Организация работы мастерской «Ядерно­водородная энергетика»

 автор: Галина Науменко, руководитель мастерской  «Ядерно­водородная энергетика», учитель физики ГБОУ ЦО №1463

 

 

Направление «Ядерно­водородная энергетика» возникло в самом начале эксперимента «Северо­Западный округ — научное будущее России» и продолжает успешно развиваться. Обусловлено это прежде всего важностью проблемы, в которую погрузились ученики и учителя школ округа.

Энергетика — основа экономики. От состояния энергетики зависит уровень развития промышленности и качество быта населения страны. В нашей стране разработаны и приняты стратегия развития электроэнергетики до 2030 года и генеральная схема размещения объектов электроэнергетики до 2020 года. Но основой сырьевой базы России по­прежнему остаются природные углеводороды. Между тем, по прогнозам международных энергетических компаний, в ближайшие тридцать лет во всём мире значительно возрастёт спрос на все виды энергетических ресурсов. Спрос растёт, а запасы энергоносителей истощаются.

Кроме того, экологическая обстановка требует радикального снижения выброса СО2 в атмосферу. Как следует из исследования, проведённого под руководством Международного энергетического агентства, если не предпринимать кардинальных мер, к 2050 году выброс СО2  в атмосферу увеличится в три раза.

Все эти причины способствуют возрастанию интереса к альтернативным источникам энергии. Наряду с уже имеющимися, но недостаточно развитыми или пока всё ещё дорогими технологиями преобразования энергии Солнца, ветра, воды, тепла Земли, возникают новые. Водородная энергетика — одна из них. 

Водород — экологически чистый, возобновляемый вид топлива. Его калорийность составляет 33  000 Ккал/кг, что в три раза выше калорийности бензина, спектр применимости — от портативных источников электроэнергии до транспорта и мощных генераторов. Водород незаменим в нефтехимии при глубокой переработке нефти, в химии — при получении аммиака и азотных удобрений, в пищевой промышленности — производство маргарина, в черной металлургии — восстановление железа из руд. 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.

Сейчас в мире получают около 30 миллионов тонн водорода в год, в основном из природного газа. Согласно прогнозам, за 40 лет производство водорода должно увеличиться в 20–30 раз.

Ключевое слово здесь — «получают». Водород на Земле находится в связанном состоянии, и чтобы получить его в свободном, чистом виде, тоже нужна энергия, и немалая. Поэтому всё чаще говорят об атомной энергетике, где энергия атома разными способами помогает получать чистый водород.

Увеличение потребления водорода требует новых водородных источников и технологий. Самое подходящее сырьё для этого — вода. Есть два пути получения водорода из воды: с помощью электрохимического разложения воды и из «перегретого» пара (если нагреть пары воды до 3000–3500о  C, то водные молекулы распадаются сами собой). Оба способа пока дороже получения водорода из природного газа. Однако природный газ дорожает, а методы разложения воды совершенствуются. Через какое­то время водород из воды станет дешевле. В отдельных случаях и сейчас выгодно получать водород с помощью электролиза в ночные часы на электростанциях,  когда имеется лишняя и дешёвая электроэнергия.                

Осознавая важность и значимость поставленной проблемы, участники мастерской «Ядерно­водородная энергетика» (ЯВЭ) начали с погружения в содержание совершенно новых для себя понятий, связанных с выстраиванием схемы единой водородной энергосистемы России. На протяжении пяти лет работы объекты нашего изучения менялись.

В дальнейшем мы перешли к масштабным проектам, позволяющим включить в себя и «старые» знания, и продолжить поиски новых. Шла отработка новых форм организации занятий, новых для учащихся способов обучения, таких как:

  • самостоятельный поиск информации по заданной теме, её адаптация и представление;
  • индивидуальная и коллективная рефлексия;
  • работа в группах;
  • овладение методами анализа, проектирования, конструирования; 
  • общение с экспертами;
  • взгляд на проблему из определённого фокуса;
  • практические, лабораторные и исследовательские  работы на водородном оборудовании.

В первые годы мастерская была, по сути, межшкольным факультативом. Проводил занятия один педагог, остальные были тьюторами в группах. На факультатив приходили дети из 8–10 классов, разные по возрасту, уровню мотивации и знаний. Тем интереснее, хотя и сложнее, было организовать их совместную работу.

Максимальное время пребывания ученика в «водородке» — три года. 11 класс — выпускной, с обязательным ЕГЭ, времени на дополнительные, хоть для многих и очень интересные занятия, у выпускников не хватает. Они становятся нашими желанными гостями и иногда консультантами.

Ежегодное обновление состава мастерской заставило педагогов искать пути включения в работу новых участников. В начале учебного года новички изучают то, что наработано их предшественниками. Так, например, в ЦО №1463 изучают презентации, проекты, модели, макеты, рабочие материалы предшественников, с тем чтобы погрузиться в общий проект, над которым работает вся мастерская.

