Урок 26. получение водорода и его применение

Есть ли выгода

Выгодно ли дело?

Существует ложное представление, что отопление дома при помощи водородного топлива обходится чуть ли не в копейки. На самом деле, такую идею распространяют производители электролизеров и иных установок для получения водорода. Словом те, кому такое мнение выгодно. Они говорят, что стоит только один раз потратиться на приобретение этой чудо-машины, и живите себе дальше припеваючи и беззаботно. Однако так ли всё на самом деле?

Стоит лишь на минуту задуматься, чтобы понять, что в реальности дела обстоят не так радужно. Во-первых, сама установка очень дорогая. Даже если собирать агрегат самостоятельно, затраты на комплектующие обойдутся не так уж дёшево. То есть первоначальные затраты очень высоки, а перспективы окупаемости — туманны. Во-вторых, для работы электролизера необходима водопроводная вода, которая тоже не бесплатна. И в-третьих, необходимо учитывать затраты на электроэнергию в том случае, если генератор не работает на солнечных батареях.

Таким образом, выгоды в использовании водорода как топлива для хозяйственных нужд практически нет. Возможно, лишь спустя через десяток-два лет, когда технологии станут более совершенными, использовать водородное топливо будет выгоднее, чем существующие на данный момент альтернативные источники. Однако пока что такой метод обходится чуть ли не в 4 раза дороже. И это с учётом не самых высоких тарифов на элестроэнергию и воду. Даже если брать средние и минимальные значения для России и стран СНГ, стоимость получаемого топлива неоправданно высока. Поэтому использование данного способа отопления своего дома приглянётся разве что ярым защитникам природы, ведь водородные установки абсолютно экологичны.

Принцип работы генератора

Как энергоноситель водород действительно не имеет себе равных, а запасы его практически неисчерпаемы. Как мы уже сказали, при сжигании он выделяет огромное количество тепловой энергии, несравнимо большее, нежели любое углеводородное топливо. Вместо вредных соединений, выбрасываемых в атмосферу при использовании природного газа, при горении водорода образуется обычная вода в виде пара. Одна беда: данный химический элемент не встречается в природе в свободном виде, только в соединении с другими веществами.

Одно из таких соединений – обычная вода, представляющая собой полностью окисленный водород. Над ее расщеплением на составные элементы работали многие ученые в течение долгих лет. Нельзя сказать, что безрезультатно, ведь техническое решение по разделению воды все же было найдено. Его суть – в химической реакции электролиза, в результате которой происходит расщепление воды на кислород и водород, полученную смесь назвали гремучим газом или газом Брауна. Ниже показана схема водородного генератора (электролизера), работающего на электричестве:

Электролизеры производятся серийно и предназначены для газопламенных (сварочных) работ. Ток определенной силы и частоты подается на группы металлических пластин, погруженных в воду. В результате протекающей реакции электролиза выделяются кислород и водород вперемешку с водяным паром. Для его отделения газы пропускаются через сепаратор, после чего подаются на горелку. Дабы избежать обратного удара и взрыва, на подаче устанавливается клапан, пропускающий горючее только в одну сторону.

Для контроля за уровнем воды и своевременной подпитки конструкцией предусмотрен специальный датчик, по сигналу которого производится ее впрыск в рабочее пространство электролизера. За превышением давления внутри сосуда следит аварийный выключатель и сбросной клапан. Обслуживание водородного генератора заключается в периодическом добавлении воды, и на этом все.

Получение водорода дома

В сегодняшней статье описаны одни из самых популярных способы получения недорогого водорода дома.

Способ 1. Водород из алюминия и щелочи.

Применяемый раствор щелочи – едкого кали, либо едкого натра. Выделяемый водород более чистый, чем при реакции кислот с энергичными металлами.

