VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Новые источники сил и энергии, появление которых, в свою очередь, ускоряло рост производства, науки, численности и благосостояния населения, вследствие этого развития увеличиваются потребности в энергоресурсах.Впервые явления, которые сегодня называют электрическими, были замечены в древнем Китае, Индии, а позднее в древней Греции. Древнегреческий философ Фалес Милетский в VI веке до нашей эры отмечал способность янтаря, натертого мехом или шерстью, притягивать обрывки бумаги, пушинки и другие легкие тела. От греческого названия янтаря – «электрон» – это явление стали называть электризацией. Описав удивительные свойства янтаря в поэтических легендах, древние греки так и не продолжили его изучение. Следующего прорыва в деле покорения свободной энергии человечеству пришлось ждать много веков. Зато когда он все-таки был совершен, мир в буквальном смысле слова преобразился. Еще в 3 тысячелетии до н.э. люди использовали паруса для лодок, но только в VII в. н.э. изобрели ветряную мельницу с крыльями. Началась история ветряных двигателей. Водяные колеса использовали на Ниле, Евфрате, Янцзы для подъема воды, вращали их рабы. Водяные колеса и ветряные мельницы вплоть до ХVII века являлись основными типами двигателей. истории попыток использования пара записаны имена многих ученых и изобретателей. Так Леонардо да Винчи оставил 5000 страниц научных и технических описаний, чертежей, эскизов различных приспособлений.

Джанбаттиста Делла Порта исследовал образование пара из воды, что было важно для дальнейшего использования пара в паровых машинах, исследовал свойства магнита. В 1774 году Уатт Джеймс в результате ряда экспериментов создал уникальную паровую машину. Для обеспечения работы двигателя он применил центробежный регулятор, соединённый с заслонкой на выпускном паропроводе. Уатт детально исследовал работу пара в цилиндре, впервые сконструировав для этой цели индикатор. В 1782 году Уатт получил английский патент на паровой двигатель с расширением. Он же ввёл первую единицу мощности — лошадиную силу (позднее его именем была названа другая единица мощности — ватт). Паровая машина Уатта благодаря экономичности получила широкое распространение и сыграла огромную роль в переходе к машинному производству.В начале XIX века опыты с электрическим током привлекали внимание ученых из разных стран. В 1802 году итальянский ученый Романьози обнаружил отклонение магнитной стрелки компаса под влиянием электрического тока, протекавшего по расположенному вблизи проводнику. Воодушевленный открытиями Эрстеда и Ампера, другой ученый, англичанин Майкл Фарадей предположил, что не только магнитное поле может воздействовать на магнит, но и наоборот – двигающийся магнит будет оказывать воздействие на проводник. Серия опытов подтвердила эту блестящую догадку – Фарадей добился того, что подвижное магнитное поле создало в проводнике электрический ток. Позже это открытие послужило основой для создания трех главных устройств электротехники – электрического генератора, электрического трансформатора и электрического двигателя.

Нефть и горючие газы известны человечеству с древнейших времен. Учеными установлено, что более 500 тыс. лет назад нефть уже была обнаружена на берегу Каспийского моря, а за 6 тыс. лет до нашей эры наблюдался выход на поверхность земли нефтяного газа на Кавказе и в Средней Азии. В средние века нефть применялась для освещения улиц в ряде городов Ближнего Востока, Южной Италии и др. В начале XIX в. в России, а в середине XIX в. в Америке из нефти было получено осветительное масло, названное керосином. Керосин использовался в лампах, изобретенных во Львове в 1853 г. Со второй половины XIX в. спрос на нефть стал возрастать в связи с широким использованием паровых машин и развитием промышленности, которая требовала больших количеств смазочных веществ и более мощных, чем сальные свечи, источников света. Внедрение в конце 60-х годов ХІХ века бурения нефтяных скважин считается началом зарождения нефтегазовой промышленности На рубеже XIX–XX вв. были изобретены дизельный и бензиновый двигатели внутреннего сгорания. Внедрение их в практику привело к бурному развитию нефтедобывающей промышленности. Практическое использование горючего газа началось в первой половине XIX в. Сначала в Лондоне, а затем в Париже, Нью-Йорке, Берлине, Петербурге, Львове, Варшаве, Москве, Одессе, Харькове и Киеве появились газовые горелки, освещавшие улицы и жилые дома. Это был искусственный газ, который получали при переработке каменного угля и горючих сланцев. Широкое применение в промышленных масштабах природный горючий газ получил лишь в 20–30-х годах ХХ столетия.Сейчас нефть и природный газ являются основой мирового топливно-энергетического баланса. Продукты переработки нефти и горючих газов широко используются во всех отраслях промышленности, сельского хозяйства, на транспорте и в быту. Трудно перечислить все области применения нефти и природного газа, настолько их роль в жизни современного общества многогранна.

