Генератор водорода: принцип работы и возможность использования для отопления

Ученые давно ищут экологически чистую и дешевую альтернативу традиционным видам топлива. Генератор водорода – один из перспективных способов получения энергии для хозяйственных целей, в том числе и для отопления частных домов. Разбираемся, на каких принципах работает устройство, какими особенностями и достоинствами обладает, как модели, сделанные своими руками, применимы для систем отопления.

Особенности использования водорода

Одноатомный водород является самым распространенным химическим элементом не только на Земле, но и во Вселенной. Он легко взаимодействует с большинством неметаллов, поэтому основная его часть связана в воде и органических соединениях.

В промышленности водород получают несколькими способами: большую часть – при переработке угля, газа и нефти, и только 4% – при электролизе воды (так называемый зеленый водород).

Получается, что топливо – вода, источник водорода для водородного генератора, достается вообще бесплатно или за символическую сумму. А если собрать прибор самостоятельно, то можно получить потрясающую экономию.

Но на практике все не так радужно. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и атома кислорода. Связь между атомами прочная, и, чтобы разорвать ее, нужен внешний источник энергии. Самым удобным источником является электроэнергия, самый выгодный процесс – электролиз.

В промышленных установках реализуется замкнутый цикл, когда водяной пар возвращается в жидкое состояние (конденсируется). Для получения конденсата водяной пар охлаждают, а это означает дополнительные затраты энергии. Газ, произведенный промышленным способом, используется в разных целях, поэтому имеет разную степень очистки. Водород с низкой степенью очистки применяется в сварочном оборудовании, хорошо очищенный – в качестве топлива.

Принцип получения водорода

Электролизом называется разложение воды на водород и кислород. Реакция происходит при следующих условиях:

• В воду, близко друг от друга, опускают металлические пластины, которые подключают к источнику напряжения.
• Чтобы увеличить скорость реакции, используют катализатор, например, жидкий щелок.
• Цепь замыкается через воду, при этом молекула воды (Н2О) распадается на два атома водорода и один атом кислорода. В результате получается гремучий газ (газ Брауна), взрывоопасная смесь водорода и кислорода.
• Гремучий газ собирается, после чего его можно использовать для обогрева дома (сжечь в котле). Расщепление воды позволяет получить водород, который отлично горит, и кислород, поддерживающий горение.

Агрегаты промышленного производства

Водород давно и эффективно используется как энергоноситель в разных сферах хозяйства. Для частных домохозяйств производятся водородные электрогенераторы, в которых выделение газа происходит в результате электролиза, а полученный горячий пар поступает в домашнюю отопительную систему.

Использование электролитических агрегатов заводского изготовления имеет следующую специфику:

• Они соответствуют мировым стандартам безопасности и экологии.
• Для приобретения и установки понадобится разрешение Ростехнадзора, а значит, необходимо подготовить пакет разрешительных документов (сертификат соответствия ГОСТР, гигиенический).
• Генератор работает в связке с котлом и трубами. В качестве катализатора процесса используют жидкий щелок. Систему заправляют не реже одного раза в год.
• Наиболее эффективная отдача демонстрируется в системах подогрева полов или плинтусов;

Средний бытовой агрегат состоит из следующих элементов:

• Электролизер. Устройство, разделяющее молекулы воды на составные части.
• Электронный блок. Включает трансформатор и выпрямитель тока.

• Устройство для подготовки воды (для деминерализации).
• Панель управления с автоматическим контролем. Регулирует рабочие характеристики процесса.
• Система мониторинга. Система анализа газов настроена на поиск возможных утечек, способна предотвратить аварийную ситуацию.
• Система охлаждения конденсата.

Преимуществом устройств заводского изготовления служит их компактность, безопасность и эффективность. Для выработки одного кубометра водорода тратится 0,5 л воды и 3,5-4 кВт электроэнергии.

Плюсы и минусы технологии

Водяной генератор промышленного производства – заманчивое решение, позволяющее с помощью гремучего газа значительно снизить расходы по отоплению дома. Но у способа имеются и дополнительные бонусы:

• Экологичность. Устройство безвредно для окружающей среды и человека, Итогом работы является чистая энергия и водяной пар.
• Эффективность. КПД достигает 90-95%, генератор работает бесшумно.
• Продолжительная эксплуатация. Производители дают гарантию бесперебойной работы агрегата на протяжении 20-25 лет.
• Монтажные работы не связаны с установкой дополнительных дымоходов.

• Безопасность. Генератор оснащается тепловыми и температурными датчиками, контролирующими работу в круглосуточном режиме.

К минусам генераторов водорода относят следующие особенности:

• Высокая стоимость. Высокий ценник объясняется использованием дорогостоящих материалов и катализаторов, применением систем безопасности.
• Необходимость привлечения специалистов для обслуживания на профессиональном уровне. Самостоятельное обслуживание, а, тем более, изготовление может привести к опасным последствиям.
• Дополнительные расходы. Периодически будет нужна замена некоторых деталей, также придется докупать катализатор.

Водный генератор, изготовленный в домашних условиях, обладает дополнительными минусами:

• Низкая энергоэффективность. У самодельных водородных агрегатов она в разы ниже КПД традиционных отопительных систем (твердотопливных, газовых, электрических котлов).
• Взрывоопасность. Ошибки и небрежность сборки, неправильная эксплуатация, отсутствие систем безопасности могут обернуться разгерметизацией, а иногда и взрывом.

