Waterstofverwarmingsketel: constructie, werkingsprincipe en selectiecriteria

De principes van alternatieve energie winnen steeds meer de aandacht van consumenten. Dit wordt mede veroorzaakt door de stijging van de tarieven voor traditionele energiedragers en de periodieke storingen op de dienstenmarkt.

In deze omstandigheden wordt de waterstofketel voor verwarming beschouwd als een van de meest veelbelovende soorten apparaten die werken op hernieuwbare brandstof, namelijk waterstofgas H₂.

Voordat u besluit tot aanschaf van een dergelijk apparaat, dient u zich vertrouwd te maken met het werkingsprincipe, de voor- en nadelen van het gebruik van waterstof als brandstof te beoordelen. Deze kwesties zijn door ons bestudeerd en in het artikel gedetailleerd uiteengezet.

Daarnaast hebben we de parameters aangegeven waarmee u rekening moet houden bij het kiezen van een ketel, tips voor het gebruik gegeven en een overzicht van de beste fabrieksmatige waterstofgeneratoren opgesteld. Voor de doe-het-zelvers is er een handleiding voor het zelf in elkaar zetten van het apparaat.

Eigenschappen van waterstof als brandstof

Zoals hierboven vermeld, dient waterstof als brandstof voor dergelijke apparaten, het lichtste gas in de natuur, zonder kleur of geur. Tot de voordelen behoort de grote hoeveelheid warmte die vrijkomt bij de verbranding van H₂ (121 MJ/kg, terwijl bij de verbranding van propaan slechts 40 MJ/kg vrijkomt).

Onder normale omstandigheden brandt waterstof bij een temperatuur van +2000°C, maar met een katalysator kan deze worden verlaagd tot +300°C. Dit maakt het mogelijk ketels te vervaardigen van goedkoop staal in plaats van dure zeldzame aardmetalen.

Waterstof is niet giftig, wat de veiligheid van het gebruik in huis waarborgt. Bij verbranding van deze stof ontstaat waterdamp, die het binnenklimaat verbetert en geen rookkanalen nodig heeft.

Bij het gebruik van waterstof moeten de veiligheidsvoorschriften strikt worden nageleefd: bij onjuist gebruik van het gas of contact met open vuur kan een verwoestende explosie plaatsvinden.

Tot de nadelen behoort de verhoogde explosiegevaarlijkheid van waterstof, vooral wanneer het wordt gemengd met lucht of zuurstof, wat leidt tot de vorming van knalgas.

Voor- en nadelen van waterstofketels

De sterke punten van dergelijke apparaten zijn:

1. Volledige milieuvriendelijkheid. De ontledingsproducten van water zijn niet schadelijk voor de atmosfeer en zijn volledig veilig voor de gezondheid van mensen en huisdieren.
2. Hoog rendement, dat tot 96% kan oplopen. Dit is aanzienlijk hoger dan het rendement van diesel, aardgas of steenkool.
3. Besparing van natuurlijke hulpbronnen door het gebruik van alternatieve energiebronnen.
4. Lage prijs van de verkregen calorieën. Voor dergelijke apparaten is water en een beetje elektriciteit voldoende.

Tegelijkertijd hebben dergelijke apparaten ook zwakke punten.

Tot de nadelen behoren de volgende punten:

1. Intensief onderhoud. Om een maximaal hoge productie van H₂ te bereiken, moeten de metalen platen elk jaar worden vervangen. Naast het vervangen van de elektroden, moet er regelmatig katalysator worden toegevoegd voor de productie van de geplande hoeveelheid energie. De frequentie van deze procedure hangt af van het vermogen en van de kenmerken van het specifieke model.
2. Hoge kosten – een fabrieksinstallatie kost minimaal 350 tot 400 €.
3. Explosiegevaar bij verhoging van de genormeerde druk in de ketel.
4. Tekort aan waterstofflessen – ze zijn zelden in de handel verkrijgbaar.
5. Beperkte keuze. Omdat dergelijke verwarmingstoestellen niet erg gebruikelijk zijn op de Russische markt, is het niet altijd mogelijk om snel een geschikt model te vinden, of competente specialisten te vinden voor installatie en reparatie van de apparatuur.
6. Noodzaak van aansluitingen. Voor de werking van het apparaat is een permanente aansluiting op de elektriciteitsvoorziening vereist voor de elektrolysereactie, evenals op een waterbron, waarvan het verbruik afhangt van het vermogen van het apparaat.

