Энергетическая эфективность водородного котла отопления
Энергетическая эфективность водородного котла отопления
Срок эксплуатации оборудования до 15 лет, цена стартует от 3000$ (210000 руб.). Значительные первоначальные вложения окупятся длительным периодом пользования. Если соблюдать все правила, котел на водороде проработает более 50 лет, что намного дольше любого другого. Расходы на энергоноситель минимальные, окупятся затраты достаточно быстро. Что касается потребления электричества, то, как и все котлы, нагреватель на водороде не функционирует в постоянном режиме. Это значит, что на обслуживание расходы также не будут высокими.
Вещество из воздуха и воды представляет собой одно из перспективных видов топлива. Водород способен заменить стандартные углеводородные соединения.К преимуществам оборудования относят:
- Большие запасы топлива. В ряду химических соединений водород является одним из 5 лидеров. Находясь в связанном состоянии, субстанция быстро разлагается на нужные элементы с помощью простых устройств.
- Минимальное потребление электрической энергии. Чтобы запустить в работу агрегат на 30 кВт надо не более 0,33 кВт/час.
- Предельно высокий КПД. Показатель достигает более 90%, что намного больше природного газа. Для отопления дома необходимо в три раза меньше топлива, что делает водород более выгодным, чем газ.
- Бесшумная работа оборудования и безвредность. В процессе выделения тепловой энергии водород не продуцирует токсичных веществ.
- Простота процесса получения тепла. Вода и электроэнергия – все, что нужно для работы. Ток расщепит воду на водород и кислород. В процессе преобразования первого компонента выходит тепловая энергия, вода участвует в процессе горения.
- небольшой ассортимент моделей;
- нужен катализатор;
- высокий риск взрыва газа.
Водородные котлы — альтернатива газовым или твердотопливным котлам.
Принцип работы
Под воздействием электрического заряда вода распадается на водород и кислород. Затем, при взаимодействии молекул водорода и кислорода, происходит реакция, в результате которой образуется так называемый газ Брауна и происходит процесс выделения тепла. Тепло, в свою очередь, будет осуществлять нагрев воды и позволит обеспечить нормальную температуру в помещении.p, blockquote 5,0,1,0,0 —>Элементы системы отопления с использованием водородаСтроение водородных котлов:p, blockquote 6,0,0,0,0 —>
- Электролизер — это специальный генератор водорода для отопления дома, который обеспечивает реакцию между кислородом и водородом.
- Горелка для отопления, при помощи которой создается пламя.
- Котел, который выступает в качестве теплообменника.
Процесс электролиза для получения водородаДля успешной работы водородной установки важно соблюдать следующее:p, blockquote 7,0,0,0,0 —>
- Возможность поступления воды, чаще всего это вода из водопровода.
- Параметры потребления жидкости напрямую зависят от мощности прибора.
- Обеспечивать доступ к электроэнергии, которая нужна для осуществления электролизной реакции.
- Заменять катализатор в соответствии с определенной частотой, которая зависит от модификации и мощности котла.
Важно отметить, что водородный котел, созданный промышленным способом, характеризуется высоким уровнем безопасности. В работе этот агрегат безопаснее, чем газовые и твердотопливные котлы.
Сравнение отопления с помощью теплового насоса с другими способами.
Сколько стоит килограмм водорода
Средняя себестоимость 1 кг водорода, в зависимости от технологии его получения, по данным лаборатории INEEL, следующая:- Химическая реакция — 700 рублей при стандартном методе восстановления реагента и 320 — при использовании энергии АЭС.
- Электролиз от промышленной сети — 420 рублей. Данные справедливы для «фирменных», сбалансированных электролизеров. У кустарного изделия показатели заведомо ниже.
- Производство из биомассы — 350 рублей.
- Конверсия углеводородов — 200 рублей.
- Высокотемпературный электролиз на АЭС — 130 рублей.