Целесообразность изготовления генератора своими руками

В идеале работающая установка расходует 0,5-0,7 л воды в час и вырабатывает 1300-1500 л (примерно полтора кубометра) газа. Далее газ поступает к котлу, где сгорает и нагревает воду в тепловом контуре. В промышленно реализованных агрегатах энергии на получение газа тратится в 3-3,5 раза меньше, чем он отдает на нагрев.

Технология получения газа Брауна является новым подходом к энергообеспечению; водородные котлы все еще остаются новинкой на зарубежном и российском рынке. Поэтому хозяева, знакомые с технологией, собирают такую установку самостоятельно.

Сборка водородной установки в домашних условиях редко бывает такой же эффективной (или вообще эффективной) как промышленные аналоги, и потому часто оказывается нерентабельной. Для того чтобы получить необходимый объем газа, понадобится электролизная установка достаточной мощности, которую подбирают, исходя из квадратуры конкретного жилья.

Установки, собранные в домашних условиях, имеют немало погрешностей, и для их работы нужен значительный объем электрической энергии. Для них затраченное электричество не компенсируется объемом полученного водорода, и процесс становится нерациональным (убыточным).

Изготовление опытного образца

И все-таки попытки найти решение, как сделать водород, чтобы использовать его для отопления дома, не прекращаются. Прежде, чем сделать полноценный генератор водорода, полезно собрать опытный действующий образец. Простейший электролизер состоит из следующих элементов:

• Герметичная емкость с толстыми стенками, стеклянная или пластиковая.
• Электроды. Выполняются из металла, погружаются в емкость с водой и подключаются к источнику питания.
• Трубка для отвода горючего газа, ведущая во вторую емкость с водой (она служит водяным затвором).

Установка получения водорода электролитическим методом функционирует только от постоянного тока. Поэтому источником питания может выступить аккумулятор или, например, автомобильное зарядное устройство.

Установка производит газ следующим образом:

• Электроды погружаются в воду, к ним подводится напряжение. В воду желательно добавить катализатор (немного кислоты или щелочи), дома можно обойтись солью.
• В воде начинается реакция электролиза, вокруг электродов появятся пузырьки газа. Водород будет выделяться возле катода, кислород – около анода.
• Смесь газов вытесняется в гидрозатвор. Это помогает отделить от смеси водяной пар и одновременно избежать случайной вспышки горючего газа в емкости.
• После гидрозатвора газовая смесь вытесняется по другой трубке к горелке, где сжигается с образованием воды.

Поскольку такая система действующая, но все-таки опытная, на нее нельзя подавать слишком высокое напряжение. Вода, нагревшись выше 65°C, будет испаряться слишком быстро; появится избыток водяного пара, и вы не сможете разжечь горелку.

Проблемы изготовления рабочего генератора

Умельцы, планирующие изготовление рабочей установки, предполагают использовать водород как для отопления, так и для газосварочных работ, или в качестве автомобильного топлива. При изготовлении водородного генератора для отопления электродами выступают металлические пластины примерным количеством 30-70 штук. Размер пластин начинается от 10х15 см, материалом служит нержавеющая сталь.

Из пластин собирают блок, изолируя друг от друга резиновыми прокладками; блок помещают в герметичную емкость. Самодельной топливной ячейке для функционирования нужен водяной насос; его работа будет управляться датчиком уровня, установленным внутри генератора.

Сделать установку эффективной крайне сложно, так как придется столкнуться со следующими проблемами:

• Нержавейка, которую обычно используют для изготовления пластин, в качестве электродов проживет недолго; нужен сплав с никелем.
• Для эффективности генератора важны монтажные размеры. Нужны профессиональные расчеты всех параметров, от состава воды, до необходимой мощности. На работу устройства влияет даже величина зазора между электродами.

• Сложно обеспечить безопасность работы. Здесь имеет значение герметичность емкости с электродами, всех шлангов, а также сечение провода от источника питания.
• Потребуется собрать схему управления рабочим напряжением и током; не обойтись без специального оборудования, например, частотомера и осциллографа.

Проблема водородного генератора в домашнем исполнении скрыта в экономическом вопросе. Дело в том, что, в отличие от идеальных условий, все преобразования идут с потерей энергии. К тому же не получится сжигать водород с максимальной температурой (3000°C), этого не выдержит ни один котел, и теплоотдача будет намного ниже заявленной.

Во время работы установка будет тратить больше электроэнергии, чем система получать тепловой мощности после сжигания выработанного газа. Генератор будет окупаться только, если будет доступ к бесплатной электроэнергии.

Вы потратите в 2-3 раза меньше средств, если установите электрический котел и будете отапливать жилье напрямую, без промежуточного генератора. Это намного более выгодное и безопасное решение, учитывая возможность взрыва водородного агрегата при неуважении правил монтажа и эксплуатации.

Коротко о главном

Генератор водорода продуцирует газ при помощи процесса электролиза. Разработка считается перспективной, так как позволяет получить ценное горючее, водород, простым способом из обычной воды.

Основу электролизера составляют несколько металлических пластин. Их погружают в герметический резервуар, наполненный электролитом (водой с добавкой катализатора). Ток, пропущенный через раствор, расщепляет молекулы воды на водород и кислород; газы затем используются по назначению.

Изготовление генератора своими руками считается рискованным занятием, так как его конструкция технологически сложная и небезопасная. К тому же в реальных условиях тяжело сделать установку эффективной, и большая часть реализованных проектов, демонстрируемых в сети, убыточны.