Plynový kotol s elektrogenerátorom: konštrukcia, princíp činnosti, prehľad najlepších značiek

Šetrný vzťah k energetickým zdrojom je diktovaný v prvom rade tým, že prakticky všetky prírodné zásoby nie sú nekonečné. Hospodárne využívanie všetkých druhov palív si vyžaduje vývoj nových systémov alebo radikálne modernizovanie existujúcich.

Tak, plynový kotol s elektrogenerátorom – je to jeden z druhov hybridných systémov, ktoré umožňujú rozumne hospodáriť s modrým palivom. Oboznámime vás s princípom činnosti zariadenia, ktoré popri tepelnej energii vyrába aj elektrickú. Predstavíme typické modely hybridných agregátov.

Efektívna spotreba energetických zdrojov

Aj bežný občan, ktorý má inštalovaný plynový kotol na vykurovanie domu, si môže klásť otázku o racionalite využívania tepelnej energie. Skutočne, veď pri spaľovaní plynu v kotle sa ani zďaleka nevyužíva všetko uvoľnené teplo.

Vždy pri prevádzke vykurovacieho systému sa nejaká časť tepla nenávratne stráca. Zvyčajne sa tak deje pri vypúšťaní splodín horenia z kotla do atmosféry. V skutočnosti je to stratená energia, ktorá by mohla nájsť využitie.

O čo konkrétne ide? O možnosti využitia nadarmo “vyhodeného” tepla pri výrobe elektrickej energie.

Ak vychádzame z toho, že systém vykurovacieho kotla je už optimalizovaný s cieľom maximálneho zvýšenia účinnosti, potom «vyhadzovaná» energia aj tak tvorí významný podiel energie, ktorá sa uvoľňuje pri spaľovaní paliva.

Druhy paliva môžu byť rôzne, počnúc banálnym drevom a všetkými možnými briketami, končiac najhospodárnejšími variantmi: zemným plynom s prevahou metánu v zložení, umelým modrým palivom a propán-butánovými skvapalnenými zmesami.

Môže sa zdať, že to nie je žiaden «objav Ameriky», ale v skutočnosti technológia vyvinutá už v ďalekom roku 1943 Robertom Stirlingom, presnejšie povedané, zariadenie existuje. Jej konštrukčné vlastnosti a základný princíp činnosti umožňujú zaradiť tento systém medzi motory s vnútorným spaľovaním.

Prečo sa potom toto zariadenie nepoužívalo po tak dlhý čas? Odpoveď je jednoduchá – teoretický vývoj technológie v štyridsiatych rokoch minulého storočia sa v praxi ukázal ako veľmi ťažkopádny.

Technológie a materiály, ktoré existovali v čase vývoja, neumožňovali zmenšiť rozmery zariadenia a vtedajšie metódy výroby elektrickej energie boli rentabilnejšie.

Zaradenie do schémy plynového kotla zariadenia, ktoré premieňa zbytočne spotrebované teplo na elektrickú energiu, umožňuje výrazne zvýšiť účinnosť zariadenia na spracovanie plynu.

Čo nás dnes môže prinútiť zamyslieť sa nad šetrnejším prístupom k neobnoviteľným zdrojom? V súčasnosti existuje celosvetový problém – rozvoj technológií nevyhnutne vedie k zvýšeniu spotreby elektrickej energie.

Nárast spotreby prebieha takým prudkým tempom, že sieťové spoločnosti nestíhajú modernizovať systémy prenosu elektrickej energie, nehovoriac o výrobe. Takáto situácia nevyhnutne vedie k tomu, že prvky systémov elektrického napájania zlyhávajú, a v niektorých prípadoch sa to môže diať so závideniahodnou pravidelnosťou.

Moderné vykurovacie kotly sú vybavené riadiacimi systémami, ktoré sú tiež závislé od elektriny. Na elektrické napájanie sú potrebné obehové čerpadlo, snímače, automatika, samotný panel. Celý súbor zariadení nemôže nevyvolávať obavy o zachovanie funkčnosti pri výpadku elektriny.