Het is noodzakelijk te vermelden dat fabrikanten veel aandacht besteden aan nieuwe technologieën, streven naar verbetering van waterstofketels, door tekortkomingen weg te nemen of te minimaliseren.

Werkingsprincipe van het verwarmingsapparaat

Door zijn reactiviteit komt H₂ in zuivere vorm niet in de natuur voor, maar het is eenvoudig uit gewoon water te extraheren door middel van elektrolyse, waarbij ook gasvormige zuurstof vrijkomt.

Op de afgebeelde afbeelding is een schematische weergave te zien van de verwarmingsapparatuur die op waterstof werkt, met aanduiding van alle constructie-elementen (+)

Voor het functioneren van het verwarmingstoestel moet eerst H₂ worden verkregen. Dit gebeurt in een speciale compartiment bestemd voor het verloop van een dergelijke reactie. In de container wordt vloeistof gegoten, waarin metalen platen worden ondergedompeld.

Er wordt een elektrische stroom van speciaal geselecteerde zuiverheid op toegepast, onder invloed waarvan H₂ en O₂ vrijkomen, evenals als bijproduct – waterdamp.

Het verkregen mengsel wordt door een speciaal apparaat geleid – een chemische separator, waarmee waterstof kan worden geïsoleerd door het te scheiden van andere onzuiverheden. Het gezuiverde gas wordt naar een brander geleid waarop een klep is geplaatst.

Het verhindert de beweging van H₂ naar de andere kant, wat een explosie voorkomt. Daarbij worden zuurstof en waterdamp via een ander systeem naar een speciale tank afgevoerd.

Vervolgens gaat gasvormige waterstof door een beveiligingsblok en komt in de verbrandingskamer. Daar reageert het met het gas in aanwezigheid van een katalysator, waardoor warmte ontstaat die via een warmtewisselaar naar het huisverwarmingssysteem gaat.

De in de kamer vrijgekomen waterdampen keren via een speciaal daarvoor bestemd kanaal terug naar het reservoir met elektrolyt, waarbij dus het recyclageproces wordt gebruikt.

De vermogensregeling gebeurt met behulp van speciaal uitgeruste kanalen, waarvan het aantal tot zes kan oplopen. In elk van deze apparaten bevindt zich een katalysator, waardoor bij inschakeling het proces van warmteproductie start.

De gasstroom, opgewarmd tot een temperatuur van 40°C, begint te bewegen naar de warmtewisselaar in de verbrandingskamer.

Dankzij de afzonderlijke constructies kunnen de kanalen onafhankelijk van elkaar werken, waardoor slechts een deel ervan kan worden ingeschakeld.

Het proces van waterstofproductie in moderne elektrolyseapparaten is volledig geautomatiseerd. Het enige handmatig uitgevoerde proces is het vullen van het systeem met water.

Moderne modellen zijn ook uitgerust met verschillende instrumenten, zoals waterniveau-indicatoren en druksensoren, waardoor ze automatisch kunnen werken en in onvoorziene situaties snel kunnen reageren.

Onderdelen van de waterstofinstallatie

Het apparaat van het systeem voor verwarming dat op waterstof werkt, is vrij eenvoudig.

Ketel, die de rol van warmtewisselaar speelt, – is het belangrijkste element waar waterstof wordt geproduceerd.

Een ketel die op waterstof werkt, kan worden samengesteld uit beschikbare onderdelen, en voor de werking ervan is slechts gewoon of gedestilleerd water nodig (+).

Elektrolyser – het belangrijkste werkende deel van de ketel, waar de elektrolytische reactie plaatsvindt die leidt tot de splitsing van water in H₂ en O₂. Het element is een reservoir gevuld met water waarin metalen elektroden met maximale stroomgeleiding worden geplaatst.

