Альтернативная водородная энергетика как элемент школьного раздела химии: "Физико-химические свойства водорода"

Оба способа получить водород из воды пока дороже, чем из природного газа. Однако природный газ дорожает, а методы разложения воды совершенствуются. Через какое-то время получать водород из воды станет дешевле. В отдельных случаях и сейчас выгодно получать водород с помощью электролиза в ночные часы, когда имеется лишняя и дешевая электроэнергия.

Водородная энергетика бурно развивается, но недаром все чаще говорят об атомно-водородной энергетике. Требуются большие энергетические расходы для получения водорода. Тандем «ядерный реактор - водородный генератор» - претендует ныне на роль энергетического лидера в экономике нынешнего, XXI, века.

Этапы развития водородной энергетики, изложенные выше, показывают, что она является реальной перспективой альтернативной энергетики. Это диктует подготовку высококвалифицированных специалистов - энергетиков с экологической направленностью. Формирование таких специалистов начинается в школе. С этой точки зрения, прочным фундаментом или одним из кирпичиков такого фундамента может послужить методически правильное и оформленное освоение раздела «Водород» школьного курса химии, сочетающего элементы технологии и экологии водородной энергетики.

1.2 Энергетика сегодня

1.2.1 Энергетические потребности, ресурсы и возможности

На первых этапах развития цивилизации использовались первичные природные энергетические ресурсы - древесина, затем ископаемый уголь. Постепенно начинает использоваться энергия ветра и воды. Примитивные ветряные двигатели (ветряные мельницы) появились еще 2 тысячи лет назад. Природный битум начал использоваться 1 тысячу лет назад. Первые нефтяные скважины появились в ХУН веке, а в середине XIX века началась промышленная добыча нефти и газа. В эпоху индустриализации потребность в энергетических ресурсах резко увеличивается, но расширяются и возможности человечества: началось производство электроэнергии с использованием гидроресурсов, энергии Солнца и атомной энергии. Использование энергетических ресурсов во все времена ограничивалось запасами природных энергоресурсов, возможностями человека извлекать энергию из этих энергоресурсов и последствиями их извлечения и использования.

1.2.2 Экологические проблемы энергетики и пути их решения

Воздействие энергетики на окружающую среду разнообразно и определяется видом энергоресурсов и типом энергоустановок. Приблизительно 1/4 всех потребляемых энергоресурсов приходится на долю электроэнергетики. Остальные 3/4 приходятся на промышленное и бытовое тепло, на транспорт, металлургические и химические процессы. Ежегодное потребление энергии в мире приближается к 22 млрд. т. Теплоэнергетика в основном потребляет твердое топливо. Самое распространенное твердое топливо нашей планеты - уголь. И с экологической и с экономической точки зрения метод прямого сжигания угля для получения электроэнергии - не лучший способ использования твердого топлива. При сжигании жидкого топлива с дымовыми газами в атмосферу воздуха поступают: сернистые ангидриды, оксиды азота, окись и двуокись углерода, газообразные и твердые продукты неполного сгорания топлива, соединения ванадия, соли натрия, и др. С точки зрения экологии жидкое топливо менее вредно, чем уголь. Если уровень загрязнения атмосферы при использовании угля принять за 1, то сжигание мазута даст 0,6, а использование природного газа снижает эту величину до 0,2.

1.2.2.1 Парниковый эффект

Повышение концентрации углекислого газа в атмосфере вызывает так называемый парниковый эффект, который получил название по аналогии с перегревом растений в парнике. Роль пленки в атмосфере выполняет углекислый газ. В последние годы стала известна подобная роль и некоторых других газов (СН4 и N2О). Количество метана увеличивается ежегодно на 1 %, углекислого газа - на 0,4%, закиси азота - на 0,2%. Считается, что углекислый газ ответственен за половину парникового эффекта.

1.2.2.2 Загрязнение атмосферы

Негативное влияние энергетики на атмосферу сказывается в виде твердых частиц, аэрозолей и химических загрязнений. Особое значение имеют химические загрязнения. Главным из них считается сернистый газ, выделяющийся при сжигании угля, сланцев, нефти, в которых содержатся примеси серы. Некоторые виды угля с высоким содержанием серы дают до 1 т сернистого газа на 1О т сгоревшего угля. Сейчас вся атмосфера земного шара загрязнена сернистым газом. Идет окисление до серного ангидрида, а последний вместе с дождем выпадает на землю в виде серной кислоты. Эти осадки называют - кислотными дождями. То же самое происходит и после поглощения дождем диоксида азота - образуется азотная кислота [2].

1.2.2.3 Озоновые "дыры"

Впервые уменьшение толщины озонового слоя было обнаружено над Антарктидой.

Этот эффект - результат антропогенного воздействия. Сейчас обнаружены и другие озоновые дыры. В настоящее время заметно уменьшение количества озона в атмосфере над всей планетой. Оно составляет 5-6% за десятилетие в зимнее время и 2-3% - в летнее время. Некоторые ученые считают, что это проявление действия фреонов (хлорфторметанов), но озон разрушается также оксидом азота, которые выбрасываются предприятиями энергетики. Отрицательное влияние атомных электростанций сказывается, прежде всего, на атмосфере. Правда, при нормальной работе АЭС вероятность радиоактивного загрязнения невелика. Но в случае аварии воздействие радиоактивных выбросов носит глобальный характер.

