VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ЭНЕРГИЯ БУДУЩЕГО
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Обоснование выбора направления
К концу ХХ века стало ясно, что запасы земных недр не безграничны и появилась проблема невозобновляемости источников топлива (месторождений) а, следовательно, и удорожание добычи, поскольку приходится осваивать все новые месторождения идти дальше и глубже. К тому же огромные выбросы вредных веществ образующихся при сгорании стали бедствием для экологии. С середины ХХ века начался активный поиск альтернативных возобновляемых источников энергии.
Цель исследований
Изучение современных заменителей топлива и возможности их применения в качестве альтернативы бензину и дизелю.
Гипотеза
Газ, спирт, водород, биотопливо и солнечная энергия сегодня уже используются в качестве альтернативного топлива, но пока не занимают существенной доли в выработке энергии ввиду своей дороговизны и малому кпд. Тем не менее, в последнее десятилетие на западе, а теперь и у нас стала развиваться биотопливная энергетика.
Методы проведения исследования
Изучение и анализ социологической, технической и научной литературы по проблематике исследования альтернативных источников топлива; анализ отечественного и зарубежного опыта использования современных заменителей топлива в промышленности.
Результаты проведения исследования
Создано обучающее пособие в виде мультимедийного диска на тему «Альтернативные виды топлива» в программе Power Point c использованием возможностей данной программы: внедрение звука, мультимедийных роликов, картинок. Данное пособие может использоваться на уроках экологии, физики, химии, материаловедения, а также диск может использоваться классными руководителями для проведения тематических классных часов.
В рамках проекта был проведен социологический опрос среди водителей, паркующихся (владельцы легковых автомобилей) около учебного заведения МБОУ «СОШ № 33» ЭМР Саратовской области. Данный опрос показал, что большинство водителей заправляют свой автомобиль бензином с октановым числом 95. Осознают, что самый большой вред экологии города наносится автомобильным транспортом. Автомобилистам хорошо известно о существовании альтернативных источников топлива, хотя заправлять собственные автомобили они не торопятся вследствие технических трудностей.
В процессе изучения информации по этой теме возникла идея получения альтернативного топлива из растительного масла. Оказывается, что такая методика разрабатывается крупнейшими мировыми производителями автомобилей. Мы верим, что в скором времени появится такое альтернативное производство, которое позволит решить серьезную проблему: создание новых видов источников топлива.
Научные факты и исследования
На всех стадиях своего развития человек был тесно связан с окружающим миром. Люди не ценят, и берут то, что у них есть, то, что дает жизнь: воздух, воду, землю. Не думая о будущем своих детей, внуков, правнуков, они заботятся о том, чтобы им было удобнее и легче в жизни, не понимают, что за этим последует. Источники загрязнения бывают как природные, так и антропогенные... Но, по сравнению с природными источниками загрязнения, антропогенные приобретают глобальный характер.
Антропогенными проблемами загрязнения атмосферы являются: парниковый эффект, Кислотный дождь, фотохимический смог и т.д. В последнее десятилетие антропогенные факторы загрязнения атмосферы стали особо опасными. К основным источникам загрязнения относится: транспорт, промышленные предприятия, теплоэнергетика, с/х. и др.
Количества кислорода в атмосфере нашей планеты остаётся неизменным уже многие миллионы лет. Не представляет существенной угрозы и его расходование в настоящие время на сжигание значительного количества ископаемого топлива. А вот связанное с нашей деятельностью одновременное и, соответственно, столь же незначительное увеличение концентрации в воздухе углекислого газа - проблема более серьёзная. Ещё опаснее для нас и всего живого, проступание в атмосферу совсем уж ничтожных, по сравнению с её общим объемом, количеств токсичных веществ - продуктов нашей жизнедеятельности. Огромные объемы вредных веществ в атмосфере вызывают целый ряд неблагоприятных последствий.
