Як працюють генератори вуглекислого газу

Як влаштований портативний електрохімічний генератор на природному газі

Йтиметься про портативну електростанцію, яка в перспективі зможе споживати будь-яке органічне паливо, від природного газу до коньяку, та переробляти його в електрику без спалювання. Мета всієї витівки - замінити всілякі дизель-генератори на щось більш екологічне і витончене, що не потребує постійної уваги. Наприклад, ви привезли на якийсь віддалений об'єкт балон палива та забули про обслуговування міні-електростанції на цілий рік. Вона працює та працює.

Причому ця сама електростанція може масштабуватися від 100 Вт і до практично необмеженої потужності. На фото вище в шафі встановлена система потужністю трохи більше одного кіловата, що складається із трьох планарних елементів. Справа – рендер мікротрубчастого елемента – ноу-хау. Під катом є фото одного з прототипів розміром із компактну кавоварку.

Загалом ідея не нова, але тут вдалося знизити вартість виробництва складного електрохімічного паливного елемента, зробивши його компактним та комерційно цікавим, причому починаючи з найменших потужностей.

Коротко про паливні елементи

Перш ніж переходити до ноу-хау «Топаза» (так називається серія цих мобільних енергоустановок від InEnergy), кілька слів про загальну теорію електрохімічних генераторів.

В основі будь-якого електрохімічного паливного елемента три базові шари - анод, катод і розташований між ними електроліт.Анод і катод спочатку електрично нейтральні, але на поверхні протікають різні хімічні процеси, за рахунок чого електроди обмінюються зарядами — іони проходять через електроліт, а електрони через зовнішній ланцюг. Звичайна батарейка працює саме за таким принципом, перетворюючи хімічну енергію на електрику.

У генераторах «Топаз» використовують твердооксидні паливні елементи, у яких електрику перетворюється енергія органічного палива. Наприклад, реакція з метаном виглядає так:

Замість метану можна використовувати будь-яке інше енергоємне органічне паливо.

Матеріали анода та катода, а також електроліт підбирають таким чином, щоб забезпечити транспорт іонів до місця реакції.

Це означає, що електроліт повинен пропускати іони кисню з повітря до анода, але водночас не допускати змішування повітря та газоподібного палива.

І такі речовини є. Але свої властивості вони виявляють у особливих умовах. Наприклад, діоксид цирконію є киснепровідним за дуже високих температур — від 750 градусів за Цельсієм і вище.

Щоб генератор працював безперервно, паливо на анод та окислювач (кисень з повітря) на катод подають ззовні. Теоретично такий елемент може окислювати будь-яке паливо, але швидкість реакції буде тим менше, чим важче це паливо. Тому щоб реакція йшла з достатньою швидкістю, паливо треба розщеплювати на прості компоненти. Для цього потрібний так званий реформер — блок попередньої підготовки складного органічного палива. Реформер також працює при високих температурах - від 600 градусів за Цельсієм.

У чому ноу-хау «Топаза»

Технологія високотемпературних паливних елементів відома досить давно — щонайменше кілька десятків років її намагаються застосувати різні наукові групи по всьому світу. У навіть створено альянс Solid State Energy Conversion (SECA), який займається прискоренням промислової інтеграції подібних технологій.

Однак, досі основною сферою застосування такої конструкції були стаціонарні установки потужністю від 1 кВт. Вартість установок виходила досить великою, так що продукт не виходило зробити масовим.

Творцям Топазу вдалося суттєво здешевити виробництво високотемпературних паливних елементів та зробити їх застосовними у мобільних кейсах.

Замість так званої планарної (плоскої) топології елемента вони використовували трубчасту систему значно скоротили розмір цих трубок.

Основа – анод – має циліндричну форму. Його діаметр 3 мм, а оптимальна довжина – 10 см. Трубка покрита кількома різними шарами кераміки, які забезпечують її працездатність як паливний елемент. Товщина стінки трубки (включаючи усі шари) – близько 0,5 мм.

