Аннотация
Обоснование выбора направления
К концу ХХ века стало ясно, что запасы земных недр не безграничны и появилась проблема невозобновляемости источников топлива (месторождений) а, следовательно, и удорожание добычи, поскольку приходится осваивать все новые месторождения идти дальше и глубже. К тому же огромные выбросы вредных веществ образующихся при сгорании стали бедствием для экологии. С середины ХХ века начался активный поиск альтернативных возобновляемых источников энергии.
Изучение современных заменителей топлива и возможности их применения в качестве альтернативы бензину и дизелю.
Гипотеза
Газ, спирт, водород, биотопливо и солнечная энергия сегодня уже используются в качестве альтернативного топлива, но пока не занимают существенной доли в выработке энергии ввиду своей дороговизны и малому кпд. Тем не менее, в последнее десятилетие на западе, а теперь и у нас стала развиваться биотопливная энергетика.
Методы проведения исследования
Изучение и анализ социологической, технической и научной литературы по проблематике исследования альтернативных источников топлива; анализ отечественного и зарубежного опыта использования современных заменителей топлива в промышленности.
Результаты проведения исследования
1 этап: сортировка (металл и стекло направляется на переплавку, строительный мусор на захоронение, органика (бытовые отходы, резина, древесина, бумага и т.д.)) в биореактор;2 этап: процесс разложения мусора в биореакторе (мусор нагревают до температуры 36-500С, бактерии определенного вида перерабатывают мусор с образованием газов и спирта), 3 этап: процесс очистки спирта. Мы верим, что в Москве появится такое производство, которое позволит решить две серьезные проблемы: утилизации мусора и создания альтернативных источников топлива.
Вложение | Размер |
---|---|
проект | 285 КБ |
Презентация | 1.17 МБ |
Государственное Образовательное Учреждение
Центр образования № 1430
Северо-Восточного окружного управления образования
Департамента образования города Москвы
ПРОЕКТ
«Современные заменители топлива»
Выполнил: Алябьев Арсений, 10 «а»
Руководитель проекта: Алябьева Наталья Михайловна – учитель информатики
Москва 2010
Тема проекта: «Современные заменители топлива»
Автор: Алябьев Арсений
ЦО №1430, 10 «а» класс
Аннотация
Обоснование выбора направления
К концу ХХ века стало ясно, что запасы земных недр не безграничны и появилась проблема невозобновляемости источников топлива (месторождений) а, следовательно, и удорожание добычи, поскольку приходится осваивать все новые месторождения идти дальше и глубже. К тому же огромные выбросы вредных веществ образующихся при сгорании стали бедствием для экологии. С середины ХХ века начался активный поиск альтернативных возобновляемых источников энергии.
Цель исследований
Изучение современных заменителей топлива и возможности их применения в качестве альтернативы бензину и дизелю.
Гипотеза
Газ, спирт, водород, биотопливо и солнечная энергия сегодня уже используются в качестве альтернативного топлива, но пока не занимают существенной доли в выработке энергии ввиду своей дороговизны и малому кпд. Тем не менее, в последнее десятилетие на западе, а теперь и у нас стала развиваться биотопливная энергетика.
Методы проведения исследования
Изучение и анализ социологической, технической и научной литературы по проблематике исследования альтернативных источников топлива; анализ отечественного и зарубежного опыта использования современных заменителей топлива в промышленности.
Результаты проведения исследования
Научная статья
На всех стадиях своего развития человек был тесно связан с окружающим миром. Люди не ценят, и берут то, что у них есть, то, что дает жизнь: воздух, воду, землю. Не думая о будущем своих детей, внуков, правнуков, они заботятся о том, чтобы им было удобнее и легче а жизни, не понимают, что за этим последует. Источники загрязнения бывают как природные, так и антропогенные... Но, по сравнению с природными источниками загрязнения, антропогенные приобретают глобальный характер.
Антропогенными проблемами загрязнения атмосферы являются: парниковый эффект, Кислотный дождь, фотохимический Смог и т.д.
В последнее десятилетие антропогенные факторы загрязнения атмосферы стали особа опасными, К основным источникам загрязнения относится: транспорт, промышленные предприятия, теплоэнергетика, с/х. и др.
