факт, что КПД электродвигателя, работающего на углеводороде, намного выше, чем у бензинового двигателя внутреннего сгорания.
• И еще одно “за”. Этот элемент самый распространенный во Вселенной занимающий более 86% атомов, и в отличие от запасов нефти, он никогда не закончится и на нем не придется экономить.

Что же говорят скептики, отрицая возможность его применения?

• На сегодняшний день способ получения в промышленных объемах достаточно дорогой и сложный. Сам по себе в чистом виде изотоп не существует, он летуч и для его добычи необходимы определенные технологии, которые требуют денежных вложений и определенных затрат.
• Сложности при хранении и транспортировке газа. До сих пор не разработаны стандарты хранения и перевозки, так как никаких значимых экспериментов не проводилось. Это вновь потребует денежных инвестиций.
• Несмотря на более простую систему углеводородного двигателя относительного бензинового, она пока не совершенна. Под ее установку требуются автомобили больших габаритов, что делает выпуск транспортных средств более дорогим. Безусловно, эту проблему можно решить, если проводить дополнительные разработки и эксперименты, но пока ими мало кто занимается.
• Сложности перевода производства на добычу и переработку гидрогена. Дело в том, что для его добычи требуются совершенно другие машины и механизмы, отличные от тех, которые используются для добычи нефти. Не все предприятия готовы потратить деньги на модернизацию своего производства и переход на новейшие стандарты. К тому же из-за малоизученности элемента промышленные гиганты не готовы рисковать, не зная, как отреагируют потребители.
• Недоверие покупателей. Еще один фактор, сдерживающий полное внедрение газа. Пока еще общество скептически относится к новшеству, предпочитая проверенные средства заправки. Из-за этого в мире небольшой процент АЗС, полностью готовых обеспечивать этим видом горючего.

Как видим, пока обоснованных минусов больше. Отсутствие стандартов добычи, переработки, хранения водородного изотопа, а также приемлемых конструкторских решений ведет к недоверию общества, которое пока не готово пересаживаться на новые водородные авто, а промышленность не видит целесообразности проводить реконструкцию производства из-за низкого спроса.

Как работает топливный элемент?

В статье уже упоминалось о топливном элементе, который планируется устанавливать в автомобилях нового типа. Давайте подробнее познакомимся с его принципом действия.

Топливный элемент – электрохимическое устройство, которое преобразует энергию, хранящуюся в химической формуле, в электроэнергию, воду и тепло. Он состоит из двух электродов: анода и катода. Для их изготовления используют угольные пластины, покрытые платиной. На аноде подающийся гидроген распадается, при потере электрона. В это время кислород на катоде соединяется с пришедшим патроном. По большому счету топливный элемент можно сравнить с батареей, у которой вырабатывается постоянный ток в результате химической реакции. Разница между ТЭ и батареей заключается в том, что он не накапливает электричество, не разряжается и его не нужно повторно заряжать. Он будет работать до тех пор, пока имеется запас топлива и воздуха. Отличительной особенностью еще можно назвать то, что элементы не сжигают топливо, как другие электрогнераторы.

Еще к плюсам углеводородных двигателей можно отнести их способность работать при низких температурах, что сокращает время запуска. Это происходит благодаря графитовым ячейкам, которые дают возможность проходить реагентам с сохранением электрического контакта с электролитом. Благодаря этому в холода не придется прогревать двигатель.

Правда у таких элементов имеется одна особенность. Низкая плотность изотопа несет с собой трудности проектирования системы для его хранения в машине. Для хранения придется использовать бак, превышающий обычный в 800 раз. Но сегодня разработаны основные решения для его хранения:

• в сжатом виде, когда он находится в баллонах;
• на криогенных станциях, где газ хранится при низкой температуре;
• в виде сплавов (металл и гидрид), поглощающих водород.

Пока заправка авто с водородным двигателем весьма дорогой процесс, требующий гибкой связи между заправщиком и автомобилем, который обеспечивает запечатанную систему.

Массовые авто на водороде: быть или не быть?

Однозначно ответить на этот вопрос пока нельзя. Конечно, попытки создать или получить усовершенствованное экологически чистое и дешевое горючее не будут остановлены. Возможно, разработки будут вестись в совершенно другом направлении и гидроген не станет единственным альтернативным вариантом. Пока же некоторые дилерские центры готовы предложить автомобили на водородном изотопе. Так, уже есть марки Toyota, Honda, Mercedes-Benz, Hyundai, но их стоимость достаточно высока. Проходят испытания Ford, Nissan, Daimler и Volkswagen. Большой энтузиазм по внедрению проявляют азиатские страны, в частности Япония, Китай и Южная Корея. В этих странах наибольшие показатели ВЗС (водородно заправочных станций). Правительства этих стран проводят активную политику по внедрению легковых автомобилей и общественного транспорта на водородных частицах, а также расширяют сети для промышленного производства горючего.

