Generátor vodíku pro svépomocí

Pozoruhodná myšlenka využití obnovitelných zdrojů energie pro vodíkový energetický cyklus, kdy vodík získaný z běžné vody lze využít jak k výrobě tepla, tak i elektřiny, získala nový impuls po vytrvalém vědeckém výzkumu a inženýrských inovacích, které brzy umožní její realizaci na zcela nové úrovni.

„Doslova se koupeme v energii“

Přibližně tato slova pronesl před více než sedmi lety americký nadšenec pro myšlenku „vodíkové“ obnovitelné energie Michael Strizki, kterému se ji podařilo prakticky realizovat pro vytápění a elektrifikaci svého domu. Michael vybavil svůj dobře izolovaný dům zařízením, které funguje na „klasickém“ cyklu využití elektrolýzy vody na vodík a kyslík, přičemž jako zdroj elektřiny využívá obnovitelné zdroje energie (OZE) – solární panely a větrný generátor.

Schéma, podle kterého Michael vytápí a zároveň zásobuje svůj dům elektřinou, teplem a dokonce i čistou vodou, je znázorněno na Obr. 1.

Obr. 1. Schéma „vodíkového“ cyklu pro výrobu elektřiny a tepla z obnovitelných zdrojů energie pro bydlení

Elektřinu získanou ze solárních panelů a/nebo větrných generátorů je obtížné a drahé skladovat v množství, které by pokrylo poptávku po energii například po dobu 3–6 měsíců (po celou topnou sezónu). Existují regiony, kde produktivita obnovitelných zdrojů energie v této době několikanásobně klesá ve srovnání se špičkovou výrobou v létě. Je mnohem snazší přeměnit přebytečnou energii na formu, kterou lze snadno skladovat. Například na stlačený plyn v lahvích. Například na vodík. A ten se získává elektrickým rozkladem obyčejné vody (elektrolýzou) na složky – O.₂ a H₂.

Vodík se skladuje v tlakových lahvích pod tlakem (z bezpečnostních důvodů, i když se nejedná o příliš kompaktní metodu, se vodík skladuje pod tlakem až 14 barů). Ve speciálních článcích (tzv. „palivových článcích“, viz obr. 2) lze vodík za přítomnosti kyslíku ze vzduchu přeměnit zpět na vodu. V tomto případě se uvolňuje elektřina a teplo.

Obr. 2. Schéma činnosti palivových článků

Elektřina se využívá jak ze solárních panelů a větrných generátorů, tak i v případě potřeby z palivových článků. Kromě elektřiny lze teplo generované palivovými články využít k ohřevu teplé vody a/nebo k vytápění (v zimě). Tím se opět vyrábí voda, která se může vrátit do procesu elektrolýzy nebo jako vysoce vyčištěná pitná voda.

Kromě toho lze vodík v případě potřeby využít k výrobě tepla přímým spalováním, jako je zemní plyn, nebo katalytickým spalováním v „bezplamenných“ katalytických hořácích. Produktem spalování je voda, konkrétně vodní pára.

Skvělý nápad! Máme před sebou naprosto ekologický udržitelný zdroj energie, který je zbaven hlavních nevýhod obnovitelných zdrojů energie – nerovnoměrné výroby během dne a ročního období.

Tuto myšlenku prakticky realizoval Michael Strizki pro svůj dům již v roce 2012. Jeho dobře izolovaný dům s optimalizovanými zařízeními na úsporu energie spotřebovával maximálně 10 kWh elektřiny denně, zatímco fotovoltaické panely a větrná turbína vyráběly v dobrém dni 90 kWh nebo i více. Michael veškerou přebytečnou energii z dočasné nadgenerace směřoval do elektrolyzéru a vodík v něm získaný byl ukládán do lahví pod nízkým tlakem a používán v případě potřeby (například pro dodávku elektřiny v noci). Přebytečný vodík nahromaděný do zimy, získaný v horkém počasí a uložený v 10 propanbutanových lahvích (o celkovém objemu 538 m3), však Michaelovi stačí k tomu, aby po dobu 3,5 měsíce zcela autonomně zásoboval celý svůj dům a všechny domácí spotřebiče elektřinou a teplem. Michael tvrdí, že jsme zcela obklopeni energií a teplem, že všechno kolem nás je energie. Prší – to je voda, a tedy energie. Svítí slunce a fouká vítr – to je zase energie. Neexistuje voda – lze ji získat z energie slunce a větru akumulované ve formě vodíku.