До такої форми трубок дійшли не відразу. Цьому передувала ціла серія експериментів з екзотичними формами та поверхнями. Пробували, наприклад, форму трилисника (трубку, поперечний переріз якої нагадує трилисник). Але вартість нанесення рівнотовщинного газощільного шару електроліту на трубку екзотичної форми в рази вища - для цього необхідно використовувати дороге обладнання, чисті кімнати або спеціальні атмосфери. І навіть незважаючи на таку підготовку, у виробництві залишається багато шлюбу, що робить підсумковий результат ще дорожчим.

А з циліндричною формою все простіше.У ході виробництва основу просто занурюють в відра з різними суспензіями прямо на повітрі, наносячи до шести шарів різних матеріалів, а потім одночасно спікають їх у печі. Суспензії, що використовуються, - це керамічні порошки з розчинником. Вони підібрані за складом таким чином, щоб з урахуванням в'язкості та змочування поверхні після запікання та випалювання розчинника утворювати шари потрібної товщини. При цьому частина шарів залишаються пухкими, а один із них — газощільним, щоб запобігати змішуванню палива та повітря.

Звісно, у гаражі на колінах таке не збереш — потрібні лабораторні умови. Наприклад, «відра» із суспензіями керамічних порошків, у які занурюють трубки, герметичні, щоб мінімізувати попадання пилу. Плюс рецепти суспензій, як і топологія установки – ноу-хау. Паливні елементи чутливі до дефектів поверхні. Але за рахунок рецептури та товщини плівки її якість підвищили, щоб знизити частку виробничого шлюбу, який не можна відстежити простими засобами.

З однієї невеликої трубки можна зняти не таку велику потужність - всього близько 1 Вт. Але їх можна з'єднати паралельно та створити паливний елемент багато більшої потужності.

Як виявилося, маленькі трубки мають низку переваг. Вони не вимагають підготовки до роботи та тривалого розігріву, забезпечують більшу питому потужність з одиниці поверхні. І вони механічно міцні — настільки, що генератор можна використовувати в пристроях, що носяться, і на мобільному транспорті, наприклад в електросамокатах.

Подовження або збільшення товщини трубки веде до погіршення механічних властивостей, тому технологію досі не намагалися застосовувати до портативних пристроїв.

А ще на довгих трубках виникає проблема ефективності зняття струму з елемента — чим вона довша, тим більше втрат на транспорті зарядів уздовж її осі.

Невеликі трубки можна з'єднувати паралельно, тим самим збільшуючи потужність установки. Щоправда, виявилося досить складно закріпити трубки всередині паливного модуля герметично, але так, щоб вони не ламалися. На відміну від розробок, що існують на ринку, для «Топазу» вирішили не використовувати спеціальний клей, а пропрацювали технологію закріплення та герметизації трубок «насуху», яка також дозволяє знімати з них струм. На її розробку пішло майже два роки.

Такий вигляд має базовий модуль «Топаз-OEM» потужністю 100 Вт. Для вироблення одного кВт·год йому потрібно 0,6 л пропан-бутану. Маса модуля – 2,5 кг, а об'єм 3 л. Усередині - ті самі мікротрубки

У результаті одна батарея є набором трубок, з'єднаних паралельно, доповнений реформером та іншими блоками. Під час роботи підготовлене паливо подають усередину батареї - в трубки, а зовні збірку обдувають повітрям за допомогою вентилятора - так виробляється електричний струм.

Хімічна реакція, що протікає, визначає напругу, а площа поверхні трубки — силу струму, який вона виробляє. Усім цим керує блок електроніки, яка стежить за підтримкою постійної температури роботи установки та дозує паливо.

Усередині цього генератора цей базовий модуль, але продуктів такого плану не буде. Це було експериментальне виконання для однієї з виставок

З газами все просто, а ось можливість роботи на рідкому паливі поки що відробляють — тут потрібна дещо інша робота реформера.А ще під кожен вид палива необхідно змінювати налаштування: варіювати поєднання об'єму газу, що подається всередину трубки, і повітря, яке обдуває трубку зовні, — банально різна кількість молекул кисню необхідна для окислення однієї молекули палива. Зараз заміну виду палива роблять перепрошивкою електроніки, але в перспективі можна закласти варіанти у профілі налаштувань та дати користувачеві можливість перемикатися між ними.

