XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Альтернативный источник энергии – биотопливо
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В настоящий момент мир испытывает недостаток энергоресурсов, все чаще можно услышать о необходимости применения биотоплива – как альтернативного источника энергии. Актуальность работы состоит в том, что мы все привыкли пользоваться такими источниками энергии, которые зависят от органического топлива (угля, газа и нефти). И рано или поздно наступит день, когда они иссякнут. Поэтому надо искать другие источники энергии — альтернативные и возобновляемые. Проблема. Получение энергии – сложный технический процесс. А есть альтернативное решение. Можно ли получить энергию без сжигания органического топлива?
Цель исследования – произвести один из видов биотоплива в домашних условиях для использования в повседневной жизни.
Гипотеза: предположим, что возможно производство твердого биотоплива в домашних условиях и оно может быть использовано в повседневной жизни (для отопления домов и приготовления пищи).
Задачи:
Познакомиться с понятием альтернативных источников;
Изучить виды биотоплива, их особенности и характеристики;
Провести опыт, доказывающий возможность производства биотоплива в домашних условиях;
Произвести сравнение биотоплива с органическим топливом;
Соблюдать технику безопасности.
Методы исследования:
- анализ теоретического материала литературы;
- сравнительный анализ;
- эксперимент;
Теоретическая значимость: использование знаний об альтернативных источниках энергии помогут бережнее использовать природные ресурсы.
Практическая значимость: результаты работы будут представлять интерес для разработок в этой области.
Глава 1. Теоретический анализ литературы
Альтернативные источники энергии
До сих пор основными источниками энергии были: газ, нефть, вода и уголь. Исходя из того, что ресурсы стремительно истощаются, соответственно повышаются цены на них, а также при их переработке выделяются вредные вещества, негативно влияющие на окружающую среду, я сделал вывод, что необходим поиск альтернативных источников энергии.
Альтернативные источники энергии – это экологически чистые возобновляемые ресурсы, которые при их переработке позволяют получить энергию, используемую для повседневных нужд многих людей [3].
Если сравнивать альтернативные источники энергии с переработкой угля и нефти, то они являются более дорогими, к тому же могут применяться не в любой местности из-за отсутствия подходящих погодных условий [5]. Альтернативные источники энергии имеют очень много плюсов, но они имеют и существенный минус: высокая цена [4].
Основные причины, указывающие на важность перехода на альтернативные источники энергии:
Глобально-экологический: при переработке органического топлива происходит загрязнение окружающей среды, что ведет к катастрофическому изменению климата.
Экономический: переход на альтернативные технологии в энергетике позволит сохранить топливные ресурсы страны и использовать их в других отраслях промышленности.
Социальный: численность населения постоянно растет и поэтому трудно найти пригодные места для строительства АЭС, ГРЭС, где они будут безопасны для людей и окружающей среды [7].
Наиболее известны и частично применяются следующие виды энергии: энергия Солнца, энергия ветра, ядерная энергия, водородный газ, энергия приливов, энергия биомассы, биотопливо. Из всех существующих видов альтернативной энергетики наибольший интерес для нас представляет биотопливо – это вид топлива из растительного или животного сырья (из продуктов жизнедеятельности организмов или органических промышленных отходов), потому что оно возобновляется и не требует больших усилий для производства [2].
1.2. Виды биотоплива
Существует следующие виды биотоплива:
Твердое биотопливо (рис.1);
Жидкое биотопливо (рис. 2);
Газообразное биотопливо (рис. 3).
Рассмотрим их наиболее подробнее:
Самый известный и древний вид твердого биотоплива – дрова. В настоящее время дрова в чистом виде и в больших количествах уже почти не используют. Распространенным твердым видом биотоплива стали топливные брикеты, получаемые из древесных опилок или коры, хвойных иголок, травы, листьев, соломы, оливковых косточек, ореховой скорлупы или шелухи семечек подсолнечника, навоза крупного рогатого скота. Они заменяют уголь, дрова. При сгорании не выделяют вредных веществ и практически не дымят (в отличие от угля) [6].
Кроме того, они более энергоэффективны, чем обычные дрова. Плюс топливных брикетов также в небольшом содержании золы, что снижает потребность в обслуживании печей и котлов. Также, они имеют самую низкую цену по сравнению с другими видами биотоплива.
Производят следующие виды жидкого биотоплива:
Биоэтанол – наиболее популярное жидкое биотопливо. Его получают путем брожения крахмала или сахара. Биодизель – второе по популярности жидкое биотопливо. Его делают из масличных растений, таких как соя или масличная пальма, а также из других масляных продуктов, например, отходов кулинарного жира после жарки во фритюре. Такой вид жидкого биотоплива используется в дизельных двигателях и обычно смешивается с нефтяным дизельным топливом в различных пропорциях [8].