Анализ информационных источников
Основная часть
Цель исследований
Изучение современных заменителей топлива и возможности их применения в качестве альтернативы бензину и дизелю.
Задачи исследований
Подобрать информацию на темы:
Возможные способы получения энергии.
Информацию о пагубном воздействии сырья (нефти, угля) на экологию Земли.
Альтернативные источники энергии на фоне роста цен на сырьё и потребления всё большего количества энергии.
Воздействие биотоплива на окружающую среду.
2. Сделать презентацию на заданную тему.
3. Провести опрос на тему «Виды топлива».
4. Получить биотопливо в школьной лаборатории.
Актуальность темы
Человечество с древних времен использует дерево, кустарник, растительные остатки для получения тепла. Но с развитием промышленной революции эти источники (когда-то основные) отодвигались все дальше в списке энергоносителей. Бурное развитие промышленности требовало новых источников, более концентрированных и удобных для получения тепловой энергии. Ими стали сначала уголь затем нефть и газ. К концу ХХ века стало ясно, что этот путь развития имеет большие недостатки, в частности не возобновляемость источников топлива (месторождений) а, следовательно, и удорожание добычи, поскольку приходится осваивать все новые месторождения идти дальше и глубже. К тому же огромные выбросы вредных веществ образующихся при сгорании стали бедствием для экологии. С середины ХХ века начался активный поиск альтернативных возобновляемых источников энергии. Солнечные, ветровые, приливные электростанции сегодня уже действуют (в том числе и малые для индивидуального использования), но пока не занимают существенной доли в выработке энергии ввиду своей дороговизны и малому кпд. Тем не менее, в последнее десятилетие на западе, а теперь и у нас стала развиваться биотопливная энергетика.
Биотопливо - это, вещество или группа веществ, которые при определенном взаимодействии дают возможность высвободиться тепловой энергии, это топливо из биологического сырья, получаемое, как правило, в результате переработки стеблей сахарного тростника или семян рапса, кукурузы, сои. Существуют также проекты разной степени проработанности, направленные на получение биотоплива из целлюлозы и различного типа органических отходов, но эти технологии находятся в ранней стадии разработки или коммерциализации.
Научная новизна
Впервые возникло предложение использование свалок мусора в качестве альтернативного топлива. Если переработать данный мусор в топливо, то возможно получение самого экономичного источника альтернативного топлива. Этот способ производства этанола из старых шин, бытовых отходов и практически любой биомассы является универсальным. Для переработки отходов используются микроорганизмы и биореактор. При чем стоимость литра спирта, полученного с помощью новой технологии, составляет около 1/5 стоимости бензина, что дает высокий экономический эффект.
Сжиженный газ и традиционное топливо
Точно установлено, что двигатели внутреннего сгорания, прежде всего, автомобильные карбюраторные двигатели, являются основными источниками загрязнения. Выхлопные газы автомобилей, работающих на бензине, в отличие от автомобилей, работающих на сжиженном газе, содержат соединения свинца.
Если применяются очистительные фильтры каталитического действия, то поглощаемые ими соединения свинца дезактивируют катализатор, в результате чего не только свинец, но и окись углерода, не сгоревшие углеводороды выбрасываются вместе с выхлопными газами в количестве, зависящем от условий и стандартов на эксплуатацию двигателей, а также от условий очистки и других факторов. При проведении большинства экспериментов было выявлено, что перевод двигателей с бензина на сжиженный газ приводит к снижению количества выбросов окиси углерода в 10 раз и несгоревших углеводородов в 5 раз.
Эксперименты показали, что при переводе двигателей с бензина на сжиженный газ наблюдается снижение (до 70 %) выбросов окислов азота. При работе двигателей на бензине были получены следующие показатели по загрязнению атмосферы: соединения свинца и окислы серы присутствуют, окиси углерода и несгоревших углеводородов - стандартное содержание; при работе на сжиженном газе - соединения свинца отсутствуют, оксиды серы практически отсутствуют, содержание оксидов углерода и несгоревших углеводородов снижено соответственно на 80 и 70 %.
