XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Сравнение затрат энергии, топлива и выбросов СО2 при использовании электрических и газовых плит

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Загидуллин А.Т. 1Козлов Д.Д. 1

---

1МАОУ "Средняя общеобразовательная школа№30 г.Йошкар-Олы"

Яранцева Т.В. 1Анисимов П.Н. 2

---

1МАОУ "Средняя общеобразовательная школа№30 г.Йошкар-Олы"

2ФГБОУ ВО "ПГТУ"

Работа в формате PDF

103.9 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

1. Введение

Актуальность исследования заключается в том, что энергосбережение, при потреблении энергоресурсов оказывает положительный эффект на окружающую среду, позволяет снизить выбросы парниковых газов.

Выбор между газовой и электрической плитой представляет собой актуальную проблему, с которой сталкиваются многие домохозяйства. С одной стороны, газовые плиты традиционно считаются более экономичными и быстрыми в использовании, с другой — электрические модели предлагают удобство и безопасность. В условиях растущих цен на энергоносители и изменения климата, потребители все чаще задумываются о том, какой вариант более выгоден в долгосрочной перспективе.

Цель данной работы заключается в сравнительном анализе газовых и электрических плит с акцентом на их экономические, экологические и социальные аспекты. Важно выяснить, какие факторы влияют на выбор между этими двумя типами плит и как они соотносятся с потребительскими предпочтениями.

Задачами исследования являются проведение эксперимента по определению затрат энергии на кипячение воды при использовании газовых и электрических плит, а также обработка результатов экспериментов и выполнение расчёта выброса парниковых газов.

Основные сведения о выбросах CO₂

Основными техногенными источниками выбросов CO₂ являются сжигание ископаемого топлива (уголь, нефть, природный газ) и продуктов их переработки (бензин, дизель, керосин, мазут, сжиженные углеводородные газы, кокс)для производства энергии, транспорта, и промышленности. Также к техногенным источникам можно отнести CO₂ образующийся на свалках.

Основными природными источниками CO₂ являются: дыхание живых организмов, разложение биомассы в результате деятельности бактерий и термо-химических процессов, природные пожары, извержения вулканов и др.

Вред избыточного количества CO₂ на организм человека

Выбросы углекислого газа (CO₂) могут быть вредны для человека в больших количествах, но в небольших концентрациях CO₂полезен. Воздействие CO₂ на здоровье варьируется в зависимости от концентрации и продолжительности воздействия. К примеру, в закрытых помещениях из-за увеличения количества CO₂может снижаться парциальное давление кислорода, что может привести к гипоксии — недостатку кислорода, необходимого для дыхания [5].

В высоких концентрациях CO₂ может вызвать отравление вплоть до остановки дыхания, даже в присутствии достаточного количества кислорода. Некоторые примеры:

Концентрация CO₂ выше 5000–7000 ppm — вредит здоровью: появляется удушье, спутанность сознания, ухудшается слух и зрение.

Воздействие уровня CO₂ выше 10 000 ppm — чрезвычайно опасно, может привести к серьёзным последствиям для здоровья, включая нарушение слуха и зрения, потерю сознания и, возможно, смерть. Эти уровни обычно наблюдаются при промышленных авариях или в условиях катастрофических нарушений вентиляции.

Степень негативного влияния CO₂ на организм увеличивается соразмерно периодичности и продолжительности пребывания в помещении с повышенной концентрацией. 

Польза для организма человека

В небольших концентрациях CO₂ необходим организму. Например:

Углекислый газ — физиологический стимулятор дыхания: влияет на кору головного мозга и стимулирует дыхательный центр. Сигналом для очередного вдоха служит не недостаток кислорода, а избыток углекислого газа.

CO₂ — неотъемлемый компонент обмена веществ: с углекислым газом из организма выходят продукты обмена.

Комфортный для человека уровень CO₂ в воздухе — 800–1000 ppm. Такое содержание CO₂ характерно для уличного воздуха.

Влияние CO₂ на глобальное потепление

Известно, что многоатомные газы, то есть газы, молекола которых содержит три и более атомов способны поглощать инфракрасное излучение и нагреваться от него. Углекислый газ является трехатомным газом, также как и водяной пар, и поэтому увеличение концентрации CO₂ в атмосфере способствует глобальному потеплению, то есть увеличению средней температуры на поверхности земли.

