Проект "Топливо будущего"

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение

«Сахалинский индустриальный техникум»

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПРОЕКТ

 «ТОПЛИВО БУДУЩЕГО»

ПО ХИМИИ

Работу выполнил:

Миронов Артём Алексеевич, группа Т-1

Работу проверила:

Васильева Ольга Анатольевна, преподаватель

г. Оха,2024

Содержание:

1. Введение

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. К сожалению, любое топливо при сгорании вредит месту нашего существования – планете Земля и, основываясь на этом факте, необходимо использовать оптимальные виды топлива, сохраняющие все его свойства, но гораздо менее вредящие атмосфере нашей планеты. На мой взгляд, именно водород представляет собой альтернативный источник энергии.

Цель: выявить предпочтительность водородного топлива по сравнению с иными видами топлива.

Задачи проекта:

1. Определить тему проекта, составить оглавление.
2. Изучить информацию из научной литературы и интернет-источников по теме исследования.
3. Выделить преимущества и недостатки различных видов топлива.
4. Изучить востребованность водородного топлива.
5. Подтвердить или опровергнуть потребность в топливе из водорода.

Гипотеза: водород – альтернативная замена современным видам топлива.

Объект исследования: эффект водородного топлива.

Предмет исследования: топливо на основе водорода.

Методы исследования: библиографический анализ литературы и материалов интернет-ресурсов, эксперимент, наблюдение, анализ.

2. Основная часть

2.1. Теоретическая база исследования

2.1.1 Существующие виды энергетики.

Энергетика — область хозяйственно-экономической деятельности человека, совокупность больших естественных и искусственных подсистем, служащих для преобразования, распределения и использования энергетических ресурсов всех видов. Целью энергетики является обеспечение производства энергии путём преобразования первичной, природной энергии во вторичную, например в электрическую или тепловую энергию. При этом производство энергии чаще всего происходит в несколько стадий:

Электроэнергетика — это подсистема энергетики, охватывающая производство электроэнергии на электростанциях и её доставку потребителям по линии электропередачи. Центральными её элементами являются электростанции, которые принято классифицировать по виду используемой первичной энергии и виду применяемых для этого преобразователей. Преобладание того или иного вида электростанций в определённом государстве зависит в первую очередь от наличия соответствующих ресурсов. Электроэнергетику принято делить на традиционную и нетрадиционную.

Электрическая сеть — совокупность подстанций, распределительных устройств и соединяющих их линий электропередачи, предназначенная для передачи и распределения электрической энергии. Электрическая сеть обеспечивает выдачу мощности электростанций, её передачи на расстояние, преобразование электрических параметров (напряжения, тока) на подстанциях и её распределение по территории до непосредственных потребителей электроэнергии.

Тепловая энергетика России — отрасль российской энергетики, обеспечивающая энергоснабжение электроэнергией и теплом при помощи тепловых электростанций (ТЭС) и котельных, работающих на органическом топливе. По состоянию на 2024 год в Единой энергосистеме России эксплуатируются тепловые электростанции общей установленной мощностью 164 612 МВт, что составляет 66,8 % от общей мощности электростанций ЕЭС России. В 2023 году тепловые электростанции России (с учетом электростанций промышленных предприятий) выработали 692,7 млрд кВт·ч электроэнергии, что составляет 63,5 % всей выработки электроэнергии в стране.

Энергетическая система (энергосистема) — в общем смысле совокупность энергетических ресурсов всех видов, а также методов и средств для их получения, преобразования, распределения и использования, которые обеспечивают снабжение потребителей всеми видами энергии. В энергосистему входят системы электроэнергетическая газоснабжения, угольной промышленности, ядерной энергетики и другие. Обычно все эти системы объединяются в масштабах страны в единую энергетическую систему, в масштабах нескольких районов — в объединённые энергосистемы.

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

- Твердое топливо.

- Жидкое топливо.

- Газообразное топливо.

- Ядерное топливо.

Водород входит в группу газообразного топлива.

2.1.2 Водород как источник энергии.

Водородная энергетика — направление выработки и потребления энергии человечеством, основанное на использования водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки и потребления энергии людьми, транспортной инфраструктурой и различными производственными направлениями.

Водородная энергетика — отрасль энергетики, основанная на использовании водорода в качестве средства для зарядки, транспортировки, производства и потребления энергии. Водород выбран как наиболее распространенный элемент в космосе, теплота сгорания водорода максимальная, а продуктом сгорания в кислороде является вода (которая также вводится в оборот водородной энергетики). Водородная энергетика относится к альтернативной энергетике, если водород производится с помощью возобновляемых источников энергии.

