Kocioł gazowy z generatorem elektrycznym: budowa, zasada działania, przegląd najlepszych marek

Oszczędne podejście do zasobów energetycznych jest podyktowane przede wszystkim tym, że praktycznie wszystkie zasoby naturalne nie są nieskończone. Ekonomiczne zużycie wszystkich rodzajów paliw wymaga opracowania nowych systemów lub radykalnej modernizacji istniejących.

Tak więc kocioł gazowy z generatorem elektrycznym – to jeden z rodzajów systemów hybrydowych, pozwalających rozsądnie gospodarować niebieskim paliwem. Zapoznamy Państwa z zasadą działania urządzenia, które wytwarza oprócz energii cieplnej również energię elektryczną. Przedstawimy typowe modele agregatów hybrydowych.

Efektywne zużycie zasobów energetycznych

Nawet przeciętny użytkownik, który ma zainstalowany kocioł gazowy do ogrzewania mieszkania, może zadawać sobie pytanie o racjonalność wykorzystania energii cieplnej. Rzeczywiście, podczas spalania gazu w kotle, nie całe wydzielane ciepło jest wykorzystywane.

Zawsze podczas pracy systemu grzewczego pewna część ciepła jest bezpowrotnie tracona. Zazwyczaj dzieje się tak przy wyrzucaniu produktów spalania z kotła do atmosfery. W rzeczywistości jest to utracona energia, która mogłaby znaleźć zastosowanie.

O co konkretnie chodzi? O możliwości wykorzystania bezpowrotnie “wyrzuconego” ciepła w produkcji energii elektrycznej.

Jeśli wyjść z założenia, że system kotła grzewczego jest już zoptymalizowany w celu maksymalnego zwiększenia sprawności, to «tracona» energia nadal stanowi znaczną część energii wydzielanej podczas spalania paliwa.

Rodzaje paliw mogą być różne, począwszy od zwykłego drewna i wszelkiego rodzaju brykietów, a kończąc na najbardziej ekonomicznych wariantach: gazie ziemnym z przewagą metanu w składzie, sztucznym niebieskim paliwie i propan-butanowych mieszankach skroplonych.

Może się wydawać, że to dalekie od «odkrycia Ameryki», ale w rzeczywistości opracowana już w odległym 1943 roku przez Roberta Stirlinga technologia, a ściślej rzecz biorąc, instalacja istnieje. Jej cechy konstrukcyjne i podstawowa zasada działania pozwalają zaliczać ten system do silników spalinowych.

Dlaczego więc nie korzystano z tego urządzenia przez tak długi czas? Odpowiedź jest prosta – teoretyczne opracowanie technologii w latach czterdziestych ubiegłego wieku okazało się w praktyce bardzo nieporęczne.

Technologie i materiały istniejące w momencie opracowania nie pozwalały na zmniejszenie rozmiarów urządzenia, a istniejące wówczas metody wytwarzania energii elektrycznej były bardziej opłacalne.

Włączenie do obiegu kotła gazowego urządzenia przetwarzającego bezpowrotnie tracone ciepło na energię elektryczną pozwala znacznie zwiększyć sprawność instalacji gazowej.

Co może nas dzisiaj skłonić do zastanowienia się nad bardziej oszczędnym gospodarowaniem zasobami nieodnawialnymi? Obecnie na całym świecie istnieje wspólny problem – rozwój technologii nieuchronnie prowadzi do wzrostu zużycia energii elektrycznej.

Wzrost zużycia następuje tak szybko, że przedsiębiorstwa sieciowe nie nadążają z modernizacją systemów przesyłu energii elektrycznej, nie mówiąc już o produkcji. Taka sytuacja nieuchronnie prowadzi do awarii elementów systemów zasilania, a w niektórych przypadkach może to mieć miejsce z zadziwiającą regularnością.

Nowoczesne kotły grzewcze wyposażone są w systemy sterowania, które również są zależne od energii elektrycznej. Zasilania potrzebują pompa obiegowa, czujniki, automatyka, sam panel. Cały zestaw urządzeń nie może nie budzić niepokoju o zachowanie sprawności w przypadku awarii zasilania.