Перевод двигателей с бензина на сжиженный газ относительно прост и дешев, хотя и зависит от размеров двигателя и типа выбранного оборудования.
Спирт
Автомобили с двигателями на спирту, так называемые "алкомобили", вполне успешно эксплуатируются в Бразилии, где традиционно наблюдается избыток сахарного тростника и недостаток нефти. Однако бразильские агрегаты недостаточно эффективны, маломощны и очень несовременны.
Зато в руках фордовских инженеров этанол показал свои лучшие качества, в первую очередь - колоссальное сокращение выбросов СО2.
Немудрено, что именно Швеция была избрана для того, чтобы представить новые автомобили Ford Focus Flexi-Fuel и Focus C-MAX Flexi-Fuel, оснащенные 1.8-литровыми спиртовыми двигателями. Главное достоинство новинок - снижение на 70% выбросов в атмосферу диоксида углерода, который, как предполагают, является причиной "парникового эффекта".
Изюминкой Ford Focus и C-MAX Flexi-Fuel является их способность передвигаться как на спирту, так и на бензине и даже на их смеси в любой пропорции. Поэтому, если владелец не доехал до "зеленой" заправки, он может спокойно заправиться на первой попавшейся.
Так что у "алкомобилей" большое будущее в экологически ориентированной Швеции. Правда, может возникнуть проблема у полисменов: поди докажи, что нарушитель выпил рюмку-другую, а не надышался газами в пробке.
Водород
В отличие от классических двигателей внутреннего сгорания альтернативные энергетические установки выделяют энергию, полученную не в результате процесса горения, а в результате химической реакции окисления водорода кислородом. Что касается автомобильной промышленности, то использование двигателей, работающих на водороде, позволит централизованно собирать отходы СО2 на производящих водород заводах, а не выбрасывать их прямо под нос пешеходам из выхлопной трубы каждого автомобиля. Таким образом, даже сейчас, на переходном этапе, внедрение энергоустановок нового образца в автотранспорте и энергетике способно снизить экологическую нагрузку на окружающую среду.
Теоретически переход на водородное топливо выглядит достаточно простым. На автомобиль нужно "всего лишь" установить электродвигатель, который "питался" бы энергией химической реакции водорода и кислорода. Благодаря этому автомашины перестали бы отравлять атмосферу вредными газами, поскольку в их "выхлопе" была бы лишь безвредная дистиллированная вода и водородный двигатель гораздо эффективнее бензинового: средний коэффициент полезного действия нынешней вазовской водородной энергоустановки составляет 60-65 процентов, что более чем в два раза выше, чем у двигателя внутреннего сгорания, а еще в отличие от нефти водород является неисчерпаемым топливом.
Биотопливо
В настоящее время точка в поиске новых видов топлива не поставлена. И, например, американские исследователи в данный момент лоббируют идею перевода автомобилей на спирт и растительное масло, для получения которых будет использоваться переработанная биомасса (любого органического вещества растительного или животного происхождения).
На ее основе уже изготовляются горючий газ и этиловый спирт (этанол). Дополнительным преимуществом производства топлива из биомассы является то, что исходным сырьем могут послужить в том числе пищевые и бытовые отходы, экскременты сельскохозяйственных животных, различные сельхоз культуры. Таким образом, автомобильное топливо, изготовленное подобным способом, будет отличаться легкостью производства, а, следовательно, и низкой стоимостью. В пользу того, чтобы начать увеличивать производство автомобильных двигателей, приспособленных к биотопливу, говорит также и то, что оно не требует специальной перестройки заправочных станций и может заливаться в баки традиционным и всем привычным способом. И, наконец, принципиальным плюсом биотоплива является то, что, в отличие от нефти, его запасам на Земле уж точно не грозит истощение.
