Generator wodoru: zasada działania i możliwość wykorzystania do ogrzewania
Naukowcy od dawna poszukują przyjaznej dla środowiska i taniej alternatywy dla tradycyjnych paliw. Generator wodoru to jeden z obiecujących sposobów pozyskiwania energii na cele domowe, w tym do ogrzewania domów prywatnych. Rozumiemy, na jakich zasadach działa urządzenie, jakie ma funkcje i zalety, w jaki sposób modele „zrób to sam” mają zastosowanie w systemach grzewczych.
Cechy wykorzystania wodoru
Wodór jednoatomowy jest najczęstszym pierwiastkiem chemicznym nie tylko na Ziemi, ale także we Wszechświecie. Łatwo wchodzi w interakcje z większością niemetali, więc większość jest związana w wodzie i związkach organicznych.
W przemyśle wodór pozyskuje się na kilka sposobów: większość pozyskuje się z przerobu węgla, gazu i ropy, a tylko 4% pozyskuje się przez elektrolizę wody (tzw. zielony wodór).
Okazuje się, że paliwo – woda, źródło wodoru dla generatora wodoru, pozyskiwane jest na ogół bezpłatnie lub za symboliczną ilość. A jeśli sam zmontujesz urządzenie, możesz uzyskać niesamowite oszczędności.
Ale w praktyce nie jest tak różowo. Cząsteczka wody składa się z dwóch atomów wodoru i atomu tlenu. Wiązanie między atomami jest silne, a do jego zerwania potrzebne jest zewnętrzne źródło energii. Najwygodniejszym źródłem jest energia elektryczna, najbardziej opłacalnym procesem jest elektroliza.
W instalacjach przemysłowych obieg zamknięty jest realizowany, gdy para wodna powraca do stanu ciekłego (kondensuje). W celu uzyskania kondensatu para wodna jest schładzana, co oznacza dodatkowe koszty energii. Gaz produkowany przemysłowo jest wykorzystywany do różnych celów, dlatego ma różny stopień oczyszczenia. Wodór o niskim stopniu oczyszczenia stosowany jest w sprzęcie spawalniczym, dobrze oczyszczony - jako paliwo.
Zasada produkcji wodoru
Elektroliza to rozkład wody na wodór i tlen. Reakcja przebiega w następujących warunkach:
- W wodzie, blisko siebie, opuszczane są metalowe płytki, które są podłączone do źródła napięcia.
- Aby zwiększyć szybkość reakcji, stosuje się katalizator, taki jak ciekły ług.
- Łańcuch uzupełnia woda, przy czym cząsteczka wody (H2O) rozkłada się na dwa atomy wodoru i jeden atom tlenu. Rezultatem jest wybuchowy gaz (gaz Browna), wybuchowa mieszanina wodoru i tlenu.
- Zbierany jest wybuchowy gaz, który można wykorzystać do ogrzewania domu (spalanie w kotle). Rozszczepianie wody pozwala uzyskać wodór, który doskonale się spala oraz tlen, który wspomaga spalanie.
Jednostki produkcji przemysłowej
Wodór od dawna jest skutecznie wykorzystywany jako nośnik energii w różnych sektorach gospodarki. Wytwornice wodoru produkowane są dla prywatnych gospodarstw domowych, w których w wyniku elektrolizy uwalniany jest gaz, a powstała gorąca para trafia do domowego systemu grzewczego.
Zastosowanie prefabrykowanych jednostek elektrolitycznych ma następującą specyfikę:
- Spełniają międzynarodowe normy bezpieczeństwa i ochrony środowiska.
- Na zakup i instalację będziesz potrzebować pozwolenia od Rostekhnadzor, co oznacza, że musisz przygotować pakiet zezwoleń (certyfikat zgodności GOSTR, higieniczny).
- Generator pracuje w połączeniu z kotłem i rurami. Jako katalizator procesu stosuje się ciekły ług. System jest ładowany przynajmniej raz w roku.
- Najbardziej wydajny zwrot jest wykazywany w systemach ogrzewania podłogowego lub przypodłogowego;
Przeciętne gospodarstwo domowe składa się z następujących elementów:
- Elektrolizer. Urządzenie, które rozdziela cząsteczki wody na części składowe.
- Jednostka elektroniczna. Zawiera transformator i prostownik.
- Urządzenie do przygotowania wody (do demineralizacji).
- Panel sterowania z automatycznym sterowaniem. Dostosowuje wydajność procesu.
- System monitorujący. System analizy gazu jest skonfigurowany do wyszukiwania ewentualnych wycieków i jest w stanie zapobiec sytuacji awaryjnej.
