Генератор водню: принцип роботи та можливість використання для опалення
Вчені давно шукають екологічно чисту та дешеву альтернативу традиційним видам палива. Генератор водню – один із перспективних способів отримання енергії для господарських цілей, у тому числі й для опалення приватних будинків. Розбираємось, на яких принципах працює пристрій, якими особливостями та перевагами має, як моделі, зроблені своїми руками, застосовні для систем опалення.
Особливості використання водню
Одноатомний водень є найпоширенішим хімічним елементом як Землі, а й у Всесвіту. Він легко взаємодіє з більшістю неметалів, тому основна його частина пов'язана у воді та органічних сполуках.
У промисловості водень одержують кількома способами: більшу частину – при переробці вугілля, газу та нафти, і лише 4% – при електролізі води (так званий зелений водень).
Виходить, що паливо - вода, джерело водню для водневого генератора, дістається взагалі безкоштовно або символічну суму. А якщо зібрати прилад самостійно, то можна отримати приголомшливу економію.
Але на практиці все не так райдужно. Молекула води і двох атомів водню і атома кисню. Зв'язок між атомами міцний, і, щоб розірвати його, потрібне зовнішнє джерело енергії. Найзручнішим джерелом є електроенергія, найвигідніший процес – електроліз.
У промислових установках реалізується замкнутий цикл, коли водяна пара повертається в рідкий стан (конденсується). Для отримання конденсату водяну пару охолоджують, а це означає додаткові витрати енергії. Газ, вироблений промисловим способом, використовується у різних цілях, тому має різний ступінь очищення. Водень з низьким ступенем очищення застосовується у зварювальному обладнанні, добре очищений – як паливо.
Принцип отримання водню
Електролізом називається розкладання води на водень та кисень. Реакція відбувається за таких умов:
- У воду, близько одна від одної, опускають металеві пластини, які підключають до джерела напруги.
- Щоб збільшити швидкість реакції, використовують каталізатор, наприклад рідкий луг.
- Ланцюг замикається через воду, при цьому молекула води (Н2О) розпадається на два атоми водню та один атом кисню. В результаті виходить гримучий газ (газ Брауна), вибухонебезпечна суміш водню та кисню.
- Гримучий газ збирається, після чого його можна використовувати для обігріву будинку (спалити в казані). Розщеплення води дозволяє отримати водень, який добре горить, і кисень, що підтримує горіння.
Агрегати промислового виробництва
Водень давно та ефективно використовується як енергоносій у різних сферах господарства. Для приватних домогосподарств виробляються водневі електрогенератори, в яких виділення газу відбувається в результаті електролізу, а отримана гаряча пара надходить у домашню опалювальну систему.
Використання електролітичних агрегатів заводського виготовлення має таку специфіку:
- Вони відповідають світовим стандартам безпеки та екології.
- Для придбання та встановлення знадобиться дозвіл Ростехнагляду, а отже, необхідно підготувати пакет дозвільних документів (сертифікат відповідності ГОСТР, гігієнічний).
- Генератор працює у зв'язці з котлом та трубами. Як каталізатор процесу використовують рідкий луг. Систему заправляють не рідше одного разу на рік.
- Найбільш ефективна віддача демонструється у системах підігріву підлог або плінтусів;
Середній побутовий агрегат складається з наступних елементів:
- Електролізер. Пристрій, що поділяє молекули води на складові.
- Електронний блок Включає трансформатор та випрямляч струму.
- Пристрій для підготовки води (для демінералізації).
- Панель керування з автоматичним контролем. Регулює робочі властивості процесу.
- Система моніторингу. Система аналізу газів налаштована на пошук можливих витоків, здатна запобігти аварійній ситуації.
- Система охолодження конденсату.
Перевагою пристроїв заводського виготовлення є їх компактність, безпека та ефективність. Для вироблення одного кубометра водню витрачається 0,5 л води та 3,5-4 кВт електроенергії.
Плюси та мінуси технології
Водяний генератор промислового виробництва – привабливе рішення, що дозволяє за допомогою гримучого газу значно знизити витрати на опалення будинку. Але спосіб має і додаткові бонуси:
- Екологічність. Пристрій нешкідливий для навколишнього середовища та людини, Підсумком роботи є чиста енергія та водяна пара.
- Ефективність. ККД досягає 90-95%, генератор працює безшумно.
- Тривала експлуатація. Виробники гарантують безперебійну роботу агрегату протягом 20-25 років.
- Монтажні роботи не пов'язані із встановленням додаткових димоходів.
- Безпека. Генератор оснащується тепловими та температурними датчиками, що контролюють роботу у цілодобовому режимі.
До мінусів генераторів водню відносять такі особливості:
- Висока вартість. Високий цінник пояснюється використанням дорогих матеріалів та каталізаторів, застосування систем безпеки.
- Необхідність залучення спеціалістів для обслуговування на професійному рівні. Самостійне обслуговування, а тим більше виготовлення може призвести до небезпечних наслідків.
- Додаткові витрати. Періодично буде потрібна заміна деяких деталей, також доведеться купувати каталізатор.
Водний генератор, виготовлений в домашніх умовах, має додаткові мінуси:
- Низька енергоефективність. У саморобних водневих агрегатів вона в рази нижча за ККД традиційних опалювальних систем (твердопаливних, газових, електричних котлів).
- Вибухонебезпечність. Помилки та недбалість складання, неправильна експлуатація, відсутність систем безпеки можуть призвести до розгерметизації, а іноді й вибуху.