Российский внутренний рынок биотоплива
Пока Европа вовсю внедряет экологически безвредные виды топлива, в России говорить о развитии этой отрасли экономики сложно.
В экспертной среде на сегодняшний день нет единой точки зрения о целесообразности развития в России биотопливного рынка. Одни считают, что производство может нанести серьезный урон агропромышленному комплексу (в особенности животноводству) и приведет к росту цен на продовольственные товары. Другие - что это, наоборот, станет стимулом для нормализации и позитивной динамики сельскохозяйственного сектора и положительно скажется на развитии российской экономики.
Сжатый воздух
Есть автомобили, для движения которых не требуется ни нефти, ни аккумуляторов большой мощности, а выхлоп таких машин не отличается от окружающего воздуха. Это всё потому, что воздух и приводит их в движение. Речь идёт о «воздушных» моделях OneCAT и CityCAT индийской компании Tata Motors, Разработаны модели во французской компании Moteur Développment International Ги Нэгром. Идея использовать сжатый воздух в качестве энергоносителя на транспортном средстве не нова. В конце XIX века в Европе на сжатом воздухе ездили некоторые трамваи, грузовики и внутризаводской транспорт. Однако энергоёмкость сжатого воздуха, даже если давление доводили до трёхсот атмосфер, была низка, к тому же не существовало прочных и легких материалов, способных заменить металл в баллонах для сжатого воздуха.
«Топливный бак» автомобиля — это баллон со сжатым воздухом. Изготовлен из углеволокна, в результате чего он обрел прочность, легкость и безопасность. Углеволоконный баллон с воздухом под давлением можно трясти и бросать. В серийной версии совместных автомобилей Нэгр и Tata Motors находится два баллона с общим объемом в 340 л. Полной заправки баллонов хватает на двести километров движения автомобиля, а «заправить» пустые баллоны можно будет в любом месте, где есть компрессор для подкачки шин. Там, где не найдётся компрессора, но будет электрическая розетка, владельцы смогут заправить свою «воздушную» машину с помощью электричества, так как пневматический двигатель может работать в качестве компрессора.
Практическая часть
Тема альтернативных источников топлива, безусловно, актуальна и злободневна в настоящее время на фоне быстро дорожающей нефти истощающихся природных источниках. Во время проведения информационного обзора выяснили, что человечество всерьез задумалось об использовании альтернативных источников топлива. По данной тематике были изучены как библиотечные материалы, так и материалы из Интернета.
Самые интересные, с нашей точки зрения, перспективы применения данного вида топлива представлены в мультимедийном обучающем пособии.
Обучающее пособие в виде мультимедийного диска на тему «Альтернативные виды топлива» создано в программе Power Point c использованием возможностей данной программы: внедрение звука, картинок. Данное пособие может использоваться на уроках экологии, информатики, физики, материаловедения. а также диск можно использовать классными руководителями для проведения тематических классных часов.
В рамках проекта был проведен социологический опрос на тему «Виды топлива» среди водителей, паркующихся (владельцы легковых автомобилей) около школы – опрошено 35 человек.
По результатам данного опроса, оказалось, что:
Были перечислены следующие виды топлива: бензин 80; бензин 92; бензин 95; дизтопливо; газ; электричество; спирт.
Выяснили, что:
57% опрошенных ездит на бензине с октановым числом 95;
31% - на бензине 92;
6% - на дизтопливе;
3% - на бензине с октановым числом 80;
6% - на газе.
3. 95% респондентов согласились с тем, что основным загрязнителем воздуха являются выхлопные газы автомобилей.
4. Среди альтернативных источников топлива были названы: природный газ - 31%, спирт – 29%, водород – 6%, электричество – 31%, биотопливо, солнечная энергия – 3%.
5. На альтернативных источниках топлива согласились ездить: 50% опрошенных, 20% - отказались, 30% - затрудняются ответить.
