Plinski kotel z električnim generatorjem: naprava, načelo delovanja, pregled najboljših blagovnih znamk

Skrbno ravnanje z energijskimi viri narekuje predvsem to, da so praktično vse naravne zaloge omejene. Gospodarna poraba vseh vrst goriva zahteva razvoj novih sistemov ali pa korenito posodobitev obstoječih.

Tako je plinski kotel z električnim generatorjem – ena od vrst hibridnih sistemov, ki omogočajo smotrno upravljanje z modrim gorivom. Seznanili vas bomo z načelom delovanja opreme, ki poleg toplotne energije proizvaja tudi električno. Predstavili bomo tipične modele hibridnih enot.

Učinkovita poraba energijskih virov

Tudi navaden uporabnik, ki ima nameščen plinski kotel za ogrevanje stanovanja, se lahko sprašuje o smiselnosti uporabe toplotne energije. Res, saj pri zgorevanju plina v kotlu ni vsa sproščena toplota uporabljena.

Pri delovanju ogrevalnega sistema vedno nepovratno izgubimo nekaj toplote. Običajno se to zgodi pri izpustu produktov zgorevanja iz kotla v ozračje. To je dejansko izgubljena energija, ki bi ji lahko našli uporabo.

O čem natančno gre? O možnosti uporabe zaman “zavržene” toplote pri proizvodnji električne energije.

Če izhajamo iz tega, da je sistem ogrevalnega kotla že tako optimiziran za maksimalno povečanje izkoristka, potem «zavržena» energija še vedno predstavlja pomemben delež energije, ki se sprosti pri zgorevanju goriva.

Vrste goriva so lahko različne, od navadnega lesa in raznih briketov do najbolj ekonomičnih možnosti: zemeljskega plina s prevlado metana, umetnega modrega goriva in propan-butanskih utekočinjenih mešanic.

Morda se zdi, da to še zdaleč ni «odkritje Amerike», v resnici pa tehnologija, ki jo je že leta 1943 razvil Robert Stirling, natančneje, naprava obstaja. Njene konstrukcijske značilnosti in osnovno načelo delovanja omogočajo, da ta sistem uvrščamo med motorje z notranjim zgorevanjem.

Zakaj torej ta naprava ni bila uporabljena tako dolgo časa? Odgovor je preprost – teoretični razvoj tehnologije v štiridesetih letih prejšnjega stoletja se je v praksi izkazal za zelo okornega.

Tehnologije in materiali, ki so obstajali v času razvoja, niso omogočali zmanjšanja velikosti naprave, obstoječe metode proizvodnje električne energije pa so bile bolj donosne.

Vključitev naprave, ki predeluje nekoristno porabljeno toploto v električno energijo, v shemo plinskega kotla omogoča bistveno povečanje izkoristka naprave za predelavo plina.

Kaj nas danes lahko spodbudi k bolj skrbnemu ravnanju z viri, ki ne spadajo v kategorijo obnovljivih? Trenutno obstaja skupen problem po vsem svetu – razvoj tehnologij neizogibno vodi v povečanje porabe električne energije.

Povečanje porabe poteka tako hitro, da omrežna podjetja ne uspejo posodobiti sistemov za prenos električne energije, da ne omenjamo proizvodnje. Takšna situacija neizogibno vodi do okvar elementov sistemov za oskrbo z elektriko, v nekaterih primerih pa se to lahko dogaja z zavidljivo rednostjo.

Sodobni ogrevalni kotli so opremljeni s krmilnimi sistemi, ki so prav tako odvisni od energije. Električno napajanje potrebujejo obtočna črpalka, senzorji, avtomatika, sama plošča. Celoten nabor naprav ne more ne vzbujati skrbi glede ohranjanja delovanja ob izpadu električne energije.

Prisilnih ogrevalnih sistemov ni mogoče zagnati brez električne energije. Izpad električnega napajanja v ogrevalni sezoni je zanje skoraj katastrofalen. Ne samo, da bo to neizogibno privedlo do hitrega ohlajanja prostora, pri dalj časa nedelujočem ogrevanju je možno zmrzovanje kroga.

Dolgotrajna odsotnost delovanja ogrevalnega sistema v hladnem obdobju leta privede do zmrzovanja ogrevalnega sistema, do nastanka ledenih čepov in posledično do poškodbe opreme in ogrevalnih cevi zaradi razpoke.

Standardne obstoječe možnosti rešitve vprašanja – namestitev brezprekinitvenih virov napajanja, generatorjev vseh vrst modifikacij (plinski, bencinski, dizelski generatorji ali netradicionalni viri – vetrne turbine ali mini TE, HE).

Vendar ta način rešitve ni sprejemljiv za vse, saj mnogi težko določijo prostor za namestitev avtonomnega dobavitelja električne energije.

