Химия в поисках альтернативных источников энергии
Химия в поисках альтернативных источников энергии
Федеральное агентство по
образованию и науке РФ
Омский Государственный
Педагогогический Университет
Кафедра ОХ и МХП
Курсовая работа
Тема: «Химия в поисках
альтернативных источников энергии».
Выполнил: студент химико-биологического
факультета гр. 31 хим.
Ольхович И. П.
Проверила: к.п.н., доцент кафедры ОХ и
МПХ
Терлеева И. Б.
ОМСК 2007
Содержание.
Введение……………………………………………………………………………. 3
§1. Классификация и представители АИЭ..…………………………….…………5
§2. Использование биомассы в качестве биотоплива……………………………10
§3. Биодизель……………………………………………………………………….13
§4. Биогаз………..……………………………………………………………….....15
§5. Биоэтанол, как топливо и добавка к нему………...………………………….20
Заключение…………………………………………………………..……………..25
Библиография………………………………………………………………………26
Приложение 1………………………………………………………………………28
Приложение 2………………………………………………………………………29
Приложение 3………………………………………………………………………30
Введение.
Неважно, когда на Земле закончится
нефть, - через пятьдесят, сто или двести лет. Ясно, что источник энергии
исчерпаем в принципе и, следовательно, ему рано или поздно придётся искать
альтернативу. В 60-х годах из-за доступности дешёвого жидкого и газообразного
топлива доля альтернативных видов топлива в топливном балансе страны постоянно
снижалась и составляла менее 2%, соответственно, резко сократился объём
исследовательских и проектных работ. Только к концу 80-х годов интерес к
альтернативным источникам энергии (АИЭ) в России снова возрос. Изменившиеся в
последние годы экономические условия и связанный с ними рост цен на
традиционные виды топлива потребовали изменений в структуре баланса, прежде
всего для удалённых территорий России. Требуется максимальное замещение
привозного топлива местными топливно-сырьевыми ресурсами. В настоящее время
решение проблемы энергетического использования местных топливных ресурсов стало
одной и из неотложных задач социально-экономического развития и
жизнеобеспечения многих регионов России [3].
В настоящее время можно выделить множество
причин к переходу на АИЭ; это увеличение загрязнения окружающей среды,
нарушение теплового баланса атмосферы, которое приводит к глобальному изменению
климата, это и дефицит энергии и ограниченность топливных ресурсов с всё
нарастающей остротой показывают неизбежность поиска новых источников энергии. Основные
причины, указывающие на важность скорейшего перехода на АИЭ это:
1. Глобально-экологический:
сегодня общеизвестен и доказан факт пагубного влияния на окружающую среду
традиционных энергодобывающих технологий, их использование неизбежно ведет к
катастрофическому изменению климата уже в первых десятилетиях XXI веке.
2. Экономический: переход
на АИЭ позволит сохранить тепловые ресурсы для переработки в химической и
других отраслях промышленности.
3. Социальный:
численность и плотность населения постоянно растут. При этом трудно найти
районы для строительства АЭС, ГРЭС и ТЭЦ, хорошо известен и вред, наносимый
гигантскими равнинными ГЭС,- всё это увеличивает социальную напряжённость [2].
В данной курсовой работе я попытаюсь
представить основные виды альтернативного топлива, а так же источники сырья
для его получения.
§1. Классификация и представители
АИЭ.
Альтернативное топливо (от лат.
alter-другой, один из двух), получают в основном из сырья не нефтяного
происхождения, применяют для сокращения потребления нефти с использованием
(после реконструкции) энергопотребляющих устройств, работающих на нефтяном
топливе.
Альтернативные виды топлива можно
классифицировать следующим образом:
·
по
составу: углеводородно-кислотные (спирты), эфиры, эстеры, водородные топлива с
добавками;
·
по
агрегатному состоянию: жидкие, газообразные, твердые;
·
по
объемам использования: целиком, в качестве добавок;
·
по
источникам сырья: из угля, торфа, сланцев, биомассы, горючего газа,
электроэнергии и другие [10].
Рассмотрим кратко каждый из наиболее
распространенных видов альтернативного топлива.
Природный газ.