Выбор в пользу котлов, работающих на водородном топливе, обоснован следующими их преимуществами:
Пошаговая инструкция по созданию котла отопления на водородном топливе
Водородный котёл представляет собой инновационное научное решение, благодаря которому можно отапливать объекты с минимальными финансовыми затратами и высокой эффективностью. Он не нуждается в обслуживании и надёжен в эксплуатации, но имеет сложную конструкцию и предъявляет высокие требования к качеству применяемых комплектующих. Возможно ли сделать своими руками котёл отопления на водородном топливе?Свойства водорода как топлива
Водород является самым лёгким газом без цвета и запаха, который находится на десятом месте по распространённости химическим элементом на планете. Он не токсичен и даже при протекании реакции горения не выделяет вредных веществ.В качестве топлива водород использовать выгодно по следующим причинам:- высокая отдача тепла (более 121 МДж/кг) за счёт достижения при горении температуры +6000 0 С;
- возможность снижения температуры горения до +300 0 С, при условии использования катализаторов;
- безопасность при утечках за счёт быстрого улетучивания в атмосферу, так как его вес легче воздуха в 14 раз;
- возможность добычи топлива в любой точке планеты;
- неприхотливость к типу используемого котла.
- теплообменника;
- камеры сгорания топлива;
- электролизера;
- ёмкости для выработки водорода, в которую помещён электролит;
- двухступенчатого блока защиты, предотвращающего протекание цепной реакции.
Устройство водородного котла
Принцип работы
Работа котла на водородном топливе реализуется следующим образом:- В электролизере, после поступления электролитического раствора и пропускания через два погружённых электрода электрического тока, начинается выработка газа H2 и O2, а также водяного пара.
- Газовая смесь поступает в химический сепаратор, в котором происходит отделение водорода из общего объёма. При этом очищенный газ через специальный клапан отводится в следующий узел установки без возможности обратного хода. Такое конструктивное решение позволяет исключить взрыв при контакте водорода с воздушной смесью.
- Через защитный блок очищенный газ поступает в камеру сгорания, в которой расположен теплообменник. В ходе химической реакции водорода с кислородом в присутствии катализатора происходит нагрев теплообменника, в котором находится теплоноситель, используемый в отопительной системе объекта.
- Отработанный после химической реакции газ снова поступает в камеру с электролитическим раствором.
Критерии выбора модели
Водородный котёл для дома необходимо подбирать с учётом следующих критериев:- мощность нагрева должна соответствовать требованиям используемой отопительной системе и теплоносителя, а также учитывать площадь отапливаемых помещений;
- размеры камеры сгорания должны быть оснащены необходимым количеством теплообменников, позволяющими организовать несколько отопительных контуров;
- электросеть в здании должна выдерживать мощность потребления электроэнергии котлом;
- все конструктивные элементы котла должны быть изготовлены из качественных материалов и иметь достаточный запас прочности и износостойкости;
- блок защиты должен быть сертифицированным и соответствовать стандартам безопасности.
Пример водородного котла отопления
Особенности эксплуатации
Важной особенностью использования водородного топлива является опасность его взрыва при контактировании с воздухом. Поэтому важно придерживаться следующих правил эксплуатации:- необходимо периодически следить за температурой датчиков, установленных на теплообменниках, и не допускать перегрева теплоносителя выше допустимых норм;
- запрещено эксплуатировать котёл в режимах, которые не предусмотрены производителем или могут вызвать протекание цепной реакции;
- при повышении давления газа в камере сгорания необходимо принять меры по его стабилизации и выяснить причины таких изменений;
- для непрерывной работы котла нужно позаботиться о стабилизированном электропитании;
- важно периодически менять электролизер и следить за подачей воды.
Преимущества и недостатки
Выбор в пользу котлов, работающих на водородном топливе, обоснован следующими их преимуществами:- отсутствие выхлопов вредных веществ в атмосферу;
- тепло выделяется в ходе химической реакции, для которой наличие пламени не требуется;
- высокий КПД тепловой установки;
- отсутствие шума в работе котла;
- не требуется установка дымохода, благодаря чему допускается устанавливать котёл в любом месте помещения.