Če lahko prebivalci individualnih hiš še dodelijo prostor za generator, je za namestitev v večnadstropni stavbi to praktično nemogoče. Tako se izkaže, da so prebivalci večstanovanjskih stavb s sistemom individualnega ogrevanja prvi, ki bodo trpeli ob izpadu elektrike.

Prav zaradi tega so se podjetja, ki proizvajajo komponente za sestavo ogrevalnih sistemov, najprej vprašala o polni uporabi toplote, ki jo ogrevalni sistem »zavrže«. Začela so razmišljati o tem, kako bi to brezciljno porabljeno substanco uporabili za proizvodnjo električne energije.

Izmed znanih tehnologij so razvijalci izbrali »dobro pozabljeno« Stirlingovo napravo; sodobne tehnologije omogočajo povečanje njene učinkovitosti, hkrati pa ohranjajo kompaktne mere.

Načelo delovanja Stirlingovega motorja – gibanje bata motorja navzdol in navzgor. Motor deluje skoraj neslišno in ne povzroča tresljajev opreme.

Načelo delovanja Stirlingove naprave temelji na uporabi segrevanja in ohlajanja delovnega telesa, kar posledično poganja mehanizem, ki proizvaja električno energijo.

Znotraj bata (zaprtega) se nahaja vbrizgan plin; pri segrevanju se plinasta snov razširi in premakne bat v eno smer, po ohlajanju v hladilniku se stisne in premakne bat v drugo smer.

Pregled proizvajalcev kotlov z generatorjem

Poglejmo na konkretnih primerih sisteme gospodinjskih kotlov, ki obstajajo danes, v katerih je bil načel uporabe izpušnih plinov (produktov zgorevanja) za proizvodnjo električne energije uspešno uresničen. Južnokorejsko podjetje NAVIEN je uspešno uresničilo zgoraj omenjeno tehnologijo v kotlu znamke HYBRIGEN SE.

V kotlu se uporablja Stirlingov motor, ki v skladu s podatki iz potnega lista med delovanjem proizvaja električno energijo z močjo 1000 W (ali 1 kW) in napetostjo 12 V. Razvijalci trdijo, da se lahko proizvedena električna energija uporablja za napajanje gospodinjskih aparatov.

Takšna moč bi morala zadostovati za napajanje gospodinjskega hladilnika (približno 0,1 kW), osebnega računalnika (približno 0,4 kW), LCD televizorja (približno 0,2 kW) in do 12 LED žarnic z močjo po 25 W vsaka.

Kotel serije hybrigen se podjetja navien z vgrajenim generatorjem in motorjem Stirlingovega sistema. Pri delovanju kotla se poleg osnovnih funkcij proizvaja električna energija približno 1000 W moči.

Med evropskimi proizvajalci se s tem področjem ukvarja podjetje Viessmann. Viessmann ima možnost ponuditi potrošniku v izbiro dva modela kotlov serije Vitotwin 300W in Vitotwin 350F.

Model Vitotwin 300W je bil prvi razvoj v navedeni smeri. Odlikuje ga precej kompaktna izvedba in je po videzu zelo podoben običajnemu stenskemu plinskemu kotlu. Res pa so bili prav pri uporabi prvega modela ugotovljeni »šibki« deli v delovanju motorja Stirlingovega sistema.

Največja težava se je izkazala za odvajanje toplote, osnova delovanja naprave pa je segrevanje in hlajenje. T.j. razvijalci so se soočili z istim problemom, s katerim se je soočil Stirling v štiridesetih letih prejšnjega stoletja – učinkovito hlajenje, ki ga je mogoče doseči le pri velikih dimenzijah hladilnika.

Prav zato se je pojavil model kotla Vitotwin 350F, ki ni vključeval le plinskega kotla z generatorjem elektrike, ampak tudi vgradni bojler s prostornino 175 l.

Akumulacijski rezervoar za toplo vodo je izveden v talni različici zaradi velike teže tako same opreme kot tekočine, pripravljene za sanitarne namene.

V tem primeru je bil problem hlajenja bata Stirlingove naprave precej učinkovito rešen s pomočjo vode v bojlerju. Vendar je rešitev privedla do povečanja gabaritnih mer in teže naprave. Tovrsten sistem ni več mogoče montirati na steno kot običajni plinski kotel, ampak je lahko le talni.

Kotli podjetja Viessmann omogočajo napajanje sistemov delovanja kotla iz zunanjega vira, t.j. iz omrežja centralne električne preskrbe. Podjetje Viessmann je opremo pozicioniralo kot napravo, ki zagotavlja lastne potrebe (delovanje agregatov kotla) brez možnosti odvzema presežne električne energije za gospodinjsko porabo.