Сегодня глобальная среднегодовая потребность в энергии составляет ~8 трлн. ватт.

Иными словами для обеспечения нужд одного жителя Земли нужно 12 человек обслуживающего персонала.

Если наш образ жизни, будет и дальше так развиваться, как сейчас, то в будущем потребность в энергии станет громадной. Если производство продовольствия будет идти в ногу с ростом населения, то к 2000 г. производство азотных удобрений должно увеличиться в 1 00 раз. Одно лишь это потребует около 20% объёма ныне производимой энергии. Опреснённая вода, которая часто рассматривается как неотъемлемая часть будущего, для своего получения требует громадных затрат энергии.

Среднегодовое потребление энергии увеличивается на 5.7%. Если этот темп сохранится, за следующие 20 лет расход энергии увеличится в 4.5 раза. Основным источником получения энергии в мире дающим 97% её количества является ископаемое топливо, в том числе 38% составляет уголь, 19%-природный газ и 10%- нефть.2% электроэнергии вырабатывается на ГЭС, а другие источники, такие как ядерный распад, древесина и прочие вырабатывают 1 % энергии [3].

Таблица 1.

Энергетические системы, пригодные для использования человеком

Всего сказанного выше достаточно для того, чтобы убедиться в необходимости пере хода человечества на новые виды энергии, не связанные со сжиганием традиционного топлива. Для удобства рассмотрения вопросов поиска новых источников энергии кажется целесообразным, прежде всего, все существующие на земном шаре энергетические системы, использование которых осуществляется или потенциально может осуществляться человеком, разделить условно на два типа:

Ш системы, основанные на возобновляемых источниках энергии;

Ш системы, основанные на невозобновляемых источниках.

Каждый тип, в свою очередь, можно подразделить на несколько видов энергетических систем (табл. 1).

Системы, относящиеся к первому виду, малоперспективны, несмотря на их экологическую чистоту. В начале века, по имеющимся оценкам, они смогут удовлетворить мировые потребности лишь на 5 - 10% [4].

Таблица 2 Различные источники энергии, их состояние, экологичность, перспективы развития

Схема 1 . Энергетические ресурсы и структура использования

Соотношение используемых энергетических ресурсов в истории человечества менялось с развитием цивилизации в зависимости от истощения исчерпаемых энергоресурсов, возможности использования и экологических последствий. За последние 200 лет можно выделить три этапа:

можно выделить три этапа:

угольный этап охватывающий весь XIX век и первую половину ХХ века, в это время преобладает потребление угольного топлива;

нефтегазовый этап со второй половины ХХ века до 80-х годов, на смену углю приходит газ и нефть как более эффективные энергоносители чем твердые;

начиная с 80-х годов начинается постепенный переход от использования минеральных исчерпаемых ресурсов к неисчерпаемым (энергии Солнца, воды, ветра, приливов и т.д.).

Особо следует сказать о ядерной энергетике. С начала мирового энергетического

кризиса роль атомной энергетики возросла. Но уже в начале 80-х годов рост потребления атомной энергии замедлился. В большинстве стран были пересмотрены планы сооружения АЭС. Это было последствием ряда экологических загрязнений при авариях, особенно в результате Чернобыльской катастрофы. Именно в этот период многие страны приняли решение о полном или постепенном отказе от развития атомной энергетики.

1.3 Особенности альтернативной водородной энергетики

Водородная энергетика включает следующие основные направления:

Разработка эффективных методов и процессов крупномасштабного получения дешевого водорода из метана и сероводородсодержащего природного газа, а также на базе разложения воды; технологии хранения, транспортировки и использования водорода в энергетике, промышленности, на транспорте.

1.3.1 Назначение, основные функциональные показатели

Водородная технология позволит остановить прогрессирующий рост загрязнения окружающей среды, исключив или принципиально сократив эмиссию токсикоагентов в тропосферу, в том числе, приземный слой атмосферы.

При получении больших объемов водорода из метана и серо содержащих природных газов может быть использована плазменно-мембранная технология удельной производительностью более чем в 100 раз выше по сравнению с традиционной. Удельные энергозатраты на производство 1 м3 водорода оказываются ниже реализованных в традиционной технологии в 2-3 раза (около 1 кВт/ч).

Производство водорода из воды возможно на новом типе электролизеров на базе катионопроводящей мембраны МФ-4СК, выпускаемой в России и обеспечивающей получение водорода более высокой чистоты с удельными энергозатратами в 1,5 меньшими, чем у традиционных систем. Удельная производительность аппаратов в 10 раз выше, чем у предыдущего поколения.

1.3.2 Область применения

Водородная технология используется для автономного обеспечения различных видов наземного транспорта и жидководородных силовых установок для авиации, стационарных энергосистем с водородным аккумулированием энергии (ветровые, солнечные и другие виды энергоустройств). Применение водорода в химии, газо- и нефтехимии, производстве минеральных удобрений, биотехнологии, металлургии и т.д. позволит отказаться от традиционной организации процесса, повысить его качество и экономичность при ликвидации полного или основного выброса загрязняющих веществ в атмосферу.

1.3.3 Основания для выбора

Технология даст возможность крупномасштабно получать дешевый водород в качестве ценного сырья и реагента при производстве удобрений, метанола, а также в процессах переработки нефти. Ресурсы сырья практически неограниченны. Водород является экологически чистым энергоносителем и его применение в энергетике, промышленности и на транспорте окажет положительное влияние на состояние окружающей среды.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6