Jak vyrobit vodíkové palivo?

Vodík je téměř ideálním typem paliva, ale problém je v tom, že se na naší planetě vyskytuje pouze ve formě sloučenin s jinými chemickými prvky. Podíl „čisté“ hmoty v atmosféře není větší než 0,00005 %. Vzhledem k těmto skutečnostem se otázka generátoru vodíku stává aktuální. Zvažte princip fungování takového zařízení, jeho konstrukční vlastnosti, rozsah a možnost vlastní výroby.

Popis a princip činnosti generátoru vodíku

Existuje několik metod pro extrakci vodíku z jiných látek, uvádíme nejběžnější:

1. Elektrolýza, tato technika je nejjednodušší a lze ji realizovat doma. Vodným roztokem obsahujícím sůl prochází konstantní elektrický proud, pod jeho vlivem dochází k reakci, kterou lze popsat rovnicí: 2NaCl + 2H₂O->2NaOH + Cl₂ + H₂↑. V tomto případě je příklad uveden pro roztok běžné kuchyňské soli, což není nejlepší varianta, protože uvolněný chlor je toxická látka. Všimněte si, že vodík získaný touto metodou je nejčistší (asi 99,9 %).
2. Průchodem vodní páry přes uhelný koks zahřátý na teplotu 1000 °C probíhá za těchto podmínek následující reakce: H₂O + C ⇔ CO ↑ + H₂↑.
3. Extrakce z metanu parním reformováním (předpokladem pro reakci je teplota 1000°C): CH₄ + N₂O ⇔ CO + 3H₂. Druhou možností je oxidace metanu: 2CH₄ + Oh₂ ⇔ 2CO + 4H₂.
4. Při procesu krakování (rafinace ropy) se jako vedlejší produkt uvolňuje vodík. Všimněte si, že u nás se spalování této látky v některých rafinériích stále provozuje z důvodu nedostatku potřebného vybavení nebo dostatečné poptávky.

Z těchto možností je poslední nejlevnější a první je nejdostupnější, je to on, kdo je základem většiny generátorů vodíku, včetně těch pro domácnost. Jejich princip činnosti spočívá ve skutečnosti, že v procesu průchodu proudu roztokem kladná elektroda přitahuje záporné ionty a elektroda s opačným nábojem kladné, v důsledku toho se látka rozděluje.

Konstrukční vlastnosti a uspořádání generátoru vodíku

Pokud nejsou prakticky žádné problémy se získáváním vodíku, pak je jeho přeprava a skladování stále naléhavým úkolem. Molekuly této látky jsou tak malé, že mohou proniknout i kovem, což představuje určité bezpečnostní riziko. Skladování v absorbované formě zatím není vysoce nákladově efektivní. Nejoptimálnější možností je proto výroba vodíku bezprostředně před jeho použitím ve výrobním cyklu.

Za tímto účelem se vyrábí průmyslová zařízení na výrobu vodíku. Zpravidla se jedná o elektrolyzéry membránového typu. Níže je uveden zjednodušený návrh takového zařízení a princip činnosti.

Označení:

• A – trubice pro odstranění chlóru (tř₂).
• B – odstranění vodíku (Н₂).
• C je anoda, na které probíhá následující reakce: 2CL – →CL₂ + 2e – .
• D je katoda, reakci na ní lze popsat následující rovnicí: 2Н₂O + 2e – →H₂ + ON – .
• E – roztok vody a chloridu sodného (H₂O & NaCl).
• F – membrána;
• G – nasycený roztok chloridu sodného a tvorba louhu sodného (NaOH).
• H – odstranění solanky a zředěného louhu sodného.
• I – vstup nasycené solanky.
• J – kryt.

Konstrukce domácích generátorů je mnohem jednodušší, protože většina z nich neprodukuje čistý vodík, ale Brownův plyn. Tak se nazývá směs kyslíku a vodíku. Tato možnost je nejpraktičtější, protože není nutné oddělovat vodík a kyslík, je možné výrazně zjednodušit konstrukci, a proto ji zlevnit. Výsledný plyn se navíc při jeho vzniku spaluje. Uchovávat a hromadit ho doma je nejen problematické, ale také nebezpečné.

Označení:

• a – Brownova výstupní trubice plynu;
• b – rozdělovač přívodu vstupní vody;
• c – utěsněné pouzdro;
• d – blok elektrodových desek (anody a katody), mezi nimiž jsou instalovány izolátory;
• e – voda;
• f – snímač hladiny vody (připojený k řídicí jednotce);
• g – filtr na separaci vody;
• h je napájení dodávané elektrodám;
• i – snímač tlaku (při dosažení prahové úrovně vyšle signál řídící jednotce);
• j – pojistný ventil;
• k – výstup plynu z pojistného ventilu.