Proč se tato myšlenka, která již byla prakticky realizována, dosud široce nerozšířila?

Všechno je to o ceně. Po několika přeměnách energie z jedné formy na druhou mohou ztráty přesáhnout 50 % nebo i více. S přihlédnutím k účinnosti přeměny energie ze solárních panelů a větrných turbín je celková účinnost Mikova energetického systému pouze 3 %, maximálně 5 %. To znamená, že všechny komponenty systému musí být navrženy s obrovskou rezervou instalovaného výkonu. A to není levné, mírně řečeno.

Dlouho očekávaný technologický průlom

Pro dramatické zvýšení účinnosti typického „vodíkového“ energetického cyklu znázorněného na obr. 1 je nutné z něj odstranit energeticky nejnáročnější článek – elektrolyzér.

A tak začátkem tohoto roku vědci a inženýři ze starobylé katolické univerzity v Lovani ve Flandrech v Belgii oznámili, že vytvořili solární panel, který vyrábí vodík přímo, bez jakýchkoli dalších zařízení.

Tým profesora Johana Martense vyvinul zařízení, které udržitelným způsobem přeměňuje sluneční světlo a vodní páru z okolního vzduchu na vodík.

Po deseti letech tvrdé práce nyní jeden panel standardní velikosti dokáže podle výzkumníků vyrobit 250 litrů HXNUMX.₂ za den. To je světový rekord. Dvacet takových solárních panelů dokáže po celý rok zásobovat rodinný dům elektřinou a teplem. Dalších dvacet panelů dokáže pohánět rodinný vůz na vodík po celý rok. Nebo tento vodík přeměnit na elektřinu pro rodinný elektromobil. A také po dobu jednoho roku.

Vodíkový plyn je energetický zdroj, který lze skladovat a přepravovat a lze jej snadno přeměnit na elektřinu a/nebo teplo dle libosti. Plyn neuvolňuje skleníkové plyny ani toxické látky, za předpokladu, že je také vyroben s využitím „čisté“ energie.

Jakmile slunce dopadne na tento „vodíkový“ solární panel, jsou vodíkové bublinky okamžitě viditelné skrz skleněný průtokoměr naplněný vodou. „Je to unikátní kombinace fyziky a chemie. Zpočátku byla účinnost pouze 0,1 % a molekuly vodíku se téměř netvořily. Nyní vodík uniká bublinkami,“ říká Martens.

Typický solární panel přeměňuje 18 % až 20 % sluneční energie na elektřinu. Pokud by se tato elektřina poté použila k rozkladu vody na vodík a kyslík v elektrolyzéru, spousta energie by se promrhala. Martensův „vodíkový“ solární panel v současnosti přeměňuje 15 % slunečního záření přímo na vodík.

Vodík se ve skutečnosti skladuje snadněji než elektřina. Skladování elektřiny vyžaduje drahé baterie, které také pomalu ztrácejí napětí v důsledku samovybíjení. Skladování elektřiny v drahých bateriích od léta do zimy je extrémně neefektivní. S vodíkem je to úplně jiný příběh. Plynný vodík vyrobený v létě lze skladovat pod tlakem v podzemní nádrži až do zimy s minimálními úniky. Jedna rodina bude potřebovat vodíkovou nádrž o objemu asi 4 m³. To jsou rozměry typické podzemní nádrže na topný olej, který se v Evropě široce používá k vytápění.

Kromě toho by bezpečný systém pro skladování vodíku s nízkým tlakem byl mnohem levnější než výkonný systém pro skladování elektřiny napájený z baterií, který by mohl vydržet měsíce. „Chtěli jsme vytvořit něco, co by bylo udržitelné, cenově dostupné a dalo by se použít téměř kdekoli. Používáme levné suroviny a nepotřebujeme drahé kovy ani jiné drahé komponenty,“ říká o své motivaci Johan Martens.