Количества кислорода в атмосфере нашей планеты остаётся неизменным ног уже многие миллионы лет. Не представляет существенной угрозы и его расходование в настоящие время на сжигание значительного количества ископаемого топлива. А вот связанное с нашей деятельностью одновременное и, соответственно, столь же незначительное увеличение концентрации в воздухе углекислого газа - проблема более серьёзная, Ещё опаснее для нас и всего живого, проступание в атмосферу совсем уж ничтожных, по сравнению с её общим объемом, количеств токсичных веществ - продуктов пашей деятельности. Огромные объемы вредных веществ в атмосфере вызывают целый ряд неблагоприятных последствий.
Основная часть
Изучение современных заменителей топлива и возможности их применения в качестве альтернативы бензину и дизелю.
Задачи исследований
2. Сделать презентацию на заданную тему.
3. Провести опрос на тему «Виды топлива».
Актуальность темы
Человечество с древних времен использует дерево, кустарник, растительные остатки для получения тепла. Но с развитием промышленной революции эти источники (когда то основные) отодвигались все дальше в списке энергоносителей. Бурное развитие промышленности требовало новых источников, более концентрированных и удобных для получения тепловой энергии. Ими стали сначала уголь затем нефть и газ. К концу ХХ века стало ясно, что этот путь развития имеет большие недостатки, в частности не возобновляемость источников топлива (месторождений) а, следовательно, и удорожание добычи, поскольку приходится осваивать все новые месторождения идти дальше и глубже. К тому же огромные выбросы вредных веществ образующихся при сгорании стали бедствием для экологии. С середины ХХ века начался активный поиск альтернативных возобновляемых источников энергии. Солнечные, ветровые, приливные электростанции сегодня уже действуют (в том числе и малые для индивидуального использования), но пока не занимают существенной доли в выработке энергии ввиду своей дороговизны и малому кпд. Тем не менее, в последнее десятилетие на западе, а теперь и у нас стала развиваться биотопливная энергетика.
Научная новизна
Впервые возникло предложение использование московских свалок мусора в качестве альтернативного топлива. Если переработать данный мусор в топливо, то возможно получение самого экономичного источника альтернативного топлива. Этот способ производства этанола из старых шин, бытовых отходов и практически любой биомассы является универсальным. Для переработки отходов используются микроорганизмы и биореактор. При чем стоимость литра спирта, полученного с помощью новой технологии, составляет около 1/5 стоимости бензина, что дает высокий экономический эффект.
Сжиженный газ и традиционное топливо
Точно установлено, что двигатели внутреннего сгорания, прежде всего, автомобильные карбюраторные двигатели, являются основными источниками загрязнения. Выхлопные газы автомобилей, работающих на бензине, в отличие от автомобилей, работающих на сжиженном газе, содержат соединения свинца. Если применяются очистительные фильтры каталитического действия, то поглощаемые ими соединения свинца дезактивируют катализатор, в результате чего не только свинец, но и окись углерода, не сгоревшие углеводороды выбрасываются вместе с выхлопными газами в количестве, зависящем от условий и стандартов на эксплуатацию двигателей, а также от условий очистки и других факторов. Количественно концентрацию загрязняющих компонентов в выхлопных газах при работе двигателей как на бензине, так и на сжиженном газе определяют по специальной методике. При проведении большинства экспериментов было выявлено, что перевод двигателей с бензина на сжиженный газ приводит к снижению количества выбросов окиси углерода в 10 раз и несгоревших углеводородов в 5 раз.
Примесями, содержащимися в выхлопных газах при работе на бензине, так и на сжиженном газе, являются окислы серы и азота. Концентрация окислов серы при работе двигателя на сжиженном газе может быть в десятки раз ниже, чем при работе его на бензине. Окиси азота, как было установлено, являются основными виновниками образования оптического смога. В сочетании с ненасыщенными углеводородами под влиянием ультрафиолетового излучения они образуют канцерогены. Эксперименты показали, что при переводе двигателей с бензина на сжиженный газ наблюдается снижение (до 70 %) выбросов окислов азота. При работе двигателей на бензине были получены следующие показатели по загрязнению атмосферы: соединения свинца и окислы серы присутствуют, окиси углерода и несгоревших углеводородов - стандартное содержание; при работе на сжиженном газе - соединения свинца отсутствуют, окислы серы практически отсутствуют, содержание окиси углерода и несгоревших углеводородов снижено соответственно на 80 и 70 %.
