--PAGE_BREAK--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
№ вида
Энергетические системы
ТИП 1
(основаны на возобновляемых источниках энергии)
1.
На:
гравитационных силах; молекулярном движении; движении приливов и волн; движении воздуха; геотермальных силах
2.
фотосинтезе растений; жизнедеятельности организма
3.
Фотохимических, фотоэлектрических и
термоэлектрических процессах
ТИП 2
(основаны на возобновляемых источниках энергии)
1.
На:
сжигании радиационного топлива
2.
внутриядерных процессах
3.
биохимическом преобразовании энергии
4.
водородном топливе
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:
Ø системы, основанные на возобновляемых источниках энергии;
Ø 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
Источник энергии
Состояние и экологичность
Перспективы использования
Уголь
Твердое
Химическое загрязнение атмосферы, условно принятое за 1
Потенциальные запасы 10125 млрд. т, перспективен не менее чем на 100 лет
Нефть
Жидкое
Химическое загрязгнение атмосферы 0, 6 условных единиц
Потенциальные запасы 270-290 млрд. т, перспективен не менее чем на 30 лет
Газ
Газообразное
Химическое загрязгнение атмосферы 0, 2 условных единиц
Потенциальные запасы 270 млрд. т, перспективен на 30 — 50 лет
Сланцы
Твердое
Значит. Количество отходов и трудно устраняемые выбросы
Запасы более 38400 млрд. т, малоперспективен из-за загрязнений
Торф
Твердое
Высокая зольность и эколог. нарушения в местах добычи
Запасы значительны: 150 млрд. т, малоперспективен из-за высокой зольности и экол. нарушений в местах выработки
Гидроэнергия
Жидкое
Нарушение экологич. баланса
Запасы 890 млн. т нефт. эквивалента
Геотермальная энергия
Жидкое
Химическое загрязнение
Неисчерпаемы, перспективен
Солнечная энергия
Практически неисчерпаем
Энергия приливов
Жидкое
Тепловое загрязнение
Практически неисчерпаем
Энергия атомного распада
Твердое
Запасы физически исчерпаемы, экологически опасен
SHAPE \* MERGEFORMAT
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.
1.3.4 Состояние и тенденция развития
В настоящее время в России создан ряд демонстрационных установок, реализующих новые высокоэффективные 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 1 МВт и производительности 10 м3/час. Предлагаемая технология не имеет мировых аналогов, к ней проявляет интерес ряд ведущих зарубежных фирм.
Для высокоэффективных электролизеров 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/час и необходим завершающий этап по созданию 100 м3/час электролизера. Уровень лучших зарубежных разработок 50 м3/час на базе мембраны «Nafion» по удельным характеристикам близок к основным параметрам, указанным выше [5].
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.
1.3.5 Влияние водородной энергетики на окружающую среду
При рассмотрении основных принципов водородной энергетики и ее влияния на окружающую среду, нельзя ограничиваться лишь загрязнением воздуха, так как это не единственный тип загрязнения. При сравнении различных энергетических источников следует обсудить и другие аспекты. Под этим можно подразумевать эффективность источников энергии, поэтому важно сопоставить водородную энергетику с другими энергетическими системами, такими как уголь — синтетическое топливо, атомная энергия — водород, атомная энергия — электричество и др.
С точки зрения охраны окружающей среды варианты водородной энергетики оцениваются выше старых энергетических систем, использующих ископаемые топлива. Заслуживает внимания тот факт, что, хотя энергетическая система солнечная система — водород самая безопасная по отношению к окружающей среде, все же система солнечная энергия — электричество будет эффективнее, так как в ней используется меньшее количество материалов. Предполагается что система солнечная система — водород будет работать в сочетании с фотогальваническими элементами, в которых расходуется большое количество кремния. Поэтому, если система море-солнце или с ветровой энергией, то влияние на окружающую среду будет меньше, и энергетическая система солнечная система водород будет более приемлемой, чем система солнечная система — электричество [6].
продолжение
--PAGE_BREAK--1.3.6 Дополнительные сведения о применении водорода в бытовых целях
Вся энергия, предназначенная для бытовых целей, может быть получена из водорода (освещение, отопление и приготовление пищи). Однако это не самый оптимальный путь применения водорода.