Další výhodou plynného vodíku je, že může nahradit fosilní paliva. Asi 80 % naší energie pochází z ropy, plynu nebo uhlí. S rozvojem technologií pro bezpečné a dlouhodobé skladování plynného vodíku je však docela možné zcela nahradit fosilní uhlovodíky všech typů – ropu, uhlí, zemní plyn.

Příležitosti a rizika

Podle profesora Martense bude brzy na domě ve městě Oud-Heverlee ve Vlámském Brabantu instalováno 20 vodíkových panelů pro plnohodnotné otestování solárně-vodíkového systému zásobování domácností energií. Pokud budou testy úspěšné, bude brzy dalších 39 rodinných domů vybaveno systémem zásobování energií z vodíkových panelů. Výsledky těchto 40 systémů poskytnou potřebné statistiky pro studii proveditelnosti hromadné výroby.

Vodíkový plyn má však své nevýhody a na této úrovni technologického vývoje s sebou nese i svá vlastní rizika. Stejně jako většina paliv je i vodíkový plyn (ačkoli vodík je ve skutečnosti kov!) vysoce hořlavý. To představuje nebezpečí, zejména v uzavřených prostorách. Na rozdíl od zemního plynu, který je také výbušný a při úniku se „rozlévá“ po podlaze a snadno proudí do sklepů, je však vodík velmi lehký a při úniku okamžitě stoupá vzhůru, místo aby se šířil dolů.

Obr. 3. Solární „vodíkový“ panel vyvinutý na KU Leuven v Belgii

Skutečná cena vodíkových solárních panelů dnes stále není spolehlivě známa, protože hromadná výroba ještě nezačala. Na obr. 4, který ukazuje laboratorní jednotku pro záznam emisí vodíku na panelu znázorněném na obr. 3, je dokonce vidět datum veřejné demonstrace této nové technologie – 21. února 2019. Technické a ekonomické výpočty však potvrzují, že tato ekologická technologie bude v hromadné výrobě cenově dostupná.

Obr. 4. Laboratorní jednotka pro měření vodíku, 21 února 2019 město

Tento vynález by mohl zcela změnit budoucnost zelené energie. Hlavní pozornost nebude kladena ani tak na velké průmyslové instalace, ale spíše na kombinaci malých lokálních systémů. Schopnost akumulovat a dlouhodobě ukládat obnovitelnou energii pro použití ve správný čas a tím eliminovat nevýhody nerovnoměrné výroby, které jsou vlastní obnovitelným zdrojům energie, je hlavním faktorem, který dnes brzdí globální „energetickou transformaci“ (přechod od energie spalování uhlovodíků k plnému využití obnovitelných zdrojů energie). Vodík ve formě plynu pod tlakem lze navíc dodávat i na jiná místa, jako jsou současné energetické zdroje. Tím se odstraní další překážka širokého zavádění obnovitelných zdrojů energie, kdy je výroba do značné míry vázána na místo jeho spotřeby a účinnost do značné míry závisí na geografické poloze. Ještě větší vyhlídky pro přepravu vodíku otevírá technologie jeho komprese do kovového stavu. Výzkumníci jsou v každém případě optimističtí.

Na základě publikací Univerzity KU Leuven v Belgii.

Důležitější články a novinky na kanálu Telegram a krásná videa na kanálu Youtube a TikTok. Udělejte to!

K vytvoření anody budeme potřebovat starou tužku, nůž, svorky, dráty a tavnou lepicí pistoli.

Vezměte tužku a seškrabujte dřevo, dokud se nedostanete ke grafitovému jádru. Vložte jádro do svorek a zašroubujte jej, ale ne příliš pevně, jinak se zlomí.

Odizolujte konce kabelu a zajistěte je na druhé straně šroubových svorek.

Svorky izolujte horkým lepidlem. Ujistěte se, že je připojení vodotěsné. Jediné, co není potřeba přelepovat horkým lepidlem, jsou grafitové tyče.

Jak můžete vidět na fotografii, vzal jsem dva kusy grafitu a umístil je do dvou terminálů. Oba terminály jsem propojil jedním kabelem. Tím se zvýší pracovní plocha grafitu a zvýší se produktivita generátoru.