Sistem Vitotwin F350 – kotel z bojlerjem za ogrevanje vode s prostornino 175 l. Sistem omogoča ogrevanje prostora, zagotavlja toplo vodo in proizvaja električno energijo.

Da bi lahko primerjali učinkovitost uporabe generatorjev, vgrajenih v ogrevalni sistem, velja preučiti kotel, ki sta ga razvili podjetjema «TERMOFOR» (Republika Belorusija) in «Krioterm» (Rusija, mesto Sankt Peterburg).

Ni jih vredno preučiti zato, ker bodo lahko na nek način konkurirale zgoraj navedenim sistemom, ampak za primerjavo principov delovanja in učinkovitosti pridobivanja električne energije. Ti kotli kot gorivo uporabljajo le drva, stisnjene žagovine ali brikete na osnovi lesa, zato jih ni mogoče postaviti v isti rang z modeli podjetij NAVIEN in Viessmann.

Kotel, imenovan «Ogrevalna peč «Indigirka», je namenjen dolgotrajnemu ogrevanju z drvi in podobnim, vendar je opremljen z dvema termičnima generatorjema elektrike tipa TEG 30-12. Nameščena sta na stranski steni agregata. Moči generatorjev sta majhni, t.j. skupaj lahko proizvedeta le 50-60 W pri napetosti 12 V.

Principialno delovanje peči “Indigirka” omogoča ne samo ogrevanje prostora, ampak tudi kuhanje na gorilniku. Dodatek sistema – dva toplotna generatorja na 12V z močjo 50-60W.

V tem kotlu je našel uporabo Seebeckov pojav, ki temelji na nastajanju EMS v sklenjenem električnem krogu. Sestavljen je iz dveh različnih vrst materiala in vzdržuje kontaktne točke pri različnih temperaturah. Torej razvijalci prav tako uporabljajo toploto, ki jo sprošča kotel, za proizvodnjo električne energije.

Primerjava učinkovitosti delovanja kotlov

Če primerjamo predstavljene vrste kotlov, ki ne samo ogrevajo prostor (segrevajo toplotni nosilec), ampak tudi proizvajajo električno energijo z uporabo sproščene toplote, je treba pri obratovanju upoštevati pomembne vidike.

Tako podjetje NAVIEN kot podjetje Viessmann pozicionirata svoje kotle in navajata nedvomne prednosti – popolno avtomatizacijo procesa, odsotnost potrebe po servisnem popravilu in sploh popolno odsotnost kakršnega koli posega s strani kupca po zagonu.

Za delovanje teh kotlov je potrebno le stabilno delovanje sistema, stabilna prisotnost plina (bodisi magistralne oskrbe, namestitev jeklenke z utekočinjenim plinom ali plinski rezervoar). Skladno s tem se za delovanje kotlov uporablja gospodinjski plin, ki po zgorevanju ne škodi okolju.

Načeloma lahko skoraj enako rečemo tudi za ogrevalno peč «Indigirka», le da je tukaj vrsta goriva ne plin, ampak drva, peleti ali stisnjene žagovine.

Popolna odsotnost avtomatike, ki zahteva prisotnost elektrike. Sistem proizvodnje električne energije in samega kotla ne vplivata drug na drugega, tj. če sistem za proizvodnjo električne energije odpove, kotel še naprej opravlja svoje funkcije.

Vsi ti plinsko predelovalni ogrevalni agregati, pod katerih gorilniki so nameščeni Stirlingovi motorji, proizvajajo električno energijo, ki jo je mogoče uporabiti za različne namene.

Kotla podjetij NAVIEN in Viessmann se ne moreta “pohvaliti” s čim podobnim, saj je Stirlingov motor sistema vgrajen neposredno v zgradbo kotla. Toda kako donosni so takšni sistemi in v kakšnem času se bo takšen kotel povrnil? To vprašanje je vredno podrobneje preučiti.

Rentabilnost obravnavanih sistemov

Na prvi pogled sta kotla podjetij NAVIEN in Viessmann skoraj mini elektrarna v pogojih zasebne hiše ali celo stanovanja.

Tudi kljub velikim gabaritnim dimenzijam bi morala možnost proizvajati električno energijo kar z uporabo kotla za ogrevanje grelnika vode ali ogrevanje prostorov spodbuditi kupca, da brez oklevanja namesti takšen «čudež tehnike».

Ob podrobnejšem pregledu kotla podjetja NAVIEN se pojavijo vprašanja, ki zahtevajo odgovor. Pri deklarirani moči 1 kW (prosta moč, ki jo lahko uporabite po svoji presoji) kotel precej opazno porablja električno energijo med delovanjem sistema.