Общемировая структура производства водорода распределена по трём основным источникам: 18% приходится на переработку угля, 4,3% обеспечивается за счёт «зелёного» водорода, получаемого посредством возобновляемых источников энергии (ВИЭ), главным образом при электролизе воды. Наконец, подавляющий объём — а это 69% — составляет переработка природного газа и нефти.

2.1.3 Водород как химический элемент, и его свойства.

Знаменитый английский физик и химик Г. Кавендиш в 1766 году исследовал  газ и назвал его «горючим воздухом». Французский химик А. Лавуазье совместно с инженером Ж. Менье, используя специальные газометры, в 1783 г. осуществил синтез воды, а затем и её анализ, разложив водяной пар раскалённым железом. Таким образом, он установил, что «горючий воздух» входит в состав воды и может быть из неё получен. Лавуазье дал водороду название hydrogène (от греч. ὕδωρ — «вода» и γενναω — «рождаю») — «рождающий воду». Русское наименование «водород» предложил химик М. Ф. Соловьев в 1824 году.

Водород (химический символ — H, от лат. hydrogenium) — химический элемент первого периода периодической таблицы химических элементов Д.И.Менделеева, с атомным номером 1.

Одноатомная форма водорода — самое распространённое химическое вещество во Вселенной, составляющее примерно 75 % всей массы. Звёзды, кроме компактных, в основном состоят из водородной плазмы. Самый лёгкий из элементов периодической таблицы.

Три изотопа водорода имеют собственные названия: 1H — протий, 2H — дейтерий и 3H — тритий (радиоактивен). Ядро самого распространённого изотопа — протия — состоит из одного только протона и не содержит нейтронов.

При стандартной температуре и давлении водород — бесцветный, не имеющий запаха и вкуса, нетоксичный двухатомный газ (химическая формула — H2), который в смеси с воздухом или кислородом горюч и крайне пожаро- и взрывоопасен. В присутствии других окисляющих газов, например фтора или хлора, водород также взрывоопасен.

Поскольку водород охотно формирует ковалентные связи с большинством неметаллов, большая часть водорода на Земле существует в молекулярных соединениях, таких как вода или органические вещества. Водород играет особенно важную роль в кислотно-основных реакциях.

Исходя из выше изложенного, предполагаю, что водород может использоваться как топливо по следующим причинам:

- он обладает уникальными свойствами и может заменить любой вид горючего в разных областях энергетики, транспорта, промышленности и в быту.

- водород легко транспортируется по трубам и распределяется по мелким потребителям, его можно получать и хранить в любых количествах.

- водород — сырьё для ряда важнейших химических синтезов (аммиака, метанола, гидразина), для получения синтетических углеводородов.

Однако водород также может представлять опасность возгорания и взрыва при работе с традиционным топливом. Поэтому основным условием безопасной работы с водородом в закрытых помещениях является контроль за его содержанием в воздухе и возможными утечками.

2.1.4. Природные источники водорода.

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. Он содержится и в вулканических газах. Основная масса водорода попадает в атмосферу в результате биологических процессов. При разложении в анаэробных условиях миллиардов тонн растительных остатков в воздух выделяется значительное количество водорода.

В настоящий момент наиболее экономически выгодным считается производство водорода из ископаемого сырья, наиболее доступным и дешёвым процессом является паровая конверсия (согласно прогнозам, она будет использоваться в начальной стадии перехода к водородной экономике для упрощения преодоления проблемы «курицы и яйца», когда из-за отсутствия инфраструктуры нет спроса на водородные автомобили, а из-за отсутствия водородных автомобилей не строится инфраструктура.

В долгосрочной перспективе, однако, необходим переход на возобновляемые источники энергии, так как одной из главных целей внедрения водородной энергетики является снижения выброса парниковых газов; такими источниками может быть энергия ветра или солнечная энергия, позволяющая проводить электролиз воды. Снизить уровень выбросов углерода в производственных отраслях можно за счет водорода, полученного с использованием низкоуглеродных технологий, для этого можно применять технологии улавливания и хранения углекислого газа, а также электролиза воды, «в первую очередь с помощью энергии объектов атомной, гидро-, ветряной и солнечной энергетики».

2.1.5. Применение водорода.

В настоящий момент водород используется в качестве топлива для серийно выпускаемых автомобилей на Водородных топливных элементах:  Американская компания представила линейку коммерческих автомобилей на водороде, а также пикап Nikola Badger с запасом хода 960 км.

Компания Alstom в 2018 году запустила в Германии первый коммерческий поезд на топливных элементах Coradia iLint, способный проходить 1000 км на одном резервуаре с водородом. Поезда совершают 100-километровые рейсы со скоростью до 140 километров в час.

В нефтепереработке около 37% мирового выпуска водорода используется в процессах гидрокрекинга и гидроочистки, способствуя увеличению глубины переработки сырой нефти и повышению качества конечных продуктов.