Charakteristickým znakem takových zařízení je použití elektrodových bloků, protože není vyžadována separace vodíku a kyslíku. Díky tomu jsou generátory poměrně kompaktní.

Aplikace vodíkového generátoru

Kvůli problémům spojeným s přepravou a skladováním vodíku jsou taková zařízení žádaná v průmyslových odvětvích, kde přítomnost tohoto plynu vyžaduje technologický cyklus. Uvádíme hlavní směry:

1. Výroba související se syntézou chlorovodíku.
2. Výroba paliva pro raketové motory.
3. Tvorba hnojiv.
4. Výroba nitridu vodíku (amoniak).
5. Syntéza kyseliny dusičné.
6. V potravinářském průmyslu (k získávání pevných tuků z rostlinných olejů).
7. Zpracování kovů (svařování a řezání).
8. Restaurování kovů.
9. Syntéza metylalkoholu
10. Výroba kyseliny chlorovodíkové.

Navzdory tomu, že výroba vodíku v procesu rafinace ropy je levnější než jeho výroba elektrolýzou, jak již bylo zmíněno výše, existují potíže s přepravou plynu. Situace v oblasti životního prostředí ne vždy umožňuje výstavbu nebezpečných chemických výrobních zařízení přímo u ropných rafinérií. Vodík vyrobený elektrolýzou je navíc mnohem čistší než krakování ropy. V tomto ohledu jsou průmyslové generátory vodíku vždy velmi žádané.

domácí použití

Existuje také využití vodíku v každodenním životě. Především se jedná o autonomní topné systémy. Ale tady jsou některé funkce. Elektrárny na čistý vodík jsou podstatně dražší než Brownovy plynové generátory a ty si dokonce můžete postavit sami. Při organizaci vytápění domu je však třeba mít na paměti, že teplota spalování Brownova plynu je mnohem vyšší než teplota metanu, takže je zapotřebí speciální kotel, který je o něco dražší než obvykle.

Na internetu lze najít mnoho článků, které říkají, že běžné kotle lze použít na výbušný plyn, ale to je absolutně nemožné. V lepším případě rychle selžou a v horším mohou způsobit smutné až tragické následky. Pro Brown’s mix jsou k dispozici speciální konstrukce s tepelně odolnější tryskou.

Je třeba poznamenat, že ziskovost topných systémů založených na vodíkových generátorech je velmi sporná kvůli nízké účinnosti. V takových systémech dochází k dvojnásobným ztrátám, za prvé v procesu tvorby plynu a za druhé, když se voda ohřívá v kotli. Levnější je hned ohřát vodu v elektrokotli na vytápění.

Neméně kontroverzní implementace pro domácí použití, ve které se Brownův plyn obohacuje o benzín v palivovém systému motoru automobilu, aby se ušetřily peníze.

Označení:

• a – generátor HHO (přijaté označení pro Brownův plyn);
• b – výstup plynu do sušící komory;
• c – oddělení pro odvod vodní páry;
• d – návrat kondenzátu do generátoru;
• e – přívod vysušeného plynu do vzduchového filtru palivového systému;
• f – motor automobilu;
• g – připojení k baterii a elektrocentrále.

Je třeba poznamenat, že v některých případech takový systém dokonce funguje (pokud je správně sestaven). Nenajdete ale přesné parametry, výkonový zisk, procento úspory. Tato data jsou velmi rozmazaná a jejich spolehlivost je sporná. Opět není jasné, jak moc se sníží zdroje motoru.

Poptávka však generuje nabídky, na internetu najdete podrobné výkresy takových zařízení a pokyny pro jejich připojení. Nechybí ani hotové modely vyrobené v zemi vycházejícího slunce.

Krok za krokem vyrábíme nejjednodušší vodíkový generátor vlastníma rukama

Pojďme si říct, jak si můžete vyrobit domácí generátor na výrobu směsi vodíku a kyslíku (HNO). Jeho kapacita pro vytápění domu nestačí, ale pro plynový hořák pro řezání kovu bude množství přijatého plynu dostatečné.

Označení:

• a – tryska hořáku;
• b – trubky;
• c – vodní zámky;
• d – voda;
• e – elektrody;
• f – uzavřené pouzdro.

Nejprve si vyrobíme elektrolyzér, k tomu potřebujeme utěsněnou nádobu a elektrody. Jako posledně jmenované používáme ocelové desky (jejich velikost volíme libovolně v závislosti na požadovaném výkonu), připevněné k dielektrické základně. Spojíme dohromady všechny desky každé z elektrod.

Když jsou elektrody připraveny, musí být upevněny v nádrži tak, aby připojovací body silových vodičů byly nad očekávanou hladinou vody. Dráty z elektrod jdou do 12voltového zdroje nebo do autobaterie.

