Caldaia a idrogeno per riscaldamento: struttura + principio di funzionamento + criteri di scelta

I principi dell'energia alternativa stanno sempre più conquistando l'attenzione dei consumatori. Ciò è favorito in gran parte dall'aumento delle tariffe per i vettori energetici tradizionali e dai periodici disservizi nel mercato dei servizi.

In queste circostanze, la caldaia a idrogeno per riscaldamento è considerata uno dei tipi più promettenti di dispositivi alimentati da combustibile rinnovabile, quale è il gas H₂.

Prima di decidere di acquistare un tale apparecchio, è necessario conoscere il principio del suo funzionamento, valutarne i vantaggi e gli svantaggi dell'uso dell'idrogeno come combustibile. Questi aspetti sono stati studiati da noi e presentati in dettaglio nell'articolo.

Inoltre, abbiamo indicato i parametri da considerare nella scelta della caldaia, fornito consigli per l'uso e preparato una panoramica dei migliori generatori di idrogeno di fabbrica. Gli amanti del fai-da-te troveranno utili le istruzioni per assemblare l'apparecchio da soli.

Proprietà dell'idrogeno come combustibile

Come detto sopra, il combustibile per tali apparecchi è l'idrogeno, il gas più leggero in natura, incolore e inodore. Tra i suoi vantaggi si può annoverare la grande quantità di calore rilasciato dalla combustione di H₂ (121 MJ/kg, mentre nella combustione del propano si liberano solo 40 MJ/kg).

In condizioni normali, l'idrogeno brucia a una temperatura di +2000 °C, ma con l'ausilio di un catalizzatore può essere ridotta a +300 °C. Ciò consente di produrre caldaie in acciaio economico, anziché in costosi metalli delle terre rare.

L'idrogeno non è tossico, il che garantisce la sicurezza del suo uso domestico. La combustione di questa sostanza produce vapore acqueo, che migliora il microclima degli ambienti e non necessita di camini.

Nell'uso dell'idrogeno è necessario osservare rigorosamente le norme di sicurezza: un uso improprio del gas o il contatto con una fiamma libera può causare un'esplosione devastante.

Tra gli svantaggi si può annoverare l'elevata esplosività dell'idrogeno, specialmente quando si mescola con aria o ossigeno, portando alla formazione di gas detonante.

Vantaggi e svantaggi delle caldaie a idrogeno

I punti di forza di tali dispositivi sono:

1. Completa ecosostenibilità. I prodotti della decomposizione dell'acqua non danneggiano l'atmosfera, sono completamente sicuri per la salute umana e degli animali domestici.
2. Alto livello di rendimento, che può raggiungere il 96%.  È significativamente superiore al coefficiente di prestazione del diesel, del gas naturale o del carbone.
3. Economia delle risorse naturali grazie all'uso di fonti di energia alternative.
4. Costo contenuto delle calorie ottenute. Per dispositivi simili sono sufficienti acqua e un po' di elettricità.

Allo stesso tempo, questi dispositivi presentano anche dei punti deboli.

Tra gli aspetti negativi vanno annoverati i seguenti punti:

1. Elevata esigenza di manutenzione. Per ottenere la massima produzione di H₂, è necessario sostituire ogni anno le piastre metalliche. Oltre alla sostituzione degli elettrodi, per produrre la quantità di energia prevista è necessario aggiungere regolarmente il catalizzatore. La frequenza di questa procedura dipende dalla potenza e dalle caratteristiche del modello specifico.
2. Costo elevato – un impianto di fabbrica costa non meno di 350-400 €.
3. Pericolo di esplosione in caso di aumento della pressione nominale nella caldaia.
4. Carenza di bombole di idrogeno – è piuttosto raro trovarle in vendita.
5. Scelta limitata. Poiché questi dispositivi di riscaldamento non sono molto diffusi sul mercato russo, non è sempre possibile trovare rapidamente un modello adatto, né reperire specialisti competenti per l'installazione e la riparazione dell'apparecchiatura.
6. Necessità di collegamento alle utenze. Per il funzionamento del dispositivo è necessario un collegamento permanente all'alimentazione elettrica per eseguire la reazione di elettrolisi, nonché a una fonte d'acqua, il cui consumo dipende dalla potenza dell'apparecchio.