Сыпем в колбу маленькое количество едкого кали либо натра и заливаем 50 -100 мл воды, перемешиваем раствор до абсолютного растворения кристаллов. Дальше добавляем несколько кусочков алюминия. Тот час же начнется реакция с выделением водорода и тепла, в первую очередь слабая, но регулярно усиливающаяся.

Дождавшись пока реакция произойдет более активно, бережно добавим еще 10г. щелочи и несколько кусочком алюминия. Так мы существенно усилим процесс.

Закупориваем колбу, пробиркой с трубкой ведущей сосуд для сбора газа. Ждем приблизительно 3 -5 мин. пока водород вытеснит воздух из сосуда.

Как образуется водород? Оксидная пленка, которая покрывающая поверхность алюминия, при контакте с щелочью рушиться. Так как алюминий считается энергичным металлом, то он начинает реагировать с водой, растворяясь в ней, при этом выделяется водород.

2Al + 2NaOH + 6h3O > 2Na + 3h3^

Способ 2. Водород из алюминия, сульфата меди и пищевой соли.

В колбу сыпем чуть-чуть сульфата меди, и соли. Добавляем воду и перемешиваем до абсолютного растворения. Раствор должен, окрасится в зеленый окрас, если этого не случилось, необходимо еще добавить маленькое количество соли.

Колбу стоит поставить в чашку наполненной холодной водичкой, т.к. при реакции, будет выделятся немалое количество тепла.

Добавляем в раствор несколько кусочков алюминия. Начнется реакция.

Как происходит выделение водорода? В процессе образуется хлорид меди, смывающий оксидную пленку с метала. Вместе с восстановлением меди происходит образование газа.

Способ 3. Водород из цинка и соляной кислоты.

Помещаем в пробирку кусочки цинка и заливаем их соляной кислотой.

Являясь энергичным металлом цинк, взаимодействуя с кислотой, вытесняет из нее водород.

Zn + 2HCl > ZnCl2 + h3^

Способ 4. Производство водорода электролизом.

Пропускаем через водный раствор и проваренной соли переменный ток. При реакции, будет выделятся водород и кислород.

Бытовое применение

В быту также есть применение водороду. В первую очередь это автономные отопительные системы. Но здесь некоторые особенности. Установки по производству чистого водорода стоят значительно дороже, чем генераторы газа Брауна, последние даже можно собрать самостоятельно. Но при организации отопления дома необходимо учитывать, что температура горения газа Брауна значительно выше, чем у метана, поэтому потребуется специальный котел, который несколько дороже обычного.

В интернете можно встретить немало статей, в которых написано, что для гремучего газа можно использовать обычные котлы, это делать категорически нельзя. В лучшем случае они быстро выйдут из строя, а в худшем могут стать причиной печальных или даже трагических последствий. Для смеси Брауна предусмотрены специальные конструкции с более термостойким соплом.

Необходимо заметить, что рентабельность отопительных систем на основе водородных генераторов вызывает большое сомнение ввиду низкого КПД. В таких системах имеются двойные потери, во-первых, в процессе генерации газа, во-вторых, при нагреве воды в котле. Дешевле для отопления сразу нагревать воду в электрическом бойлере.

Не менее спорная реализация для бытового использования, при которой газом Брауна обогащают бензин в топливной системе двигателя автомобиля с целью экономии.

Обозначения:

а – генератор ННО (принятое обозначение для газа Брауна);
b – отвод газа в камеру сушки;
с – отсек для удаления водяных паров;
d – возвращение конденсата в генератор;
е – подача осушенного газа в воздушный фильтр топливной системы;
f – автомобильный двигатель;
g – подключение к аккумулятору и электрогенератору.

Нужно заметить, что в некоторых случаях такая система даже работает (если ее собрать правильно). Но точные параметры, коэффициент прироста мощности, процент экономии вы не найдете. Эти данные сильно размыты, и достоверность их вызывает сомнения. Опять же не ясен вопрос, насколько уменьшится ресурс двигателя.