Aan de plaatjes zijn draden bevestigd waarlangs elektriciteit wordt toegevoerd.

Brander – een apparaat dat helpt bij het opwarmen van de warmtedrager in het verwarmingssysteem. Het bevindt zich in de stookkamer en er wordt een vonk toegevoerd om het aan te steken.

Branderklep – een speciaal onderdeel in het bovenste gedeelte van het apparaat. Dankzij dit onderdeel kan H₂, dat naar boven is gestegen, gemakkelijk de barrière overwinnen die ontoegankelijk is voor andere vrijgekomen stoffen, en direct in de brander terechtkomen.

In de fabriekswaterstofketels is een besturingseenheid voorzien. Op het paneel worden de spannings- en stroomwaarden weergegeven, evenals de vermogensregelaar en hendels voor het instellen van andere werkparameters.

Leiding – de verbindingen die van het apparaat aftakken en worden gebruikt om warmte naar alle kamers van het huis te leveren. Voor de verbinding worden verwarmingsbuizen met een diameter van 25-32 mm gebruikt. Bij het leggen wordt de fundamentele regel gevolgd: de diameter van elke volgende vertakking moet kleiner zijn dan die van de vorige.

Selectiecriteria voor generatoren

Bij de beslissing om dergelijke apparatuur aan te schaffen, is het belangrijk om op de volgende criteria te letten.

Vermogen. Bij moderne apparaten kan de waarde van deze parameter aanzienlijk variëren, waardoor u een optimale optie kunt kiezen voor zowel een klein huis als een gebouw met twee of drie verdiepingen.

Het gemiddelde waterverbruik in moderne generatormodellen is niet erg hoog. Gedurende 24 uur is voor de werking van het apparaat ongeveer 5,5 liter nodig, waarmee 1,2-2 liter brandstof wordt gegenereerd.

Aantal circuits. Op apparaten die op waterstof werken, wordt meestal een verwarmingscircuit geïnstalleerd. In sommige modellen is ook extra montage van een tweede (verwarmings)circuit voorzien.

Elektriciteitsverbruik. De hedendaagse technologieën maken het mogelijk om een uitstekende warmteproductie te bereiken met een minimum aan elektriciteit. Het energieverbruik van verschillende soorten generatoren varieert van 1,2 tot 3 kW per uur.

Het lage elektriciteitsverbruik wordt bereikt doordat de waterstofketel niet continu werkt, maar alleen om een bepaalde temperatuur in de ruimte te handhaven.

Stroombron. Alle varianten van waterstofgeneratoren kunnen in twee grote categorieën worden verdeeld: de ene werkt op gas, de andere op elektriciteit.

Fabrikant. Het is beter om de voorkeur te geven aan gerenommeerde fabrikanten (Italië, VS). Men moet oppassen voor producten van lage kwaliteit die door dubieuze bedrijven tegen zeer lage prijzen worden aangeboden.

Gebruikstips voor de ketel

Om de functionaliteit van het apparaat te verbeteren, is het belangrijk om de bijgevoegde instructies te volgen. U kunt de werking van het apparaat verbeteren door extra onderdelen toe te voegen (waarbij u strikt de veiligheidsvoorschriften moet naleven).

De op de brander geïnstalleerde vlamdetector verhoogt de veiligheid van het systeem. Bij het uitdoven van de vlam sluit het apparaat automatisch de toevoer van brandbaar gas naar de brander af, waardoor wordt voorkomen dat het gas in de ruimte terechtkomt.

Er kunnen speciale sensoren in het binnenste van de warmtewisselaar worden gemonteerd om de stijging van de watertemperatuur te volgen, en de constructie van de brander kan worden aangevuld met afsluiters.

U kunt deze eenvoudig direct aansluiten op de temperatuursensor, zodat de ketel automatisch uitschakelt zodra de verwarming het ingestelde niveau heeft bereikt.

Het is ook nuttig om een apparaat voor genormaliseerde koeling van de ketel te installeren.

Apparaten op waterstof kunnen niet alleen worden toegepast als enige verwarmingsapparatuur in een woning, maar ook worden gecombineerd met andere verwarmingssystemen. De hoofdverwarmingsinstallaties kunnen in dat geval in een lage-temperatuurmodus werken.