Раз в месяц происходит сбор всей мастерской на базе ГБОУ гимназии №1515, где обсуждаются индивидуальные проекты, участие каждого в общем проекте. Так, в общий проект «Единая ядерно­водородная энергосистема России» вошли подпроекты «Способы получения водорода», «Способы хранения и транспортировки водорода», «Безопасность водородной энергетики», «Использование топливных элементов». Затем был проект «Водородный город», включавший «План­схему перспективного водородного поселения», «Мобильные водородные системы», «Стационарные водородные системы».

В дальнейшем наш «Водородный город» потребовал более детальной отработки многих вопросов. Так возникли проекты 2009/10 учебного года: «Солнечно­водородная энергетика», «Ветро­водородная энергостанция», «Водородный аэропорт», «Водородный автомобиль», «Самолёт на водородном топливе», «Водородный поезд».

К 2011 году мы вышли за рамки водородной энергетики. Объектами нашего изучения стали альтернативные углеводородам источники энергии в самом широком диапазоне возможностей и знаний человечества на современном уровне. Это новые знания и новые проекты.

Чтобы ученики могли оценить уровень своих теоретических знаний по вопросам энергетики в целом и использования водородной и возобновляемой энергетики в частности, было решено провести окружную открытую олимпиаду «Водородная и возобновляемая энергетика». Первый опыт оказался удачным, и в марте 2012 года была проведена вот уже пятая олимпиада.

За пять лет участие в работе мастерской приняли более 150 учащихся, многие из них стали студентами технических вузов. До сих пор о «водородке» они вспоминают с теплотой…

Учебный год

 

Объекты постижения

 

2006/07

 

Научные прорывы в ядерной физике, понятие схемы отрасли, устройство отрасли ядерно­водородной энергетики.

 

2007/08

 

Составляющие ЯВЭ: ядерные реакторы, производство водорода, способы хранения и транспортировки водорода, обеспечение безопасности объектов ЯВЭ, типы топливных элементов и сферы их использования.

 

2008/09

 

Концепция перспективного поселения, типы поселений, план­схема поселения, проект «Водородный город».

 

2009/10

 

Производители и потребители водорода в водородном городе. Создание моделей.

 

2010/11

 

Энергетика будущего. Новые способы получения, хранения и преобразования энергии.

 

 

«Не существует идей, которые нельзя бы было воплотить в жизнь!» 

Из интервью с лауреатом конкурса компании Siemens «Инновации для устойчивого развития» Мариной Дороховой.

 

 

 

КАК ДОЛГО ТЫ РАБОТАЛА НАД СОЗДАНИЕМ ПРОЕКТА? КТО ПОМОГАЛ ТЕБЕ ПРИ НАПИСАНИИ НАУЧНОГО ТРУДА?
Моя работа называется «Солнечно­водородная энергостанция для автономного обеспечения электроэнергией малого поселения центрального региона России». Над ней я работаю уже третий год. После поступления в Школу генеральных конструкторов, организованную в Северо­Западном округе, у меня появилось желание сделать какую­нибудь проектную работу. И, конечно же, мои научные руководители — Игорь Игоревич Николаев и Татьяна Даниловна Доронина — меня поддержали.

РАССКАЖИ О СВОЕЙ РАБОТЕ. О ЧЁМ ОНА?
Суть моей работы заключается в том, что на базе возобновляемой энергетики создаются электростанции нового типа, которые не только будут получать от солнца энергию для своего функционирования, но и сумеют данную энергию аккумулировать в таком веществе как водород. Итогом работы стала определённая блок­схема, нечто вроде рекомендации к построению энергостанции. Программируемая часть системы осуществляет измерительные функции и, в зависимости от погодных условий, подключает или отключает остальные элементы. Проект рассмотрен с теоретической стороны (описана актуальность работы, технологические и технические расчёты от количества и площади солнечных батарей до объёмов запасаемого водорода) и с экономической стороны (показана итоговая стоимость проекта и возможные сроки реализации).

ВОЗМОЖНО ЛИ ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ТВОЕГО ПРОЕКТА В БЛИЖАЙШЕМ БУДУЩЕМ? ЧТО НЕОБХОДИМО ДЛЯ ЕГО ВНЕДРЕНИЯ?
Не существует идей, которые нельзя было бы воплотить в жизнь! Конечно, любому, даже самому совершенному проекту, необходима доработка: ещё раз пересмотреть какие­то детали, перепроверить расчёты и так далее. Также для реализации проекта необходимо финансирование, ведь итоговая стоимость энергостанции равняется 150 миллионам рублей. Недёшево, но срок окупаемости достаточно хороший.

ЧТО В ЦЕЛОМ ИЗМЕНИЛОСЬ ПОСЛЕ ПОБЕДЫ В КОНКУРСЕ?
Появилось ещё больше уверенности, что я хочу заниматься именно той областью, которую уже выбрала.