Водоросли – третий вид жидкого биотоплива, их выращивают в больших бассейнах или на фермах, они превращают солнечный свет в энергию и хранят ее в виде масла. Масло извлекается механически (при прессовке биомассы) или с помощью растворителей, которые разрушают стенки клеток. Дальнейшая переработка и очистка дает биотопливо, подходящее для использования в качестве альтернативы традиционным видам топлива.
Газообразное биотопливо подразделяют на: биогаз, основным источником которого являются отходы животноводства и сельского хозяйства, сточные воды и пищевые отходы. Он образуется в результате разложения без доступа кислорода.
Биоводород – подобие обычного водорода, его получают из биомассы, которую нагревают без доступа кислорода до высоких температур, например, древесных отходов, вследствие чего выделяется водород и другие газы. Также в биомассу добавляют специальные микроорганизмы, которые ее разлагают с выделением водорода [1].
Биотопливо можно возобновлять, когда используются растения, потому что, растения всегда можно выращивать. Для производства биотоплива требуется специальное оборудование.
Глава 2. Экспериментальная работа
2.1. Изготовление топливных брикетов в домашних условиях
Для проекта мне понадобилось следующее оборудование: лист металла, толщиной 4мм, 2 болта, 2 гайки, болгарка, сварочный аппарат, тиски, линейка, мел, дрель со сверлом по металлу, наждачная бумага. Для топливных брикетов я использовал: опилки, сосновые иголки, листья, мелкие ветки, траву.
Технологическая карта изготовления пресса и топливных брикетов
Мы вместе с дедушкой взяли лист металла, вымерили размеры для будущего пресса. И вырезали болгаркой заготовки из листа (рис. 4).
С помощью сварочного аппарата и с дедушкиной помощью, мы сварили коробку размерами 13см*7см*10см. После чего зачистили ее наждачной бумагой (рис. 5).
С двух краев мы приварили гайки, также сделали крышку с двумя отверстиями под болты. Для того чтобы при их закручивании крышка заходила в форму и прессовала материал (рис. 6).
Для самих топливных брикетов нам нужен был природный материал, за которым мы поехали в лес. Насобирали в лесу: сосновые иголки, листья, мелкие ветки, траву. А опилки взяли на пилораме, там их отдают бесплатно (рис. 7).
Весь материал на брикеты нужно было измельчить дробилкой, но у нас ее не было, поэтому мы использовали старую мясорубку. Сосновые иголки и веточки пропускались тяжелее всего. В итоге, у нас получилась смесь для производства брикетов (рис. 8).
Эту смесь мы засыпали в пресс и завернули болты, насколько хватило сил (рис. 9).
Далее поставили в духовку на небольшую температуру 110 градусов, чтобы смесь высохла, но не загорелась (рис. 10).
Через два часа мы достали наш пресс из духовки, остудили и вытащили из него топливный брикет (рис. 11).
Такой же процесс мы проделали с опилками. Получился топливный брикет, как и в предыдущем опыте с природными материалами (рис. 12).
После изготовления пресса и топливных брикетов мы решили сравнить их с дровами и углем. Для этого мы сделали 3 закладки топлива в домашнюю печь. Закладка из дров полностью прогорела за 1 час, уголь прогорел за 4 часа, а закладка из топливных брикетов прогорела за 5 часов. Можно сделать вывод, что дрова сгорают быстрее, уголь и топливные брикеты горят примерно одинаковое время, но чем дольше топливо горит, тем больше тепла выделяется, то есть от топливных брикетов тепла больше. Эти данные представлены на рис. 13. Так же мы решили сравнить цены на все виды топлива (уголь, дрова, топливные брикеты):
Цена 1 кубометра дров – в среднем 1600 рублей;
Цена кубометра угля (1200-1500кг) – 8500 рублей;
Цена кубометра брикетов(1100-1200кг) – 9500 рублей (рис. 14).
Из данных сравнений мы можем сделать вывод, что топливные брикеты горят дольше дров и угля, по стоимости немного дороже угля, но производятся из возобновляемых материалов, что позволяет их производить на постоянной основе без вреда природе, а при совершенствовании технологий производства, и использовании новых материалов (например, водоросли), можно значительно снизить цену на производство.
2.2 Экономический раздел
Для изготовления пресса и топливных брикетов в домашних условиях мы применили подручные материалы, которые были у деда в гараже и природные материалы, которые собрали в лесу. На изготовление своих топливных брикетов мы не потратили денежных средств.