Европейские страны, хотя и не в отстающих, но все же не спешат переводить автопром на водород. Связано это с минусами, которые были рассмотрены выше. К тому же государствам придется серьезно раскошелиться, чтобы содержать водородные станции. Водородным заправочным станциям непросто заменить разветвленную сеть обычных АЗС и по сегодняшним подсчетам она может обойтись более полутора триллионов долларов США. Еще одним сложным аспектом является получение самого изотопа. Сегодня используют:

• паровую конверсию метана и природного газа;
• электролиз воды и газификацию угля;
• пиролиз и частичное окисление;
• биотехнологии.

В качестве последних серьезно рассматривают возможность получать газ из солнечной энергии, энергии ветра, из биомассы (с помощью бактерий) и отходов (путем их сжигания). Пока все методы имеют свои несовершенства, над которыми ученым и энергетикам еще предстоит поработать.

Подводя итоги, надо сказать, что успех внедрения углеводородного топлива и его использования во многом будет зависеть от сотрудничества стран и государств в этой области. Пока что уровень не очень высок. Не проводятся массовые испытания, не разрабатываются необходимые стандарты и не проводятся информационно-рекламные мероприятия призванные повысить интерес населения к новому горючему. Процесс перехода будет осуществляться постепенно и возможно займет не одно десятилетие. Однако в перспективе водород как вид топлива может быть очень востребован и для этого имеются все предпосылки.

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

Доклад, сопровождаемый презентацией по теме "Водород как альтернативный вид топлива" включает в себя практическую часть получения водорода в лабораторных условия с представлением возможного оборудования, а именно аппарата Киппа и Кирюшкина.

Просмотр содержимого документа
«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:

Воробьёва Ирина Ивановна

Допускается к защите Дата сдачи:______________________

Наставник ____________________ Дата защиты:____________________

«_____» декабря 2018г Оценка:_________________________

2018 год

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

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.

II. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

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:

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:

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.

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:

Плюсы и минусы водородного топлива

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, а также экологичность. Попытаемся разобраться, почему его до сих пор не используют?

Водородный коктейль

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. Европейские и американские аналитики могут быть правы в этих подсчетах, но есть множество доказательств экстренного перевода на водород целого автопарка, причем буквально за 10 -12 дней!

История двигателя внутреннего сгорания на водороде

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.

Водородное топливо в блокадном Ленинграде
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.

Преимущества водородных ДВС

Главное неоспоримое преимущество автомобилей на водороде – это высокая экологичность, так как продуктом горения водорода является водяной пар. Конечно, при этом сгорают еще различные масла, но токсичных выбросов гораздо меньше, чем у бензиновых выхлопов.

Простая конструкция.

Отсутствие дорогостоящих систем топливоподачи, которые к тому же опасны и ненадежны.

Бесшумность.

КПД электродвигателя на водородном топливе намного выше, чем у ДВС.

Имеются и недостатки у автомобилей на водородном топливе:

Дорогой и сложный способ получений топлива в промышленных объемах.

Отсутствие водородной инфраструктуры заправок автотранспорта.

Не разработаны стандарты транспортировки, хранения и применения топлива на водороде.

Несовершенство технологий хранения такого топлива.

Дорогие водородные элементы.

Большой вес транспорта. Работа электродвигателя на водородном топливе требуют водородные преобразователи тока и мощные аккумуляторные батареи, которые весят не мало, а также обладают внушительными габаритами.

Существует опасность возгорания и взрыва при работе водорода с традиционным топливом.

Ознакомившись с достоинствами и недостатками водородного топлива можно понять, почему до сих пор откладывается серийный выпуск водородных автомобилей. Однако из-за ухудшающейся экологии этот альтернативный источник энергии может оказаться единственным решением проблемы.

Производители транспорта на водородном топливе

Мировые производители все же проводят испытание в этой сфере и даже выпускают автотранспорт на водородном топливе:

Toyota — модель Toyota Highlander FCHV;

Ford Motor Company проводит испытания с концептом Focus FCV;

Honda со своей моделью Honda FCX;

Hyundai выпускает Tucson FCEV;

Daimler AG отвечает за модель Mercedes-Benz A-Class;

Перспективы развития

Все же водород является единственной приемлемой экологической энергией с огромным будущим. От ученых зависит только разработать инфраструктуру, обнаружить способ добычи водорода, наладить порядок в инструкциях по эксплуатации топлива, и тогда навсегда уже забыть о выхлопных газах, нефтяных вышках и других проблемах бензиновой зависимости.