Таким образом, обеспеченность мировой экономики топливно-энергетическими ресурсами – одна из важнейших проблем, стоящих перед человечеством.

Основная часть

1. Наиболее распространенные энергоресурсы

Приро́дный газ — смесь газов. Основа которой на 70-98% метан. Говорят, в мире природного газа много. Давайте считать. Специалисты ОПЕК насчитали 200 триллионов метров кубических. Добывают каждый год в мире по 3,46 триллиона метров кубических. Выходит, что газа нам хватит на 57 лет при современном потреблении.

Нефть - смесь сложных углеводородов и некоторых других химических соединений. Разведанные запасы нефти составляют 1467 млрд баррелей. Мировая добыча ресурса составляет примерно 32.8 млрд баррелей в год. Эксперты Всемирного энергетического совета подсчитали, что разведанных запасов нефти человечеству может хватить только на 56 лет.

Каменным углём называют осадочную породу - состоящую из смеси высокомолекулярных ароматических соединений, а также воды и летучих веществ с небольшим количеством примесей. Достоверные запасы угля сегодня оцениваются в 860 млрд.т. Мировая добыча угля составляет 4,7 млрд. т. в год.

Таким образом при сегодняшних темпах разработки месторождений запасы разведанного угля кончаться через 189 лет.

Горючий сланец — полезное ископаемое из группы твёрдых каустобиолитов, дающее при сухой перегонке значительное количество смолы, близкой по составу к нефти. По разным оценкам, в мировых запасах сланца содержится от 550 до 630 миллиардов тонн сланцевой смолы. За счет малого количества добычи в мире невозможно точно рассчитать точную дату опустошения этих запасов.

Гидроэне́ргия — энергия, сосредоточенная в потоках водных масс в русловых водотоках и приливных движениях. Чаще всего используется энергия падающей воды. Для повышения разности уровней воды, особенно в нижних течениях рек, сооружаются плотины.

1. Альтернативная энергетика.

Таким образом, при современных темпах развития и потребностей человечества, можно предположить, что в ближайший век ожидается переход на альтернативные виды топлива и энергии.Альтернати́вная энерге́тика — совокупность перспективных способов получения, передачи и использования энергии, которые распространены не так широко, как традиционные, однако представляют интерес из-за выгодности их использования при, как правило, низком риске причинения вреда окружающей среде.

К таким видам топливным энергоресурсов можно отнести:

- Электричество

Технология батареи и электродвигателя - это прорыв в использовании альтернативных видов топлива. Но дело в том, что электродвигатель сам по себе достаточно прожорлив в плане потребления электроэнергии. Добавьте к этому огромный вес самого аккумулятора (в современном электромобиле он может составлять половину массы всей машины), и недостатки такого вида альтернативного топлива станут достаточно весомыми.

- Водород

Использование водорода в качестве топлива вполне безопасно. Водород может присутствовать в виде топлива в вариациях: двигателей с топливными элементами в виде водорода и двигателей внутреннего сгорания, который спроектирован, чтобы использовать водород вместо бензина и т.д.Несмотря на существенные технические проблемы и недоработки, использование в будущем водорода как основного вида топлива имеет многообещающие перспективы.