Перевод двигателей с бензина на сжиженный газ относительно прост и дешев, хотя и зависит от размеров двигателя и типа выбранного оборудования. Стоимость перевода, включая стоимость специального оборудования и топливного баллона, обычно не превышает 150 - 500 $.
Спирт
Автомобили с двигателями на спирту, так называемые "алкомобили", вполне успешно эксплуатируются в Бразилии, где традиционно наблюдается избыток сахарного тростника и недостаток нефти. Однако бразильские агрегаты недостаточно эффективны, маломощны и очень несовременны.
Зато в руках фордовских инженеров этанол показал свои лучшие качества, в первую очередь - колоссальное сокращение выбросов СО2.
Немудрено, что именно Швеция была избрана для того, чтобы представить новые автомобили Ford Focus Flexi-Fuel и Focus C-MAX Flexi-Fuel, оснащенные 1.8-литровыми спиртовыми двигателями. Главное достоинство новинок - снижение на 70% выбросов в атмосферу диоксида углерода, который, как предполагают, является причиной "парникового эффекта".
Распространением "алкомобилей" активно занимается шведский Консорциум потребителей многотопливных автомобилей: в частности, благодаря их усилиям Ford продал уже более 15.000 Focus Flexi-Fuel первого поколения.
Изюминкой Ford Focus и C-MAX Flexi-Fuel является их способность передвигаться как на спирту, так и на бензине и даже на их смеси в любой пропорции. Поэтому, если владелец не доехал до "зеленой" заправки, он может спокойно заправиться на первой попавшейся.
Причем, для создания "алкомобиля" фордовцам не пришлось серьезно переделывать конструкцию: поршневая группа была выполнена из более твердых сплавов, контроллер зажигания получил новую программу, а система зажигания обзавелась предпусковым подогревом, схожим с тем, который применяется на дизельных моторах. Последняя мера связана с низкой испаряемостью спирта при температурах ниже минус 15 по Цельсию.
Так что у "алкомобилей" большое будущее в экологически ориентированной Швеции. Правда, может возникнуть проблема у полисменов: поди докажи, что нарушитель выпил рюмку-другую, а не надышался газами в пробке.
Водород
В отличие от классических двигателей внутреннего сгорания альтернативные энергетические установки выделяют энергию, полученную не в результате процесса горения, а в результате химической реакции окисления водорода кислородом. Подаваемый на анод водород ионизируется на платиновом электрохимическом катализаторе, и образовавшиеся протоны проходят через электролит на катод, где они реагируют с кислородом с образованием воды. Образовавшиеся при ионизации электроны создают электрический ток и используются для полезной нагрузки. Помимо собственно водорода топливом может служить целый ряд первичных энергоносителей, из которых получают Н2: метанол, этанол, природный газ, биогазы и биомасса, уголь, аммиак и др. Что касается автомобильной промышленности, то использование двигателей, работающих на водороде, позволит централизованно собирать отходы СО2 на производящих водород заводах, а не выбрасывать их прямо под нос пешеходам из выхлопной трубы каждого автомобиля. Таким образом, даже сейчас, на переходном этапе, внедрение энергоустановок нового образца в автотранспорте и энергетике способно снизить экологическую нагрузку на окружающую среду.
Теоретически переход на водородное топливо выглядит достаточно простым. На автомобиль нужно "всего лишь" установить электродвигатель, который "питался" бы энергией химической реакции водорода и кислорода. Благодаря этому, во-первых, автомашины перестали бы отравлять атмосферу вредными газами, поскольку в их "выхлопе" была бы лишь безвредная дистиллированная вода. Во-вторых, водородный двигатель гораздо эффективнее бензинового: средний коэффициент полезного действия нынешней вазовской водородной энергоустановки составляет 60-65 процентов, что более чем в два раза выше, чем у двигателя внутреннего сгорания. В-третьих, в отличие от нефти водород является неисчерпаемым топливом. Все это звучит очень привлекательно, но, как оказалось, чтобы создать приемлемый по стоимости, безопасности и размерам водородный движок, нужно решить большой комплекс сложнейших технических задач.