Но спрос порождает предложения, в интернетах можно найти подробные чертежи таких приспособлений и инструкцию по их подключению. Есть и готовые модели, сделанные в стране Восходящего Солнца.

Закон сохранения энергии ↑

Всё в природе взаимосвязано. Если куда-то что-то прибыло, значит, откуда-то убыло. Эта народная мудрость упрощённо, но в целом верно описывает закон сохранения энергии. Водород, сгорая, выделяет тепловую энергию. Но, чтобы получить газ методом электролиза, придётся затратить некоторое количество электроэнергии. Которая, в свою очередь, по большей части получается за счёт генерации тепла при сжигании других видов топлива. И если брать чистую тепловую энергию, необходимую для получения электричества и ту энергию, которую даст при сгорании водород, даже на самых продвинутых установках получаются двукратные потери. Половину денег мы буквально выбрасываем. И это только эксплуатационные затраты, но ведь следует учесть и стоимость весьма недешёвого оборудования.

Проект ветро-водородного дирижабля AeromodellerII. Картинку бельгийские инженеры нарисовали красивую, остаётся подкрепить её конкретными экономически оправданными технологиями

По данным исследовательской лаборатории INEEL, на промышленных генераторах водорода США себестоимость одного килограмма водорода составила:

Электролиз от промышленной электросети — 6,5 usd.
Электролиз от ветрогенераторов — 9 usd.
Фотоэлектролиз от солярных устройств — 20 usd.
Производство из биомассы — 5,5 usd.
Конверсия природного газа и угля — 2,5 usd.
Высокотемпературный электролиз на атомных электростанциях — 2,3 usd. Это наименее дорогой способ и наиболее далёкий от домашних условий.

Причём, даже самый лучший генератор водорода в домашних условиях будет заметно уступать промышленному в эффективности. С такими ценами нет никаких оснований говорить о сколь-нибудь серьёзной конкуренции водородного топлива по сравнению не только с дешёвым природным газом, но и с дорогим электроотоплением, дизельным топливом и даже тепловыми насосами.

Физические свойства

Газообразный водород может существовать в двух формах (модификациях) — в виде орто — и пара-водорода.

В молекуле ортоводорода (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) ядерные спины направлены одинаково (параллельны), а у параводорода (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) — противоположно друг другу (антипараллельны).

Разделить аллотропные формы водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого азота. При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону последнего. При 80 К соотношение форм приблизительно 1:1. Десорбированный параводород при нагревании превращается в ортоводород вплоть до образования равновесной при комнатной температуре смеси (орто-пара: 75:25). Без катализатора превращение происходит медленно, что даёт возможность изучить свойства отдельных аллотропных форм. Молекула водорода двухатомна — Н₂. При обычных условиях — это газ без цвета, запаха и вкуса. Водород — самый лёгкий газ, его плотность во много раз меньше плотности воздуха. Очевидно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре. Как самые лёгкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому. Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в семь раз выше теплопроводности воздуха.

Основные преимущества электролизных установок серии ФС-Т.25.

Установки серии ФС (Рис. 2) производительностью от 2 до 30 нм3 Н2 в час, удовлетворяют потребностям отечественной энергетики и электроники, т.к. они:

Полностью адаптированы к традиционным условиям эксплуатации и ремонта на российских электростанциях и других предприятиях, обладают низкими эксплуатационными расходами и простотой всех видов ремонтов, которые возможно выполнять персоналом станции без привлечения завода изготовителя.
Поставляются Заказчику в собранном виде или отдельными технологическими блоками, которые собираются на месте в готовое к пуску изделие службой ремонта электроцеха.
Имеют регулировку производительности от 15 % до 115 % от номинального значения.
При временном отсутствии потребности в водороде переходят на «ждущий режим работы», не требующий согласования включения и выключения.
Комплектуются оборудованием только отечественных предприятий и изготавливаются из материалов, производимых и широко распространённых в России.
Имеют технические характеристики, включая габариты и вес, аналогичные западным образцам.
При размещении двух электролизных установок и более предусмотрен вариант совместного использования вспомогательного оборудования.
Имеют существенно меньшую стоимость, чем западные аналоги, при лучших технических характеристиках.
Аппараты установки не требуют регистрации в региональных органах Ростехнадзора (вся установка ставится на учёт одновременно с получением экспертизы промышленно-технической безопасности на технический проект), так как изготовлены из труб малого диаметра (меньше 150 мм).
Система управления выполнена на современном уровне и по своим функциональным возможностям превосходит отечественные аналоги.
Помещение электролизной имеет самую низкую из возможной категории по взрывной и пожарной опасности – В4, в нижней части помещения электролизной допускается применять электрооборудование в общетехническом исполнении с маркировкой защиты IP54.
Установка может быть внесена в существующее помещение электролизной станции отдельными сборочными узлами через стандартный дверной проём шириной 0,8 м, собрана и подготовлена к испытаниям и вводу в эксплуатацию.
В комплекте с установками ФС поставляются блоки предварительной очистки и осушки производства ИФТИ (точка росы не выше минус 20 ºC).
Затраты на эксплуатацию установки являются самыми низкими из всех представленных на Российском рынке импортных водородных электролизных установок, а их надёжность самой высокой.

Как родилась эта статья

Случился у меня спор. И ладно бы со студентом, так нет – с человеком солидным, специалистом по грузовым перевозкам. Он заявил, что грузовик Nikola Tre, представленный недавно компанией Nikola Motor, имеет водородный двигатель.

Нет, говорю, там никакого водородного двигателя. А есть электрохимический генератор на водородных топливных элементах (ТЭ). Он вырабатывает электроэнергию для электромоторов. А они уже двигают колеса. Это электрический грузовик!

Оппонент не согласился, утверждая, что водородный двигатель у Nikola Tre все же есть, а я путаю этот автомобиль с Tesla.

Ну, спасибо. Придется опять начинать все с начала. Что ж, давайте разберемся, какими же двигателями, а точнее – энергетическими установками оснащаются водородные грузовики Nikola. И вообще автомобили с ТЭ.

На самом деле ли установка может генерировать водород?

Генератор водорода готов. Сейчас заправим его и протестируем. В качестве топлива применяется раствор соли. Несколько ложек соли и водопроводная вода- . Часто применяют разбавители, растворители, пищевую соду. От раствора зависит от температуры пламени. В бутылку из платика льем воду нет примесей

Необходимо обратить свое внимание, чтобы крышечки и соединения не пропускали газа. Настал серьезный момент

Присоединить провода к блоку питания и проверить, как добывается водород.

Железную крышку заменил на иную, предыдущая была не герметична. Специалист советует задействовать банки с крышками поплотнее. Заместь клеевого пистолета задействовать холодную сварку, так как силикон на протяжении какого-то времени смягчается. В общем все прекрасно работает.

Как выполнить генератор водорода? Конвертер воды в горючее? При помощи электрического влияния с применением обыкновенной воды можно получить газ и собирать в специализированный контейнер и задействовать этот газ (водород) для питания двигателей или других приборов. Мы сделаем генератор водорода! Я предлагаю выполнить дома! Наблюдая за видеоуроком нам просто необходимо найти способ задействовать газ, который мы получили от водорода!