-Биоэтанол

Биотопливо получаемое в результате переработки растительного сырья. В настоящее время большая часть биоэтанола производится из кукурузы и сахарного тростника.Этанол является менее «энергоплотным» источником энергии, чем бензин,но в последнее время предлагается внедрить разновидность биоэтанола, которое состоит из 15 процентов бензина и 85 процентов этанола. Стоит отметить, что этаноловое топливо для авто имеет более низкую температуру горения, чем бензин и практически не подвержено самовозгоранию.

- Солнечная энергетика

Направление альтернативной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует возобновляемые источники энергии и является «экологически чистой», то есть не производящей вредных отходов во время активной фазы использования. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии, которая подразумевает наличие множества потребителей, производящих тепловую иэлектрическую энергию для собственных нужд, а также направляющих излишки в общую сеть.

- Диметиловый эфир

Широко применяемый на практике простой эфир - экологически чистое топливо с теплотой сгорания ниже, чем у нефтяных топлив. Одна из особенностей применения ДМЭ — его более высокая окисляющая способность (благодаря содержанию кислорода), чем у классического топлива, за счет этого имеет более высокое цетановое число - характеристику воспламеняемости.

Уже сейчас абсолютно ясно, что XXI век станет закатом нефтяной эры. Снижение темпов нефтедобычи в ряде стран, включая Россию, и снижение ее рентабельности наблюдается уже сегодня. Все это является первопричиной увеличения стоимости нефтепродуктов и, как следствие, накладывает определенные ограничения на развитие экономик отдельных стран и мировой экономики в целом. Данное обстоятельство, с учетом того, что 80% механической энергии, которую использует в своей деятельности человек, вырабатывается двигателями внутреннего сгорания, заставляет уже сегодня серьезно задуматься об альтернативном источнике энергии, не нефтяного происхождения.

1. Перспектива развития водородного топлива.

Исследования Солнца, звёзд, межзвёздного пространства показывают, что самым распространённым элементом Вселенной является водород (в космосе в виде раскалённой плазмы он составляет 70 % массы Солнца и звёзд).

По некоторым расчётам, каждую секунду в глубинах Солнца примерно 564 млн. тонн водорода в результате термоядерного синтеза превращаются в 560 млн. тонн гелия, а 4 млн. тонн водорода превращаются в мощное излучение, которое уходит в космическое пространство. Нет опасений, что на Солнце скоро иссякнут запасы водорода. Оно существует миллиарды лет, а запас водорода в нём достаточен для того, чтобы обеспечить ещё столько же лет горения.

Человек живёт в водородно-гелиевой вселенной. Поэтому водород представляет для нас очень большой интерес. Влияние и польза водорода в наши дни очень велика. Практически все известные сейчас виды топлива, за исключением, разумеется, водорода, загрязняют окружающую среду. Сколько бы мы не говорили о положительном влиянии водорода, на практике это можно увидеть довольно таки не часто. Но всё же разрабатывается множество проектов, и целью моей работы явился не только рассказ о самом чудесном топливе, но и о его применении. Эта тема очень актуальна, поскольку сейчас жителей не только нашей страны, но и всего мира, волнует проблема экологии и возможные пути решения этой проблемы.

Водородные топливные элементы могут применяться в различных энергетических установках, практически в любом виде транспорта. Сейчас же наибольшие усилия направлены на продвижение водорода как топлива в автомобильной индустрии.

Получение водорода.

1. Известен способ получения водорода электролизом воды, при котором электрический ток, проходящий через электролит, не только восстанавливает ионы водорода и кислорода, а и обеспечивает необходимым количеством теплоты, поглощаемым при электролизе воды, что в конечном счете снижает эффективность (суммарный КПД) процесса, как и другие промышленные способы получения водорода. В 1888 году Д. А. Лачинов запатентовал промышленный способ получения водорода электролизом воды.2. Известны способы получения водорода, повышающие эффективность, с использованием электромагнитных, акустических волн или электрических импульсов определенной частоты и мощности, но они позволяют получать, так называемый, газ Брауна, ННО,- гремучую смесь водорода и кислорода, которая является нестойкой, не может сохраняться, а требует немедленного использования путем окисления или сжигания, например, ячейка Стенли Мейера, генератор Вилли Брауна, генератор Олега Козакова или генератор Джона Канзиуса.