На "АВТОВАЗе" работают над созданием водородных двигателей без какой-либо государственной поддержки. Испытания первого из них, "Антэл-1", в 1999 году проводились на удлиненной "Ниве". Следующий вариант, "Антэл-2", уже смог разместиться на универсале "Лада-111", показ которой на международных автосалонах вызвал неподдельный интерес у специалистов.
Создаваемая сейчас установка "Антэл-3" будет обходиться без бака для водорода: топливный процессор на борту автомобиля будет вырабатывать его из бензина. Это позволит увеличить пробег на одной заправке до 900-950 км. Проблема разработчиков, - создать компактной и недорогой преобразователь бензина в водород.
А в 2006 году "АВТОВАЗ" собирается представить совершенно новый автомобиль "Антэл-4", у которого и платформа, и компоновка, и дизайн-проект, и электрохимический генератор будут разработаны заново. Успешная реализация этого проекта может вывести АВТОВАЗ в лидеры по производству экологически чистых и экономичных автомашин.
Биотопливо
В настоящее время точка в поиске новых видов топлива не поставлена. И, например, американские исследователи в данный момент лоббируют идею перевода автомобилей на спирт и растительное масло, для получения которых будет использоваться переработанная биомасса (любого органического вещества растительного или животного происхождения). На ее основе уже изготовляются горючий газ и этиловый спирт (этанол). Дополнительным преимуществом производства топлива из биомассы является то, что исходным сырьем могут послужить в том числе пищевые и бытовые отходы, экскременты сельскохозяйственных животных, различные сельхозкультуры. Таким образом, автомобильное топливо, изготовленное подобным способом, будет отличаться легкостью производства, а следовательно, и низкой стоимостью. В пользу того, чтобы начать увеличивать производство автомобильных двигателей, приспособленных к биотопливу, говорит также и то, что оно не требует специальной перестройки заправочных станций и может заливаться в баки традиционным и всем привычным способом. И, наконец, принципиальным плюсом биотоплива является то, что, в отличие от нефти, его запасам на Земле уж точно не грозит истощение. Сейчас в мире уже существует несколько видов комбинированного горючего, как правило, представляющего сочетание бензина и спирта, произведенного из растительного сырья, а с 1990 г. этанол в небольшом количестве стал добавляться в бензин, дабы снизить вредоносность автомобильных выхлопов для окружающей среды. Также с 1991 г. началось массовое производство специального биодизельного топлива, которое вырабатывается из растительного и животного жира (главным образом используются пальмовое и соевое масла). Основой для производства биодизеля может послужить даже растительное масло, использованное в пищевой промышленности. Национальный биодизельный совет США уверяет, что биодизель на 5% более экономичен, а его энергоемкость выше на 5%. В настоящий момент наиболее активно используют такое топливо для своих машин автовладельцы стран ЕС. Однако значительное число аргументов выдвигается и против биотоплива. Никто не против того, чтобы воздух в мире стал чище, а горючее дешевле. Но это будет требовать внесения изменения в конструкцию автодвигателей, а следовательно, и в сам процесс их производства, что потребует значительных затрат и займет достаточно долгое время. Сложно пока предположить и то, насколько охотно начнут переходить на новое топливо рядовые водители.
Компания GM представила экологически чистый Hummer. На ежегодной выставке в Лос-Анджлесе, темой которого была Защита окружающей среды, GM получили приз за лучший концепт автомобиля будущего. Модель-победитель - Hummer 02, в которой сделан упор на принесение пользы для экологии. Hummer 02 оснащен фототропическим кузовом, который производит чистый кислород. А кузовные панели заполнены водорослями и преобразуют двуокись углерода в кислород. При вторичной обработке водоросли можно использовать для производства электроэнергии. Автомобиль способен управлять выработкой кислорода с помощью расположенных на каждой панели двусторонних клапанных систем - отслеживается количество двуокиси углерода и рассчитывается количество питательной смеси, необходимой для роста водорослей. Одновременно оптимизируется производство и распределение кислорода. В каждое колесо встроены водородные двигатели, питающиеся от модульных независимых топливных батарей. Для обеспечения безопасности и удобной компоновки баллон с водородом расположен прямо в центре автомобиля. Конструкция автомобиля полностью выполнена из материалов, поддающихся вторичной переработке, включая алюминиевую раму, обивку сидений и окраску кузова по специальной технологии РЕТЕ.
