Промышленные отходы как альтернативные источники энергии

Разделы: Физика

ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1. Актуальность темы исследования

В наш неспокойный XXI век особенно важно стоит проблема получения и использования энергии. Очень животрепещущая тема для данной эпохи: как получить много энергии и как можно дешевле.

  1. Объект исследования

    2. Являются традиционные и альтернативные источники энергии.

  2. Предмет исследования

    3. Промышленные отходы, а именно бумага, как новый источник энергии.

  3. Научная новизна

    4. Данной работы состоит в том, что на основе анализов большого количества источников, а также, используя собственные расчёты количества теплоты, выделяющегося при полном сгорании моего вида топлива, была изготовлена модель пресса для создания топлива из отработанных материалов (газетных листов). Мне удалось получить свой альтернативный источник энергии.

  4. Теоретическая и практическая значимость

Данная тема в науке никогда не сможет быть завершённой. Научные исследования этого направления актуальны при изучении физики и могут применяться на уроках в 7-11 классах.

ВВЕДЕНИЕ

Энергия - без неё не было бы современного общества, привычных удобств, развлечений, современной цивилизации. Жалок был бы человек, не имеющий в своём распоряжении всевозможных энергетических источников, помогающих ему жить. Человек без дополнительной энергии вынужден был бы полагаться только на самого себя - лишь на свои силы. Главный вопрос - сколько человечеству нужно энергии? Сколько энергии нужно произвести, чтобы жить в тёплых квартирах, чтобы создавать необходимые изделия, пользоваться транспортом, чтобы готовить пищу, чтобы развлекаться? Специалисты считают, что каждому живущему на Земле понадобится для нормальной жизни 3-4 кВт мощности. Поэтому примерная величина потребной энергетической мощности в 2020 году составит почти 30 млрд. кВт. Человечеству придётся установить больше энергетических источников, чем оно имеет сегодня. И тут непременно возникнут проблемы, над которыми мы начали задумываться. Известно, например, что в сегодняшнем энергобалансе львиная доля принадлежит ископаемому топливу и биомассе. При получении энергии осуществляется в том или ином виде сжигание различных видов топлива - нефти, газа, угля, дерева, - при котором происходит выделение больших количеств углекислого газа, накопление которого в атмосфере может привести к так называемому парниковому эффекту. Кроме этого, непрерывно дымящие трубы тепловых электростанций и других энергетических источников могут принести и другие неприятности. Сколь бы ни были совершенны фильтры, улавливающие твёрдые частицы не полностью сгоревшего топлива, огромное количество их вместе с дымом попадает в атмосферу. В этих частицах содержатся различные вредные вещества. Возрастание этих выбросов поставит под угрозу здоровье миллионов людей. История развития человечества теснейшим образом связана с получением и использованием энергии. Издавна в качестве основных источников энергии использовались дрова (и сейчас тоже), торф, древесный уголь, вода, ветер, солнце. Также с древнейших времён известны уголь, который в настоящее время становится всё менее популярным, и нефть. Практическая ценность топлива определяется количеством теплоты, выделяющимся при его полном сгорании. Но основной недостаток природного топлива - его крайне медленная восполняемость. Существующие ныне запасы образовывались десятки и сотни миллионов лет назад. В тоже время добыча топлива непрерывно увеличивается. По данным экспертов, к 2100 г. запасы топливных ресурсов будут исчерпаны. Истощение не грозит гидроэнергетическим ресурсам - в отличие от органического топлива они непрерывно возобновляются. Но гидроэнергетические ресурсы неспособны дать необходимое количество энергии. Они могут играть только вспомогательную роль. Таким образом, ни органическое топливо, ни гидроэнергия не могут решить проблемы энергетики в перспективе. Что касается ядерной энергии, по оценкам специалистов, только затраты на вывоз, захоронение и нейтрализацию накопившихся на российских предприятиях отходов ядерной энергетики составят около 400 млрд. долларов. Затраты на обеспечение необходимого уровня технологической безопасности составят 25 млрд. долларов. С увеличением числа реакторов повышается вероятность аварий. Таким образом, тезис о безопасности и дешевизне атомной энергии - пустой и опасный миф, а атомная энергетика по причине огромной потенциальной опасности и низкой рентабельности не имеет долгосрочной перспективы. Также, в ближайшие 50 лет вряд ли будут технологически освоены электростанции на основе термоядерного синтеза, а пагубное тепловое влияние на климат планеты будет не меньшим, чем от ТЭС и АЭС. Понятно, что взгляды учёных всё чаще обращаются к источникам энергии экологически чистым, не вредящим природе и человеку. Существуют самые различные - привычные и экзотические - способы