- System chłodzenia kondensatu.
Prefabrykowane urządzenia mają tę zaletę, że są kompaktowe, bezpieczne i wydajne. Aby wyprodukować jeden metr sześcienny wodoru, zużywa się 0,5 litra wody i 3,5-4 kW energii elektrycznej.
Plusy i minusy technologii
Przemysłowy generator wody to kuszące rozwiązanie, które pozwala znacznie obniżyć koszty ogrzewania domu za pomocą wybuchowego gazu. Ale metoda ma również dodatkowe bonusy:
- Przyjazność dla środowiska. Urządzenie jest nieszkodliwe dla środowiska i człowieka Efektem pracy jest czysta energia i para wodna.
- Efektywność. Sprawność sięga 90-95%, generator pracuje cicho.
- Praca ciągła. Producenci dają gwarancję nieprzerwanej pracy urządzenia na 20-25 lat.
- Prace instalacyjne nie są związane z instalacją dodatkowych kominów.
- Bezpieczeństwo. Generator wyposażony jest w czujniki termiczne i temperatury, które kontrolują pracę przez całą dobę.
Wady generatorów wodoru obejmują następujące cechy:
- Wysoka cena. Wysoka cena tłumaczy się stosowaniem drogich materiałów i katalizatorów, stosowaniem systemów bezpieczeństwa.
- Potrzeba pozyskania specjalistów do obsługi na profesjonalnym poziomie. Samodzielna konserwacja, a ponadto produkcja może prowadzić do niebezpiecznych konsekwencji.
- Dodatkowe wydatki. Okresowo niektóre części będą wymagały wymiany, a także będziesz musiał kupić katalizator.
Domowy generator wody ma dodatkowe wady:
- Niska efektywność energetyczna. W przypadku domowych jednostek wodorowych jest kilkakrotnie niższa od sprawności tradycyjnych systemów grzewczych (kotły na paliwo stałe, gaz, elektryczne).
- Wybuchowość. Błędy i zaniedbania montażowe, niewłaściwa obsługa, brak systemów bezpieczeństwa mogą skutkować rozprężeniem, a czasem wybuchem.
Możliwość wykonania generatora własnymi rękami
Idealnie działająca instalacja zużywa 0,5-0,7 litra wody na godzinę i wytwarza 1300-1500 litrów (około półtora metra sześciennego) gazu. Ponadto gaz wchodzi do kotła, gdzie spala się i podgrzewa wodę w obwodzie termicznym. W jednostkach wdrażanych przemysłowo energia zużywana jest na produkcję gazu 3-3,5 razy mniej niż oddaje na ogrzewanie.
Technologia gazowa Browna to nowe podejście do dostaw energii; kotły wodorowe to wciąż nowość na rynku zagranicznym i rosyjskim. Dlatego właściciele znający technologię samodzielnie montują taką instalację.
Montaż instalacji wodorowej w domu rzadko jest tak skuteczny (a nawet skuteczny) jak odpowiedniki przemysłowe, dlatego często okazuje się nieopłacalny. Aby uzyskać wymaganą objętość gazu, potrzebna jest instalacja elektrolizy o wystarczającej mocy, która jest dobierana na podstawie kwadratury konkretnej obudowy.
Instalacje montowane w domu mają wiele błędów, a do ich działania potrzebna jest znaczna ilość energii elektrycznej. Dla nich zużyta energia elektryczna nie jest rekompensowana ilością wytworzonego wodoru, a proces staje się nieracjonalny (nieopłacalny).
Przydatne wideo
Produkcja prototypów
A jednak próby znalezienia rozwiązania, jak sprawić, by wodór wykorzystał go do ogrzewania domu, nie kończą się. Przed wykonaniem pełnowartościowego generatora wodoru przydatne jest pobranie eksperymentalnej próbki roboczej. Najprostszy elektrolizer składa się z następujących elementów:
- Szczelny pojemnik o grubych ściankach, szklany lub plastikowy.
- Elektrody. Wykonane są z metalu, zanurzone w pojemniku z wodą i podłączone do źródła zasilania.
- Rurka do usuwania gazów palnych prowadząca do drugiego pojemnika z wodą (służy jako uszczelnienie wodne).
Instalacja do produkcji wodoru metodą elektrolityczną działa wyłącznie z prądu stałego. Dlatego źródłem zasilania może być akumulator lub np. ładowarka samochodowa.
Zakład produkuje gaz w następujący sposób:
- Elektrody są zanurzone w wodzie, przykładane jest do nich napięcie. Pożądane jest dodanie do wody katalizatora (trochę kwasu lub zasady), w domu można sobie poradzić z solą.