Водород используют и в качестве ракетного топлива. Ввиду крайне узкого диапазона температур (менее 7 кельвинов), при котором водород остаётся жидкостью, на практике чаще используется смесь жидкой и твёрдой фаз.

В водородно-кислородных топливных элементах используется водород для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую.

В нашей стране впервые автомобильный двигатель на водороде работал в блокадном Ленинграде в 1942 году. В 80-е годы Авиационный научно-технический комплекс (АНТК) имени А.Н. Туполева создал летающую лабораторию (на базе самолета ТУ-154В), использующую в качестве топлива жидкий водород. В результате был создан первый в мире самолет на криогенном топливе — жидком водороде и сжиженном природном газе (СПГ), — ТУ-155. Космическая система «Шаттл» использует водород как топливо для блоков разгона. Водород применяется и для запуска ракеты-носителя «Энергия», предназначенной для доставки на орбиту сверхтяжелых грузов, в частности, корабля «Буран».

Интересен водород и для атомных электростанций как аккумулятор энергии. В проекте, который разрабатывали РНЦ «Курчатовский институт», ЛАЭС-1 и канадские фирмы AECL («Atomic Energy of Canada Limited») и «Stuart Energy» в 1990-1992 гг.  Сегодня Ленинградская атомная электростанция недовырабатывает примерно 400 млн. кВт • ч/год, что позволило бы произвести около 8 тыс. т водорода. Полученный водород предполагалось продавать в Финляндию и использовать в общественном транспорте в г.Сосновый Бор. Другим вариантом использования получаемого водорода рассматривалась его поставка на Киришский нефтеперерабатывающий завод. Получаемый при этом кислород мог бы стать основой производства озона для очистки промышленных стоков Санкт-Петербурга. Ядерные превращения могут сопровождаться значительным выделением энергии.

2.1.6. Водородный топливный элемент

Водородные топливные элементы — это источник энергии нового типа, предназначенный для рынка двигателей, стремящегося снизить свою зависимость от источников на основе углерода.

Хотя топливные элементы уже присутствуют на рынке в течение некоторого времени, совокупность изменений в нормативной базе, новых технологических достижений и планов по сокращению уровня вредных выбросов стимулировала более интенсивные разработки топливных элементов как жизнеспособного и экологически чистого источника энергии. Несмотря на отсутствие «стандартных» способов их применения на текущий момент, инженеры и эксперты по современным материалам компании Donaldson уже более 20 лет сотрудничают с ведущими OEM-производителями и поставщиками первого (Tier 1) и второго (Tier 2) уровней, разрабатывая специализированные способы их использования.

В водородном топливном элементе химическая энергия атомов водорода превращается в электрическую. Топливный элемент представляет собой два электрода (анод и катод), разделенных мембраной.

Водород реагирует с катализатором (обычно это напыленная на анод платина) и выгоняет свой электрон за пределы атома. «Осиротевшие» электроны притягиваются к аноду, превращаясь в электрический ток. Он-то и поступает к двигателю автомобиля, приводя механизмы в движение.

2.2.Экспериментальная база исследования

2.2.1. Получение водорода путем проведения химических реакций

Опыт 1. Получение водорода реакцией щелочного металла с водой.

В ходе опыта нужно было подтвердить, что при взаимодействии натрия, калия и лития с водой выделяется водород.

Опыт был проведен в лаборатории. Были взяты несколько образцов различных металлов, таких как натрий, калий и литий. После физической отчистки металла от керосиновой пленки с помощью фильтровальной бумаги поочередно поместили образец в колбу с водой, после чего ее плотно закрыли, потому что водород легкий газ, а значит, если закрыть колбу он будет скапливаться сверху. После растворения лития мы открыли колбу и поднесли к ней огонь. Так как водород – взрывоопасный газ, то произошел небольшой хлопок. Это значило, что при взаимодействии натрия, калия и лития с водой выделяется водород.

Уравнения реакции:

2Li + 2H2O = 2LiOH + H2 

2Na + 2H2O = 2NaOH + H2 

2K + 2H2O = 2KOH + H2 

Вывод:  в ходе опыта подтверждено, что при взаимодействии натрия, калия и лития с водой выделяется водород.

Опыт 2. Получение водорода реакцией взаимодействия активного металла с раствором сильной кислоты.

В земных условиях водород встречается преимущественно в связанном состоянии. Многие его соединения уже известны: Н2О, HCl, HF и т.д. В этих соединениях водород имеет степень окисления +1, поскольку его электроотрицательность (2,2) меньше, чем электроотрицательность кислорода (3,44), хлора (3,16) и фтора (3,98).