получения энергии. Человечеству давно известны энергия ветров, приливов, морских течений и волнений, тепло Земли (геотермальная энергия), прямое использование солнечной энергии, биогазовые и теплонасосные установки и другие преобразователи энергии. Сегодня в мире всё более широко используются технологии, позволяющие сберегать природные ресурсы. Но только возобновляемые источники энергии, могут представлять реальную альтернативу традиционным технологиям сегодня и в перспективе, позволяют долгосрочно обеспечить всю страну. Но пока доля этих источников в общем энергобалансе невелика, но они крайне привлекательны для энергетиков. Во-первых, эти источники нескончаемы. Во- вторых, их использование не приводит ни к каким нежелательным последствиям для природы и человека. Вот почему доля этих источников в энергопотреблении будет постоянно возрастать. Дефицит энергии и ограниченность топливных ресурсов с всё нарастающей остротой показывают неизбежность перехода к нетрадиционным, альтернативным источникам энергии. Они экологичны, возобновляемы, основой их служит энергия Солнца и Земли. Вот почему важнейшей проблемой энергетики стала проблема изыскания новых источников энергии. Безотходная деятельность человека не реальна. Однако стремление к сокращению отходов диктуется жёсткими экологическими ограничениями и экономическими интересами народного хозяйства. Один из парадоксов современности состоит в том, что с ростом благосостояния людей, несмотря на достижения технического прогресса, количество бытовых отходов в расчёте на одного человека неуклонно возрастает. Среднестатистический городской житель выбрасывает за год: россиянин порядка 500 кг отходов, американец - более тонны, немец- 900 кг, этого вполне достаточно для того, чтобы наша далеко не современная система вывоза и складирования мусора задыхалась и давала сбои. Структурный состав твёрдых бытовых отходов (ТБО) в городах примерно одинаков и колеблется по временам года. По проведённым исследованиям это по весу: 30-40%- бумага, картон, 25-35%- пищевые отходы, 2-4%- древесина, 2-4%- текстиль, 3-6%- металл, 5-6%- стекло, керамика, 1-2%- кожа, резина и 1-2%- пластмассы. Особо вредных веществ в составе ТБО не просматривается, если не смешивать их с промышленными отходами, которые отличаются большим содержанием вредных примесей и нуждаются в специальных технологиях переработки. К ним относятся пиролитический и плазменный методы переработки отходов, которые позволяют получить дополнительную энергию, содержащуюся в отходах. Главной целью является максимальный перевод тепловой энергии, содержащейся в потоке отходов в газ, который затем используется для производства энергии либо путём прямого сжигания, либо в двигателе сгорания с системой искрового зажигания, или в газовой турбине для производства электроэнергии. В связи с тем, что бумага занимает самый высокий процент промышленных отходов, я предлагаю свой источник получения дополнительной энергии и рассмотреть все преимущества и недостатки данного источника. На эту мысль меня натолкнул репортаж с выставки альтернативных источников энергии, проходивший в Японии в 2008 году. В своей исследовательской работе я пыталась найти ответы на вопросы: Может ли природа дать нам бесплатную энергию? Как сэкономить на производстве энергии? Можно ли отходы пустить в доходы? Установила основные причины, указывающие на важность скорейшего перехода к альтернативным источникам энергии.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Данная работа является исследовательско-экспериментальной. Для получения моего источника энергии мне необходимо изготовить пресс. Для этого я взяла обычный сосуд из-под моющих средств (шампуня). Сделала в нём несколько отверстий и вставила в него точно такой же сосуд, только чуть меньших размеров, т.е. получила модель пресса. Затем взяла три газетных листа размером 78 х 55 см и предварительно замочила их в воде на несколько минут. После этого поместила сырые листы в мой пресс и сжала. Образовался брусок цилиндрической формы объёмом 107 см3 и массой 30 г, который надо высушить, т.е. получился новый вид топлива. В дальнейшем, я полностью сожгла данный брусок, при этом зафиксировала время полного сгорания данного вида топлива. Сравнила время горения бруска, состоящего из прессованной бумаги, со временем горения одновременно таких же обычных трёх газетных листов. Рассчитала количество энергии, которое выделяется при полном сгорании этого топлива. Рассмотрела экономическую и экологическую целесообразность использования данного источника энергии.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Использованные мною три газетных листа размером 78 х 55 см каждый в прессе имеют общий объём 107 см3, и полностью сгорает этот брусок массой 30 г в течение 50 минут. А просто три листа (без пресса) сгорают в течение 2 минут, т.е. длительное время мы можем получать от одного и того же источника, только в другой форме, больше света и тепла.