Systemów grzewczych z wymuszonym obiegiem nie można uruchomić bez energii elektrycznej. Odcięcie zasilania w sezonie grzewczym jest dla nich praktycznie katastrofalne. Nie tylko nieuchronnie prowadzi to do szybkiego wychłodzenia pomieszczeń, ale przy długotrwałym braku ogrzewania możliwe jest zamarznięcie obiegu.

Długotrwały brak pracy systemu grzewczego w zimnej porze roku prowadzi do zamarznięcia instalacji grzewczej, powstania w niej lodowych czopów, a w konsekwencji do uszkodzenia urządzeń i rur grzewczych na skutek rozrywania.

Standardowe istniejące rozwiązania tego problemu to instalacja zasilaczy awaryjnych, generatorów wszelkich modyfikacji (gazowych, benzynowych, dieslowskich) lub nietradycyjnych źródeł – turbin wiatrowych albo mini elektrociepłowni, elektrowni wodnych.

Jednak to rozwiązanie nie jest akceptowalne dla wszystkich, ponieważ wielu osobom trudno jest przeznaczyć miejsce na instalację autonomicznego dostawcy energii elektrycznej.

Jeśli mieszkańcy domów jednorodzinnych mogą jeszcze przeznaczyć miejsce na generator, to w przypadku instalacji w budynku wielopiętrowym jest to praktycznie niemożliwe. Tym samym okazuje się, że mieszkańcy budynków wielorodzinnych z indywidualnym systemem ogrzewania jako pierwsi ucierpią podczas awarii zasilania.

Dlatego też przede wszystkim firmy produkujące komponenty do montażu systemów grzewczych zadały sobie pytanie o pełne wykorzystanie ciepła, które jest „wyrzucane” przez system grzewczy. Zastanowiły się, jak bezcelowo zużywaną substancję wykorzystać do wytwarzania energii elektrycznej.

Spośród znanych technologii twórcy wybrali „dobrze zapomnianą” instalację Stirlinga. Nowoczesne technologie pozwalają zwiększyć jej wydajność, zachowując kompaktowe rozmiary.

Zasada działania silnika Stirlinga – ruch tłoka silnika w dół i w górę. Silnik pracuje praktycznie bezgłośnie i nie powoduje wibracji urządzenia.

Zasada działania instalacji Stirlinga opiera się na wykorzystaniu ogrzewania i chłodzenia czynnika roboczego, co z kolei wprawia w ruch mechanizm wytwarzający energię elektryczną.

Wewnątrz tłoka (zamkniętego) znajduje się sprężony gaz. Po ogrzaniu ośrodek gazowy rozszerza się i przesuwa tłok w jedną stronę, a po schłodzeniu w chłodnicy ulega kompresji i przesuwa tłok w drugą stronę.

Przegląd producentów kotłów z generatorem

Rozważmy na konkretnych przykładach systemy kotłów domowych istniejących obecnie, w których zasada wykorzystania gazów spalinowych (produktów spalania) do wytwarzania energii elektrycznej została pomyślnie zrealizowana. Południowokoreańska firma NAVIEN z powodzeniem wdrożyła powyższą technologię w kotle marki HYBRIGEN SE.

W kotle zastosowano silnik Stirlinga, który zgodnie z danymi katalogowymi wytwarza podczas pracy energię elektryczną o mocy 1000W (lub 1 kW) i napięciu 12V. Producenci twierdzą, że wytworzoną energię elektryczną można wykorzystać do zasilania urządzeń domowych.

Taka moc powinna wystarczyć do zasilania domowej lodówki (około 0,1 kW), komputera osobistego (około 0,4 kW), telewizora ciekłokrystalicznego (około 0,2 kW) oraz do 12 lamp LED o mocy 25 W każda.

Kocioł serii Hybrigen SE firmy Navien z wbudowanym generatorem i silnikiem układu Stirlinga. Podczas pracy kotła, oprócz podstawowych funkcji, wytwarzana jest energia elektryczna o mocy około 1000 W.