3.Плазменный метод получения топливного газа из воды. Сущность этого метода состоит в создании в воде электрических разрядов определенных параметров. В результате такого электротермического воздействия на молекулы воды в зоне электрического разряда , они частично диссоциируют на ионы Н+ и О- , которые восстанавливаются в этом плазменном облаке до Н₂ и О₂.

4.Старейший способ получения водорода. Уголь нагревают при температуре 800°—1300° Цельсия без доступа воздуха. Первый газогенератор был построен в Великобритании в 40-х годах XIX века. В результате процесса получается H₂, CO₂ и CH₄.5. Водород из биомассы получается термохимическим, или биохимическим способом. При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500°-800° , что намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется H₂, CO и CH₄.

6. Паровая конверсия природного газа , метана. В зависимости от дальнейшего использования водород получают под различным давление. Сырье подогревается до 350-400° в конвективной печи или теплообменнике и поступает в аппарат десульфирования. Конвертированный газ из печи охлаждается в печи-утилизаторе, где вырабатывается пар требуемых параметров. После ступеней высокотемпературной и низкотемпературной конверсии СО газ поступает на адсорбцию СО₂ и затем на метанирование остаточных оксидов. Газовая смесь, содержащая H₂, CO₂, CH₄, H₂O и небольшое количество СО, охлаждается для удаления воды и направляется в адсорбционные аппараты, заполненные цеолитами. Все примеси адсорбируются в одну ступень при температуре окружающей среды. В результате получают водород.Так же весьма интересен способ который выдвинули разработчики из Университета Пердью. Они создали новый сплав металлов, обогащенный алюминием, который может быть весьма эффективен в процессе выработки водорода. Новый сплав на 95% состоит из алюминия, а на оставшиеся 5% — из сложного сплава галлия, индия и олова. Хотя галлий и является очень редким и дорогим элементом, его количества в сплаве настолько малы, что стоимость сплава, и особенно стоимость его эксплуатации, может быть коммерчески выгодной.

При внесении этого сплава в воду алюминий вступает в реакцию окисления, в результате которой выделяется водород и тепловая энергия, а алюминий переходит в форму оксида.2Al + 3H₂O → 3H₂ + Al₂O₃ + Q

Сплав индия, галлия и олова является критическим компонентом для технологии Вудолла: он препятствует образованию этой оксидной пленки и позволяет алюминию количественно вступить в реакцию с водой.

3.2. Хранение водорода.

Хранение водорода подразумевает две разновидности состояний последнего, а именно : чистого водорода ,как газообразного так и жидкого , и смеси с участием водорода.

