В индивидуальной исследовательской работе по химии "Водород как альтернативный вид топлива" автор реализует поставленную перед собой цель выявить предпочтительность водородного топлива по сравнению с иными видами топлива.

Подробнее о проекте:

В процессе работы над исследовательским проектом по химии о водороде учащийся изучил литературные источники по данной теме, выделил преимущества и недостатки различных видов топлива и определил востребованность водородного топлива для автомобилей в современном мире.

Ученик 9 класса школы в рамках своего исследовательского проекта на тему "Водород как альтернативный вид топлива" дал развернутую характеристику водорода и водородного топлива, выяснил, каким образом осуществляется добыча водорода, описал особенности водородного топлива и его востребованность в наши дни.

Оглавление

Введение
1. Топливо в жизни человека.
1.1. Что есть топливо?
1.2. Виды топлива.
1.3. Преимущества и недостатки тех или иных видов топлива.
2. Водород как альтернативный вид топлива.
2.1. Водород. Водородное топливо.
2.2. Особенности водородного топлива, его востребованность.
Заключение
Литература
Приложения

Нельзя представить себе современное общество без использования топлива где бы то ни было: в быту, в производсве, в сельско-хозяйственной деятельности и других отраслях жизни человека, но задумывались вы однако как и когда человечество пришло к нему?

К сожалению, любое топливо при сгораниивредит месту нашего существования – планете Земля, и основываясь на этом факте, целью моего проекта по химии на тему "Водород как альтернативный вид топлива" является находжение одного из оптимальных видов топлива, сохраняющего все его свойства, но гораздо менее вредящего атмосфере нашей планеты, а именно водорода, представляющего собой альтернативный источник энергии.

Гипотеза: водород – действенная замена современным видам топлива.

Объект исследования: эффект водородного топлива по сравнению с другими видами топлива.

Предмет исследования: топливо на основе водорода.

Методы исследования: анализ информации из интеренет-ресурсов, литературы.

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

Задачи проекта:

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

Топливо – это вещество, способное выделять энергию, используемою для технических целей,  в ходе определенных физико-химических  процессов. Все процессы жизнедеятельности человека так или иначе связаны с теплом: приготовление пищи, плавление тех или иных видов металла, обогревание жилья, получение других видов энергии и многие другие процессы деятельности человека получают тепловую энергию в большинстве своем с помощью топливных ресурсов.

Топливо используется человеком еще с незапамятных времен, когда люди только научились пользоваться огнем. В то время в качестве сгораемого топлива по большинству использовались дрова, но также имели место быть жир рыб и диких животных. В процессе своего развития и эволюции человечеству требовались все новые и новые виды топлива.

Таким образом произошла первая промышленная революция XIX века, результатом которого стал переход от древесного топлива к ископаемому угольному. Промышленная революция своим завершением полностью преобразовала аграрные системы стран Европы, и, в последствии, Америки.

Вслед за ископаемым угольным топливом пришла эра электричества, проявление которого оказало огромное влияние на жизнь общества и стало катализатором зарождения и роста крупнейших стран и городов всего земного шара.

Одновременное приминение в качестве топлива природных ископакмых, таких как нефть и газ, вкупе с электроэнергетикой привило к грандиозным преобразованиям стран, итогом которых стал формирование современного мира таким, каким мы его знаем.

Все используемые сегодня человечеством виды топлива можно разделить на 4 ведущие группы, а именно:

• Твердое топливо.
• Жидкое топливо.
• Газообразное топливо.
• Ядерное топливо.

Твердое топливо можно представить в виде нескольких основных подвидов, таких как:

• Древесина и многие другие продукты растительного происхождения;
• Уголь с его разновидностями (каменный, бурый угли, антрацит, торф);
• Горючие сланцы (гумито-сапропелитовый, сапропелито-кукеристовый сланцы).

Твердые ископаемые виды топлива (кроме сланцев) являются продуктом разложения массы растений с течением продолжительного времени. Самый “молодой” из них – торф, представляющий собой плотную массу, образованую путем гниения остатков болотных растений. Далее по старшинству идет бурый уголь – землистая, черная однородная масса, при длительном хранении на воздухе частично окисляемая и рассыпающаяся в нечто вроде порошка. Далее идут каменные угли, как правило обладающие высокой прочностью.

Антрацит, самый “старый” из видов углей, претерпел наибольшее изменение органической массы по сравнению со своими одногрупниками, а именно его масса на 93% состоит из углерода (С). Он же отличается высокой твердостью. Горючие сланцы же представляют собой полезное ископаемое, дающее при сухой перегонке количество смолы, близкое по составу к нефти.

Жидкое топливо можно разделить на несколько основных подвидов, таких как:
1) Бензин;
2) Керосин;
3) Мазут;
4) Нефть;

Человечество получает энергию из жидкого топлива путем его сгорания. Бензин – горючая смесь легких углеводородов с температурой кипения от +33 до 205 oС (в зависимости от количества и видов примесей), цвет желтоватый.