- небольшое количество предприятий, занимающихся получением и сжижением водорода;
- необходимость контроля давления в баллоне с водородом, чтобы не допустить взрыва;
- высокие требования к качеству сборки всех узлов, а также применяемым при изготовлении материалам;
- для ремонта и обслуживания требуется привлечение специалистов;
- сложности с поиском деталей;
- большой расход воды.
При всех достоинствах водородных котлов, также стоит учитывать сложности с поиском деталей
Как сделать водородный котёл своими руками?
Прежде чем сделать водородный котёл своими руками, необходимо подготовить следующие материалы:- стальные высоколегированные нержавеющие листы толщиной 2-4 мм;
- очистной водяной фильтр;
- прозрачные газовые шланги высокого давления с диаметром 8 мм;
- герметичная пластиковая ёмкость объёмом 1,5-2 л;
- штуцер на шланг 8 мм;
- два болта 150х6 мм, гайки и шайбы под них;
- профильная труба 20х20 мм и 40х40 мм.
- болгарка с диском по металлу;
- отвертка и рожковый ключ под болты;
- инструменты для нарезания резьбы 6 мм;
- строительный нож для резания шлангов;
- дрель с набором свёрл;
- сварочный аппарат.
Для изготовления водородного котла потребуется болгарка с диском по металлуПроцесс изготовления котла качественно можно разделить на следующие этапы:
- Создание генератора водорода.
- Изготовление и сборка котла.
Этап создания генератора водорода
Пошагово генератор водорода изготавливается следующим образом:- Стальной лист нарезаем на пластинки размером 50х50 мм в количестве 16 штук. Один из углов срезаем под углом 45 0 , а в противоположном – просверливаем отверстия диаметром 6 мм.
- На один болт насаживаем пластинки, прокладывая их с двух сторон шайбами с толщиной 1-2 мм. Фиксируем их гайкой. На второй болт насаживаем оставшиеся пластинки аналогичным образом. В итоге получаем конструкцию, напоминающую два радиатора, которые могут быть вставлены друг в друга так, чтобы пластины не касались своими поверхностями.
- Берём пластиковый контейнер и делаем в его крышке два отверстия под болты так, чтобы пластинки радиаторов можно было расположить друг над другом и они не касались.
- Закрепляем два радиатора к пластинке.
- Вставляем конструкцию внутрь контейнера и закрепляем на болты. При этом между крышкой и корпусом прокладываем мягкие резиновые прокладки для повышения герметичности ёмкости.
- Проделываем в крышке два отверстия 8 мм под резиновые трубки: одно для подачи водорода, а второе – для воды.
- В отверстия вставляем два патрубка, изготовленных из стальной трубы и нарезанной резьбой. Прокладываем с двух сторон прокладки и фиксируем на гайки.
- Проверяем герметичность сборки, подключив к одному патрубку компрессор, а ко второму манометр. Накачиваем давление 2 атмосферы и следим за показаниями манометра в течение 30 минут. Если оно не изменилось, то сборка завершена, в противном случае устраняем допущенные при герметизации ошибки.
- Проверяем работоспособность генератора в рабочих условиях: устанавливаем обратный клапан к патрубку, подключаем к нему баллон с водородом, ко второму – воду, а к двум электродам (два болта радиаторов) – электрический ток.
Этап создания и сборки котла
Водородные котлы для частного дома, предназначенные для отопления, пошагово необходимо создавать следующим образом:- Разрезаем профильную трубу 20х20 мм болгаркой на 8 частей по 300 мм.
- Трубу 40х40 мм разрезаем на 3 части: две по 80 мм и одна – 200 мм.
- В трубе 200 мм с сечением 40х40 мм по середине длины с двух противоположных боковых сторон прорезаем отверстия под трубу 40х40 мм. Затем в отверстия вставляем трубки 40х40 мм длиной 80 мм под прямым углом и привариваем их.