Bij naleving van de bedrijfsvoorschriften gaat een op waterstof werkend aggregaat tientallen jaren mee. Hoewel de garantietermijn van dergelijke apparaten 15 jaar is, kunnen ze in de praktijk 20 tot 30 jaar probleemloos werken.

Het repareren van dergelijke apparaten levert een ervaren vakman geen problemen op, omdat het principeschema van een waterstofketel niet al te veel afwijkt van vergelijkbare apparaten die op andere brandstoffen werken.

Top 5 fabrieksmatige waterstofgeneratoren

Het eerste bedrijf dat de technologie voor de productie van een waterstofketel heeft ontwikkeld en gepatenteerd, was het Italiaanse bedrijf Giacomini. Het is gespecialiseerd in apparaten die zijn gebaseerd op milieuvriendelijke manieren om energie op te wekken: geothermische warmtepompen, zonnepanelen en andere.

H2ydroGEM — een katalytische verbrandingskamer, waarin zich in elke brander een stof bevindt die de waterstofverbranding versnelt. Hierdoor vindt het proces plaats bij een relatief lage temperatuur.

Momenteel worden dergelijke modellen vervaardigd door Amerikaanse, Chinese en Europese bedrijven, maar hun assortiment is niet erg breed in vergelijking met ketels die op andere brandstoffen werken.

Beste fabrieksmodellen van waterstofsystemen

Tot de meest populaire modellen behoren:

1. MegaTank100 – een generator die werkt op netstroom. Het heeft een betrouwbaar meerlagig beveiligingssysteem tegen oververhitting en kortsluiting, wat een veilige en productieve werking garandeert. De prijs van het model is afhankelijk van de uitvoering.
2. STAR-2000 – een duur apparaat (>2000 €) met uitstekende technische specificaties. Ondanks het feit dat deze generator minimaal energie verbruikt, kan hij een ruimte van 251-300 vierkante meter verwarmen.
3. Kingkar – een op netstroom werkend apparaat met uitstekende werkeigenschappen. De prijs van het model is vrij hoog – ongeveer € 1.000, maar dit wordt gecompenseerd door zuinig energieverbruik.
4. H2-2 – Italiaanse technologie van 'extra' klasse tegen een hoge prijs (ongeveer € 2.500), waarmee lucht in grote ruimten (vanaf 300 m³ en hoger) kan worden verwarmd met een minimaal elektriciteitsverbruik.
5. Free Energy – kwalitatieve apparaten tegen een democratische prijs van 150 tot 350 euro (prijs afhankelijk van vermogen en andere kenmerken). Voorzien van een besturingseenheid die vele processen automatiseert, een meerlaagse spannings- en drukregelsensor.

Er zijn ook andere modellen in verschillende prijsklassen.

Zelf een ketel maken

Verwarmingsgeneratoren hebben een vrij eenvoudige constructie. Bij een bekend vaardigheidsniveau kunt u het apparaat zelf monteren. Tegelijkertijd vereist dit werk vanwege de explosiviteit van het waterstofmengsel extreme verantwoordelijkheid, kennis van veiligheidsvoorschriften en ervaring met het installeren van dergelijke apparaten.

Bij het zelf vervaardigen van het apparaat kunt u niet ontkomen aan aanzienlijke financiële kosten, omdat het beter is om sommige componenten kant-en-klaar aan te schaffen. Het hoge risico doet u nadenken over fabrieksinstallaties, waarop fabrikanten langdurige garanties geven.

Het proces van het met de hand maken van een waterstofketel kan in verschillende fasen worden verdeeld.

Stap 1 – het maken van een tekening en het voorbereiden van materialen. Allereerst moet u op internet vergelijkbare projecten vinden om op basis daarvan een apparaat te ontwerpen dat aan alle omstandigheden en mogelijkheden voldoet.

Het is noodzakelijk om alle indicatoren nauwkeurig te berekenen, en vooral het benodigde vermogen, en ook de kwestie van de materialen die voor de vervaardiging van de ketel worden gebruikt, op te lossen. Ferromagnetische legeringen worden als de optimale optie beschouwd, maar een vat van roestvrij staal is ook zeer geschikt.

