МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ ПРИ ПЕРЕХОДЕ НА ВОДОРОДНЫЕ ЭНЕРГОНОСИТЕЛИ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ ПРИ ПЕРЕХОДЕ НА ВОДОРОДНЫЕ ЭНЕРГОНОСИТЕЛИ

В. Н. Нестерук^*, В. В. Пугач^**, В. А. Кравченко^*, Н. Д. Васильева^***, М.А. Дзечко^*

Полудень В.В.^****, В. Стефанькин^*, А.М. Чайковская*

^*Гимназия №23 г. Минска, Беларусь krav4encko.vyacheslav@yandex.by, ^** Белорусский государственный медицинский университет, Беларусь E-mail: valeomed@mail.ru, Белорусский государственный экономический университет, Беларусь, ^****Академия милиции МВД РБ

Современное Человечество около 90% энергии, необходимой для его существования, получает путём сжигания углеводородного топлива - нефти, природного газа, каменного угля. По прогнозам, население Земли к 2100 году достигнет отметки в 10 млрд человек, а средние удельные энергоресурсы составят около 10 т условного топлива. Многие из существующих глобальных экологических проблем современности могли бы быть успешно ликвидированы, если бы удалось преодолеть энергетический дефицит.

В различных странах обсуждается возможность использования молекулярного водорода в качестве замены ископаемых источников энергии. На сегодняшний день в мире производится около 50 млрд тонн водорода, при этом запасы его на планете неограничены.

Водородная энергетика - развивающаяся отрасль энергетики, направление выработки и потребления энергии человечеством, основанное на использовании водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки и потребления энергии людьми, транспортной инфраструктурой и различными производственными направлениями. Водород выбран как наиболее распространенный элемент на поверхности земли и в космосе, теплота сгорания водорода наиболее высока, а продуктом сгорания в кислороде является вода (которая вновь вводится в оборот водородной энергетики).

Среди методов получения водорода для энергетических нужд в промышленных масштабах стоит упомянуть такие методы, как паровая конверсия природного газа / метана (в настоящее время данным способом производится примерно половина всего водорода), газификация каменного угля, применение атомной энергии для получения водорода, электролиз воды, а также получение водорода из биомассы.

Однако, возможности применения газообразного водорода в качестве энергоносителя ограничены вследствие наличия у него ряда особых физико-химических свойств, а именно низкая плотность (снижается коэффициент наполнения), вследствие чего возникает необходимость использования баллонов или иных резервуаров большого объёма, а это, в свою очередь, обусловливает сложность размещения водородных элементов в энергетических системах. Решением проблемы могло бы стать применение жидкого водорода, однако и в этом случае есть одно существенное ограничение: для обеспечения хранения жидкого водорода необходима температура -253°С, что технически и финансово затратно.

Вместе с тем переход на водородную энергетику позволит снять множество существующих глобальных экологических проблем, таких как, например, «парниковый эффект». Последствиями существования последнего является повышение температуры на планете и, как следствие, таянию ледников, изменению климата и увеличению риска возникновения стихийных бедствий.

Однако, водородная энергетика не является панацеей, и переход на водородные энергоносители не снимет всех экологических проблем. На наш взгляд, необходимо осуществлять экологическую экспертизу для обоснования ожидаемых воздействий новых технологий на окружающую среду.

Так, одной из возможных проблем может стать выброс в атмосферу значительных количеств водяного пара, что будет приводить к образованию антропогенных «водородных» дымок, туманов и смогов, особенно в крупных городах. Для примера рассмотрим процесс чрезмерного увлажнения воздуха в городе в результате сжигания традиционных видов топлива.

Газы, выбрасываемые в атмосферу в результате деятельности ТЭЦ, ТЭС, фабрик, заводов, авиационных и автомобильных двигателей, имеют более высокую температуру и меньшую плотность по сравнению с окружающим воздухом. Поднимаясь на высоту нескольких десятков метров, выбросы задерживаются в подинверсионном слое. Попадание в этот слой дополнительных ядер конденсации, золы и непосредственно водяного пара приводит к ухудшению видимости и образованию в этом слое густой дымки и тумана. Увеличению концентрации водяного пара в данном слое и будет способствовать сгорание водорода, входящего в состав всех видов традиционного топлива. При этом при сгорании одной тонны традиционного жидкого топлива, содержащего около 150-160 кг водорода, образуется примерно 1,4 тонны водяного пара, а при сжигании одной тонны природного газа - 2,16 тонны. При сжигании водородного топлива эта цифра значительно увеличится и составит около 9 тонн водяного на одну тонну водородного топлива.

В химический состав жидкого топлива входит 84-85% углерода и 15-16% водорода. При сгорании углерод окисляется кислородом воздуха с образованием углекислого газа, а водород - воды. Соответственно, при сжигании 1 кг топлива образуется 1,4 кг водяного пара. Степень дополнительного увлажнения приземного слоя воздуха за счёт сжигания топлива можно определить по формуле:

, (1)

где - дополнительное увлажнение, г/м³; - количество топлива (кг) от наземного транспорта () и энергоносителей промышленности (); - площадь увлажнения (м²); - высота увлажнения (м).

Однако, в последнее время на практике вычисления выполняются в гектопаскалях (гПа). Поясним, что давление водяного пара связано с абсолютной влажностью соотношением:

, (2)

где - абсолютная влажность воздуха (г/ м³); - парциальное давление водяного пара (гПа); - температура воздуха (°С). Для диапазона температур от -30°С до +35°С формула принимает следующий вид:

, (3)

где - дополнительное увлажнение, поступающее в воздушный бассейн от сгорания топлива (гПа); - количество топлива (кг) от наземного транспорта () и энергоносителей промышленности (); - площадь увлажнения (м²); - высота увлажнения (м). Для водородного топлива формула (3) принимает следующий вид:

. (4)

Таким образом, очевидно, что при переходе на водородные энергоносители часть проблем экологического, экономического и медицинского характера, связанных с использованием углеводородного топлива, будут сняты, однако неизбежно возникновение новых, не менее важных. Мы считаем, что для уменьшения антропогенной нагрузки на окружающую среду, связанного с объектами энергетики, промышленности и транспорта необходимым мероприятием будет борьба с образованием влажных дымок, туманов, смогов. С этой целью следует возводить в промышленных городах дома различной высоты и обеспечение хорошего воздушного режима на прилегающих к ним территориях, что будет инициировать возникновение восходящих турбулентных движений воздуха, обеспечивая тем самым отвод влаги из нижних слоёв атмосферы в верхние. Также, на наш взгляд, внедрение разделов, посвящённых изучению данной проблемы, в учебно-воспитательный процесс позволит сформировать у учащихся понятие о некоторых наиболее важных экологических проблемах современности, путях их решения, а также важности и необходимости охраны окружающей среды.