Альтернативная водородная энергетика как
элемент школьного раздела химии : «Физико-химические свойства водорода»
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
1.1. Основные концепции надежности и экологической безопасности объектов энергетики
1.2 Энергетика сегодня
1.2.1 Энергетические потребности, ресурсы и возможности
1.2.2 Экологические проблемы энергетики и пути их решения
1.2.2.1 Парниковый эффект
1.2.2.2.Загрязнение атмосферы
1.2.2.3 Озоновые «дыры»
1.3 Особенности альтернативной водородной энергетики
1.3.1 Назначение, основные функциональные показатели
1.3.2 Область применения
1.3.3.Основания для выбора
1.3.4 Состояние и тенденции развития
1.3.5 Влияние водородной энергетики на окружающую среду
1.3.6 Дополнительные сведения о применении водорода
в бытовых целях
1.3.6 Пути развития водородной энергетики
1.3.7 Пиролиз воды
Глава 2. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ
ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
2.1 Сообщение 1. Суть водородной энергетики
2.2 Сообщение 2. Выполняется учениками, на основе материалов,
предоставленных учителем
2.3 Сообщение 3. Выполняется учениками, на основе материалов, предоставленных учителем
2.4 Сообщение 4. Выполняется учителем
2.5 Сообщение 5. Выполняется учениками, на основе материалов, предоставленных учителем
2.6.Сообщение 6. Выполняется учениками
2.7 Сообщение 7. Выполняется учителем при завершении изучения темы
Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ИЗУЧЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТО В СРЕДНЕЙ ШКОЛЕ (НА ПРИМЕРЕ ВОДОРОДА)
3.1. Урок 1. Водород
3.2. Урок 2. Свойства и применение водорода
3. 3. Урок 3. Практическое занятие
3. 4. Урок 4. Контрольная работа
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ВЫВОДЫ
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность выбранной темы обусловлена тем, что вопрос о поиске альтернативных видов топлива для защиты окружающей среды от негативных воздействий вызывает интерес. А интерес учащихся к теме – это инструмент педагога, позволяющий намного облегчить усвоение материала и повысить качество знаний. К тому же теоретический анализ проблемы и разработка мероприятий по теме «Альтернативная водородная энергетика» с использованием новых методических приемов позволит решать задачи естественнонаучного образования, а именно формирование экологического и научного мировоззрения [1]. Кроме того, возрастание значимости экологических проблем требует постоянно изыскивать пути, дополнительные резервы повышения уровня преподавания естественнонаучных дисциплин, позволяющего формировать правильное отношение к окружающей среде и понимать закономерности развития природы.
Исходя из актуальности исследования, основной целью данной дипломной работы являлось:
Рассмотрение возможности экологизации раздела химии: «Физико-химические свойства водорода» путем внедрения темы: «Альтернативная энергетика».
В связи с этим в дипломной работе решались следующие конкретные задачи:
1) разработать обзор сведений о водородной энергетике как альтернативном виде энергии
2) выбор соответствующих форм организации занятий в рамках
«Альтернативная водородная энергетика»;
3) составление тестовых заданий по изучаемой теме;
4) апробация разработанных методик в МОУ СОШ гимназии № 1 г. Нальчика;
Предмет исследования – возможности введения в практику обучения новых прикладных и экологических аспектов при изучении темы «Альтернативная водородная энергетика».
Объект исследования – познавательная деятельность учеников девятых классов МОУ СОШ №1 г. Нальчика.
Гипотеза – разработка и реализация новых методических подходов к изучению темы «Альтернативная водородная энергетика» с акцентированием на прикладные и экологические аспекты позволит сформировать положительную мотивацию к учению и сделать очередной шаг в процессе формирования экологического мировоззрения учащихся [2, 3].
Глава 1. ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
1.1 Основные концепции надежности и экологической безопасности объектов энергетики
Не так важно, каково ваше мнение о нуждах энергетики, об источниках энергии, ее качестве и себестоимости. Нам, по-видимому, следует лишь согласиться с тем, что сказал ученый мудрец, имя которого осталось неизвестным: «Нет простых решений, есть только разумный выбор».
Энергетические объекты (топливно-энергетический комплекс вообще и объекты энергетики в частности) по степени влияния на окружающую среду принадлежат к числу наиболее интенсивно воздействующих на биосферу.
Увеличение напоров и объемов водохранилищ гидроузлов, продолжение использования традиционных видов топлива (уголь, нефть, газ), строительство АЭС и других предприятий ядерного топливного цикла (ЯТЦ) выдвигают ряд принципиально важных задач глобального характера по оценке влияния энергетики на биосферу Земли. Если в предыдущие периоды выбор способов получения электрической и тепловой энергии, путей комплексного решения проблем энергетики, водного хозяйства, транспорта и др. и назначение основных параметров объектов (тип и мощность станции, объем водохранилища и др.) проводились в первую очередь на основе минимизации экономических затрат, то в настоящее время на первый план все более выдвигаются вопросы оценки возможных последствий возведения и эксплуатации объектов энергетики.