Рассмотрение

Радж Айер Годом ранее 1. Вы генерируете смесь H2 + 02 в пропорции 2: 1. 2. Для чистого газообразного водорода вы обязаны задействовать бутылку с раствором каустической соды, в которую прибавляются металлические кусочки. Подобная расположение будет работать, обеспечивая хорошие объемы газа при невысоком давлении. Однако будьте осторожны, во избежание пламени. Как то у меня был взрыв, когда я экспериментировал в раннем возрасте. Вспышка бутылки и коррозионная щелочь были раскинуты по всему дому. Алюминий преобразуется в высоковязкую желатиновую соль, называемую натриево-мета-алюминатом. 3. Я хочу, чтобы вы выдумали конструкцию, которая делит катод и анод, применяя определенную мембранную ткань, которая может держать температуры 100 градусов +, так как при очень больших токах вода нагревается. 4. Вы не должны наносить много соли в воду. Щепотка соли в 1 литре более чем достаточна для проведения. Если вы применяете больше соли, вы практически генерируете водород одновременно с хлором на аноде. Вода будет щелкать, так как ионы Na будут реагировать с водой с образованием NaOH. Хлор будет вырабатывать на аноде и разъедать электрод. Благодаря этому вам необходимо задействовать углеродные электроды.

Дуайт Уилбанкс Годом ранее Несколько мыслей. Мысль 1, если лезвия были вертикальными, пузырьки будут течь на вершину быстрее. Отделившись от ваших тарелок, ваши тарелки опять контактируют с вашим электролитом и скорее всего начнут делать следующий пузырь. Вторая мысль касается эффективности напряжения. Совершенное напряжение может составлять от 2 до 2,5 вольт, так как вы опускаетесь ниже такого напряжения, производство падает. Когда вы поднимаете выше идеала, вы все равно получаете больше пузырьков, но, более того, выделяется больше тепла. Чем дальше от совершенства, тем меньше результативность. Если у вас 5-вольтовый источник, вы обязаны задействовать нейтральную пластинку (много разъяснений Гугл). Итак, пластина 1 хороша, пластина 2 не закреплена ни к чему, пластина 3 отрицательна, потом повторите. Общая разница в 5 вольт делится на 2 некоторых сегмента в 2,5 вольта. Понятно, что ваша цель состоит не в том, чтобы выполнить наиболее эффективный инструмент промышленного класса, но с наиболее маленькими изменением в вашем дизайне вы можете увеличить результативность. Так как соединений меньше, его практически чуть меньше не прекращает работу как нежелательный эффект.

piranha031091 2 года назад Вам Никогда не необходимо делать это при помощи стеклянного контейнера: в этом контейнере вы получите взрывоопасную смесь водорода и кислорода, благодаря этому у вас есть важнейшая вероятность появления обратного огня, который заставит контейнер разразиться. Если он создан из стекла, взрыв вызовет стеклянную осколку, которая может быть смертельной. (мой коллега пару месяцев назад взял стеклянную осколку в горло и чуть не ушёл из жизни от того, что в другом случае было очень незначительным взрывом). Пластик для этого намного безопаснее.

Shadi2 2 года назад он добавил соль, благодаря этому заместь водорода + кислород образовывает водород + газообразный хлор + гидроксид натрия. Вторая стадия воплощает газообразный хлор в соляную кислоту, а гидроксид натрия нагревает воду. Благодаря этому во введении вода смотрится аналогичный жёлтой. Кроме чистой воды, заливки ее на глаза или выпивки минутного количества хлорного газа, который ускользает, обращение с бритвенными лезвиями является наиболее опасной частью.

Способы получения водорода

Водород – газообразный элемент без цвета и запаха с плотностью 1/14 по отношению к воздуху. В свободном состоянии он встречается редко. Обычно водород соединен с другими химическими элементами: кислородом, углеродом.

Получение водорода для промышленных нужд и энергетики проводится несколькими методами. Самыми популярными считаются:

электролиз воды;
метод концентрирования;
низкотемпературная конденсация;
адсорбция.

Атомный водород для энергетики получают, используя методику термической диссоциации молекулярного вещества на проволоке из платины, вольфрама либо палладия. Ее нагревают в водородной среде под давлением менее 1,33 Па. А также для получения водорода используются радиоактивные элементы.