Доцільність виготовлення генератора своїми руками
В ідеалі працююча установка витрачає 0,5-0,7 л води на годину і виробляє 1300-1500 л (приблизно півтора кубометри) газу. Далі газ надходить до котла, де згоряє та нагріває воду в тепловому контурі. У промислово реалізованих агрегатах енергії отримання газу витрачається у 3-3,5 разу менше, ніж він віддає на нагрівання.
Технологія одержання газу Брауна є новим підходом до енергозабезпечення; водневі котли все ще залишаються новинкою на зарубіжному та російському ринку. Тому господарі, знайомі з технологією, збирають таку установку самостійно.
Складання водневої установки в домашніх умовах рідко буває такою ж ефективною (або взагалі ефективною) як промислові аналоги, і тому часто виявляється нерентабельною. Щоб отримати необхідний обсяг газу, знадобиться електролізна установка достатньої потужності, яку підбирають, виходячи з квадратури конкретного житла.
Установки, зібрані в домашніх умовах, мають чимало похибок і для їх роботи потрібен значний обсяг електричної енергії. Їх витрачене електрика не компенсується обсягом отриманого водню, і процес стає нераціональним (збитковим).
Корисне відео
Виготовлення дослідного зразка
Проте спроби знайти рішення, як зробити водень, щоб використовувати його для опалення будинку, не припиняються. Перш, ніж зробити повноцінний генератор водню, корисно зібрати досвідчений зразок, що діє. Найпростіший електролізер складається з наступних елементів:
- Герметична ємність із товстими стінками, скляна або пластикова.
- Електроди. Виконуються з металу, занурюються в ємність із водою та підключаються до джерела живлення.
- Трубка для відведення пального газу, що веде до другої ємності з водою (вона служить водяним затвором).
Установка одержання водню електролітичним методом функціонує лише від постійного струму. Тому джерелом живлення може бути акумулятор або, наприклад, автомобільний зарядний пристрій.
Установка виробляє газ наступним чином:
- Електроди поринають у воду, до них підводиться напруга. У воду бажано додати каталізатор (трохи кислоти чи луги), вдома можна обійтися сіллю.
- У воді починається реакція електролізу, навколо електродів з'являться бульбашки газу. Водень виділятиметься біля катода, кисень – біля анода.
- Суміш газів витісняється у гідрозатвор. Це допомагає відокремити від суміші водяну пару і одночасно уникнути випадкового спалаху пального газу в ємності.
- Після гідрозатвору газова суміш витісняється іншою трубкою до пальника, де спалюється з утворенням води.
Оскільки така система діє, але все-таки досвідчена, на неї не можна подавати надто високу напругу. Вода, нагрівшись вище 65°C, випаровуватиметься надто швидко; з'явиться надлишок водяної пари, і ви не зможете розпалити пальник.
Корисне відео
Проблеми виготовлення робочого генератора
Умільці, які планують виготовлення робочої установки, передбачають використовувати водень як для опалення, так і для газозварювальних робіт, або як автомобільне паливо. При виготовленні водневого генератора для опалення електродами виступають металеві пластини приблизно 30-70 штук. Розмір пластин починається від 10х15 см, матеріалом є нержавіюча сталь.
З пластин збирають блок, ізолюючи один від одного гумовими прокладками; блок поміщають у герметичну ємність. Саморобному паливному осередку для функціонування потрібен водяний насос; його робота керуватиметься датчиком рівня, встановленим усередині генератора.
Зробити установку ефективною вкрай складно, тому що доведеться зіткнутися з такими проблемами:
- Нержавіюча сталь, яку зазвичай використовують для виготовлення пластин, як електроди проживе недовго; потрібен метал з нікелем.
- Для ефективності генератора важливими є монтажні розміри. Потрібні професійні розрахунки всіх параметрів, від складу води до необхідної потужності. На роботу пристрою впливає навіть зазор між електродами.
- Важко забезпечити безпеку роботи. Тут має значення герметичність ємності з електродами, всіх шлангів, а також переріз дроту від джерела живлення.
- Потрібно зібрати схему управління робочою напругою та струмом; не обійтися без спеціального обладнання, наприклад, частотоміра та осцилографа.
Проблема водневого генератора в домашньому виконанні прихована в економічному питанні. Справа в тому, що, на відміну від ідеальних умов, усі перетворення йдуть із втратою енергії. До того ж не вдасться спалювати водень з максимальною температурою (3000°C), цього не витримає жоден котел, і тепловіддача буде набагато нижчою від заявленої.
Під час роботи установка витрачатиме більше електроенергії, ніж система отримуватиме теплову потужність після спалювання виробленого газу. Генератор окупатиметься лише, якщо доступ до безкоштовної електроенергії.
Ви витратите в 2-3 рази менше коштів, якщо встановите електричний котел і опалюватимете житло безпосередньо, без проміжного генератора. Це набагато вигідніше та безпечніше рішення, враховуючи можливість вибуху водневого агрегату при неповагу до правил монтажу та експлуатації.
Корисне відео
Висновок
Генератор водню продукує газ за допомогою електролізу. Розробка вважається перспективною, тому що дозволяє отримати цінне пальне, водень, простим способом зі звичайної води.
Основу електролізера становлять кілька металевих пластин. Їх занурюють у герметичний резервуар, наповнений електролітом (водою з добавкою каталізатора). Струм, пропущений через розчин, розщеплює молекули води на водень та кисень; гази потім використовуються за призначенням.
Виготовлення генератора своїми руками вважається ризикованим заняттям, оскільки його конструкція технологічно складна та небезпечна. До того ж у реальних умовах важко зробити установку ефективною, і більшість реалізованих проектів, що демонструються в мережі, є збитковими.