È necessario menzionare che i produttori prestano grande attenzione alle nuove tecnologie, cercando di migliorare le caldaie a idrogeno, eliminando o riducendo al minimo gli svantaggi.

Principio di funzionamento dell'apparecchio di riscaldamento

Grazie alla sua attività, l'H₂ allo stato puro non si trova in natura, ma è abbastanza semplice estrarlo dall'acqua comune mediante elettrolisi, durante la quale si libera anche ossigeno gassoso.

Nell'immagine mostrata è possibile vedere la rappresentazione schematica dell'apparecchiatura di riscaldamento funzionante a idrogeno, con l'indicazione di tutti gli elementi costruttivi (+)

Per il funzionamento del dispositivo di riscaldamento è necessario prima ottenere H₂. Questo avviene in un apposito compartimento destinato a tale reazione. Nel contenitore viene versato un liquido, in cui vengono immerse le piastre metalliche.

Su di esse viene applicata una corrente elettrica di purezza appositamente selezionata, sotto la cui azione si liberano H₂ e O₂, oltre a vapore acqueo come prodotto secondario.

La miscela ottenuta viene fatta passare attraverso un apposito dispositivo – un separatore chimico, con il quale è possibile estrarre l'idrogeno, separandolo dalle altre impurità. Il gas purificato viene convogliato verso un bruciatore, sul quale è installata una valvola.

Esso impedisce il movimento di H₂ nell'altra direzione, prevenendo un'esplosione. Allo stesso tempo, l'ossigeno e il vapore acqueo vengono convogliati attraverso un altro sistema in un apposito serbatoio.

Successivamente, l'idrogeno gassoso passa attraverso un blocco di protezione ed entra nella camera di combustione. Qui reagisce con il gas in presenza del catalizzatore, generando calore che, tramite lo scambiatore di calore, viene convogliato nell'impianto di riscaldamento domestico.

Il vapore acqueo prodotto nella camera viene reimmesso, attraverso un apposito canale, nel serbatoio dell'elettrolita, sfruttando così il processo di ricircolo.

La regolazione della potenza viene effettuata tramite canali appositamente attrezzati, il cui numero può arrivare fino a sei. All'interno di ciascuno di questi dispositivi è presente un catalizzatore, grazie al quale, all'accensione, si avvia il processo di produzione del calore.

Il flusso di gas, riscaldato fino a 40°C, inizia a muoversi verso lo scambiatore di calore situato nella camera di combustione.

Grazie alle strutture separate, i canali possono operare indipendentemente l'uno dall'altro, consentendo di attivarne solo una parte.

Il processo di produzione dell'idrogeno nei moderni apparecchi di elettrolisi è completamente automatizzato. L'unica operazione eseguita manualmente è il riempimento del sistema con acqua.

I modelli moderni sono inoltre dotati di vari dispositivi, come indicatori del livello dell'acqua e sensori di pressione, che consentono loro di funzionare in modalità automatica e di reagire tempestivamente in situazioni impreviste.

Componenti dell'impianto a idrogeno

La struttura del sistema di riscaldamento a idrogeno è abbastanza semplice.

La caldaia, che funge da scambiatore di calore, – è l'elemento principale in cui avviene la produzione di idrogeno.

La caldaia a idrogeno può essere assemblata con elementi facilmente reperibili e per il suo funzionamento è necessaria solo acqua normale o distillata (+)

L'elettrolizzatore – la parte operativa principale della caldaia, dove avviene la reazione elettrolitica che porta alla scissione dell'acqua in H₂ e O₂. L'elemento è costituito da un serbatoio riempito d'acqua, in cui sono inseriti elettrodi metallici con la massima conducibilità elettrica.