- К трём торцевым частям крестовины привариваем заглушки, а к четвёртой – заглушку с патрубком для подсоединения трубы с водородом.
- На расстоянии 70-80 мм от центра крестовины на каждой её части просверливаем по одному отверстию диаметром 10-14 мм. Получится четыре отверстия.
- Привариваем форсунки (аналогичные обычным газовым) в 4 подготовленные отверстия.
- Привариваем к каждой торцевой части по две профильные трубы 20х20 мм так, чтобы они образовывали прямой угол с плоскостью крестовины.
- Из листовой стали вырезаем три стенки корпуса котла 300х300 мм. В 2-х из них делаем 4 отверстия диаметром 20-30 мм по месту расположения форсунок, а в третьем – с диаметром 10 мм.
- Разрезаем трубу диаметром 20-30 мм на куски длиной 50-60 см и привариваем их к вырезанному на восьмом шаге стальному листу меньших размеров.
- Берём трубу диаметром 20 мм с длиной меньшей на 30-40 мм длины сваренных труб и просверливаем в ней два отверстия вверху и внизу так, чтобы была возможность приварить её.
- Трубу прикладываем к стальному листу с меньшими отверстиями и привариваем.
- Готовую конструкцию переворачиваем и устанавливаем второй стальной лист, при этом трубки должны войти в проделанные ранее отверстия. Затем привариваем трубки к листу.
- Привариваем к стальному листу конструкцию с горелкой.
- Привариваем патрубки для циркуляции теплоносителя к соответствующим отверстиям корпуса.
- На вводный патрубок устанавливаем температурный датчик, а на горелку – детектор пламени. Соединяем оба датчика с автоматическими контроллерами или визуально-звуковыми системами оповещения.
- Проверяем корпус на герметичность.
- Затем создаём внешний защитный корпус подходящих размеров из стальных листов, в который помещаем все узлы конструкции и соединяем их. Особое внимание необходимо уделить герметичности всех соединений и тщательно её перепроверить. Подключаем электричество к электродам. Выполняем тестовый запуск установки.
Проводить самостоятельную модернизацию подобного оборудования, даже имея профессиональный и подробный инженерный чертёж — категорически запрещено.
Водородный котел для отопления частного дома
В наши дни инноваций отопления частного дома можно назвать несколько.Возможно, возвращение к традиционной русской печи не менее удивительно, чем коллекторная разводка с термостатом в современном деревянном рубленом доме, причем один из источников энергии, распределяемой коллектором — это солнечные батареи на крыше, подключаемые через накопительный бойлер.Отопление водородом — тоже сравнительно новый метод обогрева жилья, и полемика вокруг данной инновации все еще вызывает порой ассоциации с гремучим газом, он же газ Брауна (хотя определение и не совсем корректно).Одно из главных преимуществ водородного котла, говорящее об отличных перспективах — это неплохое сочетание данного метода выработки тепловой энергии с генераторами ВИЭ (возобновляемые источники энергии — устройства на биогазе, ветрогенераторы, гелиобатареи и др.)