Nútené vykurovacie systémy nie je možné spustiť bez elektriny. Výpadok napájania počas vykurovacej sezóny je pre ne prakticky katastrofický. Nielenže to nevyhnutne povedie k rýchlemu ochladeniu miestnosti, ale pri dlhodobo nefunkčnom vykurovaní je možné zamrznutie okruhu.

Dlhodobá nefunkčnosť vykurovacieho systému v chladnom období vedie k zamrznutiu vykurovacieho systému, k vzniku ľadových zátok a v konečnom dôsledku k poškodeniu zariadenia a vykurovacích potrubí v dôsledku prasknutia.

Štandardné existujúce možnosti riešenia – inštalácia zdrojov neprerušovaného napájania, generátorov všetkých modifikácií (plynové, benzínové, dieselové generátory alebo netradičné zdroje – veterné generátory alebo mini tepelné elektrárne, vodné elektrárne).

Tento spôsob riešenia však nie je prijateľný pre každého, pretože mnohí ťažko vymedzia miesto na inštaláciu autonómneho dodávateľa elektriny.

Ak si obyvatelia rodinných domov ešte môžu vyhradiť miesto pre generátor, v bytovom dome je to prakticky nemožné. Takže vychádza, že obyvatelia bytových domov s individuálnym vykurovacím systémom sú tí prví, ktorí utrpia pri výpadku elektriny.

Práve preto sa v prvom rade spoločnosti, ktoré vyrábajú komponenty na zostavenie vykurovacích systémov, začali zaoberať otázkou plnohodnotného využitia tepla, ktoré vykurovací systém „vyhadzuje“. Zamysleli sa nad tým, ako neúčelne plytvanú substanciu použiť na generovanie elektrickej energie.

Zo známych technológií si vývojári vybrali „dobre zabudnuté“ Stirlingovo zariadenie, moderné technológie umožňujú zvýšiť jeho účinnosť pri zachovaní kompaktných rozmerov.

Princíp činnosti Stirlingovho motora – pohyb piestu motora nadol a nahor. Motor pracuje takmer bezhlukovo a nespôsobuje vibrácie zariadenia.

Princíp činnosti Stirlingovho zariadenia je založený na využívaní ohrevu a chladenia pracovnej látky, čo následne uvádza do pohybu mechanizmus, ktorý vyrába elektrickú energiu.

Vo vnútri piestu (uzavretého) sa nachádza natlačený plyn, pri zahriatí sa plynná látka rozťahuje a posúva piest jedným smerom, po ochladení v chladiči sa stláča a posúva piest druhým smerom.

Prehľad výrobcov kotlov s generátorom

Pozrime sa na konkrétne príklady systémov domácich kotlov, ktoré v súčasnosti existujú, v ktorých bol úspešne realizovaný princíp využitia výfukových plynov (produktov horenia) na výrobu elektrickej energie. Juhokórejská firma NAVIEN úspešne realizovala vyššie uvedenú technológiu v kotle značky HYBRIGEN SE.

V kotle sa používa Stirlingov motor, ktorý podľa pasových údajov počas prevádzky vyrába elektrickú energiu s výkonom 1000W (alebo 1kW) a napätím 12V. Vývojári tvrdia, že vyrobenú elektrickú energiu je možné použiť na napájanie domácich spotrebičov.

Takýto výkon by mal stačiť na napájanie domácej chladničky (približne 0,1kW), osobného počítača (okolo 0,4kW), LCD televízora (okolo 0,2kW) a až 12 LED žiaroviek s výkonom po 25W.

Kotol série hybrigen se spoločnosti navien so vstavaným generátorom a motorom systému Stirling. Pri prevádzke kotla okrem hlavných funkcií vyrába elektrickú energiu rádovo 1000W výkonu.