Krok 2: Konstrukce katody

K sestavení katody potřebujeme kabel a striper k odkrytí kabelu (kabel můžete odkrýt pomocí improvizovaných prostředků).

Odizolujte 10-20 cm kabelu a omotejte ho kolem tužky. Tato měděná spirála je hotovou katodou.

Chcete-li zvětšit povrch katody, můžete k ní připojit kus mědi.

Krok 3: Montáž zátky nádoby

K tomuto kroku budete potřebovat víko nádoby, trychtýř, vrták, anodu, katodu a tavnou lepicí pistoli.

Do víka nádoby vyvrtejte otvor, otvor by měl být dostatečně velký, aby se do něj vešel hrot nálevky. Vložte špičku trychtýře do otvoru a zajistěte jej horkým lepidlem. (Tady je třeba dávat pozor – lepidlo by nemělo být tak horké, aby roztavilo plast víčka a nálevky).

Po vychladnutí lepidla přilepte katodu dovnitř nálevky a anodu vně.

Do víka vyvrtejte malé otvory, protáhněte jimi drátky a vše zalepte horkým lepidlem.

Krok 4: Úprava napájecího zdroje

Před úpravou napájecího zdroje se ujistěte, že není nikde připojen!

Samotná úprava je velmi jednoduchá. Musíte propojit zelený kabel s černým (zem). Kabely k sobě nepájejte, protože pokud dojde ke zkratu, budete je muset pro pokračování v práci odpojit a poté znovu připojit (kabely je dobré propojit vypínačem).

Napájení začne fungovat, jakmile připojíte zelený a černý kabel. Nyní máme napájecí zdroj.

Chcete-li použít napájecí zdroj, odkryjte modrý kabel (-12V) a žlutý kabel (+12V). Zajistěte holé vodiče do šroubových svorek.

Krok 5: Konečné nastavení

Nyní, když je vše propojeno, zbývá pouze naplnit nádobu vodou z kohoutku a přidat do ní trochu soli a poté zavřít víko.

Připojte vodiče ke zdroji napájení a připojte elektřinu (v tomto okamžiku byste si měli všimnout malých bublinek stoupajících z elektrod).

Posledním krokem je přidání balónku na trychtýř, který zachytí vodík.

Krok 6: Upozornění

NIKDY nepřipojujte vodíkový generátor do běžné zásuvky! Používejte POUZE nízkonapěťové proudy.

Vodík je vysoce HOŘLAVÝ, proto při provozu generátoru a při skladování vodíku dodržujte všechna opatření.

Krok 7: Vzdělávací část

Pokud se nechystáte stavět vodíkový generátor, ale zajímá vás samotná chemická reakce, pak si přečtěte tento materiál.

Elektrolýza:
Elektrolýza je endotermická reakce. To znamená, že k reakci dojde pouze tehdy, když je do systému dodávána energie. Toho dosáhneme napájecím zdrojem. Napájecí zdroj tlačí elektrony pryč od anody a tlačí je směrem ke katodě.

Elektrony se nacházejí v molekulách vodíku. Napájecí zdroj tlačí molekuly vody (HHO), aby se rozdělily na kladně nabité vodíkové ionty (H+) a záporně nabité hydroxidové ionty (OH-).

Vlivem elektromagnetických sil jsou kladně nabité vodíkové ionty přitahovány ke katodě a hydroxidové ionty jsou přitahovány k anodě.

Katoda přenáší elektrony na vodíkové ionty a ty se stávají plynným vodíkem.

Protože anoda přitahuje elektrony, odvádí je od hydroxidových iontů a stávají se vodíkovými ionty a plynným kyslíkem (OO). Vodíkové ionty se poté přesunou ke katodě.

Proč používat grafitové jádro jako anodu?
Jako anodu používáme grafitová jádra, protože kovy (s výjimkou platiny) jsou oxidovány v důsledku elektrochemických reakcí v nádobě. To znamená, že pokud použijete železnou anodu, v procesu tvorby vodíku jednoduše zreziví. Totéž platí pro měď – stane se z ní oxid mědi. To zpomalí produkci vodíku doma a dodá vodě nepříjemný nádech.

Řeknu vám, jak vyrobit jakoukoli věc, pomocí fotografií a video pokynů krok za krokem.