Природный газ в большинстве стран
является наиболее распространенным видом альтернативного моторного топлива. Природный
газ в качестве моторного топлива может применяться как в виде
компримированного, сжатого до давления 200 атмосфер, газа, так и в виде
сжиженного, охлажденного до -160°С газа. В настоящее время наиболее
перспективным является применение сжиженного газа (пропан-бутан). В Европе это
топливо называется LPG (Liquefied petroleum gas - сжиженный бензиновый газ). В
то время как сжатый газ (метан) находится в баках под давлением 200 бар, что
само по себе представляет повышенную опасность, LPG сжиживается при давлении
6-8 бар.
Газовый конденсат.
Использование газовых конденсатов в
качестве моторного топлива сведено к минимуму из-за следующих недостатков:
вредное воздействие на центральную нервную систему, недопустимое
искрообразование в процессе работы с топливом, снижение мощности двигателя (на
20%), повышение удельного расхода топлива [20].
Диметилэфир.
Диметилэфир является производной
метанола, который получается в процессе синтетического преобразования газа в
жидкое состояние. Существуют разработки по переоборудованию дизельных
двигателей под диметилэфир. При этом существенно улучшаются экологические
характеристики двигателя.
На сегодняшний день в мире
потребление диметилэфира составляет около 150 тысяч тонн в год.
В последние годы разрабатываются
технологические процессы получения диметилэфира из синтетического горючего
газа, производимого из угля.
В отличие от сжиженного природного
газа, диметилэфир менее конкурентоспособен, в основном по причине того, что
теплотворная способность на тонну диметилэфира на 45% ниже теплотворности на
тонну сжиженного природного газа. Также для производства диметилэфира требуется
не только более высокий уровень предварительных капиталовложений, но и больший
объем сырьевого газа для производства продукта с эквивалентной теплотворной
способностью.
В будущем диметилэфир можно
рассматривать только в качестве продукта, имеющего ограниченные возможности,
так как производство сжиженного природного газа характеризуется более
значительной экономией за счет масштабов производства, более низким уровнем
капитальных затрат и более высокой эффективностью процесса производства.
Шахтный метан.
В последнее время к числу
альтернативных видов автомобильных топлив стали относить и шахтный метан,
добываемый из угольных пород. Так, к 1990 г. в США, Италии, Германии и
Великобритании на шахтном метане работали свыше 90 тыс. автомобилей. В
Великобритании, например, он широко используется в качестве моторного топлива
для рейсовых автобусов в угольных регионах страны. Содержание метана в шахтном
газе колеблется от 1% до 98%. В США за период с 1988 по 2000 гг. добыча
угольного метана из специальных скважин возросла от 1 млрд. м3 до 40
млрд. м3 и в будущем еще удвоится. Прогнозируется, что газовая
добыча метана в угольных бассейнах мира уже в ближайшее время составит 96-135
млрд. м3. Общие ресурсы метана в угольных пластах России составляют,
по различным источникам, 48-65 трлн. м3.
Этанол и метанол.
Этанол (этиловый спирт), обладающий
высоким октановым числом и энергетической ценностью, добывается из отходов
древесины и сахарного тростника, обеспечивает двигателю высокий КПД и низкий
уровень выбросов и особо популярен в теплых странах. Так, Бразилия после своего
нефтяного кризиса 1973 г. активно использует этанол - в стране более 7 млн.
автомобилей заправляются этанолом и еще 9 млн. - его смесью с бензином
(газохолом). США является вторым мировым лидером по масштабному изготовлению
этанола для нужд автотранспорта. Этанол используется как “чистое” топливо в 21
штате, а этанол-бензиновая смесь составляет 10% топливного рынка США и
применяется более чем в 100 млн. двигателей. Стоимость этанола в среднем
гораздо выше себестоимости бензина. Всплеск интереса к его использованию в
качестве моторного топлива за рубежом обусловлен налоговыми льготами.
Метанол как моторное топливо имеет
высокое октановое число и низкую пожароопасность. Данные обстоятельства
обеспечивают его широкое применение на гоночных автомобилях. Метанол может
смешиваться с бензином и служить основой для эфирной добавки -
метилтретбутилового эфира, который в настоящее время замещает в США большее
количество бензина и сырой нефти, чем все другие альтернативные топлива вместе
взятые.