Существует несколько разновидностей бензина, а именно автомобильный, авиационный, бензин-растворитель  и нафта (бензин для нефтехимии), каждый из которых различается своей температурой воспламенения, вспышки и плотностью.

Керосин – горючая смесь жидких  углеводородов с температурой кипения от +150 до +250 oС, бесцветная (иногда слегка желтоватая). Также как и у бензинов, керосин подразделяется на несколько видов, а именно авиационный, технический и осветительный. Различабтся они устойчивостью к термоокислению, теплоте сгорания, смазывающими характеристиками и плотностью.

Нефть - смесь жидких углеводородов различных молекулярных весов и групп, обладающая специфическим запахом. Является ископаемым топливом (ископаемые топлива также называются каустобиолитами).

Является одним из ведущих полезных ископаемых и по сей день. Цвет нефти – чисто-черный (крайне реже встречается буро-коричневая, практически нельзя встретить желто-зеленую/бесцветную нефть). Температура кипения жидких углеродов в составе нефти колебелется от >28 оС до > 100 oC (легко воспламеняется).

Виды нефти: парафиновые, ароматические,  нафтеновые и др.

Переработка нефти: состоит из подготовки нефти (очистка от механических примесей и обезвоживание), атмосферной перегонки (под действием атмосферного давления) и вакуумной дистилляции (процесс отгонки мазута). По завершению всех этапов образуются бензин, керосин, дизель, гудрон и др.

Газообразное топливо можно разделить на подвиды, а именно:
1) Пропан;
2) Метан, этан (C2H6), бутилен(C4H8);
3) Сжатый природный газ и др;

Пропан (C3H8) – органическое вещество,  содержащееся в природном газе, образующееся при разделении нефтяного газа как побочная продукция других химических реакций.

Чистый пропан бесцветен, не обладает запахом, но в газ могут добавляться компоненты, обладающие запахом (эта система помогает его обнаружить). Малотоксичен, но все равно опасен для нервной системы человека, перенасыщение пропаном может привести к летальному исходу. Малорастворим в воде, кипение происходит при температуре -42.1 оС, точка замерзания равна -188 оС, но при этом температура самовоспламенения приравневается к 472 оС.

Метан (CH4) – простейший по составу предельный углеводород. Является бесцветным, не обладает запахом или вкусом, малорастворим в воде. При использовании в быту в метан добаляют одоранты (летучие вещества, обладающие  “запахом газа”). Является легковоспламеняемым, взрывоопасным, а также парниковым газом. Температура плавления равна -182,5 оС, кипения = -161,6 оС, вспышки = -188 оС, самовоспламенения = 537,8 оС.

Компримированный (сжатый) природный газ (КПГ) – природный газ, сжатый компрессором до давления 200-250 бар, используется в двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Компрессирование происходит на специализированных автомобильных газ накопительных компрессионных станциях (АГНКС), куда газ поступает путем магистральных трубопроводов.

Обладает высоким октановым числом (110–125). Является более экономичным видом топлива по сравнению с бензиновым (100 километров пробега обходятся в 1,5 – 2,5 раза дешевле).

Ядерное топливо делится на два вида:

• Природное урановое;
• Вторичное.

Ядерное топливоявляется сложнейшим топливом с точки зрения добычи и использования. Оно представляет собой материалы, которые используются в ядерных реакторах для осуществления цепной ядерной реакции деления. Ядерное топливо в корне отличается от абсолютно любых других видов топлива, является чрезвычайно энергоемким, но вместе с этим крайне опасно для человека, вследствии чего его использование ограничивается многочисленными рамками из соображений безопасности человечества. Это топливо крайне опасно в приминении, требует высочайшую квалификацию персонала и техники, участвующих в процессе.

Горючая часть любого топлива (за исключеним ядерного) содержит углерод (С), водород (H), кислород (O), азот (N) и серу (S). Ведущий элемент – углерод, все остальные – органические примеси. Кислород при нахождении с водородом/углеродом снижает количество теплоты, выделяющегося при сгорании. Вредной примесью этой реакции является сера. При ее сгорании выделяется примерно в 3,5 раз меньше теплоты, чем при сгорании углерода.

Также в любом топливе встречаются негорючие минеральные примеси, в газообразном это углекислый газ, азот и водяные пары, в твердых это глина, кремнезем и железный колчедан и др.

Любой вид топлива обладает теми или иными преимуществами и недостатками. Ниже привидена таблица с заключениями  о каждом из видов топлива:

Водород (H) – элемент переодической таблицы Менделеева, где стоит на первом месте и обладает самой маленькой атомной массой из всех ныне известных химических элементов. Он – самое распространенное вещество во вселенной, большую часть состава звезд (кроме компактных, компактные звезды: белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры) занимает водород.

Водород обладает тремя изотопами (разновидностями атома): протий (1H), дейтерий (2H) и тритий (3H), (радиоактивен). При стандартных условиях водород бесцветен, не обладает вкусом или запахом, нетоксичен. В смеси с воздухом (или только с кислородом)/окисляющими газами, например хлором, водород становится взрывоопасным.