Spośród europejskich producentów rozwojem w tym kierunku zajmuje się firma Viessmann. Viessmann ma możliwość przedstawienia do wyboru klienta dwóch modeli kotłów z serii Vitotwin 300W i Vitotwin 350F.

Model Vitotwin 300W był pierwszym opracowaniem w tym kierunku. Charakteryzuje się dość zwartą konstrukcją i zewnętrznie jest bardzo podobny do zwykłego naściennego kotła gazowego. Prawdę mówiąc, właśnie podczas eksploatacji pierwszego modelu zidentyfikowano „słabe” punkty w działaniu silnika układu Stirlinga.

Największym problemem okazało się odprowadzanie ciepła, podstawą działania urządzenia jest nagrzewanie i chłodzenie. Tj. twórcy napotkali ten sam problem, z którym zetknął się Stirling w latach czterdziestych ubiegłego wieku – efektywne chłodzenie, które można osiągnąć tylko przy znacznych rozmiarach chłodnicy.

Właśnie dlatego powstał model kotła Vitotwin 350F, który obejmował już nie tylko gazowy kocioł z generatorem prądu, ale także wbudowany bojler o pojemności 175 l.

Zbiornik akumulacyjny ciepłej wody wykonuje się w wersji stojącej ze względu na dużą wagę zarówno samego urządzenia, jak i przygotowywanej do celów sanitarnych cieczy.

W tym przypadku całkiem skutecznie rozwiązano problem chłodzenia tłoka instalacji Stirlinga za pomocą wody w bojlerze. Jednak rozwiązanie to spowodowało, że gabaryty i waga instalacji wzrosły. Taki system nie może już być montowany na ścianie jak zwykły kocioł gazowy i może być tylko stojący.

Kotły firmy Viessmann przewidują możliwość zasilania systemów pracy kotła z zewnętrznego źródła, tj. z sieci centralnego zasilania elektrycznego. Firma Viessmann pozycjonowała urządzenie jako zapewniające własne potrzeby (pracę zespołów kotła) bez możliwości pobierania nadmiaru energii elektrycznej na potrzeby domowe.

System Vitotwin F350 – kocioł z bojlerem podgrzewania wody o pojemności 175 l. System pozwala ogrzewać pomieszczenie, zapewnia ciepłą wodę i wytwarza energię elektryczną.

Aby można było porównać skuteczność stosowania generatorów wbudowanych w system grzewczy. Warto rozważyć kocioł, który został opracowany przez firmy «TERMOFOR» (Republika Białorusi) i firmę «Kriotherm» (Rosja, Sankt Petersburg).

Warto je rozważyć nie dlatego, że mogą w jakiś sposób konkurować z wyżej wymienionymi systemami, ale dla porównania zasad działania i efektywności uzyskiwania energii elektrycznej. Kotły te jako paliwa używają tylko drewna, sprasowanych trocin lub brykietów na bazie drewna, dlatego nie można ich stawiać w jednym rzędzie z modelami firm NAVIEN i Viessmann.

Kocioł nazwany «Piec grzewczy «Indigirka» jest przeznaczony do długotrwałego ogrzewania drewnem itp., ale jest wyposażony w dwa termiczne generatory prądu typu TEG 30-12. Umieszczone są na bocznej ścianie agregatu. Moce generatorów są małe, tj. łącznie są w stanie wygenerować jedynie 50-60 W przy napięciu 12 V.

Zasadnicza budowa pieca “Indigirka” umożliwia nie tylko ogrzewanie pomieszczenia, ale także gotowanie potraw na palniku. Uzupełnieniem systemu są dwa generatory ciepła o mocy 50-60 W na 12 V.

W tym kotle zastosowano metodę Zebeka, opartą na wytwarzaniu siły elektromotorycznej w zamkniętym obwodzie elektrycznym. Składa się ona z dwóch różnych rodzajów materiałów i utrzymuje punkty styku w różnych temperaturach. Oznacza to, że projektanci również wykorzystują ciepło wytwarzane przez kocioł do produkcji energii elektrycznej.