6. По результатам опроса выяснили, что:
31% респондентов считают самым экологичным видом топлива электричество;
31% - водород;
29% - солнечная энергия;
9% - органика.
7. 34% опрошенных согласны ездить на газе;
31% в качестве топлива выбрали электричество;
23% заправили бы свое транспортное средство органическим топливом;
6% - водородом;
6% считают, что лучше заправлять машину бензином.
Данный опрос показал, что большинство водителей заправляют свой автомобиль бензином с октановым числом 95. Осознают, что самый большой вред экологии города наносится автомобильным транспортом. Автомобилистам хорошо известно о существовании альтернативных источников топлива, хотя заправлять собственные автомобили они не торопятся вследствие технических трудностей (необходимо переделывать двигатель под определенный вид топлива) и небольшого количества либо вообще отсутствия специализированных заправок.
В рамках данного проекта возникло следующее предложение: использовать в качестве альтернативного топлива – биотопливо на основе переработанного растительного масла. Сырьем для этого вида топлива могут служить любые культуры, из которых получают большое количество растительного масла. Чаще всего это рапс и соя, их переработка дает максимальный выход сырья и, соответственно, конечного продукта в виде биодизеля. В дело идут и животные жиры, являющиеся отходами мясокомбинатов, кожевенных заводов и других предприятий. Также годятся перегоревшие растительные масла из ресторанов и прочих заведений общественного питания. Биодизель из масла растительного и животного происхождения производится по относительно простой технологии. Основные этапы технологического процесса выглядят следующим образом:
грубая и тонкая очистка сырья (масла) от мельчайших примесей;
смешивание масла и этилового спирта с добавлением щелочного катализатора в реакторе. Пропорции сырья и этанола – 9 : 1, катализатором служит гидроксид натрия или калия;
нагрев до 60 °С и перемешивание при этой температуре в течении примерно 2 часов. Этап носит название этерификации;
полученная субстанция отстаивается в отдельной емкости и расслаивается на 2 вещества – глицериновая фракция и собственно биодизель;
вещества разделяются в сепараторе, после чего горючее проходит термическую обработку с целью выпаривания из него воды.
Любое растительное масло — это смесь триглицеридов, т. е. эфиров, соединенных с молекулой глицерина (C3H8O3). Именно глицерин придает вязкость и плотность растительному маслу. Задача при приготовлении биодизеля - удалить глицерин, заместив его на спирт. Этот процесс называется транс этерификацией. Реакция в целом выглядит так,
Эксперимент по получению биотоплива в школьной лаборатории:
В 3,5 г твердой щелочи (NaOH) растворили в избытке этилового спирта, массой 110 г
В 1000 г теплового рафинированного растительного масла добавили спиртовой раствор гидроксида натрия (в качестве катализатора). Смесь нагрели до 60о, нагревание и перемешивание вели около 120 минут с целью удаления избытков спирта и воды.
В результате реакции смесь расслоилась, образуя биодизель в виде желтого раствора (цвет меда) в верхнем слое, химически называемый «сложный эфир - триолеат», затем слой, содержащий мыло (натриевые соли олеиновой кислоты) и на дне остался трехатомный спирт глицерин темно коричневого цвета.
Провели промывку подкисленной водой с винным уксусом (экстрагирование), для удаления остатков мыла и щелочи.
Полученную смесь осторожно перелили в делительную воронку, нижний слой глицерина отделили от биодизеля.
Качество получившегося продукта биодизеля определили проверкой рН среды. Проверили кислотность среды с помощью лакмусовой бумажки, рH = 7, среда нейтральная. На вид он выглядел как желтоватый свежий раствор меда. Не наблюдалось наличие никаких взвесей, примесей, частиц или замутнений. (можно использовать адсорбенты в качестве очистки биодизеля от остатков спирта, альдегидов, сероводорода и др.)