Это, прежде всего, относится к ядерной энергетике (АЭС и другие предприятия ЯТЦ), крупным гидроузлам, энергокомплексам, предприятиям, связанным с добычей и транспортом нефти и газа и т.п. Тенденции и темпы развития энергетики сейчас в значительной степени определяются уровнем надежности и безопасности (в том числе экологической) электростанций разного типа. К этим аспектам развития энергетики привлечено внимание специалистов и широкой общественности, вкладываются значительные материальные и интеллектуальные ресурсы, однако сама концепция надежности и безопасности потенциально опасных инженерных объектов остается во многом мало разработанной.
Развитие энергетического производства, по-видимому, следует рассматривать как один из аспектов современного этапа развития техносферы вообще (и энергетики в частности) и учитывать при разработке методов оценки и средств обеспечения надежности и экологической безопасности наиболее потенциально опасных технологий.
Одно из важнейших направлений решения проблемы - принятие комплекса технических и организационных решений на основе концепций теории риска.
Объекты энергетики, как и многие предприятия других отраслей промышленности, представляют источники неизбежного, потенциального, до настоящего времени практически количественно не учитываемого риска для населения и окружающей среды. Под надежностью объекта понимается его способность выполнять свои функции (в данном случае - выработка электро- и тепловой энергии) в заданных условиях эксплуатации в течение срока службы. Или наиболее подробно: свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующие способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения.
Под экологической безопасностью понимается сохранение в регламентируемых пределах возможных отрицательных последствий воздействия объектов энергетики на природную среду. Регламентация этих негативных последствий связана с тем, что нельзя добиться полного исключения экологического ущерба.
Отрицательные последствия воздействия энергетики на окружающую среду следует ограничивать некоторым минимальным уровнем, например, социально-приемлемым допустимым уровнем. Должны работать экономические механизмы, реализующие компромисс между качеством среды обитания и социально-экономическими условиями жизни населения. Социально-приемлемый риск зависит от многих факторов, в частности, от особенностей объекта энергетики.
В силу специфики технологии использования водной энергии гидроэнергетические объекты преобразуют природные процессы на весьма длительные сроки. Например, водохранилище ГЭС (или система водохранилищ в случае каскада ГЭС) может существовать десятки и сотни лет, при этом на месте естественного водотока возникает техногенный объект с искусственным регулированием природных процессов - природно-техническая система (ПТС). В данном случае задача сводится к формированию такой ПТС, которая обеспечивала бы надежное и экологически безопасное формирование комплекса. При этом соотношение между основными подсистемами ПТС (техногенным объектом и природной средой) может быть существенно различным в зависимости от выбранных приоритетов - технических, экологических, социально-экономических и др., а принцип экологической безопасности может формулироваться, например, как поддержание некоторого устойчивого состояния создаваемой ПТС.
Другой оказывается постановка задачи оценки возможных последствий для окружающей среды при создании объектов ядерной энергетики. Здесь под экологической безопасностью понимается концепция, согласно которой при проектировании, строительстве, эксплуатации и снятии с эксплуатации АЭС, а также других объектов ЯТЦ предусматривается и обеспечивается сохранение региональных экосистем. При этом допускается некоторый экологический ущерб, риск которого не превосходит определенного (нормируемого) уровня. Этот риск минимален в период штатной эксплуатации АЭС, возрастает при возведении объекта и снятии его с эксплуатации и, особенно - в аварийных ситуациях. Необходимо учитывать влияние на окружающую среду всех основных факторов техногенного воздействия: радиационного, химического теплового (с учетом их возможного нелинейного взаимодействия). Следует иметь в виду и различные масштабы возможных последствий: локальный (тепловое пятно сброса подогретых вод в водоемы и водотоки), региональный (выброс радионуклидов), глобальный (рассеяние долгоживущих радионуклидов по биосферным каналам). Если же создается крупное водохранилище - охладитель, то, как в случае гидроэнергетического объекта, должна ставиться задача об экологически безопасном функционировании сложной ПТС (с учетом отмеченной специфики АЭС).
Аналогичный круг вопросов следует рассматривать при формулировании концепции экологической безопасности объектов теплоэнергетики: учет теплового и химического воздействия на окружающую среду, влияние водоемов-охладителей и т.п. Кроме того, для крупных ТЭС на твердом топливе (уголь, сланцы) возникают проблемы надежной и безопасной эксплуатации золоотвалов - сложных и ответственных грунтовых гидросооружений. И здесь надо ставить задачу о безопасном функционировании ПТС «ТЭС - окружающая среда» [1].
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 мире 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 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.
