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

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.

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 серосодержащих 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 I 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.

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.

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.

Состояние и тенденция развития

В настоящее время в России создан ряд демонстрационных установок, реализующих новые высокоэффективные и технологии получения и использования водорода из метана, природных серосодержащих газов с помощью плазменно-мембранной технологии. При этом исключаются катализаторы и традиционные жидкостные системы газораспределения. Оно осуществляется посредством мембранных аппаратов. Существующие в мире системы имеют вместо этой стадии громоздкий термокаталитический процесс, экологически некорректный, с более высокими энергозатратами (в 2-3 раза) и низкой удельной производительностью.

В настоящее время успешно завершаются исследования и разработки на уровне мощности 200 кВт на площадке ГНЦ "Курчатовский институт" и требуется переход к опытно-промышленной стадии на уровне мощности и производительности 10 м3 /ч. Предлагаемая технология не имеет мировых аналогов, к ней проявляет интерес ряд ведущих зарубежных фирм.

Для высокоэффективных электролизеров на основе на основе катионопроводящей мембраны МФ-4СК в настоящее время завершен цикл НИОКР и создано производство электролизеров с улучшенными показателями на базе российской технологии. Типоразмерный ряд доведен до производительности 20 м3 /ч и необходим завершающий этап по созданию 100 м3 /ч электролизера. Уровень лучших зарубежных разработок 50 м3 /ч на базе мембраны «Nation» по удельным характеристикам близок к основным параметрам, указанным выше [30, 11].

На базе той же отечественной мембраны в России созданы электрохимические генераторы 10 - 20 кВт, использующие водородо-воздушную смесь и имеющие КПД до 75%, при этом системы эмитируют только чистую воду, токсичные компоненты выброса отсутствуют полностью.

2.2 Сообщение 2. Выполняется учениками, на основе материалов, предоставленных учителем

Если в конце прошлого века самая распространенная сейчас проблема - энергетическая - играла, в общем, вспомогательную и незначительную в мировом балансе роль, то уже в 1930 году в мире было произведено около 30 миллионов миллиардов киловатт-часов! Гигантские цифры, небывалые темпы роста! И все равно энергии будет мало, потребности в ней растут еще быстрее.

Уровень материальной, а, в конечном счете, и духовной культуры людей находится в прямой зависимости от количества энергии, имеющейся в их распоряжении. Чтобы добыть руду, выплавить из нее металл, построить дом, сделать любую вещь, нужно израсходовать энергию. А потребности человека все время растут, да и людей становится все больше.

Неумолимые законы природы утверждают, что получить энергию, пригодную для использования, можно только за счет ее преобразований из других форм. Вечные двигатели, якобы производящие энергию и ниоткуда ее не берущие, к сожалению, невозможны. А структура мирового энергохозяйства к сегодняшнему дню сложилась таким образом, что четыре из каждых пяти произведенных киловатт получаются в принципе таким образом, что четыре из каждых пяти произведенных киловатт получаются в принципе тем же способом, который пользовался первобытный человек для согревания, то есть при сжигании топлива, или при использовании запасенной в нем химической энергии, преобразовании ее в электрическую на тепловых электростанциях.

Конечно, способы сжигания топлива стали намного сложнее и совершеннее.

Новые факторы - возросшие цены на нефть, быстрое развитие атомной энергетики, возрастание требований к защите окружающей среды - потребовали нового подхода к энергетике.

Хотя в основе энергетики ближайшего будущего по-прежнему останется теплоэнергетика на невозобновляемых ресурсах, структура ее изменится. Должно сократиться использование нефти. Существенно возрастает производство электроэнергии на атомных электростанциях. Начнется использование пока еще нетронутых гигантских запасов дешевых углей, например, в Кузнецком, Канско-Ачинском, Экибастузском бассейнах. Широко будет применяться природный газ, запасы которого в стране намного превосходят запасы в других странах.