Вихлоп, підвищення ККД та вартість виробленої енергії

Трубка має невелику довжину, тому всі молекули палива не встигають окислитися. Паливо, що не прореагувало, виходить з трубки в блок допалювача, де утилізується. У цьому блоці відбувається окислення без відкритого полум'я, але вже без вироблення електричного струму.

Вся енергія залишків палива йде в тепло, яке використовується для підігріву реформера та самих паливних трубок.

Щоб ефективніше використовувати це тепло, а заразом захищати споживача від впливу високих температур, навколо корпусу паливного елемента укладають спеціальну теплоізоляцію.

Залишкового тепла, яке разом із вихлопом надходить в атмосферу, зовсім небагато. Склад цього вихлопу — водяна пара та CO2. Для установки потужністю 100 Вт вміст CO2 у вихлопі можна порівняти з часткою вуглекислого газу в повітрі, що видихається однією людиною (приблизно 4,5%). Теоретично підвищення ККД установки у великих модульних установках тепло цього вихлопу можна використовуватиме обертання додаткової турбіни чи обігріву інших об'єктів, наприклад будинків чи окремих приміщень.

Враховуючи невисоку вартість виробництва генератора, вартість енергії (кВт·ч), виробленої ним, переважно визначається вартістю самого палива. В окремих кейсах її можна наблизити до вартості кВт·год із розетки.Наприклад, гіпотетична установка потужністю 250 кВт, що працює на природному газі з газопроводу, з урахуванням амортизації протягом 10 років, забезпечить вартість кВт·год на рівні 5 руб. Це значно менше, ніж вартість енергії, виробленої з допомогою дизель-генератора.

Потужність та її масштабування

Взявши більше трубок, можна досягти потрібної потужності. Для цього трубки збирають у модулі по кілька десятків штук.

Кількість модулів за потреби можна нарощувати практично необмежено.

При цьому модулі підключають незалежно один від одного, так що і їх можна міняти без зупинки всієї електростанції.

Це рендер 200-ватної двомодульної системи «Топаз-Гамма М»

Масштабування установки порушує питання про спосіб щільного пакування трубок усередині модуля. Зараз у збиранні трубки не торкаються один одного – це допомагає при обдуві киснем використовувати всю площу поверхні катода. Можливо, у великих установках ефективніше укладати трубки в ряди, залишаючи зазор тільки між рядами (трубково-планарна геометрія). Це трохи скоротить потужність, що знімається з кожної трубки, зате дозволить розмістити більше трубок у тому ж обсязі.

А ось скорочувати потужність установки нижче за певну межу нерентабельно.

Хлопці з InEnergy кажуть, що використовувати менше 40 трубок неефективно — тепла, яке виробляється в дожигателі, просто не вистачить на те, щоб підтримувати температуру всередині реформера та на самих трубках палива. На підігрів доведеться витрачати додаткову енергію (забирати частину виробленої електрики), що зменшить загальний ККД.

Холодний пуск та ресурс

Щоб вийти на основний режим роботи, після старту паливний елемент за допомогою спеціальних каталізаторів розігрівається самостійно, а далі електроніка допомагає підтримувати цю температуру, використовуючи енергію з дожигателя. Особливість цих процесів така, що кількість перезапусків пристрою обмежена. Який ресурс — поки що до кінця не зрозуміло, оскільки випробування ще не закінчено. У версії, що буде випущена ринку, інженери орієнтуються на 1000 перезапусків і більше, інакше пристрій втратить свою комерційну привабливість.

Обмеження на кількість перезапусків пов'язане з ресурсом каталізаторів і не впливає на тривалість безперервної роботи. Цей термін досить великий, але який до кінця випробувань теж невідомо. Аналогічні розробки у Японії мають гарантійний термін експлуатації 90 тис. годин – це 12 років безперервної роботи. Скільки часу установка з тонкими трубками працюватиме в різних умовах, у тому числі в мобільному виконанні або в суворому кліматі Крайньої Півночі, доведеться з'ясувати. Поки що в реальній тривалій експлуатації знаходиться лише одна установка, її напрацювання вже близько 5 тис. годин.

Чим все закінчиться.