- W wodzie rozpoczyna się reakcja elektrolizy, wokół elektrod pojawią się pęcherzyki gazu. W pobliżu katody będzie uwalniany wodór, a w pobliżu anody tlen.
- Mieszanina gazów jest przemieszczana do uszczelnienia wodnego. Pomaga to odseparować parę wodną z mieszaniny i jednocześnie zapobiega przypadkowemu wybuchowi gazu palnego w zbiorniku.
- Po uszczelnieniu wodnym mieszanina gazowa jest wypychana przez kolejną rurę do palnika, gdzie jest spalana z wytworzeniem wody.
Ponieważ taki system jest sprawny, ale nadal eksperymentalny, nie można do niego przyłożyć zbyt wysokiego napięcia. Woda podgrzana powyżej 65°C wyparuje zbyt szybko; będzie nadmiar pary wodnej i nie będzie można zapalić palnika.
Przydatne wideo
Problemy w produkcji działającego generatora
Rzemieślnicy planujący wykonanie działającej instalacji proponują wykorzystanie wodoru zarówno do ogrzewania, jak i do spawania gazowego lub jako paliwa samochodowego. W produkcji generatora wodoru do ogrzewania metalowe płytki o przybliżonej liczbie 30-70 sztuk działają jak elektrody. Wielkość talerzy zaczyna się od 10x15 cm, materiał to stal nierdzewna.
Z płyt składa się blok, izolując się od siebie gumowymi uszczelkami; blok jest umieszczony w szczelnym pojemniku. Domowe ogniwo paliwowe potrzebuje do działania pompy wody; jego działanie będzie kontrolowane przez czujnik poziomu zainstalowany wewnątrz generatora.
Sprawność instalacji jest niezwykle trudna, ponieważ będziesz musiał zmierzyć się z następującymi problemami:
- Stal nierdzewna, która jest zwykle używana do produkcji płyt, nie wytrzyma długo jako elektrody; potrzebujesz stopu niklu.
- Wymiary montażowe są ważne dla wydajności generatora. Potrzebujemy profesjonalnych obliczeń wszystkich parametrów, od składu wody po wymaganą moc. Nawet wielkość szczeliny między elektrodami wpływa na działanie urządzenia.
- Trudno zapewnić bezpieczeństwo pracy. Tutaj liczy się szczelność pojemnika z elektrodami, wszystkie węże, a także przekrój drutu od źródła prądu.
- Będziesz musiał zmontować obwód sterujący dla napięcia i prądu roboczego; nie można obejść się bez specjalnego sprzętu, na przykład licznika częstotliwości i oscyloskopu.
Problem generatora wodoru domowej roboty kryje się w kwestii ekonomicznej. Faktem jest, że w przeciwieństwie do idealnych warunków, wszystkie przemiany wiążą się z utratą energii. Ponadto nie będzie możliwe spalanie wodoru w maksymalnej temperaturze (3000 ° C), żaden kocioł tego nie wytrzyma, a wymiana ciepła będzie znacznie niższa niż deklarowana.
Podczas pracy instalacja będzie zużywać więcej energii elektrycznej niż system otrzyma moc cieplną po spaleniu wytworzonego gazu. Generator zwróci się tylko wtedy, gdy będzie dostęp do darmowej energii elektrycznej.
Wydasz 2-3 razy mniej pieniędzy, jeśli zainstalujesz bojler elektryczny i ogrzejesz dom bezpośrednio, bez pośredniego generatora. Jest to rozwiązanie o wiele bardziej opłacalne i bezpieczne, biorąc pod uwagę możliwość wybuchu bloku wodorowego w przypadku nieprzestrzegania zasad instalacji i eksploatacji.
Przydatne wideo
Podsumowanie
Generator wodoru wytwarza gaz w procesie elektrolizy. Rozwój jest uważany za obiecujący, ponieważ pozwala w prosty sposób uzyskać cenne paliwo, wodór, ze zwykłej wody.
Podstawa elektrolizera składa się z kilku metalowych płytek. Zanurza się je w szczelnym zbiorniku wypełnionym elektrolitem (wodą z dodatkiem katalizatora). Prąd przepływający przez roztwór dzieli cząsteczki wody na wodór i tlen; gazy są następnie wykorzystywane zgodnie z ich przeznaczeniem.
Wykonanie generatora własnymi rękami jest uważane za ryzykowne ćwiczenie, ponieważ jego konstrukcja jest złożona technologicznie i niebezpieczna. Ponadto w rzeczywistych warunkach trudno o sprawną instalację, a większość zrealizowanych projektów wykazanych w sieci jest nieopłacalna.