Z európskych výrobcov sa vývojom v tomto smere zaoberá spoločnosť Viessmann. Viessmann má možnosť ponúknuť spotrebiteľovi na výber dva modely kotlov série Vitotwin 300W a Vitotwin 350F.

Model Vitotwin 300W bol prvým vývojom v uvedenom smere. Vyznačuje sa pomerne kompaktným prevedením a navonok veľmi podobá bežnému závesnému plynovému kotlu. Pravdaže práve pri prevádzke prvého modelu boli určené „slabé“ miesta v činnosti motora systému Stirling.

Najväčším problémom sa ukázal byť odvod tepla, základ práce zariadenia – ohrev a ochladenie. Teda vývojári narazili na ten istý problém, na ktorý narazil Stirling v štyridsiatych rokoch minulého storočia – efektívne ochladenie, ktoré možno dosiahnuť len pri značných rozmeroch chladiča.

Práve preto vznikla model kotla Vitotwin 350F, ktorý zahŕňal už nielen plynový kotol s generátorom elektriny, ale aj vstavaný bojler na 175 l.

Akumulačná nádrž na horúcu vodu sa vyhotovuje v podlahovom variante z dôvodu veľkej hmotnosti ako samotného zariadenia, tak aj kvapaliny pripravovanej na hygienické účely.

V tomto prípade bol celkom efektívne vyriešený problém chladenia piesta Stirlingovej jednotky pomocou vody v bojleri. Riešenie však viedlo k tomu, že sa zväčšili celkové rozmery a hmotnosť jednotky. Takýto systém sa už nedá upevniť na stenu ako bežný plynový kotol a môže byť len podlahový.

Kotly spoločnosti Viessmann umožňujú možnosť dopĺňania systémov prevádzky kotla z externého zdroja, teda z verejnej elektrickej siete. Spoločnosť Viessmann pozicionovala zariadenie ako zariadenie, ktoré zabezpečuje vlastné potreby (prevádzku agregátov kotla) bez možnosti odoberania prebytku elektrickej energie na domácu spotrebu.

Systém Vitotwin F350 – kotol s bojlerom na ohrev vody s objemom 175 l. Systém umožňuje vykurovať miestnosť, zabezpečuje teplú vodu a vyrába elektrickú energiu.

Aby bolo možné porovnať účinnosť použitia generátorov zabudovaných do vykurovacieho systému. Stojí za to pozrieť sa na kotol, ktorý vyvinuli spoločnosti «Termofor» (Bieloruská republika) a spoločnosť «Krioterm» (Rusko, m. Sankt Peterburg).

Pozrieť sa na ne stojí nie preto, že by nejakým spôsobom konkurovali vyššie uvedeným systémom, ale pre porovnanie princípov práce a účinnosti získavania elektrickej energie. Tieto kotly ako palivo používajú iba drevo, lisované piliny alebo brikety na báze dreva, preto ich nemožno stavať do jednej línie s modelmi firiem NAVIEN a Viessmann.

Kotol nazvaný «Kúrenárska pec «Indigirka» je zameraný na dlhodobé vykurovanie drevom a pod., ale je vybavený dvomi termickými generátormi elektriny typu TEG 30-12. Sú umiestnené na bočnej stene agregátu. Výkony generátorov sú malé, teda v súčte sú schopné generovať iba 50-60 W pri napätí 12 V.

Principiálne zariadenie pece “Indigirka” umožňuje nielen vykurovať miestnosť, ale aj variť jedlo na varnej doske. Doplnenie systému – dva tepelné generátory na 12V s výkonom 50-60W.

V tomto kotli našla uplatnenie Seebeckova metóda, založená na tvorbe elektromotorického napätia v uzavretom elektrickom obvode. Skladá sa z dvoch rôznorodých druhov materiálu a udržiava kontaktné body pri rôznych teplotách. T.j. vývojári tiež využívajú teplo uvoľňované kotlom na výrobu elektrickej energie.