Років за два InEnergy планує запустити дослідне виробництво з тиражем кілька тисяч виробів на рік. Але це їх декларовані плани. Нюанс у тому, що для переходу від стадії НДДКРу та п'яти прототипів до масового виробництва потрібно дуже багато грошей. Це якби у вас був на руках фантастичний рецепт ідеальної «Коли» і залишалося «лише» побудувати цехи, встановити дороге обладнання, найняти людей і запустити всі виробничі процеси. Існуючі «дрібниці».

Швидше за все, цей проект буде наполовину профінансовано через НТІ. Він виявився у шорт-листі серед інших, які подавалися на Архіпелаг (це такий проектно-освітній інтенсив). У цьому ж шорт-листі багато всього цікавого, і є пара компаній, про які ми вже розповідали: то були інтерв'ю з Robbo і iPavlov. На цей раз хлопці з Robbo почали створювати багатофункціональну освітню платформу, а iPavlov готує широке впровадження розмовного AI скрізь де можна. Мені особисто тема видається актуальною, вже почала витягувати подробиці з їхніх розробників. Сподіваюся, буде цікаво не лише мені.

Що таке генератор кисню? Все, що вам потрібно знати

Генератори кисню, також відомі як концентратори кисню, є пристроями, призначеними для забезпечення безперервної подачі збагаченого киснем повітря для медичних і промислових цілей. Вони відіграють вирішальну роль у медичних закладах, особливо для пацієнтів з респіраторними захворюваннями, а також використовуються у різних промислових процесах. У цій статті докладно розглядаються принципи роботи, типи, застосування, переваги та технічне обслуговування генераторів кисню, що дає повне уявлення про ці важливі пристрої.

Як працюють генератори кисню

Генератори кисню працюють за принципом поділу кисень з навколишнього повітря. Повітря, яким ми дихаємо, складається приблизно на 21% з кисню, на 78% з азоту та у слідових кількостях інших газів. Генератори кисню використовують спеціальні технології для концентрування кисню з повітря та доставки його в очищеному вигляді.

Основні компоненти

Компресор: Втягує навколишнє повітря та стискає його.
Фільтри: Видаліть з повітря пил, бактерії та інші частки.
Цеолітові вежі: Використовуйте молекулярне сито, щоб відокремити азот від кисню.
Резервуар: Зберігає концентрований кисень для доставки.
Витратомір та клапан: Контролюйте швидкість потоку кисню, що подається користувачеві.

Принципи роботи

Адсорбція при змінному тиску (PSA)

Адсорбція при змінному тиску є найпоширенішою технологією, яка використовується в генераторах кисню. Він включає наступні кроки:

Стиснення повітря: Компресор всмоктує навколишнє повітря та стискає його.
Фільтрування: Стиснене повітря проходить через фільтри для видалення забруднень.
Адсорбція: Чисте повітря прямує до цеолітових веж, де під високим тиском адсорбується азот, пропускаючи кисень.
Десорбція: Потім тиск знижується, вивільняючи адсорбований азот у атмосферу.
Доставка: Концентрований кисень збирається в резервуарі і доставляється користувачеві через витратомір та клапан.

Вакуумна адсорбція (VSA)

Вакуумна ковзна адсорбція аналогічна PSA, але для десорбції азоту використовується вакуум замість зниження тиску. Цей метод найчастіше енергоефективніший і дозволяє виробляти кисень вищої чистоти.

Мембранний поділ

Технологія мембранного поділу використовує напівпроникні мембрани для відокремлення кисню від азоту. Коли повітря проходить через мембрану, кисень дифундує швидше, ніж азот, у результаті на боці пермеату утворюється збагачений кисень.

Типи генераторів кисню

Медичні генератори кисню

Ці генератори, що використовуються в основному в медичних установах, забезпечують киснем високої чистоти пацієнтів із респіраторними захворюваннями. Вони доступні в різних формах:

Портативні концентратори кисню: Легка вага працює від батареї, підходить для амбулаторних пацієнтів.
Стаціонарні концентратори кисню: Більші пристрої призначені для постійного використання у будинках чи лікарнях.

Промислові генератори кисню

Використовується в різних галузях промисловості, включаючи зварювання, різання металів та хімічну обробку. Ці генератори можуть виготовляти великі обсяги кисню і часто встановлюються як частина інтегрованої системи.