Выводы по экспериментальному получению биотоплива в условиях лаборатории:
Получение биотопливо в лаборатории оказалось непростым синтезом. Необходимо соблюдать весь технологический процесс: длительное нагревание и перемешивание, очистка от глицериновой фракции и примесей, высушивание и определение качества топлива.
Выводы проектной работы:
Основная масса достоинств этого вида горючего относится к снижению выбросов в окружающую среду. Количество углекислого газа, образующегося при сгорании топлива, теоретически равняется тому объему, что потребили из воздуха масличные культуры (расчитано учеными – инженерами), таким образом выдерживается баланс, но только при сжигании биодизеля, их КПД довольно высок. А вот эффективность – всего 60%, так как помимо углекислого образуется и угарный газ, загрязняющий атмосферу. В составе топлива очень мало серы, из-за чего использование биодизеля наносит куда меньший вред окружающей среде. При попадании в воду горючее не загрязняет ее, а постепенно разлагается микроорганизмами. Ну и двигатель на растительном сырье работает лучше, так как октановое число (51) выше, чем нефтяного топлива (42—45).
А из минусов стоит отметить:
В холодное время года чистое дизельное топливо необходимо подогревать или использовать вместо него смеси с содержанием солярки до 80%.
Короткий срок хранения (около 3 месяцев).
Площади, на которых выращивается растительное сырье для производства биодизеля, занимают сельскохозяйственные угодья.
Высокая себестоимость.
Заключение
Проблема поиска топлива для автомобилей, которое станет достойной альтернативой бензину и дизелю, является одной из наиболее актуальных в мире. Заставляют искать новые виды горючего: и все время растущая дороговизна нефти, и рост загрязнения окружающей среды. Ряд автомобилистов уже заправляют свои машины природным газом, кто-то ездит на электромобилях, а наибольшей популярностью в настоящий момент пользуются так называемые автомобили-гибриды, в которых используются альтернативные источники энергии.
В рамках данного проекта мы провели анкетирование и выяснили, что большинство водителей заправляют свой автомобиль бензином с октановым числом 95. Осознают, что самый большой вред экологии города наносится автомобильным транспортом. Автомобилистам хорошо известно о существовании альтернативных источников топлива, хотя заправлять собственные автомобили они не торопятся вследствие технических трудностей (необходимо переделывать двигатель под определенный вид топлива) и небольшого количества либо вообще отсутствия специализированных заправок.
Нами был создано мультимедийное пособие по альтернативным видам топлива.
В процессе изучения информации по этой теме возникла идея получения альтернативного топлива из растительного масла. Оказывается, что такая методика уже находится в разработке и внедрении. Во время проекта мы получили биотопливо – как энергию будущего из растительного сырья по разработанной методике.
Мы верим, что производство альтернативного топлива на растительном сырье позволит повысить эффективность работы транспорта, а самое главное сохранить биоритмы природы и экологию окружающей среды.
Источники:
Т.Н. Смирнова, В.М. Подгаецкий. Биодизель – альтернативное топливо для дизелей. "Двигатель" №2 (50) 2007 г.
Американские инициативы / альтернативное топливо."Современная АЗС", Июль 2006 г.
В. Квинт. Могучая смесь. «Forbes», август 2007 г.
Н.Г. Кириллов. Альтернативное моторное топливо из местного сырья. «Энергетика и промышленность России», № 4 (32) апрель 2013 г.
С. Скрипка. Топливо расцвело. «Автоцентр» № 10, 2004 г.
В. Кузнецова. Новое меню для «железного коня». АиФ, № 35 (536) от 29 августа 2007 г.
http://www.eprussia.ru/epr/84/5980.htm
www.intersolar.ru
www.svobodanews.ru
www.uzr.com.ua
www.Gazogenerator.ru
http://1kz.biz/battery
www.au92.ru
http://musor.net
http://www.vokrugsveta.ru/telegraph/auto/640/