Сжатый воздух
Есть автомобили, для движения которых не требуется ни нефти, ни аккумуляторов большой мощности, а выхлоп таких машин не отличается от окружающего воздуха. Это всё потому, что воздух и приводит их в движение. Речь идёт о «воздушных» моделях OneCAT и CityCAT индийской компании Tata Motors, Разработаны модели во французской компании Moteur Développment International Ги Нэгром. Идея использовать сжатый воздух в качестве энергоносителя на транспортном средстве не нова. В конце XIX века в Европе на сжатом воздухе ездили некоторые трамваи, грузовики и внутризаводской транспорт. Однако энергоёмкость сжатого воздуха, даже если давление доводили до трёхсот атмосфер, была низка, к тому же не существовало прочных и легких материалов, способных заменить металл в баллонах для сжатого воздуха.
Разработка воздушного двигателя является настоящим поршневым двигателем с коленвалом, впускным и выпускным коллекторами. Поршень в цилиндре мотора приводится в движение за счёт расширения смеси охлаждённого сжатого и тёплого атмосферного воздуха. Основным отличием «воздушного» двигателя является конструкция шатуна поршня, благодаря которой поршень может задержаться в верхней мёртвой точке, а затем резко сорваться вниз, не останавливая при этом движения коленвала. Мотор работает, а пневматический автомобиль показал разгон до 90 км/ч за семь секунд.
«Топливный бак» автомобиля — это баллон со сжатым воздухом. Изготовлен из углеволокна, в результате чего он обрел прочность, легкость и безопасность. Углеволоконный баллон с воздухом под давлением можно трясти и бросать. В серийной версии совместных автомобилей Нэгр и Tata Motors находится два баллона с общим объемом в 340 л. Полной заправки баллонов хватает на двести километров движения автомобиля, а «заправить» пустые баллоны можно будет в любом месте, где есть компрессор для подкачки шин. Там, где не найдётся компрессора, но будет электрическая розетка, владельцы смогут заправить свою «воздушную» машину с помощью электричества, так как пневматический двигатель может работать в качестве компрессора (15).
Практическая часть
Тема альтернативных источников топлива, безусловно, актуальна и злободневна в настоящее время на фоне быстро дорожающей нефти истощающихся природных источниках. Во время проведения информационного обзора выяснили, что человечество всерьез задумалось об использовании альтернативных источников топлива. По данной тематике были изучены как библиотечные материалы, так и материалы из Интернета. Самые интересные, с нашей точки зрения, перспективы применения данного вида топлива представлены в мультимедийном обучающем пособии.
I. Обучающее пособие в виде мультимедийного диска на тему «Альтернативные виды топлива» создано в программе Power Point c использованием возможностей данной программы: внедрение звука, картинок. Данное пособие может использоваться на уроках экологии, информатики, физики, а также диск можно использовать классными руководителями для проведения тематических классных часов.
II.В рамках проекта был проведен социологический опрос на тему «Виды топлива» среди водителей, паркующихся (владельцы легковых автомобилей) около школы – опрошено 35 человек (образец анкеты прилагается (приложение 1).
По результатам данного опроса, оказалось, что:
4. 95% респондентов согласились с тем, что основным загрязнителем воздуха являются выхлопные газы автомобилей.
5. Среди альтернативных источников топлива были названы: природный газ - 31%, спирт – 29%, водород – 6%, электричество – 31%, солнечная энергия – 3%.
6. На альтернативных источниках топлива согласились ездить: 50% опрошенных, 20% - отказались, 30% - затрудняются ответить.
7. По результатам опроса выяснили, что:
8. 34% опрошенных согласны ездить на газе;
31% в качестве топлива выбрали электричество;
23% заправили бы свое транспортное средство органическим топливом;
6% - водородом;
6% считают, что лучше заправлять машину лучше бензином.