Освещение, отопление и приготовление пищи. Для освещения не обязательно применять электричество, можно воспользоваться «холодным светом», получаемым при взаимодействии водорода с фосфором. Для приготовления пищи, отопления помещений может быть использован специальный керамический материал. Однако отопление помещений лучше осуществлять с помощью электрических насосов.
Электричество в доме. По-видимому, при внедрении водородной энергетики уменьшится потребление электроэнергии в жилых домах. Снизятся затраты на работу различных электронных устройств. Однако для снабжения водородом зданий необходимо полностью переоборудовать трубопроводы, горелки и большую часть другого оборудования [1].
1.3.7 Пути развития водородной энергетики
Следует сразу установить, что преимущества водородной энергетики могут быть достигнуты только путем постадийного внедрения этой энергетики (исследование, проектирование, создание опытной установки, небольшая проверка, более крупная проверка и, наконец, полный переход на водородную энергетику). На первой стадии в качестве источника для получения водорода можно использовать уголь, который при нагревании с водой образует смесь СО и Н2; СО затем будет окислен до СО2 и выброшен в атмосферу, а Н2 доставят по трубопроводу на ближайшую установку. Здесь он может быть использован для получения электричества.
Во второй стадии в качестве источника энергии для получения водорода может быть использована ядерная установка; образующийся водород затем будет доставляться в город и применяться для получения электроэнергии или для работы части транспорта.
На третьей стадии может быть использован маленький город (например, с населением 10 000), где будет построена станция для сбора солнечной энергии. Если это гористая местность, можно установить экспериментальные крупные аэрогенераторы.
Важной является четвертая стадия освоения, на осуществление которой необходимы суммы, исчисляемые миллиардами. На этой стадии следует перевести часть энергетики на водород, например, жилищно-коммунальное хозяйство, транспорт, промышленность.
Экологическая «чистота» водорода не вызывает сомнений, если учесть, что практически единственным продуктом его сгорания является вода и что в этом случае полностью отсутствуют характерные для углеводородных топлив загрязняющие атмосферу соединения типа диоксидов углерода и серы, а также паров углеводородов. Кроме того, водород это и достаточно калорийное топливо. По теплотам сгорания (34 ккал/г) он намного превосходит такие классические виды топлива, как углеводороды (10 ккал/г) и древесина (4 ккa/г). Конечно, нельзя не учитывать и большие трудности, связанные с решением и ряда дополнительных задач, таких, как:
а) поиск и разработка первичных источников энергии, которые могут быть использованы для синтеза водорода;
б) безопасность хранения, транспорта и больших количеств газообразного и жидкого водорода;
в) эффективное преобразование энергии водорода при решении ряда конкретных энергетических задач.
Если говорить о поисках и разработках первичных источников, которые могут быть использованы для синтеза водорода, то, вероятно, следует начать с простейшего способа, известного каждому, кто хотя бы немного знаком с химией, — взаимодействия кислот и оснований с металлами:
Zn + (2HCl)aq → (ZnC12)aq + H2 ↑
Аl + (2NaOH)aq → (NaAIО2)aq + 3/2H2↑
В плане дальнейшего изложения очень важно подчеркнуть, что перспективными для создания водородной энергетики могут считаться только способы, основанные на использовании воды в качестве исходного сырья. Поэтому в дальнейшем при написании тех или иных уравнений химических реакций индекс «aq», характеризующий водную среду, будет опускаться.
Процесс необратим и для получения металла из образовавшихся оксидов (для повторного их применения) требует значительных затрат энергии.
Заслуживают внимания три варианта получения водорода из органического сырья.
Один из них — паровая конверсия металла, являющегося главным компонентом природного газа:
СН4 + Н2О → СО + 3Н2 — 50 ккал
СО + Н2О → СО + Н2 + 10 ккал
______________________________
СН4 + 2Н2О → СО2 + 4Н2 — 40 ккал
Второй более совершенный вариант основывается на парокислородной конверсии:
2СН4 + О2 → 2СО + 4Н2 + 16 ккал
СН4 + Н2О → СО + 3Н2 — 50 ккал
______________________________
7СН4 + 3О2 + Н2О → 7СО + 15Н2
Последующий процесс, связанный с конверсией СО, протекает, как и в первом варианте. Однако, как следует из уравнений в обоих вариантах, требуется затрата больших количеств дефицитного природного газа как исходного сырья.