Рождение энергетики произошло несколько миллионов лет тому назад, когда люди научились использовать огонь. Огонь давал им тепло и свет, и был источником вдохновения и оптимизма, оружием против врагов и диких зверей, лечебным средством, помощником в земледелии, консервантом продуктов, технологическим средством и т. д.
На протяжении многих лет огонь поддерживался путем сжигания растительных энергоносителей (древесины, кустарников, камыша, травы, сухих водорослей и т. п.), а затем была обнаружена возможность использовать для поддержания огня ископаемые вещества: каменный уголь, нефть, сланцы, торф.
Прекрасный миф о Прометее, даровавшем людям огонь, появился в Древней Греции значительно позже того, как во многих частях света были освоены методы довольно изощренного обращения с огнем, его получением и тушением, сохранением огня и рациональным использованием топлива.
Сейчас известно, что древесина – это аккумулированная с помощью фотосинтеза солнечная энергия. При сгорании каждого килограмма сухой древесины выделяется около 20 000 кДж тепла, теплота сгорания бурого угля равна примерно 13 000 кДж/кг, антрацита 25 000 кДж/кг, нефти и нефтепродуктов 42 000 кДж/кг, а природного газа 45 000 кДж/кг. Самой высокой теплотой сгорания обладает водород 120 000 кДж/кг.
На наших глазах набирает силу новая отрасль промышленности – водородная энергетика и технология. Потребность экономики в водороде идет по нарастающей. Ведь это простейшее и легчайшее вещество может использоваться не только как топливо, но и как необходимый сырьевой элемент во многих технологических процессах. Он незаменим в нефтехимии для глубокой переработки нефти, без него не обойтись, скажем, в химии при получении аммиака и азотных удобрений, а в черной металлургии с его помощью восстанавливается железо из руд. Такие существующие виды органического топлива, как газ, нефть и уголь, тоже служат сырьем в этих и подобных процессах, но еще полезнее извлечь из них самый экономный и чистый энергоноситель – тот же водород. Водород – идеальный экофильный вид топлива. Очень высока и его калорийность – 33 тыс. ккал/кг, что в 3 раза выше калорийности бензина. Он легко транспортируется по газопроводам, потому что у него очень малая вязкость. По трубопроводу диаметром 1, 5 м с ним передается 20 тыс. Мегаватт мощности. Перекачка легчайшего газа на расстояние в 500 км почти вдесятеро дешевле, чем передача такого же количества электроэнергии по линиям электропередачи. Как и природный газ, водород пригоден на кухне для приготовления пищи, для отопления и освещения зданий. Чтобы продемонстрировать его возможности, американские ученые построили «водородный дом», в котором для освещения использовали водород. Передавать водород в жидком виде – удовольствие очень дорогое, т. к. для его сжижения нужно потратить почти половину энергии, содержащейся в нем самом. Кроме того, температура жидкого водорода очень низка.
Как топливо водород сжигается в двигателях ракет и в топливных элементах для непосредственного получения электроэнергии при соединении водорода и кислорода. Его можно использовать и как топливо для авиационного транспорта.
Водородная энергетика сулит ряд выгод. Поэтому появилось много энтузиастов водородной энергетики, возникли их ассоциации, в том числе международная.
Сейчас в мире получают около 30 миллионов тонн водорода в год, причем в основном из природного газа. Согласно прогнозам за 40 лет производство водорода увеличиться в 20-30 раз. Предстоит с помощью атомной энергетики заменить нынешний источник водорода – природный газ – на более дешевое и доступное сырье – на воду. Здесь возможны два пути.
Первый путь – традиционный, с помощью электрохимического разложения воды.
Второй путь менее известен. Если нагреть пары воды до 3000-3500 °С, то водные молекулы развалятся сами собой.
Оба способа получить водород из воды пока дороже, чем из природного газа. Однако природный газ дорожает, а методы разложения воды совершенствуются. Через какое-то время получать водород из воды станет дешевле. В отдельных случаях и сейчас выгодно получать водород с помощью электролиза в ночные часы, когда имеется лишняя и дешевая электроэнергия.
Водородная энергетика бурно развивается, но недаром все чаще говорят об атомно-водородной энергетике. Требуются большие энергетические расходы для получения водорода. Тандем «ядерный реактор – водородный генератор» - претендует ныне на роль энергетического лидера в экономике нынешнего, XXI, века.
Этапы развития водородной энергетики, изложенные выше, показывают, что она является реальной перспективой альтернативной энергетики. Это диктует подготовку высококвалифицированных специалистов – энергетиков с экологической направленностью. Формирование таких специалистов начинается в школе. С этой точки зрения, прочным фундаментом или одним из кирпичиков такого фундамента может послужить методически правильное и оформленное освоение раздела «Водород» школьного курса химии, сочетающего элементы технологии и экологии водородной энергетики.
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
|