Kaj se misli s tem? Vsaj delovanje avtomatike, čeprav je potrebna majhna moč, je potrebna za delovanje ventilatorja in obtočne črpalke. Našete naprave skupaj ne morejo le uspešno porabiti tega kilovata energije, ampak ga morda celo ne bo dovolj pri »pospeševanju« sistema.

Principialna shema ogrevalnega sistema podjetja Vissmann Vitotwin 350F s talnim bojlerjem 175 l. Sistem omogoča tako uporabo električne energije iz zunanjega vira kot tudi oddajanje presežka proizvedene električne energije v skupno omrežje.

Povsem enaka vprašanja se pojavljajo tudi pri kotlih podjetja Viessmann, vendar tukaj vsaj ni bila deklarirana možnost pridobivanja električne energije za lastne potrebe. Navedena je bila le možnost avtonomnega delovanja sistema v odsotnosti zunanje oskrbe.

Čeprav takoj nato razvijalci navajajo, da »sistem lahko zahteva dodatno električno moč pri konicah obremenitve«. Glede na deklariranih 3500 kWh proizvedene električne energije na leto ta podrobnost že vzbuja dvom, s preprostimi izračuni pa dobimo naslednje:

3500:6 (mesecev standardne kurilne sezone):30 (30 koledarskih dni v povprečju):24 (24 ur na dan) = 0,81 kWh.

To pomeni, da kotel pri stabilnem (stalnem) delovanju proizvede približno 800 W, toda koliko porabi sam sistem med delovanjem? Morda prav teh 800 W, morda pa tudi več.

Poleg tega se električna energija proizvaja le med delovanjem gorilnika. To pomeni, da je potrebno bodisi stalno delovanje sistema bodisi je vse nekoliko drugače, kot pripovedujejo razvijalci sistema.

Čemu so bili ti izračuni? Sistem kotla na drva dejansko oddaja svojih 50 Wh (ali 0,05 kWh), ki jih lahko uporabimo za polnjenje tablice, telefona ipd., celo za običajno »stanjsko LED žarnico«. V nasprotju z razvojem dveh svetovno znanih podjetij pa opisani razvoji očitno bolj spominjajo na dober marketinški trik in nič več.

Kar zadeva cenovno politiko za te sisteme, je tu sploh težko kaj oceniti. Ker tudi proizvajalca Viessmann in NAVIEN takoj poudarjata, da oprema »ne zahteva vzdrževanja«. V prevodu v preprost jezik – če se pokvari, pomeni, da je treba agregat v celoti zamenjati.

To se lahko nanaša ne na celoten sistem, temveč na posamezne sklope: Stirlingovega motorja, sistema plinskega gorilnika itd. Posledično bo znesek precej visok. Če izhajamo iz tega, da povprečna cena za te sisteme znaša približno 12 tisoč evrov ali 13,5 tisoč $. Shema delovanja kotla z generatorjem, potem lahko v takšni situaciji zmaga le proizvajalec sistemov.

Peč “Indigirka” sploh ne more sodelovati v primerjavi, ne samo zato, ker vrsta goriva ni plin in cena ni primerljiva (15-krat nižja), ampak zato, ker je peč namenjena ne za domačo uporabo, ampak bolj za potovanja, odprave in podobno.

Če v Evropi stanje glede energentov precej pomembno vpliva na izbiro potrošnika (pri izbiri ogrevalnih sistemov ali oskrbe z energijo) z vidika ekonomičnosti in okolju prijaznosti, potem države EU to spodbujajo s subvencioniranjem uvajanja takšnih sistemov.

Za gospodinjskega potrošnika v Rusiji bodo takšni sistemi najverjetneje predragi, tako na začetku (“sistem+namestitev”) kot med uporabo.

Zaključki in koristen video na to temo

Načelo delovanja Stirlingovega motorja, ki opremlja plinski kotel:

Prikaz delovanja plinskega kotla z električnim generatorjem:

Primer peči na drva z generatorjem električne energije za primerjavo s plinsko enoto:

Ne smemo pozabiti, da so evropska energetska podjetja precej naklonjena “proizvajalcem” energetsko učinkovite opreme.

V Rusiji možnost proizvodnje in oddajanja električne energije v omrežje s strani gospodinjskega potrošnika ni le zakonsko določena, ampak tudi ni dobrodošla s strani omrežnih podjetij. Zato imajo predstavljeni sistemi danes v Ruski federaciji verjetno malo resničnih možnosti za uporabo.

Prosimo, komentirajte članek, ki ga obravnavamo, v spodnji blok obrazcu, postavljajte vprašanja, objavite fotografije na to temo. Povejte, ali ste seznanjeni s kotli z elektrogeneracijskimi sistemi. Delite koristne informacije, ki bodo v pomoč obiskovalcem spletnega mesta.