Подробнее о перспективах применения водородных котлов
Общемировая тенденция перехода к «зеленым»технологиям обуславливает и спрос на эти технологии. Защита ООС, экологические строительные материалы и стремление людей жить поближе к природе, не разрушая ее, согласуется с переходом на водород как ресурс энергии для транспорта и жизнеобеспечения жилья.Водородные котлы при эксплуатации не образуют углекислого газа, этого «главного монстра» современных технологий и оборудования, которое работает на углеводородных ресурсах: газ, жидкое и твердое топливо — уже в силу этого факта утверждение о первом месте водородного котла в списках самых экологически перспективных решений в отопительной области оспаривать сложно.Второе преимущество применения водородного котла для бытового обогрева — работа отопления на водороде не требует вентиляционных систем, не нужно отводить продукты сгорания со всеми вытекающими: поскольку единственный продукт сгорания — обычная вода.О чистке и обслуживании дымоходов и вентканалов можно забыть, так же, как и о дополнительных расходах электричества для их эксплуатации.Дополнительный плюс — водородные котлы, выделяя в качестве отходов чистые водяные пары, служат аэраторами-увлажнителями в жилище.Но основное преимущество водородного котла, как уже было сказано — перспективное сочетание с практически любым генератором электрической энергии ВИЭ, имеющим сильно выраженную периодичность ресурса — ветер, солнце.Подключение генерирующего от ВИЭ оборудования прямо в сеть требует дорогостоящего сложного обеспечения, что несравнимо с выработкой водорода электролизом, возможного во время пиковых режимов. Полученный водород и будет использован в качестве топлива для котельного водородного агрегата.Промышленные установки уже несколько десятков лет конвертируют ВИЭ в водород, и данный энергетический ресурс имеет малую себестоимость.О бытовом оборудовании так говорить еще рано; и сегодня о людях, монтирующих у себя дома водородные котлы, говорят как о рисковых, или очень богатых, или же как о махровых оптимистах. Но технологии развиваются, и возможно — с водородным отоплением домов и автомобильными двигателями нас ждет счастливое будущее.На сегодня энергоэффективность водородного котла при трезвой оценке не достигает даже аналогичной для электрокотла — рекордсмена низкого КПД и высокой цены при роскошном обогреве и чистой беспроблемной эксплуатации.Если электрические котлы оцениваются по энергоэффективности на 40-45%, котлы газовые и жидкотопливные на 70-75% (пиролизные и инверторные на 95% и выше), то водородный котел скромно занимает последнее место — его энергоэффективность не достигает и 10%.По сравнению с тепловыми насосами и геотермальным отоплением, минимум эффективности которого составляет 120-150%, а максимум — свыше 400%, говорить об экономии водородного отопления пока не приходится.Тот день, когда новые технологии позволят удешевить данный бытовой отопительный процесс хотя бы в десять раз, еще не наступил. Но при прочих равных условиях экологическая чистота отопления водородом — огромный стимул исследований и надежды человечества на лучшую жизнь.Пока что трудно без юмора относиться к радостной мощи интернет-предложений о «снижении счетов за ресурсы во много раз» одной только установкой в доме водородного котла.Несколько менее смешны и более опасны мастер-классы сборки водородных котлов в домашних условиях из подручных материалов. Гремучий газ, или газ Брауна, применяется для сварки и резки металлов, плавит кварц, одно его название уже говорит само за себя.Водород взрывоопасен, и при малейшем отступлении от технологии кустарный котел может стать неплохой бомбой в жилище.Специалисты предостерегают также от покупок водородных устройств от непроверенных производителей, в частности могут стать фактором риска в доме китайские агрегаты, в которых возможна некачественная гарнитура и удешевление за счет материала. О том, что утечка водорода крайне опасна, понятно и без объяснений.
Чтобы обосновать причину экономии отопления водородным котлом, ссылаются:
- На показатели теплоты сгорания, поскольку водород действительно сгорает с трехкратной теплоотдачей сравнительно с природным газом.
- Еще более авторитетно звучат тезисы о газе Брауна, или смеси водорода с кислородом в пропорции к двум атомам водорода — один кислородный атом.