Alle piastre sono collegati i cavi attraverso i quali viene fornita l'elettricità.

Il bruciatore – il dispositivo che favorisce il riscaldamento del fluido termovettore nell'impianto di riscaldamento. Si trova nella camera di combustione; per la sua accensione viene generata una scintilla.

La valvola del bruciatore – un componente speciale situato nella parte superiore del dispositivo. Grazie a questo componente, l'H₂ che sale facilmente supera la barriera, inaccessibile ad altre sostanze prodotte, e giunge direttamente al bruciatore.

Nelle caldaie a idrogeno di fabbrica è prevista un'unità di controllo. Sul pannello vengono visualizzati i valori di tensione e corrente, il regolatore di potenza e le leve per la regolazione di altri parametri di funzionamento.

Tubazioni – sono le canalizzazioni che si diramano dall'unità e vengono utilizzate per distribuire il calore in tutti gli ambienti della casa. Per il collegamento si utilizzano tubi di riscaldamento con diametro di 25-32 mm. Durante l'installazione si osserva la regola fondamentale: il diametro di ogni successiva diramazione deve essere inferiore a quello precedente.

Criteri di scelta dei generatori

Quando si decide di acquistare un'apparecchiatura simile, è importante prestare attenzione ai seguenti criteri.

Potenza. Nei dispositivi moderni il valore di questo parametro può variare notevolmente, consentendo di scegliere l'opzione ottimale sia per una casa piccola che per un edificio a due o tre piani.

Il consumo medio di acqua nei moderni modelli di generatore non è eccessivo. In 24 ore, per il funzionamento dell'apparecchio sono necessari circa 5,5 litri, grazie ai quali vengono generati 1,2-2 litri di carburante.

Numero di circuiti. Negli apparecchi funzionanti a idrogeno, di solito è installato un circuito di riscaldamento. In alcuni modelli è previsto anche un montaggio aggiuntivo di un secondo circuito (di riscaldamento).

Livello di consumo energetico. Le tecnologie odierne consentono di ottenere un'ottima produzione di calore utilizzando un minimo di elettricità. Il consumo energetico dei vari tipi di generatori varia da 1,2 a 3 kW per 1 ora.

Il basso consumo di energia elettrica è ottenuto grazie al fatto che la caldaia a idrogeno non funziona in modo continuo, ma solo per mantenere una determinata temperatura nell'ambiente.

Alimentazione. Tutte le varietà di generatori a idrogeno possono essere suddivise in due grandi categorie: una funziona a gas, l'altra a elettricità.

Produttore. È meglio preferire produttori affidabili (Italia, Stati Uniti). Bisogna diffidare dei prodotti di bassa qualità offerti da aziende dubbie a prezzi estremamente bassi.

Consigli per l'uso della caldaia

Per migliorare le funzionalità dell'unità, è importante attenersi alle istruzioni allegate. È possibile migliorare il funzionamento dell'apparecchio aggiungendo componenti aggiuntivi (seguendo rigorosamente le norme di sicurezza).

Il sensore di fiamma installato sul bruciatore aumenta la sicurezza del sistema. Quando il fuoco si spegne, il dispositivo interrompe automaticamente il flusso di gas combustibile al bruciatore, impedendone così l'ingresso nell'ambiente.

È possibile installare all'interno dello scambiatore di calore sensori speciali che consentono di monitorare l'aumento dei valori di riscaldamento dell'acqua, nonché integrare la struttura del bruciatore con valvole di intercettazione.

È sufficiente collegarlo direttamente al sensore di temperatura, in modo che la caldaia si spenga automaticamente non appena il riscaldamento raggiunge il valore impostato.

È utile anche installare un dispositivo di raffreddamento normato della caldaia.