2. Основная часть

2.1 Методы и методика исследования

Результаты исследования получены с использованием методов натурного эксперимента и анализа результатов эксперимента с применением известных математических зависимостей и справочных физических величин.

Суть методики исследования заключалась в измерении удельного расхода энергоресурсов при доведении до кипения одинакового количества воды при одинаковых условиях на электрической и газовой бытовой плите. И дальнейшем расчете количества СО₂, выброшенного в атмосферу при производстве, транспортировке и потреблении данных энергоресурсов. То есть, в конечном итоге определялось количество выбросов СО₂ в атмосферу при доведении воды до кипения.

2.2 Основные характеристики экспериментального оборудования

Основные характеристики газовой плиты

GorenjeGGI5A21WH — газовая плита с газовой варочной поверхностью и духовкой. Модель выполнена в белом цвете, имеет механические поворотные переключатели для настройки температуры и времени приготовления. 

Характеристики:

• Количество газовых конфорок: 4. Мощность конфорок: передняя левая — 1 кВт, передняя правая — 3 кВт, задняя левая — 1,9 кВт, задняя правая — 1,9 кВт. 

• Особенности:  

• вид и давление газа: природный газ G20/20.

• энергопотребление (классический нагрев) — 1,64 кВт/ч

Основные характеристики электрической плиты

Электрическая плита GorenjeGECS5C60WPA — модель с варочной панелью из стеклокерамики и мультифункциональной духовкой. 

Общие характеристики:

• цвет — белый; 

• класс энергопотребления — A; 

• присоединительная мощность — 9,4 кВт. 

• варочная панель: количество конфорок: 4, тип — Hi-Light.

• мощность: задняя левая конфорка — 1200 Вт; задняя правая конфорка — 1100–2000 Вт; передняя левая конфорка — 700–1700 Вт; передняя правая конфорка — 1200 Вт.

Основные характеристики измерительного оборудования

Счетчик газа ВК-G4

• цена деления (минимальное значения на цифровом табло) – 0,001 м³;

• максимальный расход газа — 6 м³/ч;

• минимальный расход газа — 0,04 м³/ч;

• порог чувствительности — 0,008 м³/ч;

• погрешность в %, при первичной поверке — +-3%;

• дата последней поверки — 4 октября 2018г;

• тип поверки — первичная;

• межповерочный интервал — 10 лет.

Счетчик электрической энергии SKAT 115

• цена деления (минимальное значения на цифровом табло) – 0,001 кВт/ч;

• класс точности по ГОСТ 31819.22-2012 — 1;

• дата последней поверки — 1 февраля 2018г;

• межповерочный интервал — 16 лет.

Весы электронные

• цена деления (минимальное значения на цифровом табло) — 0,001 кг;

• Наибольший предел взвешивания — 6 кг

• Наименьший предел взвешивания — 20 г

• Точность взвешивания — 1 г

Термометр контактный

• Тип термометра — термосопротивление;

• Тип зонда — зонд погружаемый;

• Цена ед. младшего разряда — 0,1 ºС;

• Показатель тепловой инерции — 6 с;

• Предел допускаемой основной абсолютной погрешности в диапазоне температур от - 40 до +100 оС включительно — 0,5 ºС.

2.3 Результаты эксперимента

В электрический чайник и чайник для газовой плиты были налиты одинаковые количества воды с одинаковой температурой. Далее вода доводилась до кипения, при этом измерялось количество энергоресурса, затраченного на этот процесс в обоих чайниках. Результаты эксперимента сведены в таблицу 1.

Таблица 1. Результаты эксперимента

Расход природного газа отсчитывался по счетчику газа; расход электроэнергии электрическим чайником отсчитывается по счетчику электрической энергии, либо определяется, как произведение мощности электрического чайника, Вт, на время его работы, с.

2.4 Расчётная часть

Расход энергии

Электрический чайник:

Газовый чайник:

За одно кипячение ушло 0,028 природного газа

Низшая удельная теплота сгорания природного газа составляет примерно 35 000 000 Дж/м³.