Немного о чистом водороде и КПД водородного котла
Для водородного котла нужен водород, которого вокруг огромное количество. Например, в газе метане в два раза больше атомов водорода, чем в воде, которую заливают с катализаторами в электролизер водородного бытового котла.Но выделять водород из метана смысла мало, метан сам по себе прекрасно горит, а энергии на «добычу» водорода потребовалось бы немало. Вода и электролитическая диссоциация с расщеплением молекулы воды на два атома водорода и одну кислорода (упрощенно) применяется для выработки чистого водорода достаточно широко.Все промышленные водородные котлы имеют неотъемлемую часть — электролизер или электролизную установку. Данные установки работают на электроэнергии, а сколько ее требуется — вопрос интересный, и, ответив на этот вопрос, можно получить данные о реальной выгоде использования водородного котла в быту.Ведь количество тепловой энергии, выработанной котлом, должно превышать то количество, которое пришлось израсходовать на его работу — только в этом случае можно будет утверждать о 100% — ном и более КПД установки.О прочной связи атомов водорода и кислорода в молекуле воды понятно еще со школы. Для разрыва этих связей потребуется немало энергии, и электролизер с данной работой справляется.Далее — получена смесь из водородных и кислородных атомов с огромной потенциальной энергией, которая в процессе окисления (горения) в котле обеспечит жилище теплом. Итог всех реакций — водяной пар, то есть исходная вода, в начале процесса расщепленная на атомы.Количество воды не меняется — ее масса «защищена» законами физики. Поскольку потери энергии в любом технологическом процессе неизбежны и реальны, и идеальных процессов не бывает — то понятно: тепловой энергии можно будет получить несколько меньше, чем было затрачено электрической.Еще один нюанс — для водородного котла нужна вода исключительно высокой очистки — дистиллят, который не бесплатен.Возникающий вопрос закономерен — для чего все эти сложные процессы расщепления воды электричеством, когда электрокотел и без всякого электролиза нагреет теплоноситель в отопительной системе, и это будет проще и выгодней, чем расщепление и «воссоединение» воды в виде пара посредством сжигания водородно-кислородной смеси, с неизбежными потерями энергии на каждом этапе данного процесса, да еще с дополнительным сложным оборудованием?
Еще немного о преимуществах водородного отопления и принципе работы водородных котлов
Изобретение автомобильного двигателя, работающего на водороде, относят к 60- ым годам прошлого века. А водородные котлы придуманы не так давно, и родина их — Италия.Идеи о водороде в качестве топливного ресурса «для дома» некоторое время не могли осуществиться, камнем преткновения была огромная температура сгорания водорода и невозможность использовать обычные материалы для производства котлов.Но современные водородные котлы создают из обычных материалов, и о работе водородного отопления потребители отзываются в массе хорошо.Установки действительно работают на «гремучем» газе Брауна, но пользоваться котлом при соблюдении правил техники эксплуатации не опаснее, чем любым другим котельным агрегатом. Специалисты предостерегают лишь о недопустимости самодельных сборок и модернизаций водородного оборудования, даже с подробным и профессиональным инженерным чертежом на руках.Утечка водородной смеси из генератора крайне опасна, и может привести к взрыву и разрушениям, Кроме того, опасен чрезмерный нагрев котла. Некоторые из мер безопасности:
- Блок датчиков температуры в теплообменнике дает возможность контроля системы, и не допускать превышения нагрева воды сверх безопасного.
- В горелке имеется запорная арматура, подключенная непосредственно к датчикам температуры, а охлаждение котла нормировано и обеспечивается в расчетном цикле.
- Возможность обогревать площади примерно до 200-250 м2
- Срок эксплуатации — минимум 15 лет, ремонтопригодность и несложный ремонт, по уверениям производителей
- Воды расходуется за сутки примерно 5-6 литров
- Выработка топливного ресурса за сутки от одного до двух литров
- Потребляют электроэнергии от одного до трех кВт/час
- Имеются одноконтурные и двухконтурные исполнения котлов, для дополнительного приготовления горячей воды
- Как все виды отопительного оборудования, работают не нон-стоп, а циклично, нагревая помещение до определенных параметров. Контроль режима обеспечивают датчики
Выбирают водородные котлы по нескольким критериям:
- По мощности — минимальную мощность называют 27 Вт. Возможно применение котлов в группах.
О недостатках работы водородного котла:
- Если модель котла работает на сжиженном водороде, то, при повсеместной распространенности самого газа, эти баллоны можно достать не везде и не всегда, в отличие от природного газа пропана.