Третий вариант основан на использовании процесса газификации угля:
2Ств + О2 → 2СО + 55 ккал
СТВ + Н2О пар → СО + Н2 — 30 ккал
Комбинацией этих двух реакций можно получить смесь СО и Н2 называемую «водяным газом» или «синтез газом». В последнее время метод получения водорода из воды и угля считается одним из наиболее перспективных. Весьма перспективным, по мнению специалистов, является вариант использования водяного пара для восстановления окислов железа при 800-9000С:
2FезО4+ СО + Н2→ 6FеО +Н2О+ СО2 — 22 ккал
с последующей обработкой FeO водяным паром при 600-700 0С. После конденсации паров воды можно получить чистый водород:
3FeO+Н2О→FeзО4 + Н2 + 16ккал
Экономичность процесса здесь возрастает вследствие того, что последняя реакция экзотермична и позволяет некоторое количество выделяющегося тепла использовать для нагрева водяного газа до температур, при которых в соответствии с данной реакцией имеет место восстановление окислов железа. Несмотря на определенные трудности, железопаровой вариант получения водорода привлекает в настоящее время внимание большого числа исследователей во всех странах мира, поскольку связан с возможностью использования дешевых низкосортных углей в качестве восстановителя водяного газа. Казалось бы, самым простым и чистым способом получения водорода должен быть электролизный способ, непосредственно расщепляющий молекулу воды на водород и кислород. Однако этот процесс сам требует много электрической энергии и экономически пока остается невыгодным [2, 4, 5-15].
В электрохимии имеется такое понятие, как перенапряжение. Оно связано с избыточным напряжением, которое нужно приложить к электролитической ванне сверх ее равновесной электродвижущей силы для того, чтобы мог протекать процесс электролиза. При электролизе воды с целью получения водорода на катоде перенапряжение увеличивает необходимое электрическое напряжение и происходит дополнительный расход энергии. При величине напряжения в 0,3 В на каждые 1000 кг водорода требуется дополнительный расход 8300 квт-ч электроэнергии. Большая величина перенапряжения выделения водорода обусловливает то, что стоимость электролизного водорода пока в 2 — 2,5 раза выше стоимости водорода, получаемого из природного газа. В этой связи, однако, заслуживает должного внимания возможность практического осуществления варианта комбинирующего электролиза с прямым пиролизом воды. Последняя реакция (реакция пиролиза воды) сама по себе кажется весьма перспективной и первоначально заслуживает самостоятельного рассмотрения [4, 16-18].
l.3.8 Пuролuз воды
Для того, чтобы получать водород за счет термического разложения воды
2 Н2О ↔ Н2 + О2
нужно очень много тепла, т.е. нужно нагревать водяной пар до температур порядка нескольких тысяч градусов. Такой процесс может быть осуществлен только с применением устройств типа дугового плазмотрона. Однако здесь может быть применен принцип так называемых термохимических циклов, сущность которого состоит в том, что сильно эндотермический процесс разложения воды может быть расчленен на ряд последовательно чередующихся эндо — и экзотермических стадий, каждая из которых для своего осуществления требует значительно более низких температур, чем реакция (13). В свою очередь, возможность получения водорода путем термохимических реакций с использованием низкотемпературного тепла (700 — 900 ОС) открывает перспективы широкого использования тепла атомных реакторов. Это тем более заманчиво, что таким образом решаются проблемы получения водорода и утилизации тепла атомных реакторов, которое представляет возможную угрозу тепловому балансу в биосфере. Как правило, экзотермические стадии связаны с образованием неустойчивых продуктов окисления, и в частности кислорода в реакции (13). Совершенно очевидно, что в нашем случае для того, чтобы термохимический цикл не «разомкнулся», нужно, чтобы продукты окисления обладали невысокой термической стабильностью и легко отдавали кислород при умеренном нагревании.
Таким образом, простейший, скажем двухстадийный (в идеале), цикл можно схематически представить следующим образом:
Х + Н2О → ХО + Н2;
ХО → Х + 1/2 О2.