Но, к сожалению, запасы нефти, газа, угля отнюдь не бесконечны. Природе, чтобы создать эти запасы, потребовались миллионы лет, а израсходованы они будут за сотни. Сегодня в море стали всерьез задумываться над тем, как не допустить хищнического разграбления земных богатств. Ведь лишь при этом условии запасов топлива может хватить на века. Что же произойдет тогда, когда месторождения нефти и газа будут исчерпаны? Происшедшее повышение цен на нефть, необходимую не только энергетике, но и транспорту, и химии, заставило задуматься о других видах топлива, пригодных для замены нефти и газа. Решение этой задачи исследователи ищут на разных путях. Самым заманчивым, конечно, является использование вечных, возобновляемых источников энергии - энергии текущей воды и ветра, океанских приливов и отливов, тепла земных недр, солнца. Много внимания уделяется развитию атомной энергетики, ученые ищут способы воспроизведения на Земле процессов, протекающих в звездах и снабжающих их колоссальными запасами энергии [31].

2.3 Сообщение 3. Выполняется учениками, на основе материалов, предоставленных учителем

Энергетические потребности, ресурсы и возможности

Человек с момента своего появления нуждался в энергетических ресурсах. На раннем этапе развития он удовлетворял эту потребность через пищу. Но с развитием человечества росли его энергетические потребности и расширялись возможности их удовлетворения. На первых этапах развития цивилизации использовались первичные природные энергетические ресурсы - древесина, затем ископаемый уголь. Постепенно начинает использоваться энергия ветра и воды [13]. Примитивные ветряные двигатели (ветряные мельницы) появились еще 2 тысячи лет назад. Природный битум начал использоваться 1 тысячу лет назад. Первые нефтяные скважины появились в XVII 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.

2.4 Сообщение 4. Выполняется учителем

Глобальные экологические проблемы энергетики

Последствия влияния энергетики на экологию Земли носит глобальный характер. 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 10 млрд. т условного топлива, а к 2000 году оно достигнет, по прогнозам экспертов, 18-23 млрд. т. Теплоэнергетика в основном 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.

Парниковый эффект. Повышение концентрации углекислого газа в атмосфере вызывает так называемый парниковый эффект, который получил название по аналогии с перегревом растении в парнике. Роль пленки в атмосфере выполняет углекислый газ. В последние годы стала известна подобная роль и некоторых других газов (CH4 и N2O). 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.

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, па К) г 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 [14].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 2010 г. производство азотных удобрений должно увеличиться в 100 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, то к 2010 г. расход энергии по сравнению с 1980 г. 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%-природньгй газ и 10% - нефть. 2% электроэнергии вырабатывается на ГЭС, а другие источники, такие как ядерный распад, древесина и прочие вырабатывают 1% энергии [15, 32] (рис. 1).

Нефти хватит еще приблизительно на 80 лет. Все запасы нефти разведаны. Разрабатываемые сейчас новые месторождения в Северном море обладают ограниченными запасами. Эти запасы недостаточны для того, чтобы обеспечить предполагаемый рост потребления энергии в Западной Европе, который удваивается каждые 8-10 лет. 2/3 добываемых запасов сосредоточены в Персидском заливе. Остальные находятся в России, Северной Америке и Африке. Нефтяная проблема еще больше усложняется в результате низкоэффективных способов добычи нефти. Местами из недр земли берется только 30-35% нефти. Поскольку цены на нее растут, экономически эффективной может стать вторичная добыча, что позволит поднять на поверхность 40-45% нефти.

Запасы природного газа более ограничены. Они приблизительно равны запасам энергии оставшихся угольных месторождений. Около 1/5 всех запасов природного газа сосредоточено в Северной Америке, 1/3 в России.

Основным источником энергии ископаемого топлива является каменный уголь. Из всех мировых запасов угля 52% - сосредоточены в России, 20%- в США, 9%- в Китае, 8%- в Канаде, 5%- в Западной Европе, остальное -в Океании, Центральной и Южной Америке (рис. 2).

Рис.2. Распределение залежей мировых запасов угля по странам

Около 97% угля можно извлечь только при помощи сооружения глубоких шахт. Хотя угля и много, он не является дешёвым источником энергии. Перевозки, труд, капиталовложения при строительстве новых глубоких шахт, контроль за загрязнением воды и воздуха - всё это увеличивает стоимость угля. Все сказанное выше достаточно для того, чтобы убедиться в необходимости перехода 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:

ь системы, основанные на возобновляемых источниках энергии;

ь системы, основанные на невозобновляемых источниках.

Каждый тип, в свою очередь, можно подразделить на несколько видов энергетических систем.

Таблица 2 Энергетические системы, пригодные для использования человеком

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6