Когда водород уже находится в степени окисления +1, он может отбирать электрон у многих элементов – особенно металлов, которые склонны отдавать электроны. Поэтому способы получения водорода часто основаны на реакции какого-либо металла с одним из соединений водорода, например:

Реакцию между цинком и водным раствором соляной кислотой провели в лаборатории, согласно изображению на рисунке. Наличие водорода подтвердили таким же образом, как в опыте 1.

Вывод: в ходе опыта подтверждено, что при взаимодействии цинка с соляной кислотой выделяется водород.

Опыт 3. Домашний эксперимент «Получение водорода взаимодействием железных изделий с уксусной кислотой»

В домашних условиях проведен эксперимент. Были взяты уксусная кислота, изделия из железа и стеклянный стакан. После того как раствор уксусной кислоты был налит в стакан в нее был погружены болт и шайба, и при взаимодействии с уксусной кислотой выделился водород. Так как водород легкий газ, а значит, если закрыть стакан он будет скапливаться наверху. Закрыв стакан и подождав определенное количество времени, открыли стакан и поднесли к нему огонь. Так как водород – взрывоопасный газ, то произошел небольшой хлопок.

2СН3СООН  + Fe  = H2   +  (CH3COO)2Fe

Вывод: в ходе опыта подтвердили, что при взаимодействии железа с раствором уксусной кислоты выделяется водород.

3. Заключение

3.1.Анализ полученных данных теоретической и экспериментальной базы исследования

На основании проведенного исследования   можно сделать следующие выводы:

1. Водород очень лёгкий газ и в воздухе всегда поднимается вверх. Когда-то дирижабли и воздушные шары наполняли водородом. Но в 30-х гг. XX в. произошло несколько катастроф, в ходе которых дирижабли взрывались и сгорали. В наше время дирижабли наполняют гелием, несмотря на его существенно более высокую стоимость.

2. Водород практически не встречается в природе в чистой форме и извлекается из 

других соединений с помощью различных химических методов.

3. Водород используют в качестве ракетного топлива. Ведутся исследования по применению водорода как топлива для легковых и грузовых автомобилей. В водородно-кислородных топливных элементах используется водород для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую. При сжигании в чистом кислороде единственные продукты — высокотемпературное тепло и вода. Таким образом, при использовании водорода не образуются парниковые газы и не нарушается даже круговорот воды в природе. 

4.  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.

5. 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.

6.  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.

Все вышеизложенное, подтверждает выдвинутую в исследовании гипотезу: водород может стать альтернативной заменой современным видам топлива. 

Однако, для полноценной эксплуатации водорода необходимо разработать необходимую инфраструктуру с учетом физических и химических свойств этого газа.

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.

4. Список использованных информационных источников

1. Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Курс лекций.- М.: Просвещение, 2020.
2. Возобновляемая энергетика: вчера, сегодня, завтра/ П. П. Безруких // Электрические станции: Ежемесячный произв.-техн. журнал. - М.: Энергопрогресс, 2012. - № 2.- С. 35-47.
3. Галямов М. О., Хохлов А. Р. Топливные элементы с полимерной мембраной. – М.: Физический факультет МГУ, 2019. – 72 с
4. Григораш О.В. Автономные системы электроснабжения на возобновляемых источниках энергии/О.В. Григораш, П.Г. Корзенков // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) - Краснодар: КубГАУ, 2019. - №09 (093). С. 364 - 376.
5. Давтян O.K.Проблема непосредственного превращения химической энергии топлива в электрическую. М.: Дрофа, 2021. 150 с.
6. Ильин А.К., Пермяков В.В., Нетрадиционные источники энергии для автономных потребителей. – Владивосток: Изд-во ВГУЭС, 2019. – 36 с.
7. Коровин Н.В. Электрохимическая энергетика. М.: Энергоатомиздат, 1991. 264с.
8. Курс общей химии / Под ред. Н.В. Коровина. М.: Высш. шк., 1990. 446 с.
9. Лаврус В.С. Источники энергии. Глава 4. – К.: Наука и техника, 2020.
10. Овчинников К.А. Топливный элемент: настоящее и будущее, 

https://stroikaveka.org/vypusk3/toplivnyj-element-nastoyashhee-i-budushhee.html

11. Худяков С.А., ПоспеловB.C. // Наука и жизнь. 2019. № 9. С. 60-65.
12. http://www.bibliotekar.ru/alterEnergy/36.htm.
13. http://www.bibliotekar.ru/evrika/6-5.htm.
14. http://www.bibliotekar.ru/evrika/6-9.htm.

5. Приложение

5.1. Наблюдаемые явления получения водорода взаимодействием активного металла  с раствором соляной кислоты

Рис.1. Взаимодействие цинка с раствором соляной кислоты.

5.2. Наблюдаемые явления получения водорода взаимодействием железных изделий с уксусной кислотой

Рис.2. Взаимодействие железных изделий с раствором соляной кислоты.