Результаты анкетирования приведены в таблице
№ | Вопрос | Количество ответивших |
1 | Какие виды топлива вы знаете? | 35 |
2 | На каком топливе ездит ваш автомобиль? |
бензин 80 | 1 |
бензин 92 | 11 |
бензин 95 | 20 |
дизтопливо | 2 |
газ | 1 |
электричество | 0 |
3 | Считаете ли вы, что основным фактором загрязнения воздуха Москвы являются выхлопные газы автомобилей? | 35 |
4 | Какие альтернативные источники топлива вы знаете? | 35 |
5 | Как вы считаете, какой вид топлива будет лучшей альтернативой бензину? |
газ | 11 |
электричество | 11 |
водород | 2 |
органика (спирт и др. орг. в-ва) | 10 |
солнечная энергия | 1 |
6 | Использовали бы вы альтернативные источники топлива? | 35 |
7 | Как вы считаете, какой вид топлива является самым экологичным? |
водород | 11 |
электричество | 11 |
органика | 10 |
солнечная энергия | 3 |
8 | Каким из альтернативных видов топлива вы бы заправили свой автомобиль? |
водород | 2 |
электричество | 11 |
органика (спирт и др. органические вещества) | 8 |
газ | 12 |
никаким | 2 |
Данный опрос показал, что большинство водителей заправляют свой автомобиль бензином с октановым числом 95. Осознают, что самый большой вред экологии города наносится автомобильным транспортом. Автомобилистам хорошо известно о существовании альтернативных источников топлива, хотя заправлять собственные автомобили они не торопятся вследствие технических трудностей (необходимо переделывать двигатель под определенный вид топлива) и небольшого количества либо вообще отсутствия специализированных заправок.
Разработана блок-схема переработки мусора с целью получения топлива. Данный процесс должен состоять из трех основных этапов:
1 этап: сортировка (металл и стекло направляется на переплавку, строительный мусор на захоронение, органика (бытовые отходы, резина, древесина, бумага и т.д.)) в биореактор;
2 этап: процесс разложения мусора в биореакторе (мусор нагревают до температуры 36-500С, бактерии определенного вида перерабатывают мусор с образованием газов и спирта).
3 этап: процесс очистки спирта.
Если переработать данный мусор в топливо, мы получим самый экономичный источник альтернативного топлива. В процессе изучения информации по этому вопросу мы выяснили, что такая методика уже разработана компанией General Motors, крупнейшим мировым производителем автомобилей. Для производства чудо-топлива General Motors заключила соглашение с компанией Coskata, инженеры которой придумали способ производства этанола из старых шин, бытовых отходов и практически любой биомассы. Для переработки отходов используются микроорганизмы и биореактор. При чем стоимость литра спирта, полученного с помощью новой технологии, составляет около 26 центов (или 1 доллар за 4,5 литра)(14).
В ближайшем будущем в мире появится такое производство, которое позволит решить две серьезные проблемы: утилизации мусора и создания альтернативных источников топлива.
Заключение и выводы
Проблема поиска топлива для автомобилей, которое станет достойной альтернативой бензину и дизелю, является одной из наиболее актуальных в мире. Заставляют искать новые виды горючего: и все время растущая дороговизна нефти, и рост загрязнения окружающей среды. Ряд автомобилистов уже заправляют свои машины природным газом, кто-то ездит на электромобилях, а наибольшей популярностью в настоящий момент пользуются так называемые автомобили-гибриды, в которых используются альтернативные источники энергии (обычно это электричество и бензин).
В рамках данного проекта мы провели анкетирование и выяснили, что большинство водителей заправляют свой автомобиль бензином с октановым числом 95. Осознают, что самый большой вред экологии города наносится автомобильным транспортом. Автомобилистам хорошо известно о существовании альтернативных источников топлива, хотя заправлять собственные автомобили они не торопятся вследствие технических трудностей (необходимо переделывать двигатель под определенный вид топлива) и небольшого количества либо вообще отсутствия специализированных заправок.
В процессе изучения информации по этой теме возникла идея получения альтернативного топлива из мусора. Оказывается, что такая методика уже разработана компанией General Motors, крупнейшим мировым производителем автомобилей. Инженеры компании разработали способ производства этанола из старых шин, бытовых отходов и практически любой биомассы.
Мы верим, что в Москве появится такое производство, которое позволит решить две серьезные проблемы: утилизации мусора и создания альтернативных источников топлива.
Список литературы
Приложение1
Анкета на тему «Виды топлива»
8. Каким из альтернативных видов топлива вы бы заправили свой автомобиль?
Хитрый коврик
Самый главный и трудный вопрос
В.А. Сухомлинский. Для чего говорят «спасибо»?
Ночная стрельба
Пока бьют часы