I dispositivi a idrogeno possono essere utilizzati non solo come unico sistema di riscaldamento in casa, ma anche in combinazione con altri sistemi di riscaldamento. Gli impianti termici principali, in questo caso, possono operare in modalità a bassa temperatura.

Se vengono rispettate le norme di funzionamento, un'unità a idrogeno può durare diversi decenni. Sebbene il periodo di garanzia di tali dispositivi sia di 15 anni, in pratica possono funzionare efficacemente per 20-30 anni.

La riparazione di tali apparecchi non sarà un problema per un tecnico esperto, poiché lo schema di base di una caldaia a idrogeno non è molto diverso da quelli che funzionano con altri tipi di combustibile.

Top 5 generatori di idrogeno di fabbrica

La prima azienda a produrre e brevettare la tecnologia per la realizzazione di una caldaia a idrogeno è stata l'italiana Giacomini. Essa è specializzata in apparecchi basati su metodi ecologici di produzione di energia: pompe geotermiche, pannelli solari e altri.

H2ydroGEM è una camera di combustione catalitica, in ogni beccuccio della quale si trova una sostanza che accelera la reazione di combustione dell'idrogeno. Grazie a ciò, il processo avviene a una temperatura relativamente bassa.

Attualmente, modelli simili sono prodotti da aziende americane, cinesi ed europee, tuttavia la loro gamma non è molto ampia rispetto alle caldaie che funzionano con altri tipi di combustibile.

I migliori modelli di fabbrica di sistemi a idrogeno

Tra i modelli più popolari, segnaliamo:

1. Megatank100 – un generatore che funziona con elettricità dalla rete. Dispone di un affidabile sistema di protezione a più livelli contro il surriscaldamento e il cortocircuito, che garantisce un funzionamento sicuro ed efficiente. Il costo del modello dipende dalla sua configurazione.
2. STAR-2000 – un'unità costosa (>2000 €) con eccellenti caratteristiche tecniche. Nonostante questo generatore consumi un minimo di energia, è in grado di riscaldare un ambiente di 251-300 metri quadrati.
3. Kingkar – un dispositivo alimentato dalla rete con eccellenti proprietà operative. Il costo del modello è piuttosto elevato – circa 1000 €, tuttavia viene compensato da un consumo energetico economico.
4. H2-2 – un'apparecchiatura italiana di classe «extra» a un prezzo elevato (circa 2500 €), in grado di riscaldare l'aria in ampi spazi (da 300 m³ in su) con un consumo elettrico minimo.
5. Free Energy – dispositivi di qualità a un prezzo accessibile, tra 150 e 350 € (il prezzo dipende dalla potenza e da altre caratteristiche). Sono dotati di un'unità di controllo che automatizza molti processi, di un sensore multifunzione per la regolazione di tensione e pressione.

Esistono anche altri modelli in diverse fasce di prezzo.

Come realizzare una caldaia da soli

I generatori di calore hanno una struttura abbastanza leggera. Con un certo livello di abilità, è possibile assemblare l'apparecchio da soli. Tuttavia, a causa della pericolosità della miscela di idrogeno, tale lavoro richiede estrema responsabilità, conoscenza delle norme di sicurezza ed esperienza nell'installazione di dispositivi simili.

Realizzando l'apparecchio da sé, non si riuscirà a evitare notevoli spese finanziarie, poiché è meglio acquistare già pronti alcuni componenti. L'alto rischio induce a considerare le apparecchiature prodotte in fabbrica, per le quali i produttori offrono garanzie a lungo termine.

Il processo di realizzazione autonoma di una caldaia a idrogeno può essere suddiviso in diverse fasi.

Passo n. 1 – realizzazione del disegno e preparazione dei materiali. Innanzitutto, è necessario cercare in Internet progetti simili per poter ideare, basandosi su di essi, un dispositivo che soddisfi tutte le condizioni e le possibilità.