Лабораторні генератори кисню

Забезпечте кисень високої чистоти для лабораторних застосувань, таких як газова хроматографія та мас-спектрометрія. Ці генератори забезпечують постійне подання кисню для точних наукових експериментів.

Застосування генераторів кисню

Медичні додатки

Хронічна обструктивна хвороба легень (ХОЗЛ): Пацієнтам з ХОЗЛ корисна постійна подача кисню для полегшення дихання.
Гіпоксемія: Киснева терапія допомагає підвищити рівень кисню в крові у пацієнтів із низькою сатурацією кисню.
Хірургія та відновлення: Генератори кисню використовуються у хірургічних установах для підтримки адекватного рівня кисню під час та після операції.
Невідкладна допомога: Портативні кисневі концентратори потрібні у службах невідкладної медичної допомоги (EMS) для проведення негайної кисневої терапії.

Промислове застосування

Різання та зварювання металу: Кисень використовується для отримання високотемпературного полум'я при різанні та зварюванні металів.
Виробництво скла та кераміки: Кисень високої чистоти підвищує ефективність згоряння при виробництві скла та кераміки.
Очищення стічних вод: Генератори кисню забезпечують киснем аеробні бактерії у процесах очищення стічних вод.
Виробництво озону: Використовується в генераторах озону для очищення та дезінфекції води.

Лабораторні програми

Газова хроматографія: Кисень високої чистоти необхідний для точного аналізу газової хроматографії.
Біологічні дослідження: Генератори кисню забезпечують контрольоване кисневе середовище для клітинних культур та інших біологічних експериментів.
Фармацевтичне виробництво: Кисень використовується на різних етапах виробництва ліків для забезпечення якості та чистоти.

Переваги генераторів кисню

Користь для здоров'я

Поліпшення якості життя: Пацієнти з хронічними респіраторними захворюваннями зазнають значного поліпшення якості життя завдяки кисневій терапії.
Підвищена мобільність: Портативні концентратори кисню дозволяють пацієнтам вести активний спосіб життя.
Зниження госпіталізації: Безперервна киснева терапія знижує частоту госпіталізацій пацієнтів із тяжкими респіраторними захворюваннями.

Економічна вигода

Економічно ефективним: Генератори кисню є економічною альтернативою кисню у балонах, знижуючи необхідність частих доставок.
Енергоефективність: Сучасні генератори кисню спроектовані так, щоби бути енергоефективними, що знижує експлуатаційні витрати.

Екологічні переваги

Зниження викидів вуглекислого газу: Усуваючи необхідність транспортування кисневих балонів, генератори кисню допомагають зменшити викиди вуглекислого газу, пов'язані з киснем у балонах.
Стійкі технології: Технології PSA та VSA екологічно безпечні, оскільки ґрунтуються на природних процесах відділення кисню.

Технічне обслуговування генераторів кисню

Регулярне технічне обслуговування має вирішальне значення для забезпечення ефективної роботи та довговічності генераторів кисню. Нижче наведено основні методи технічного обслуговування:

Регулярні перевірки

Заміна фільтра: Повітряні фільтри слід регулярно перевіряти та замінювати, щоб підтримувати якість повітря та запобігати забрудненню.
Перевірка компресора: Компресор слід перевіряти на наявність ознак зношування та при необхідності обслуговувати.
Заміна шару цеоліту: Згодом шари цеоліту в генераторах PSA можуть насититися і вимагати заміни.

Очищення та дезінфекція

Зовнішнє очищення: Зовнішню поверхню кисневого генератора слід регулярно очищати, щоб запобігти накопиченню пилу.
Внутрішня дезінфекція: Внутрішні компоненти слід періодично дезінфікувати, щоб запобігти росту мікробів, особливо з медичною метою.

Професійне обслуговування

Щорічне обслуговування: Рекомендується щорічно звертатися до фахівця для обслуговування кисневого генератора, щоб переконатися у правильності всіх компонентів.
Тестування продуктивності: Регулярне тестування продуктивності допомагає виявити будь-які потенційні проблеми на ранній стадії та гарантувати, що генератор забезпечує необхідну концентрацію кисню.