Porovnanie efektívnosti kotlov

Pri porovnávaní predstavených typov kotlov, ktoré nielen vykurovajú miestnosť (ohrievajú teplonosnú látku), ale aj vyrábajú elektrickú energiu vďaka využitiu uvoľneného tepla, je potrebné venovať pozornosť dôležitým aspektom pri prevádzke.

Rovnako spoločnosť NAVIEN, ako aj spoločnosť Viessmann prezentujú svoje kotly s poukázaním na nesporné výhody – úplná automatizácia procesu, absencia potreby servisnej opravy a vôbec úplná absencia zásahu po spustení do prevádzky zo strany kupujúceho.

Na prevádzku týchto kotlov je potrebná len stabilná prevádzka systému a stabilná prítomnosť plynu (či už ide o diaľkové dodávky, inštaláciu fľaše so skvapalneným plynom alebo zásobník na plyn). V súlade s tým sa na prevádzku kotlov používa domáci plyn, ktorý po spaľovaní nepredstavuje nebezpečenstvo pre životné prostredie.

V zásade možno takmer to isté povedať aj o vykurovacej peci «Indigirka», len druh paliva tu nie je plyn, ale drevo, pelety alebo lisované piliny.

Úplná absencia automatiky, ktorá vyžaduje prítomnosť elektriny. Systém výroby elektrickej energie a samotného kotla navzájom neovplyvňujú svoju činnosť, t.j. pri poruche systému výroby elektrickej energie kotol naďalej plní svoje funkcie.

Všetky tieto plynové vykurovacie agregáty, pod horákmi ktorých sú umiestnené Stirlingove motory, vyrábajú elektrickú energiu, ktorú možno použiť na rôzne účely.

Kotly spoločností NAVIEN a Viessmann sa nebudú môcť “pochváliť sa” podobným, pretože motor Stirlingovho systému je priamo vstavaný do konštrukcie kotla. Ale nakoľko sú takéto systémy rentabilné a za aký čas sa takýto kotol oplatí? Touto otázkou sa oplatí podrobne zaoberať.

Rentabilita posudzovaných systémov

Na prvý pohľad sú kotly spoločností NAVIEN a Viessmann prakticky mini-teplárne v podmienkach súkromného domu alebo dokonca bytu.

Aj napriek veľkým gabaritným rozmerom by mala možnosť vyrábať elektrickú energiu jednoducho používaním kotla na ohrev bojlera alebo vykurovanie miestností prinútiť kupujúceho bez váhania nainštalovať takéto «technický zázrak».

Ale pri bližšom preskúmaní kotla spoločnosti NAVIEN vznikajú otázky, ktoré si vyžadujú odpoveď. Pri deklarovanom výkone 1 kW (voľný výkon, ktorý môžete použiť podľa vlastného uváženia), kotol pomerne výrazne spotrebúva elektrickú energiu počas prevádzky systému.

Čo sa tým myslí? Minimálne činnosť automatizácie, aj keď je potrebný malý výkon, ale je nevyhnutná na to, aby fungovali ventilátor a obehové čerpadlo. Uvedené zariadenia v súčte môžu nielen úspešne spotrebovať tento kilowatt energie, ale ho môžu aj nestačiť pri „zrýchlení“ systému.

Principiálna schéma vykurovacej sústavy spoločnosti Vissmann Vitotwin 350F s podlahovým bojlerom na 175 l. Systém umožňuje jednak využívať elektrickú energiu z vonkajšieho zdroja, jednak odovzdávať prebytok vyrobenej elektrickej energie do verejnej siete.

Rovnaké presne otázky vznikajú aj pri kotloch spoločnosti Viessmann, ale tu sa aspoň neuvádzala možnosť získavania elektrickej energie pre vlastné potreby. Uvádzala sa len možnosť autonómnej prevádzky systému pri absencii vonkajšieho zásobovania.