Hoewel een waterstofgenerator voor verwarming verschillende constructies kan hebben, blijven de volgende onderdelen onveranderd:

• 12-volt stroombron;
• reservoir waarin de constructie wordt geplaatst;
• PWM-regelaar met een vermogen van minimaal 30 A;
• verschillende buizen met verschillende diameters, gemaakt van roestvrij staal;
• stalen plaat;
• metaalzaag;
• gasbrander – bij voorkeur een kant-en-klare, in de winkel gekochte.

Stap 2 – het maken van elektrolyten. Voor het vervaardigen van de platen waarmee de elektrolyseur wordt uitgerust, moet u een stalen plaat van gemiddelde dikte nemen. Met behulp van een metaalschaar, ijzerzaag of ander gereedschap wordt deze in gelijke stroken gesneden, in een hoeveelheid van 18 of meer (het aantal moet even zijn).

Aan de achterkant van elke plaat moeten gaten worden geboord voor de bouten die nodig zijn om deze elementen volledig onbeweeglijk in de elektrolyt te houden.

Alle platen verdelen we in anodes en kathodes, afhankelijk van deze verdeling worden er draden op aangesloten die respectievelijk positieve en negatieve ladingen overbrengen.

Het gebruik van gelijkstroom is effectiever dan het gebruik van wisselstroom. Als bron kunt u het beste een PWM-generator gebruiken.

Stap 3 – montage van de elektrolyseur. Het beste materiaal voor dit onderdeel is roestvrij staal. Van metaal wordt een betrouwbare constructie van rechthoekige of vierkante vorm gelast, waarna er water of een mengsel van H₂O met katalysator in wordt gegoten, en ook worden de voorbereide platen met aangesloten draden geplaatst.

Stap 4 – aansluiten van de brander. In het bovenste gedeelte van het apparaat wordt een brander gemonteerd – het is beter een gekocht model te gebruiken, dat u kunt aanschaffen in een speciaalzaak.

Stap 5 – montage en aansluiting van de separator, die nodig is om uit het mengsel waterstofgas te scheiden.

Tot slot wordt een buis aangelegd waarlangs H₂ naar de brander zal stijgen, en worden de elementen aangesloten die warmte afvoeren en door het hele huis verdelen.

Welk water is beter – gewoon of gedestilleerd?

Een van de vragen die eigenaren van waterstofketels vaak stellen, betreft het water dat voor de werking van de apparaten wordt gebruikt.

Gedestilleerd water voor de werking van de waterstofketel kunt u in winkels kopen of zelf produceren met behulp van een eenvoudige installatie.

Volgens specialisten vertonen fabrieks- of zelfgemaakte apparaten de beste prestaties bij gebruik van gedestilleerd water waaraan een beetje natriumhydroxide is toegevoegd (op 10 liter H₂O – één eetlepel).

Echter kan een waterstofketel ook succesvol functioneren op leidingwater, zolang het geen zware metaalzouten bevat.

Conclusies en nuttige video over het onderwerp

In de onderstaande video ziet u een overzicht van een model van een gasgestookte ketel op waterstofbrandstof, geproduceerd door het bekende Koreaanse bedrijf DAEWOO.

Waterstof wordt niet zonder reden de brandstof van de toekomst genoemd: dit gas kan een vrijwel onbeperkte bron worden van goedkope, milieuvriendelijke brandstof die in verschillende installaties kan worden gebruikt.

Een ketel op waterstofbrandstof, fabrieksmatig of zelf gemaakt, stelt u in staat een autonoom verwarmingssysteem te creëren. Dit helpt de betalingen aan de nutsbedrijven aanzienlijk te verminderen en lost het probleem van het handhaven van een comfortabele temperatuur in woonkamers en bijkeukens op.

Heeft u ervaring met het gebruik van waterstof als brandstof? Wilt u vragen over het onderwerp stellen of vertellen over uw uitvinding? Reageer dan op de publicatie, neem deel aan discussies en laat foto's van uw zelfgemaakte projecten achter. Het feedbackblok vindt u hieronder.