Здесь первая стадия идет с выделением тепла самопроизвольно или при нагревании до невысоких температур, а вторая стадия протекает с поглощением тепла. Идеальный двухстадийный цикл пока трудно предложить. Более реальны трех-четырехстадийные термохимические циклы, как, например, цикл, именуемый «Марк-9»:
2FeCl2+ 8Н2О(г) →2Fе2Оз + 12НСI + 2Н2О; (15)
2FезО4+ ЗСl2 + 12НСI →6FеСlз+ 6Н2О (г) +О2; (16)
6FеСlз→ 6FeCl2+ ЗСl2 (17)
Стадия (15) эндотермична: 600 — 700 єС; стадия (16) экзотермична: 150 — 200 єС; стадия (17) эндотермична: 400 – 450 єС. Следует, однако, указать, что в данном термохимическом цикле, равно как и в других разрабатываемых циклах, приходится сталкиваться с многими трудностями технического характера, усложняющими на сегодня практическую реализацию этих вариантов в широких масштабах. По мнению специалистов, значительно ближе к осуществлению варианты термоэлектрохимического разложения воды, комбинирующего термохимические циклы с электрохимическими. Примером может служить сернокислотный цикл, основанный на том, что потенциал окисления сернистой кислоты до серной (0,18 В) существенно ниже потенциала «окисления» воды (1,3 В):
Н2SОз + SОз + 3 Н2О → 2H2SО4+ 2Н2 (18)
2Н2SО4→ 2Н2О + 2Н2, + SO2+ О2, (19)
где стадия (19) — эндотермическая реакция при 800 – 900 єС и давлении до 10 атм, а стадия (18) — обычный электролиз водного раствора сернистой кислоты, протекающий при нормальной температуре [3, 4].
Из всего сказанного следует, что у водородной энергетики при условии ее дальнейшего совершенствования есть великолепный шанс внести ощутимый вклад в энергетическую систему мира [19 — 22].
Глава 2. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОЗДАНИЯ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ (ДЛЯ УЧАЩИХСЯ СРЕДНЕЙ ШКОЛЫ)
Введение в проблему водородной энергетики для учащихся 9 классов на первом этапе возможно в виде как приведенных ниже выполненных самим учителем докладов, так и небольших сообщений, подготовленных самими учениками [23-24].Первое вводное сообщение выполняется учителем:
2.1 Сообщение 1. Суть 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.
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 в1,5 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.
продолжение
--PAGE_BREAK--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 онудовлетворял 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).
SHAPE \* MERGEFORMAT
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:
ü системы, основанные на возобновляемых источниках энергии;
ü 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
№ вида
Энергетические системы
Тип I(основаны на возобновляемых источниках энергии)
1.
На: гравитационных силах; молекулярном движении; движении приливов и волн; движении воздуха; геотермальных силах
2.
фотосинтезе растении; жизнедеятельности организма
3.
фотохимических, фотоэлектрических и термоэлектрических процессах
Тип II(основаны на возобновляемых источниках энергии)
1.
На: сжигании радиационного топлива
2.
внутриядерных процессах
3.
биохимическом преобразовании энергии
4.
водородном топливе
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% [14, 29].
2.5 Сообщение 5. Выполняется учениками, на основе материалов, предоставленных учителем
Влияние водородной энергетики на окружающую среду
При рассмотрении основных принципов водородной энергетики и ее влияния на окружающую среду, нельзя ограничиваться лишь загрязнением воздуха, так как это не единственный тип загрязнения. При сравнении различных энергетических источников следует обсудить и другие аспекты. Под этим можно подразумевать эффективность источников энергии, поэтому важно сопоставить водородную энергетику с другими энергетическими системами, такими как уголь — синтетическое топливо, атомная энергия — водород, атомная энергия — электричество и др.С точки зрения охраны окружающей среды варианты водородной энергетики оцениваются выше старых энергетических систем, использующих ископаемые топлива. Заслуживает внимания тот факт, что, хотя энергетическая система солнечная система — водород самая безопасная по отношению к окружающей среде, все же система солнечная энергия — электричество будет эффективнее, так как в ней используется меньшее количество материалов. Предполагается что система солнечная система — водород будет работать в сочетании с фотогальваническими элементами, в которых расходуется большое количество кремния. Поэтому, если система море-солнце или с ветровой энергией, то влияние на окружающую среду будет меньше, и энергетическая система солнечная система — водород будет более приемлемой, чем система солнечная система — электричество [13].