- Для хранения газообразного водорода при давлении до 100 МПа используют сварные сосуды с двух- или многослойными стенками. Внутренняя стенка такого сосуда выполнена из аустенитной нержавеющей стали или другого материала, совместимого с водородом в условиях высокого давления, внешние слои – из высокопрочных сталей. Для этих целей применяют и бесшовные толстостенные сосуды из низкоуглеродистых сталей, рассчитанных на давление до 40 – 70 МПа. Большие количества водорода можно хранить в крупных газгольдерах под давлением. Газгольдеры обычно изготовляют из углеродистой стали. Рабочее давление в них обычно не превышает 10 МПа. Вследствие малой плотности газообразного водорода хранить его в таких ёмкостях выгодно лишь в сравнительно небольших количествах. Повышение же давление сверх указанного, например, до сотен МПа, во-первых, вызывает трудности, связанные с водородной коррозией углеродистых сталей, и, во-вторых, приводит к существенному удорожанию подобных ёмкостей. - Жидкий водород должен храниться при температуре приблизительно – 250°С, чтобы избежать кипения. Энергетическая плотность в этом случае много больше, чем у газообразной формы, однако большое количество энергии требуется для того, чтобы перевести водород в жидкое состояние и хранить его при этой температуре. Главная часть криогенной системы хранения водорода – теплоизолированные сосуды, масса которых примерно в 4–5 раз меньше на 1 кг хранимого водорода, чем при баллонном хранении под высоким давлением. В криогенных системах хранения жидкого водорода на 1 кг водорода приходится 6 – 8 кг массы криогенного сосуда, а по объёмным характеристикам криогенные сосуды соответствуют хранению газообразного водорода под давлением 40 Мпа. - Потенциально более эффективно хранить водород в гидридах. Гидриды — химические соединения водорода с другими химическими элементами. В случае хранения водорода в гидридной форме отпадает необходимость в громоздких и тяжёлых баллонах, требуемых при хранении газообразного водорода в сжатом виде, или сложных в изготовлении и дорогих сосудов для хранения жидкого водорода. При хранении водорода в виде гидридов объём системы уменьшается примерно в 3 раза по сравнению с объёмом хранения в баллонах. Упрощается транспортирование водорода. Отсутствуют расходы на конверсию и сжижение водорода. Но содержание водорода в гидрида по массе невелико.

Однако, нельзя исключать факт существования гидроксида водорода ,а именно воды и ее разновидностей ,к которым можно отнести оксоний-ион [Н₃О] ⁺

3.2.1. Оксоний-ион.

Гидроксо́ний (оксоний, гидроний) Н₃О⁺ — комплексный ион, соединение протона с молекулой воды.

Водородные ионы в водных и спиртовых растворах кислот существуют в виде гидратированных или сольватированных ионов гидроксония. Для измерения концентрациии водородных ионов используется водородный электрод. Ион гидроксония был обнаружен также в газовой сфере. Этот катион часто используется для представления природы протонов в водном растворе. Также существуют такие катионы, как H₅O₂⁺ ,H₇O₃⁺, H₉O₄⁺.Водородный ион Н+ (т. е. ядро атома водорода — протон) в растворе связывается с молекулами воды, образуя главным образом ион Гидроксония. H+ + H2O = H3O+. Из-за незначительного размера протона он создаёт сильное электрическое поле; между ним и неподелённой парой электронов кислорода молекулы воды возникает ковалентная связь.

Получение оксоний-иона. Принимая протон, молекулярный ион водорода, молекула воды превращается в ониевый ион, называемый по-разному - гидроний-ион, оксоний-ион, гидроксоний-ион.

Молекулярный ион водорода — простейший двухатомный ион H²⁺, образуется при ионизации молекулы водорода. В молекулярном ионе H²⁺ образуется одноэлектронная химическая связь Молекулярный ион водорода H²⁺ содержит два протона, заряженных положительно, и один электрон, заряженный отрицательно. Единственный электрон компенсирует электростатическое отталкивание двух протонов и удерживает их . Молекулярный ион водорода H³⁺ содержит три протона и два электрона. Электростатическое отталкивание трёх протонов компенсируется двумя электронами. Методом кулоновского взрыва показано, что протоны молекулярного иона водорода H₃⁺ находятся в вершинах равностороннего треугольника.

Вывод.

Водород является следующим этапом энергетической революции человечества. И первой ступенькой к этому научному прорыву должен стать оксоний-ион, как эффективное портативное хранилище водорода и средство его дешевого получения путем электролиза алюминиевыми анодом, который не разрушает структуру иона из-за образующейся на нем во время реакции окиси алюминия, плохо реагирующей с исходными веществами. Истощение энергоресурсов при современных темпах развития требует перехода на возобновляемые источники топлива, и в ближайшие полвека единственным способом сохранить цивилизацию в ее нынешнем представлении и ускорить технологический прогресс является исследование возможностей областей применения водорода.

Код для цитирования: Скопировать