міркування безпеки

Хоча генератори кисню в цілому безпечні, для запобігання нещасним випадкам необхідно вжити певних запобіжних заходів:

Пожежна безпека

Уникайте відкритого вогню: Кисень підтримує горіння, тому дуже важливо тримати генератор далеко від відкритого вогню і легкозаймистих матеріалів.
Куріння заборонено: Куріння має бути суворо заборонено у приміщеннях, де використовуються генератори кисню.

Правильна вентиляція

Адекватна вентиляція: Переконайтеся, що зона навколо генератора кисню добре вентилюється, щоб запобігти скупченню кисню, що може спричинити небезпеку пожежі.
Уникайте замкнутих просторів: Генератори кисню не слід використовувати у закритих приміщеннях без належної вентиляції.

Електробезпека

Регулярні перевірки: Електричні компоненти слід регулярно перевіряти, щоб запобігти ризику короткого замикання або електричного загоряння.
Правильне заземлення: Переконайтеся, що генератор кисню правильно заземлений, щоб уникнути небезпеки ураження електричним струмом.

Майбутні тенденції у виробництві кисню

Технологічні досягнення

Підвищена ефективність: Поточні дослідження спрямовані на підвищення ефективності технологій виробництва кисню, роблячи їх економічнішими та екологічно чистими.
Компактні конструкції: Інновації в дизайні призводять до створення компактніших і портативніших генераторів кисню, що підвищують мобільність користувачів.

Інтеграція зі смарт-технологіями

Віддалений моніторинг: Інтеграція інтелектуальних технологій дозволяє здійснювати віддалений моніторинг та управління кисневими генераторами, надаючи в режимі реального часу дані про продуктивність та потреби у технічному обслуговуванні.
Інтернет речей: Підключення до Інтернету речей (IoT) дозволяє генераторам кисню взаємодіяти з іншими медичними пристроями, створюючи інтегровану систему охорони здоров'я.

Стійкі практики

Зелене виробництво: Виробники впроваджують екологічно безпечні методи виробництва генераторів кисню, знижуючи їх вплив на довкілля.
Переробка та повторне використання: З метою забезпечення сталого розвитку розробляються програми з переробки та повторного використання компонентів генераторів кисню.

Часті питання (FAQ)

Скільки кисню може зробити кисневий генератор?

Виробнича потужність генератора кисню варіюється в залежності від моделі та застосування. Невеликі медичні генератори кисню зазвичай виробляють 1-5 літрів кисню за хвилину, тоді як промислові моделі можуть виробляти кілька сотень літрів за хвилину.

Чи безпечний кисень, який виробляється генератором кисню, для медичного використання?

Так, генератори кисню, призначені для медичного використання, виробляють кисень високої чистоти, який відповідає стандартам, встановленим регулюючими органами. Він безпечний для використання у кисневій терапії та інших медичних цілях.

Як довго працює генератор кисню?

Термін служби генератора кисню залежить від його конструкції, використання та обслуговування. У середньому справний кисневий генератор може прослужити 10-15 років.

Чи можна використовувати генератори кисню у віддалених чи автономних місцях?

Так, генератори кисню можна використовувати у віддалених чи автономних місцях. Доступні портативні моделі та моделі на сонячній енергії для використання у районах без надійного електропостачання.

Як обслуговувати генератор кисню?

Регулярне обслуговування генератора кисню включає заміну фільтрів, перевірку на наявність витоків та забезпечення правильної роботи компресора.Дуже важливо дотримуватися рекомендацій виробника з технічного обслуговування, щоб забезпечити довговічність та ефективність генератора.

Висновок

Генератори кисню - це життєво важливі пристрої, що забезпечують безперервну подачу кисню для медичних, промислових та лабораторних застосувань. Розуміння того, як працюють ці пристрої, їх різні типи та області застосування, може допомогти користувачам приймати обґрунтовані рішення щодо їх використання та обслуговування. Завдяки розвитку технологій та акценту на екологічність генератори кисню стануть ще більш ефективними та екологічно чистими, гарантуючи, що вони продовжать відігравати вирішальну роль у нашому житті. Правильне технічне обслуговування та заходи безпеки необхідні для забезпечення їх оптимальної продуктивності та довговічності. Коли ми дивимось у майбутнє, інтеграція інтелектуальних технологій та стійких практик ще більше розширить можливості та переваги генераторів кисню.