2. Рассчитала количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании этого вида топлива по формуле Q=qm. Q=0,03х107 Дж.

3. Данному топливу можно придать любую компактную форму, изготовить больших или меньших размеров, различной массы, в зависимости от назначения, при этом использовав как можно больше бытовых отходов (бумаги).

4. В результате прямого сжигания ТБО (бумаги) образуются соли тяжёлых металлов, а при сгорании газетных листов ещё и свинец, содержащийся в типографской краске. Не всегда фильтры способны уловить загрязняющие вещества. Поэтому значительное количество их поступает в окружающую среду, попадает в лёгкие человека, нарушает мозговую деятельность. Но если для переработки использовать, например, пиролитические конвертеры или плазменную технологию, то весь токсичный мусор и тяжёлые металлы либо разлагаются, либо нейтрализуются в угольные остатки. Данные технологии широко используются по всему миру и удовлетворяют все требования охраны окружающей среды. А также их производительность составляет до нескольких десятков тонн отходов в сутки. В любом случае мы получаем дополнительную энергию.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По проведённым исследованиям я определила основные причины, указывающие на важность перехода к альтернативным источникам энергии.

  1. Глобально- экологические: сегодня общеизвестен и доказан факт пагубного влияния на окружающую среду традиционных энергодобывающих технологий.
  2. Экономические: переход на альтернативные технологии в энергетике позволит сохранить топливные ресурсы страны. Кроме того, стоимость энергии, производимой многими альтернативными источниками, уже сегодня ниже стоимости из традиционных источников.
  3. Социальные: численность и плотность населения постоянно растут. Трудно найти место для строительства электростанций, где производство энергии было бы рентабельно и безопасно для окружающей среды и человека.
  4. Политические: та страна, которая первой в полной мере освоит альтернативную энергетику, способна претендовать на мировое первенство и фактически диктовать цены на топливные ресурсы.
  5. Эволюционно- исторические: в связи с ограниченностью топливных ресурсов на Земле, а также нарастанием катастрофических изменений в атмосфере и биосфере планеты существующая традиционная энергетика представляется тупиковой. Для эволюционного развития общества необходимо начать постепенный переход на альтернативные источники энергии.

По прогнозу Мирового энергетического конгресса в 2020 году на долю альтернативных преобразователей энергии придётся 6% общего энергопотребления. При этом в развитых странах (США, Великобритании и др.) планируется довести долю до 20%. В странах Европы планируется к 2020 г. обеспечить экологически чистое теплоснабжение 70% жилищного фонда. В России доля альтернативных преобразователей энергии составляет только около 0,5-0,6% энергобаланса страны. По всем видам АПЭ Россия находится на одном из последних мест в мире. Остроумное замечание великого учёного Д.И.Менделеева, что топить печь углём, нефтью, газом, да и древесиной - всё равно, что топить ассигнациями, стало не только крылатым, но и провидческим. К сожалению, эта формула справедлива до сих пор: природное топливо по-прежнему сжигается для получения тепла и кардинальных изменений в существующих технологиях пока не предвидится. И всё же надежда на улучшение положения есть. Проблемы сложны и неоднозначны. Чтобы их решить понадобится многолетний труд, который, наверное, никогда не сможет быть завершён.