Первым в истории получить чистый водород смог Парацельс при помощи опыта, заключающегося в погружении железных опилков в серную кислоту. В 1671 году Роберт Бойль  описал реакцию между железными опилками и серной кислотой. Михаил Ломоносов подтвердил мнение Генри Кавендиша, который признал газообразный водород индивидуальным элементом и “горючим воздухом”, но российский ученый указал на то, что водород сам по себе не является флогистоном (гипотетической материи, заполняющией все горючие вещества и высвобождающейся при сгорании этих веществ).

Водородное топливо – потенциальная замена бензину. Впервые человечество использовало водород в качестве топлива в 1937 году, когда в Гиденбурге произошла катастрофа пассажирского водородного дирижабля. После этого инцидента водородное топливо стало “изгоем”.

Однако технический прогресс 21 века вспомнил об этом печально известном топливе и теперь человечество намеревается использовать его в автомобильной промышленности. На данный момент водород активно используется в космической сфере. Также с его помощью промышленность преобразовывает энергию химческих реакций в электроэнергию.

Снижение стоимости и внедрение  ветровых и солнечных электростанций дают  возможность генерировать водород с крайне низким уроанем загрязнения окружающей среды.

За последние 15 лет цена водорода упала  с $275 до $40 и продолжает постепенно понижаться и до сих пор.

Китай планирует установить до 1000 водородных запавочных станций к 2030 году, готовых обслужить более 1 миллиона автомобилей. Объем инвистиций, вкладываемых в развитиие ВЗС оценивается в $1,7 млрд.

Япония также чрезвычайно активно занялась продвижением водородомобилей. Она является одним из лидеров в области инвистиций  в господдержку, регулирование и инфрастуктуру для обеспечения перехода на водородную технику.

Автомобили, использующие водородное топливо:

• BMW Hydrogen 7 и Mazda RX-8 hydrogen (бензин/водород);
• Audi A7 h-tron quattro (электро-водород);
• Hyundai Tucson FCEV
• Ford E-450 (автобус);
• Man Lion City Bus.

Сейчас испытавются:

• Ford Focus FCV;
• Honda FCX;

Основным преимуществом водородного топлива относительно своих конкурентов является наивысшая экологичность, так как продукт сгорания двигателей на этом типе топлива есть водяной пар. При этом его конструкция ничем ни сложнее по отношению к другим ДВС. Также очень важным достоинством двигателя на водородном топливе является более высокий КПД по сравнению с другими двигателями. ДВС на водородном топливе практически полностью бесшумен.

Несмотря на все достоинства водородного топлива, оно обладает и определенными недостатками. Во-первых, получение водородного топлива в промышленных масштабах до сих пор является сложностью. Водородная инфраструктура еще плохо развита в большинстве стран,  в том числе и самых технически развитых стран, например Японии. Все еще не зарегистрированы так таковые стандарты транспортировки водородного топлива. Компоненты ДВС на водороде очень дорогостоящи. Из-за конструкции двигателя значительно повышается вес транспорта. Также очень настораживающим минусом этого топлива является опасность воспламенения при контакте со стандартным топливом.  

Однако водородное топливо обладает высокими перспективами развития из-за единственного в своем роде вида горючего. Его будущее в руках ученых, под наблюдением которых начали бы развивать инфраструктуру, способы добычи и популяризацию двигателей на водородном топливе. В таком случае мир сможет увидеть мир без проблем бензиновой зависимости, давно закрепившейся в человеческой жизни.

Современный мир все еще не способен полностью перейти на более экологически чистые источники снабжения человечества теплом и энергией из-за крепкой связи старых видов топлива, но все большее количество передовых компаний начинает вкладываться в популяризацию и развитие водородной индустрии, включая технику, заправочные станции и двигатели на водородной основе.

Для инвесторов это вложение является выгодным из-за всех положительных и малого количества отрицательных характеристик водородного топлива, а также современных тенденций, стремящихся к восстановлению окружающей среды. За столетия существования тяжелой индустриальной промышленности планете Земля был нанесен колоссальный ущерб, уже приведший к непоправимым последствиям, таким как вымирания целых видов животных, загрязнение морей, океанов и других водоемов, воздуха и также повреждения озонового слоя.

Все эти проблемы могут стать причиной грандиозных катастроф, худшая из которых – гибель всего живого на планете. Но еще далеко не все потеряно, и одним из путей к восстановлению окружающей среды как раз и является переход на водородное топливо. Этот процесс очень трудоемок и требует траты поистине крупных материальных средств, но по его окончанию человечество значительно приблизится к реабилитации планеты. Водород – ключ к возобновлению здоровой планете и жизни людей.

Для написания данной работы и проекта по химии на тему "Водород как альтернативный вид топлива" были использованы ресурсы Сети Интернет.

Приложение. Хранилища, заправки и добыча водорода