Porównanie efektywności pracy kotłów

Porównując przedstawione rodzaje kotłów, które nie tylko ogrzewają pomieszczenie (podgrzewają czynnik grzewczy), ale także wytwarzają energię elektryczną dzięki wykorzystaniu wydzielanego ciepła, należy zwrócić uwagę na ważne aspekty podczas eksploatacji.

Zarówno firma NAVIEN, jak i firma Viessmann promują swoje kotły, wskazując na niewątpliwe zalety – pełną automatyzację procesu, brak konieczności napraw serwisowych oraz ogólnie brak jakiejkolwiek ingerencji ze strony kupującego po uruchomieniu urządzenia.

Do pracy tych kotłów potrzebna jest tylko stabilna praca systemu oraz stałe dostawy gazu (czy to z sieci gazowej, instalacja butlowa z gazem skroplonym, czy zbiornik na gaz). Odpowiednio, do pracy kotłów stosuje się gaz ziemny, który po spaleniu nie szkodzi środowisku.

W zasadzie prawie to samo można powiedzieć o piecu grzewczym „Indigirka”, z tym że rodzaj paliwa to nie gaz, ale drewno, pellety lub sprasowane trociny.

Całkowity brak automatyki, która wymaga dostępu do prądu. System wytwarzania energii elektrycznej i sam kocioł nie wpływają na siebie nawzajem, tj. w przypadku awarii systemu generowania prądu, kocioł nadal spełnia swoje funkcje.

Wszystkie te gazowe agregaty grzewcze, pod których palnikami znajdują się silniki Stirlinga, wytwarzają energię elektryczną, którą można wykorzystać do różnych celów.

Kotły firm NAVIEN i Viessmann nie mogą się “pochwalić” podobnym rozwiązaniem, ponieważ silnik systemu Stirlinga jest wbudowany bezpośrednio w konstrukcję kotła. Jednak na ile opłacalne są takie systemy i po jakim czasie zwróci się podobny kocioł? Tym pytaniem warto się szczegółowo zająć.

Rentowność rozpatrywanych systemów

Na pierwszy rzut oka kotły firm NAVIEN i Viessmann to praktycznie mini-elektrociepłownie w warunkach domu jednorodzinnego, a nawet mieszkania.

Nawet pomimo dużych gabarytów, możliwość wytwarzania energii elektrycznej po prostu przez użytkowanie kotła do podgrzewania bojlera lub ogrzewania pomieszczeń powinna skłonić kupującego do bez wahania zainstalowania takiego „cudu techniki”.

Przy bliższym przyjrzeniu się kotłowi firmy NAVIEN pojawiają się pytania wymagające odpowiedzi. Przy deklarowanej mocy 1 kW (wolnej mocy, którą można wykorzystać według własnego uznania), kocioł zużywa dość znacznie energię elektryczną podczas pracy systemu.

Co to oznacza? Przede wszystkim praca automatyki – choć potrzebna jest niewielka moc, jest ona niezbędna do działania wentylatora i pompy obiegowej. Wymienione urządzenia łącznie mogą nie tylko z powodzeniem zużyć ten kilowat energii, ale może go też zabraknąć przy „rozruchu” systemu.

Schemat ideowy systemu grzewczego firmy Vissmann Vitotwin 350F z podłogowym bojlerem o pojemności 175 l. System umożliwia zarówno korzystanie z energii elektrycznej z zewnętrznego źródła, jak i oddawanie nadwyżki wyprodukowanej energii elektrycznej do sieci ogólnej.

Dokładnie takie same pytania pojawiają się w przypadku kotłów firmy Viessmann, ale tutaj przynajmniej nie deklarowano możliwości pozyskiwania energii elektrycznej na własne potrzeby. Mówiono jedynie o możliwości autonomicznej pracy systemu przy braku zewnętrznego zasilania.