2.6 Сообщение 6. Выполняется учениками
Дополнительные сведения о применении водорода в бытовых целях
Вся энергия, предназначенная для бытовых целей, может быть получена из водорода (освещение, отопление и приготовление пищи). Однако это не самый оптимальный путь применения водорода.
Освещение, отопление и приготовление пищи. Для освещения не обязательно применять электричество, можно воспользоваться «холодным светом», получаемым при взаимодействии водорода с фосфором. Для приготовления пищи, отопления помещений может быть использован специальный керамический материал. Однако отопление помещений лучше осуществлять с помощью электрических насосов.
Электричество в доме. По-видимому, при внедрении водородной энергетики уменьшится потребление электроэнергии в жилых домах. Снизятся затраты на работу различных электронных устройств. Однако для снабжения водородом зданий необходимо полностью переоборудовать трубопроводы, горелки и большую часть другого оборудования [12].
Переработка сточных вод. Обычно сточные воды должны пройти по трубопроводам несколько, прежде чем попадут на специализированные станции по их переработке. Имеются ряд способов переработки мусора и сточных вод с применением метана, который затем может быть использован при вторичном производстве энергии. При подаче по трубопроводу кислорода сточные воды могут быть подвергнуты аэробной обработке: при температуре около 100 °С и взаимодействии с чистым кислородом, образуется СО2 [1].
2.7 Сообщение 7. Выполняется учителем при заключении темы
Пymuразвития водородной энергетики
Следует сразу установить, что преимущества водородной энергетики могут быть достигнуты только путем постадийного внедрения этой энергетики (исследование, проектирование, создание опытной установки, небольшая проверка, более крупная проверка и, наконец, полный переход на водородную энергетику). На первой стадии в качестве источника для получения водорода можно использовать уголь, который при нагревании с водой образует смесь СО и Н2; СО затем будет окислом до СО2 и выброшен в атмосферу, а Н2 доставят по трубопроводу па ближайшую установку. Здесь он может быть использован для получения электричества.
Во второй стадии в качестве источника энергии для получения водорода может быть использована ядерная установка; образующийся водород затем будет доставляться в город и применяться для получения электроэнергии или для работы части транспорта.
На третьей стадии может быть использован маленький город (например, с населением 10 000), где будет построена станция для сбора солнечной энергии. Если это гористая местность, можно установить экспериментальные крупные аэрогенераторы.
Важной является четвертая стадия освоения, на осуществление которой необходимы суммы, исчисляемые миллиардами. На этой стадии следует перевести часть энергетики на водород, например, жилищно-коммунальное хозяйство, транспорт, промышленность [8].
Экологическая «чистота» водорода не вызывает сомнений, если учесть, что практически единственным, продуктом его сгорания является вода и что в этом случае полностью отсутствуют характерные для углеводородных топлив загрязняющие атмосферу соединения типа диоксидов углерода и серы, а также паров углеводородов. Кроме того, водород — это и достаточно калорийное топливо. По теплотам сгорания (34 ккал/г) он намного превосходит такие классические виды топлива, как углеводороды (10 ккал/г) и древесина (4 ккал/г). Конечно, нельзя не учитывать и большие трудности, связанные с решением и ряда дополнительных задач, таких, как:
а) поиск и разработка первичных источников энергии, которые могут быть использованы для синтеза водорода;
б) безопасность хранения, транспорта и больших количеств газообразного и жидкого водорода;
в) эффективное преобразование энергии водорода при решении ряда
конкретных энергетических задач.
Если говорить о поисках и разработках первичных источников, кото-
рые могут быть использованы для синтеза водорода, то, вероятно, следует
начать с простейшего способа, известного каждому, кто хотя бы немного
знаком с химией, — взаимодействия кислот и оснований с металлами:
Zn + (2HCl)aq → (ZnC12)aq + H2 ↑
Аl + (2NaOH)aq → (NaAIО2)aq + 3/2H2↑
В плане дальнейшего изложения очень важно подчеркнуть, что перспективными для создания водородной энергетики могут считаться только способы, основанные на использовании воды в качестве исходного сырья. Поэтому в дальнейшем при написании тех или иных уравнений химических реакций индекс "aq", характеризующий водную среду, будет опускаться. Процесс необратим и для получения металла из образовавшихся оксидов(для повторного их применения) требует значительных затрат энергии.
продолжение
--PAGE_BREAK--