В городе Йошкар-Ола единственной электростанцией, вырабатывающей электроэнергию для жителей, является Йошкар-Олинская ТЭЦ-2. Допустим, вся электроэнергия для нашего чайника была выработана именно на ТЭЦ-2, тогда количество природного газа необходимого для её производства можно определить по следующей формуле:

где – расход электроэнергии чайником, Дж;

k = 1,05 – коэффициент нормативных потерь в электрических сетях;

= 0,98 – КПД электромеханического генератора;

= 0,65 – полный относительный КПД теплоэлектроцентрали в режиме комбинированной выработки тепловой и электрической энергии;

=0,97 – КПД комплектной трансформаторной подстанции, к которой подключен многоквартирный дом;

Q_н = 35·10⁶ Дж/м³ – низшая теплота сгорания природного газа.

Результаты расчетов сведены в итоговую таблицу 2.

Таблица 2. Сравнение выбросов углекислого газа в атмосферу

Количество выбросов углекислого газа в атмосферу определено по формуле:

m_C02 = 1850 г/м³ – удельные выбросы углекислого газа в граммах при сжигании одного кубометра природного газа.

2.5 Обсуждение результатов исследования

Для г. Йошкар-Ола количество выбрасываемого СО₂ в атмосферу при кипячении воды при использовании газовой плиты или электрического чайника практически эквивалентны. КПД электрического чайника гораздо выше КПД обычного чайника, нагреваемого газовой горелкой кухонной плиты. КПД электрического чайника близок к единице и его практически нельзя увеличить. Однако с учетом КПД транспорта электроэнергии от электростанции до квартиры и КПД тепловой электростанции оказывается, что выбросы углекислого газа на тепловой электростанции такие же, как при сжигании газа кухонной плитой.

Количество выбросов парниковых газов при использовании электроприборов зависит прежде всего от технологии производства электрической энергии, а также эффективности транспорта электроэнергии.

КПД нагрева воды на обычной газовой кухонной плите с использованием обычной посуды (чайников, кастрюль и т.д.) очень низкий, его значение около 50%. Эффективность системы газовая горелка-электрический чайник можно повысить до 70-80%. В этом случае выбросов парниковых газов от газовой плиты может стать меньше, чем при использовании электрического чайника, снабжаемого электроэнергией от тепловой электростанции.

Хорошим примером эффективной системы газовая горелка-посуда – являются туристические газовые горелки и туристические котелки. У таких туристических котелков днище имеет оребрение или горелка имеет теплоотражающий экран.

4. Заключение

В условиях города, где источником электрической энергии является ТЭЦ, выбросы углекислого газа при использовании электрического и газового чайника практически одинаковы и составляют около 52 грамм при нагреве 1,5 кг воды с температуры 10 ºС до температуры 100 ºС.

Бытовые газовые плиты имеют большой потенциал повышения энергоэффективности, который можно реализовать, изменив конструкции газовых горелок, решеток стола и посуды для тепловой обработки пищи.

5. Список использованной литературы:

1. Быстрицкий, Г. Ф.  Общая энергетика : учебник для вузов / Г. Ф. Быстрицкий, Г. Г. Гасангаджиев, В. С. Кожиченков. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва : Издательство Юрайт, 2025. — 414 с. — (Высшее образование). 

2. Википедия - свободная энциклопедия - (https://ru.wikipedia.org)

3. Общая энергетика: Учебное пособие / С.Н. Трофимова, Е. В. Шведова. - Челябинск: издательский центр ЮУрГу, 2016.- 111с

4. Трухний А.Д. Основы современной энергетики. Том.1 Современная теплоэнергетика / А.Д. Трухний, М.А. Изюмов, О.А. Поваров, С.П. Малышенко. 6-е изд., перераб. и доп. – М.: Издательский дом МЭИ, 2016. – 512 с.

5. Ginzburg, A.S., Vinogradova, A.A., Fedorova, E.I. et al. Content of oxygen in the atmosphere over large cities and respiratory problems. Izv. Atmos. Ocean. Phys. 50, 782–792 (2014). https://doi.org/10.1134/S0001433814080040