Синтетический бензин.
Сырьем для его производства могут
быть уголь, природный газ и другие вещества. Наиболее перспективным считается
синтезирование бензина из природного газа. Из 1 м3 синтез-газа
получают 120-180 г синтетического бензина. За рубежом, в отличие от России,
производство синтетических моторных топлив из природного газа освоено в
промышленном масштабе. Так, в Новой Зеландии на установке фирмы “Мобил” из
предварительно полученного метанола ежегодно синтезируется 570 тыс. тонн
моторных топлив. Однако в настоящее время синтетические топлива из природного
газа в 1,8-3,7 раза (в зависимости от технологии получения) дороже нефтяных. В
то же время разработки по получению синтетического бензина из угля достаточно
активно ведутся в настоящее время в Англии [12].
Топливные элементы.
Топливные элементы - это устройства,
генерирующие электроэнергию непосредственно на борту транспортного средства, -
в процессе реакции водорода и кислорода образуются вода и электрический ток. В
качестве водородосодержащего топлива, как правило, используется либо сжатый
водород, либо метанол. В этом направлении работает достаточно много зарубежных
автомобильных фирм, и если им в итоге удастся приблизить стоимость автомобилей
на топливных элементах к бензиновым, то это станет реальной альтернативой
традиционным нефтяным топливам в странах, импортирующих нефть. В настоящее
время стоимость зарубежного экспериментального легкового автомобиля с
топливными элементами составляет порядка 1 млн. долларов США. Кроме того, к
недостаткам применения топливных элементов следует отнести повышенную
взрывоопасность водорода и необходимость выполнения специальных условий его
хранения, а также высокую себестоимость получения водорода.
Биодизельное топливо.
В последние годы в США, Канаде и
странах ЕС возрос коммерческий интерес к биодизельному топливу, в особенности к
технологии его производства из рапса (возможно также производство из
отработанного растительного масла). В Австрии такое топливо уже сейчас
составляет 3% общего рынка дизельного топлива при наличии производственных
мощностей до 30 тыс. т/год; во Франции эти мощности составляют 20 тыс. т/год; в
Италии - 60 тыс. т/год. В США планируется на 20% заменить обычное дизельное
топливо биодизельным и использовать его на морских судах, городских автобусах и
грузовых автомобилях. Применение биодизельного топлива связано, в первую
очередь, со значительным снижением эмиссии вредных веществ в отработанных газах
(на 25-50%), улучшением экологической обстановки в регионах интенсивного
использования дизелей (города, реки, леса, открытые разработки угля (руды),
помещения парников и т.п.) - cодержание серы в биодизельном топливе составляет
0,02%.
В Европе биодизельное топливо
применяется по двум принципиальным схемам: “немецкой” и “французской”. В
настоящее время в Германии действует около 12 централизованных и 80
децентрализованных заводов по производству рапсового масла, а топливо
“Biodiesel” выпускает восемь немецких фирм. “Французская” схема предусматривает
централизованное производство diestera на мощных установках (5-10 тыс. тонн в
год) [6,5].
Биогаз.
Представляет собой смесь метана и
углекислого газа и является продуктом метанового брожения органических веществ
растительного и животного происхождения. Биогаз относится к топливам,
получаемым из местного сырья. Хотя потенциальных источников для его
производства достаточно много, на практике круг их сужается вследствие географических,
климатических, экономических и других факторов.
Отработанное масло.
В настоящее время на ряде предприятий
различных стран мира весьма эффективно работают установки, преобразующие
отработанное масло (моторное, трансмиссионное, гидравлическое, индустриальное,
трансформаторное, синтетическое и т. д.) в состояние, которое позволяет
полностью использовать его в качестве дизельного или печного топлива. Установка
подмешивает высокоочищенные (в установке) масла в соответствующее топливо, в
точно заданной пропорции, с образованием навсегда стабильной, неразделяемой
топливной смеси. Полученная смесь имеет более высокие параметры по чистоте,
обезвоживанию и теплотворной способности, чем дизельное топливо до его
модификации в установке [15].
Битуминозные пески.