Стоимость аналогичных топливных брикетов у производителя равна примерно 9- 15 рублей за 1 кг.
Можно сделать вывод о том, что топливные брикеты можно сделать самим в домашних условиях из подручных и природных материалов, чем покупать их у производителя дороже.
Заключение
Таким образом, поставленная нами цель – произвести один из видов биотоплива в домашних условиях для использования в повседневной жизни была достигнута.
Наша работа посвящена изучению альтернативных источников энергии, актуальной на сегодняшний день, в связи с экологической обстановкой в мире. Мы зависим от топлива, ведь оно дает тепло в наши дома, возможность приготовления пищи, «еду» для автомобилей. Ежедневно потребляется огромное количество топлива, и мы не задумываемся, что не возобновляемые источники когда-то закончатся. Развитие данной отрасли очень перспективно и дает возможность перейти с органического топлива на возобновляемый источник – биотопливо, это поможет сохранить природные ресурсы или направить их в другие виды деятельности.
Также, мы провели сравнение биотоплива с дровами и углем. Сделали 3 закладки топлива в домашнюю печь. Дрова полностью прогорели за 1 час, уголь прогорел за 4 часа, а закладка из топливных брикетов прогорела за 5 часов. Можно сделать вывод, что дрова сгорают быстрее, уголь и топливные брикеты горят примерно одинаковое время, и выделяют больше тепла. Кроме того, уголь является не восполняемым топливом, поэтому целесообразно использовать топливные брикеты.
Благодаря проведенному эксперименту, была доказана возможность производства топливных брикетов из возобновляемых материалов в домашних условиях.
Выводы
В процессе проектной работы я узнал, какие существуют альтернативные источники энергии.
Нашел наиболее выгодный и возобновляемый вид топлива для использования в повседневной жизни.
Провел опыт, доказывающий возможность производства топливных брикетов своими руками в домашних условиях.
Соблюдая технику безопасности, научился пользоваться духовкой, тисками, делать чертеж для своего пресса, увидел как правильно пользоваться болгаркой и сварочным аппаратом.
В результате нами создан пресс и топливные брикеты в домашних условиях.
В перспективе я хочу продолжать работу по изучению других видов альтернативных источников энергии, не только применять их в жизни, но и придумать новый вид возобновляемого источника энергии.
Список литературы
1. Зыкова А., Мальков М., Озерова О. Хочу всё знать/М.: ООО «Издательство Эксмо», 2014.- 440 с.: ил.
2. Кларк Дж. Иллюстрированная хроника событий и изобретений. – М.: ООО «Издательство Астрель», 2002. – 332 с.: ил.
3. Ожегов С.И. и Шведова Н.Ю. Толковый словарь русского языка: 80 000 слов и фразеологических выражений /Российская академия наук. Институт русского языка им. В.В. Виноградова. – 4- е изд., дополненное. – М.: Азбуковник, 1999.- 994 стр.
ИНТЕРНЕТ – источники
4. Журнал «Международная Биоэнергетика»- [Электронный ресурс]. - Режим доступа http://www.infobio.ru/(дата обращения 04.09.2022)
5. Сайт Википедия. Биотопливо - [Электронный ресурс]. - Режим доступа https://ru.wikipedia.org(дата обращения 02.10.2022)
6. Сайт РБК Тренды. Как устроено биотопливо и какие проблемы оно решает - [Электронный ресурс]. - Режим доступа https://trends.rbc.ru/ (дата обращения 15.10.2022)
7. Технологическая платформа «Биоэнергетика» - [Электронный ресурс]. - Режим доступа http://tp-bioenergy.ru/upload/file/spi/spi2015.pdf (дата обращения 27.09.2022)
8. Технология производства биотоплива - [Электронный ресурс]. - Режим доступа http://www.biointernational.ru/tiekhnologhiia-proizvodstva-biotopliva(дата обращения 17.10.2022)
Приложение
Рис. 1. Твердое биотопливо
Рис. 2 Жидкое биотопливо
Рис. 3 Газообразное биотопливо
Рис. 4 Лист металла для пресса
Рис. 5 Коробка для пресса
Рис. 6 Готовая форма
Рис. 7 Сбор природного материала
Рис. 8 Измельчение природного материала
Рис. 9 Прессование
Рис. 10 Сушка
Рис. 11 Готовый брикет из сосновых иголок и листьев
Рис. 12 Готовый брикет из опилок и сухих веток
\
Рис. 13 Время горения топлива
Рис. 14 Цена топлива