Hneď na to vývojári uvádzajú, že „systém môže vyžadovať dodatočný elektrický výkon pri špičkovom zaťažení“. Na pozadí deklarovaných 3 500 kWh vyrobenej elektrickej energie ročne, tento detail už vyvoláva pochybnosti, a jednoduchými výpočtami dostávame nasledovné:

3 500 : 6 (mesiacov štandardnej vykurovacej sezóny) : 30 (30 kalendárnych dní v priemere) : 24 (24 hodín denne) = 0,81 kWh.

Teda kotol pri stabilnej (neustálej) prevádzke vyrába rádovo 800 W, ale koľko spotrebuje samotný systém počas prevádzky? Možno tých istých vyrobených 800 W, možno aj viac.

Navyše sa elektrická energia vyrába len počas prevádzky horáka. Teda je potrebná buď neustála prevádzka systému, alebo to nie je celkom tak, ako uvádzajú vývojári systému.

K čomu viedli tieto výpočty? Systém kotla na drevo reálne odovzdáva svojich 50 Wh (alebo 0,05 kWh), ktoré možno použiť na dobitie tabletu, telefónu a pod., dokonca aj na obyčajnú „pohotovostnú LED žiarovku“. Na rozdiel od vývoja dvoch svetovo uznávaných spoločností, ale opísané riešenia jednoznačne skôr pripomínajú dobrý marketingový ťah, a nič viac.

Čo sa týka cenovej politiky týchto systémov, tu je vôbec ťažké niečo hodnotiť. Keďže aj výrobcovia Viessmann a NAVIEN hneď uvádzajú, že zariadenie „nevyžaduje údržbu“. V preklade do jednoduchého jazyka – pokazilo sa, znamená, že je potrebné jednotku úplne vymeniť.

To sa môže týkať nie celého systému, ale jednotlivých uzlov: Stirlingovho motora, systému plynového horáka atď. V dôsledku toho vznikne pomerne vysoká suma. Ak vychádzame z toho, že priemerná cena týchto systémov je rádovo 12 000 € alebo 13 500 $. Schéma prevádzky kotla s generátorom, potom v takejto situácii môže profitovať len výrobca systémov.

Pec “Indigirka” sa v porovnávaní vôbec nemôže zúčastniť, nielen preto, že druh paliva nie je plyn, a cena je neporovnateľná (15-krát nižšia), ale pretože pec nie je určená na domáce použitie, ale skôr na cestovanie, expedície a pod.

Ak v Európe situácia s energetickými nosičmi dosť výrazne ovplyvňuje výber spotrebiteľa (pri výbere vykurovacích systémov alebo systémov zásobovania energiou) z hľadiska hospodárnosti a ekologickosti, tak štáty EÚ to stimulujú prostredníctvom dotovania zavádzania takýchto systémov.

Pre domáceho spotrebiteľa v Rusku budú takéto systémy s najväčšou pravdepodobnosťou príliš drahé, a to ako na začiatku “systém+inštalácia”, tak aj počas prevádzky.

Závery a užitočné video k téme

Princíp činnosti Stirlingovho motora, ktorý je vybavený plynovým kotlom:

Ukážka práce plynového kotla s generátorom elektrickej energie:

Príklad drevenej pece s generátorom elektriny na porovnanie s plynovým agregátom:

Netreba zabúdať, že európske energetické spoločnosti sú celkom lojálne voči “výrobcom” energeticky úspornej techniky.

V Rusku možnosť výroby a dodávania elektrickej energie do siete domácim spotrebiteľom nie je len legislatívne zakotvená, ale ani vítaná sieťovými spoločnosťami. Preto majú predstavené systémy len ťažko vážne šance na uplatnenie v podmienkach RF v súčasnosti.

Komentujte, prosím, predložený článok na posúdenie v blokovom formulári nižšie, kladiete otázky, uverejňujte fotografie k téme. Povedzte, či sú vám známe kotly s elektrogeneračnými systémami. Podeľte sa o užitočné informácie, ktoré budú užitočné pre návštevníkov stránky.