È necessario calcolare con precisione tutti i parametri, e prima di tutto la potenza necessaria, e decidere anche quali materiali utilizzare per la fabbricazione della caldaia. Le leghe ferromagnetiche sono considerate l'opzione ottimale, ma può andare bene anche un contenitore in acciaio inossidabile.

Sebbene il generatore di idrogeno per riscaldamento possa avere diverse configurazioni, i seguenti componenti rimangono invariati:

• Una fonte di energia da 12 volt;
• un serbatoio dove sarà alloggiata la struttura;
• Un regolatore PWM con potenza di almeno 30 A;
• diversi tubi di diverso diametro, realizzati in acciaio inossidabile;
• una lamiera d'acciaio;
• seghetto per metallo;
• bruciatore a gas – meglio se già pronto, acquistato in negozio.

Passo 2 – creazione delle piastre elettrolitiche. Per fabbricare le piastre di cui sarà dotato l'elettrolizzatore, è necessario prendere una lamiera d'acciaio di medio spessore. Con l'aiuto di cesoie per metalli, un seghetto o altro strumento, la lamiera viene tagliata in strisce uguali in numero di 18 o più (il numero deve essere necessariamente pari).

Sul lato posteriore di ciascuna di esse è necessario forare dei fori per i bulloni, che serviranno a mantenere questi elementi completamente immobili nell'elettrolita.

Si dividono tutte le piastre in anodi e catodi; in base a questa suddivisione, a esse vengono collegati i fili che trasmettono rispettivamente le cariche positiva e negativa.

L'uso della corrente continua è più efficace rispetto all'uso della corrente alternata. Come fonte di corrente, è meglio utilizzare un generatore di tipo PWM.

Passo n.3 – assemblaggio dell'elettrolizzatore. Il materiale migliore per realizzare questo componente è l'acciaio inossidabile. Con il metallo viene saldata una struttura robusta di forma rettangolare o quadrata, dopodiché viene versata acqua o una miscela di H₂O con catalizzatore, e vengono posizionate le piastre preparate con i fili collegati.

Passo n.4 – collegamento del bruciatore. Nella parte superiore del dispositivo viene montato un bruciatore – è meglio utilizzare un modello acquistato, che si può trovare in un negozio specializzato.

Passo n.5 – montaggio e collegamento del separatore, necessario per separare l'idrogeno dalla miscela di gas.

Per concludere, viene posato un tubo attraverso il quale H₂ salirà fino al bruciatore, e vengono collegati gli elementi che dissipano il calore e lo distribuiscono in tutta la casa.

Quale acqua è meglio – normale o distillata?

Una delle domande che i proprietari di caldaie a idrogeno pongono spesso riguarda l'acqua utilizzata per il funzionamento dei dispositivi.

L'acqua distillata per il funzionamento della caldaia a idrogeno può essere acquistata nei negozi o prodotta autonomamente utilizzando un semplice impianto.

Secondo gli esperti, i dispositivi di fabbrica o fatti in casa mostrano le migliori prestazioni quando funzionano con acqua distillata a cui viene aggiunto un po' di idrossido di sodio (per 10 litri di H₂O – un cucchiaio).

Tuttavia, la caldaia a idrogeno può funzionare con successo anche con acqua di rubinetto, purché non contenga sali di metalli pesanti.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Nel video qui sotto vedrete una recensione del modello di caldaia a gas funzionante a idrogeno prodotto dalla famosa azienda coreana DAEWOO.

L'idrogeno è giustamente chiamato il carburante del futuro: questo gas può diventare una risorsa quasi illimitata di combustibile economico ed ecologico, utilizzabile in diversi impianti.

Una caldaia a idrogeno, prodotta in fabbrica o fatta in casa, permette di creare un sistema di riscaldamento autonomo. Ciò aiuta a ridurre significativamente le bollette delle utenze e risolve il problema del mantenimento di una temperatura confortevole nelle stanze e nei locali di servizio.

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