Термическая диссоциация

Электролизный метод

Наиболее простым и популярным методом выделения водорода считается электролиз воды. Он допускает получение практически чистого водорода. Другими преимуществами этого способа считаются:

Принцип действия электролизного генератора водорода

доступность сырья;
получение элемента под давлением;
возможность автоматизации процесса из-за отсутствия движущихся частей.

Процедура расщепления жидкости электролизом обратен горению водорода. Его суть в том, что под воздействием постоянного тока на электродах, опущенных в водный раствор электролита, выделяются кислород и водород.

Дополнительным преимуществом считается получение побочных продуктов, обладающих промышленной ценностью. Так, кислород в большом объеме необходим для катализации технологических процессов в энергетике, очистки почвы и водоемов, утилизации бытовых отходов. Тяжелая вода, получаемая при электролизе, в энергетике используется в атомных реакторах.

Получение водорода концентрированием

Этот способ основан на выделении элемента из содержащих его газовых смесей. Так, наибольшая часть производимого в промышленных объемах вещества, извлекается с помощью паровой конверсии метана. Добытый в этом процессе, водород используют в энергетике, в нефтеочистительной, ракетостроительной индустрии, а также для производства азотных удобрений. Процесс получения H2 осуществляют разными способами:

короткоцикловым;
криогенным;
мембранным.

Последний способ считается наиболее эффективным и менее затратным.

Конденсация под действием низких температур

Эта методика получения H2 заключается в сильном охлаждении газовых соединений под давлением. В результате они трансформируются в двухфазную систему, которая впоследствии разделяется сепаратором на жидкое составляющее и газ. Для охлаждения применяют жидкие среды:

воду;
сжиженный этан или пропан;
жидкий аммиак.

Эта процедура не так проста, как кажется. Чисто разделить углеводородные газы за один раз не получится. Часть компонентов уйдет с газом, забираемым из сепарационного отсека, что не экономично. Решить проблему можно глубоким охлаждением сырья перед сепарацией. Но это требует больших энергозатрат.

В современных системах низкотемпературных конденсаторов дополнительно предусмотрены колонны деметанизации либо деэтанизации. Газовую фазу выводят с последней сепарационной ступени, а жидкость направляется в ректификационную колонну с потоком сырого газа после теплообмена.

Способ адсорбции

Во время адсорбции для выделения водорода используют адсорбенты – твердые вещества, поглощающие необходимые компоненты газовой смеси. В качестве адсорбентов применяют активированный уголь, силикатный гель, цеолиты. Для осуществления этого процесса применяют специальные аппараты – циклические адсорберы или молекулярные сита. При реализации под давлением этот метод позволяет извлекать 85-процентный водород.

Если сравнивать адсорбцию с низкотемпературной конденсацией, можно отметить меньшую материальную и эксплуатационную затратность процесса – в среднем, на 30 процентов. Методом адсорбции производят водород для энергетики и с применением растворителей. Такой способ допускает извлечение 90 процентов H2 из газовой смеси и получение конечного продукта с концентрацией водорода до 99,9%.

Водородное отопление дома

Схема работы водородного котла и преимущества такого способа отопления

Способ отопления жилища при помощи водородного котла был придуман относительно недавно в Италии (а автомобильный двигатель на водороде, кстати, ещё в 1960-х годах). Раньше учёные тоже задумывались над использованием водорода в качестве «домашнего» топлива, однако, была одна проблема: сделать котёл из привычных материалов не получалось из-за очень высокой температуры горения этого газа.

Теперь же ситуация изменилась: водородные котлы делают из таких же материалов, как и все остальные. Отзывы о них преимущественно положительные, их можно найти, зайдя на любой тематический форум.

Если кто-то услышит выражение «газ Брауна», то здесь волноваться не стоит: речь идёт не об иприте или смеси для активации ядерного заряда. Это смесь водорода и кислорода, которая должна активизироваться при помощи кислородно-водородного электролиза (в устройстве вставлен электролизёр). Большинство установок работает именно на этом газу.

Новый метод электролиза производит в 4 раза больше водорода