Это полезное ископаемое, органическая
часть которого представляет собой природный битум. По содержанию битума делятся
на богатые или интенсивные (более 10% по массе битума), средние (5-10%) и тощие
(до5%). Битумы подразделяют на несколько типов: мальты (вязкие жидкости, плотностью
0,86-1,03 г/см3, динамичные вязкость 10 Па*с); асфальты (твердые
легкоплавкие вещества, плотность равна 1,03-1,10 г/см3, температура
пл. <100°С); асфальтиты (твердые вещества, плотностью 1,05-1,20 г/см3,
температура пл. 100-300°С); кериты (твердые неплавкие вещества, плотностью
1,7-2,0 г/см3).Содержание смолисто-асфальтеновых веществ в битумах
этих типов составляет соответственно 35-60%, 60-75%, 75-90% и более 90%. В
битумах битумных песков обнаружено свыше 25 химических элемента.
Битум из песков, добытых карьерным
или шахтным методом, извлекают горячей флотацией водными растворами
гидроксидов, карбонатов или силикатов щелочных металлов, а также экстракцией
органическими растворителями (низкокипящие ароматические, парафиновые,
нафтеновые углеводороды, бензин, керосин, спирты, альдегиды и др.). Битум из
песков Атабаски (Канада) имеет следующие свойства: плотность 0,97г/см3,
кинематическая вязкость 3*10-3 м2/с (40°С); содержание S- 3,80%, N- 0,6%,
Fe - 0,044%, V- 0,02%, Ni- 0,006%; зольность- 0,7%; содержание фракций,
выкипающих в пределах 195-345°С, - 13%, выше 345°С - 87%.
В результате комплексной переработки
битума, первой стадией которой является коксование, получают кокс, Н2,
углеводороды C1-C4, синтетическое жидкое топливо,
смазочные масла [20].
§2. Использование биомассы в
качестве биотоплива.
Понятие биомасса включает два вида:
растительную биомассу, образующуюся на основе фотосинтеза и включающую
различные растения, и биомассу животного происхождения, представляющую отходы
жизнедеятельности и переработки животных. Методы энергетического использования
биомассы весьма разнообразны.
Биомассы животного происхождения, в
основном, перерабатываемая биохимическими методами (сбраживание, ферментация),
позволяющими получить метан, так называемый биогаз.
Растительная биомасса
перерабатывается путём непосредственного сжигания и путём термохимической
газификации, позволяющей получить горючий газ, основные горючие компоненты
которого – водород, и окись углерода. Биохимическая переработка растительной
биомассы позволяет получить топливный спирт и горючий газ, известны также
методы химической переработки растительной биомассы с получением жидких топлив
и др.
Растительная биомасса – один из
наиболее распространённых и доступных возобновляемых источников энергии на
Земле, возрастающий интерес к которому связан с экологическими факторами,
вызывающими у человечества всё большее внимание. Ископаемые топлива наносят
значительный вред окружающей среде в местах добычи и при транспортировке. При
сжигании органических топлив в атмосферу выбрасываются значительные количества
окислов азота, серы и двуокиси углерода, а при сжигании углей ещё и твёрдых
частиц. Существует мнение, что выбрасываемая в атмосферу двуокись углерода
обусловливает парниковый эффект, который ведет к потеплению климата. Поэтому
мировое сообщество было вынуждено принять конвенцию, устанавливающую для всех
стран квоты на выбросы в атмосферу вредных веществ. Естественно, что такие
ограничения в ближайшие годы будут фактором, сдерживающим развитие традиционной
энергетики [2].
Достоинства растительной биомассы как
источника энергии хорошо известны. Кроме возобновляемости данного вида топлива
можно отметить такие качества, как экологическая чистота в сравнении с
ископаемыми топливами, а также отсутствие воздействия на баланс свободного
углерода в атмосфере. Последнее связано с тем, что при сгорании растительной
биомассы выделяется и выбрасывается в атмосферу меньше углекислого газа, чем
поглощается растениями из атмосферы в процессе фотосинтеза. Таким образом,
количество свободного углерода в атмосфере при сжигании биомассы не
увеличивается. При сжигании растительной биомассы образуется в 20-30 раз меньше
окислов серы и три-пять раз меньше золы по сравнению с углём. Считается, что
за счет растительного топлива может быть реализовано до 20-30% глобальной
потребности в энергии [15].
Страницы: 1, 2
|