Jednocześnie twórcy wskazują, że „system może wymagać dodatkowej mocy elektrycznej przy szczytowych obciążeniach”. W obliczu deklarowanych 3500 kWh wyprodukowanej energii elektrycznej rocznie, ten niuans już budzi wątpliwości, a za pomocą prostych obliczeń otrzymujemy, co następuje:

3500:6 (miesięcy standardowego sezonu grzewczego):30 (30 dni kalendarzowych średnio):24 (24 godziny na dobę) = 0,81 kWh.

To znaczy, że kocioł przy stabilnej (ciągłej) pracy wytwarza około 800 W, ale ile pobiera sam system w trakcie pracy? Być może te same 800 W, a być może więcej.

Ponadto energia elektryczna jest wytwarzana tylko podczas pracy palnika. To znaczy, wymagana jest albo ciągła praca systemu, albo wszystko jest nieco inne, niż mówią twórcy systemu.

Do czego prowadziły te obliczenia? System kotła na drewno rzeczywiście oddaje swoje 50 Wh (czyli 0,05 kWh), które można wykorzystać do ładowania tabletu, telefonu itp., nawet do zwykłej „dyżurnej żarówki LED”. W przeciwieństwie do opracowań dwóch firm o światowej renomie, opisane produkty wyraźnie bardziej przypominają dobry chwyt marketingowy i nic więcej.

Jeśli chodzi o politykę cenową tych systemów, trudno w ogóle cokolwiek ocenić. Ponieważ nawet producenci Viessmann i NAVIEN od razu zastrzegają, że urządzenie „nie wymaga serwisowania”. W tłumaczeniu na prosty język – jeśli się zepsuje, należy wymienić cały agregat.

Może to dotyczyć nie całego systemu, ale poszczególnych podzespołów: silnika Stirlinga, układu palnika gazowego itd. W rezultacie uzyskamy dość znaczną kwotę. Zakładając, że średnia cena tych systemów wynosi około 12 tys. euro lub 13,5 tys. dolarów. Schemat pracy kotła z generatorem, to w takiej sytuacji zyskać może jedynie producent systemów.

Piec “Indigirka” nie może w ogóle uczestniczyć w porównaniu, nie tylko dlatego, że rodzaj paliwa to nie gaz, a cena jest nieporównywalna (15 razy mniejsza), ale dlatego, że piec jest pozycjonowany nie do użytku domowego, a bardziej do podróży, wypraw itp.

Jeżeli w Europie sytuacja związana z nośnikami energii w znacznym stopniu wpływa na wybór konsumenta (przy wyborze systemów grzewczych lub zasilania energią) z punktu widzenia ekonomiczności i ekologiczności, to państwa UE stymulują to poprzez subsydiowanie wdrażania takich systemów.

Dla odbiorcy domowego w Rosji takie systemy będą najprawdopodobniej zbyt drogie, zarówno początkowo “system+instalacja”, jak i w trakcie eksploatacji.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Zasada działania silnika Stirlinga, wyposażającego kocioł gazowy:

Demonstracja pracy kotła gazowego z generatorem energii elektrycznej:

Przykład pieca na drewno z generatorem prądu dla porównania z agregatem gazowym:

Nie należy zapominać, że europejskie firmy energetyczne są dość lojalne wobec “producentów” energooszczędnego sprzętu.

W Rosji możliwość wytwarzania i przesyłania do sieci energii elektrycznej przez odbiorcę domowego nie tylko nie jest prawnie uregulowana, ale także nie jest mile widziana przez firmy sieciowe. Dlatego przedstawione systemy mają niewielkie szanse na zastosowanie w warunkach Federacji Rosyjskiej na dzień dzisiejszy.

Prosimy o komentowanie przedłożonego artykułu w bloku formularza znajdującego się poniżej, zadawanie pytań, zamieszczanie zdjęć na ten temat. Prosimy opowiedzieć, czy znane są Państwu kotły z elektrogenerującymi systemami. Prosimy podzielić się użytecznymi informacjami, które przydadzą się odwiedzającym stronę.