Ve víku nádoby vytvoříme otvor pro trubici pro výstup plynu. Jako vodní zámky můžete použít běžné skleněné dózy o objemu 1 litr. Naplníme je ze 2/3 vodou a připojíme k elektrolyzéru a hořáku, jak je znázorněno na obrázku 8.

Je lepší vzít hotový hořák, protože ne každý materiál vydrží spalovací teplotu Brownova plynu. Připojíme na výstup posledního vodního zámku.

Elektrolyzér naplníme vodou, do které se přidá obyčejná kuchyňská sůl.

Přivedeme napětí na elektrody a zkontrolujeme činnost přístroje.

Seznam použité literatury

• Kuzyk B. N., Yakovets, Yu. V. „Rusko: strategie pro přechod na vodíkovou energii“ 2007
• Kozlov S. I. „Vodíková energie: současný stav, problémy, vyhlídky“ 2009
• Sivukhin D.V. „Obecný kurz fyziky“ 1975

Vodíkové palivo je palivo, které využívá vodík jako látku schopnou uvolňovat energii.
Energie vodíku se rychle rozvíjí.
V Austrálii na hnědém uhlí ve státě Victoria se rozvíjí technologie zplyňování uhlí s následným uvolňováním vodíku, respektive odstraňování síry, rtuti a oxidu uhličitého (CO).₂).
V Norsku Nel Hydrogen vyvíjí technologii pro využití obnovitelných zdrojů energie pro vysokoteplotní elektrolýzu k rozdělení vody na vodík a kyslík, které se uvolní do atmosféry.
Kawasaki Heavy Industries vyvíjí pobřežní vodíkový tanker pro přepravu kapalného vodíku (LH₂).

• v průmyslu,
• v bytových a komunálních službách pro vytápění domácností.

• čistší výrobní proces;
• nulová kontaminace po likvidaci;
• vyšší hustota energie.

• vodík – 33 kWh/kg;
• baterie – asi 1 kWh / kg);
• benzín a nafta – asi 12 kWh / kg.

Aplikace vodíku jiné než energetické:

• pro atomově-vodíkové svařování,
• v potravinářském průmyslu jako potravinářská přísada E949 – balicí plyn, pro výrobu margarínu z kapalných rostlinných olejů,
• chemický průmysl – při výrobě čpavku, mýdla a plastů,
• jako raketové palivo.

Vodík

Vodík (H) je nejrozšířenějším prvkem na Zemi, ale za normálních podmínek se nevyskytuje ani jako vodík H ani jako plynný vodík (H₂).

Díky svým vlastnostem snadno reaguje s jinými organickými sloučeninami za vzniku například vody (H₂Ó).

Při této reakci tvorby vody z vodíku a vzduchu se uvolňuje energie, kterou lze využít jako elektřinu.

Aby byla tato reakce užitečná pro průmyslovou výrobu energie, je nutné vyrábět vodík, například z vody štěpením atomů na kyslík a vodík elektrolýzou.

Existují další technologie:

• pomocí plynů zbylých z chemických procesů, jako je metan, uhlí, ropa a biomasa.

Reakce mezi vodíkem a kyslíkem probíhá za uvolňování tepla.
Pokud vezmeme 1 mol H₂ (2 g) a 0,5 mol O₂ (16 g) za standardních podmínek a vybuďte reakci, poté podle rovnice H₂ + 0,5 O₂= H₂O po dokončení reakce se vytvoří 1 mol H₂O (18 g) s výdejem energie 285,8 kJ/mol.
Pro srovnání: spalné teplo acetylenu je 1300 kJ/mol, propanu 2200 kJ/mol.

1 m³ vodíku váží 89,8 g (44,9 mol), takže na získání 1 m³ vodíku bude vynaloženo 12832,4 kJ energie.

1 kWh = 3600 kJ, získáme tedy 3,56 kWh elektřiny.

Proveditelnost přechodu na vodíkové palivo lze posoudit porovnáním stávajícího tarifu za 1 kWh elektřiny a například nákladů na 1 m³ plynu nebo nákladů na jiný nosič energie.

Při spalování vodíku vzniká čistá voda.
To znamená, že vodíkové palivo se vyrábí bez poškození životního prostředí, na rozdíl od plynu nebo benzínu.

Výroba vodíku

K výrobě vodíku se používají chemické metody včetně rozkladu vody elektrickým proudem.
Hlavní průmyslovou metodou výroby vodíku je reakce metanu, který je součástí zemního plynu, s vodou.
Provádí se při vysoké teplotě:

• 1. Elektrolýza vodných roztoků solí:

2NaCl + 2H₂O → H2↑ + 2NaOH + Cl2

• 2. Přechod vodní páry přes horký koks o teplotě asi 1000°C:

• 3. Ze zemního plynu.

Převod páry: CH₄ + H₂O⇄ CO + 3H₂ (1000 °C) Katalytická oxidace kyslíkem: 2CH₄ + O.₂ ⇄ 2CO + 4H₂

• 4. Krakování a reformování uhlovodíků při rafinaci ropy.
• 5. Vliv zředěných kyselin na kovy. K provedení této reakce se nejčastěji používá zinek a kyselina chlorovodíková:

• 6. Interakce vápníku s vodou:

• 7. Hydrolýza hydridů:

• 8.Vliv alkálií na zinek nebo hliník:

• 9.Využití elektrolýzy. Při elektrolýze vodných roztoků zásad nebo kyselin se na katodě uvolňuje vodík, například:

• Bioreaktor na výrobu vodíku

Fyzikální vlastnosti

Plynný vodík může existovat ve 2 formách (modifikace) – ve formě ortho – a para-vodíku.
V molekule ortovodíku (t.t. −259,10 °C, bp −252,56 °C) směřují jaderné spiny shodně (paralelně) a v paravodíku (t.t. −259,32 °C, bp. bod varu -252,89 °C) – naproti sobě (antiparalelní).
Alotropní formy vodíku lze oddělit adsorpcí na aktivním uhlí při teplotě kapalného dusíku.
Při velmi nízkých teplotách je rovnováha mezi ortovodíkem a parahydrogenem téměř úplně posunuta směrem k paravodíku.
Při 80 K je poměr forem přibližně 1:1. Při zahřívání se desorbovaný paravodík přeměňuje na ortovodík, dokud se nevytvoří směs, která je v rovnováze při pokojové teplotě (ortho-para: 75:25).
Bez katalyzátoru probíhá přeměna pomalu, což umožňuje studovat vlastnosti jednotlivých alotropních forem.
Molekula vodíku je dvouatomová – H_₂. Za normálních podmínek je to bezbarvý plyn bez zápachu a chuti.
Vodík je nejlehčí plyn, jeho hustota je mnohonásobně menší než hustota vzduchu. Je zřejmé, že čím menší je hmotnost molekul, tím vyšší je jejich rychlost při stejné teplotě.
Jako nejlehčí molekuly se molekuly vodíku pohybují rychleji než molekuly jakéhokoli jiného plynu, a tak mohou rychleji přenášet teplo z jednoho tělesa do druhého.
Z toho plyne, že vodík má mezi plynnými látkami nejvyšší tepelnou vodivost. Jeho tepelná vodivost je přibližně 7x vyšší než tepelná vodivost vzduchu.

Chemické vlastnosti

Molekuly vodíku H_₂ jsou poměrně silné a aby vodík mohl reagovat, musí být vynaloženo mnoho energie:

Proto vodík při běžných teplotách reaguje pouze s velmi aktivními kovy, jako je vápník, za vzniku hydridu vápenatého:

Ca+H₂ = SaN₂ a s jediným nekovem – fluorem, tvořící fluorovodík:

Vodík reaguje s většinou kovů a nekovů při zvýšených teplotách nebo pod jinými vlivy, jako je osvětlení.

Může „odebírat“ kyslík některým oxidům, například:

Psaná rovnice odráží redukční reakci – proces, v jehož důsledku je ze sloučeniny odstraněn kyslík; Látky, které odebírají kyslík, se nazývají redukční činidla (sami oxidují).

Redukční reakce je opakem oxidační reakce.

Obě tyto reakce probíhají vždy současně jako 1 proces: při oxidaci (redukci) jedné látky nutně současně dochází k redukci (oxidaci) jiné.

Tvoří halogenovodíky s halogeny:

F₂ + H₂ → 2 HF, reakce probíhá explozivně ve tmě a při jakékoliv teplotě, Cl₂ + H₂ → 2 HCl, reakce probíhá explozivně, pouze na světle.

Při vysoké teplotě interaguje se sazemi:

Oxidy se redukují na kovy:

Geochemie vodíku

Vodík je nejrozšířenějším prvkem a všechny prvky z něj vznikají termonukleárními a jadernými reakcemi.
Na Zemi je obsah vodíku nižší než na Slunci.
Volný vodík H₂ V pozemských plynech je poměrně vzácný, ale ve formě vody hraje mimořádně důležitou roli v geochemických procesech.
Vodík může být přítomen v minerálech ve formě amonného iontu, hydroxylového iontu a krystalické vody.
V atmosféře neustále vzniká vodík v důsledku rozkladu vody slunečním zářením.
Migruje do horních vrstev atmosféry a uniká do vesmíru.

Nebezpečí požáru a výbuchu

Vodík po smíchání se vzduchem tvoří výbušnou směs – výbušný plyn.
Největší nebezpečí výbuchu nastává, když je objemový poměr vodíku a kyslíku 2:1 nebo vodíku a vzduchu přibližně 2:5, protože vzduch obsahuje přibližně 21 % kyslíku.
Vodík představuje nebezpečí požáru.