Cazan pe gaz cu electrogenerator: construcție, principiu de funcționare, prezentare generală a celor mai bune mărci

Atitudinea grijulie față de resursele energetice este dictată în primul rând de faptul că aproape toate rezervele naturale nu sunt infinite. Utilizarea economică a tuturor tipurilor de combustibil necesită dezvoltarea de noi sisteme sau modernizarea radicală a celor existente.

Astfel, cazanul pe gaz cu electrogenerator – este unul dintre tipurile de sisteme hibride care permit gestionarea inteligentă a combustibilului albastru. Vă vom familiariza cu principiul de funcționare al echipamentului care produce, pe lângă energie termică, și energie electrică. Vom prezenta modele tipice de agregate hibride.

Consumul eficient al resurselor energetice

Chiar și un simplu cetățean, care are instalat un cazan pe gaz pentru încălzirea locuinței, se poate întreba despre raționalitatea utilizării energiei termice. Într-adevăr, la arderea gazului în cazan, nu toată căldura degajată este utilizată.

Întotdeauna, în timpul funcționării sistemului de încălzire, o parte din căldură se pierde ireversibil. De obicei, acest lucru se întâmplă la evacuarea produselor de ardere din cazan în atmosferă. Practic, aceasta este energie pierdută care ar putea fi valorificată.

Despre ce anume este vorba? Despre posibilitatea de a utiliza căldura “aruncată” în producerea energiei electrice.

Dacă pornim de la premisa că sistemul cazanului de încălzire este deja optimizat pentru a maximiza randamentul, atunci energia «aruncată» reprezintă totuși o parte semnificativă din energia eliberată la arderea combustibilului.

Tipurile de combustibil pot fi diverse, începând cu lemnele de foc banale și diverse brichete, și terminând cu cele mai economice opțiuni: gazul natural cu predominanța metanului în compoziție, combustibilul albastru artificial și amestecurile lichefiate de propan-butan.

Poate părea că nu este deloc o «descoperire a Americii», dar, de fapt, tehnologia dezvoltată încă în îndepărtatul an 1943 de Robert Stirling, sau mai exact, instalația, există. Caracteristicile sale constructive și principiul de bază de funcționare permit clasificarea acestui sistem printre motoarele cu ardere internă.

De ce nu s-a utilizat această instalație timp atât de îndelungat? Răspunsul este simplu – dezvoltarea teoretică a tehnologiei în anii ’40 ai secolului trecut s-a dovedit a fi foarte greoaie în practică.

Tehnologiile și materialele existente la momentul dezvoltării nu permiteau reducerea dimensiunilor instalației, iar metodele existente de producere a energiei electrice erau mai rentabile.

Includerea în schema cazanului pe gaz a unui dispozitiv care transformă căldura irosită inutil în energie electrică permite creșterea semnificativă a randamentului instalației de procesare a gazelor.

Ce ne poate face astăzi să reflectăm asupra unei atitudini mai chibzuite față de resursele care nu se încadrează în categoria regenerabilelor? În prezent, există o problemă comună la nivel mondial – dezvoltarea tehnologiilor duce inevitabil la creșterea consumului de energie electrică.

Creșterea consumului se produce într-un ritm atât de alert, încât companiile de rețea nu reușesc să modernizeze sistemele de transport al energiei electrice, nemaivorbind de producție. Această situație duce inevitabil la defectarea elementelor sistemelor de alimentare cu energie, iar în unele cazuri acest lucru se poate întâmpla cu o regularitate de invidiat.

Cazanele moderne de încălzire sunt dotate cu sisteme de control care sunt, de asemenea, dependente de energie electrică. Pompa de circulație, senzorii, automatizarea și panoul propriu-zis au nevoie de alimentare. Întregul set de dispozitive nu poate să nu stârnească îngrijorarea cu privire la menținerea funcționalității în cazul unei întreruperi a curentului electric.

Sistemele de încălzire forțată nu pot fi pornite fără energie electrică. Întreruperea alimentării în sezonul de încălzire este aproape catastrofală pentru acestea. Nu numai că duce inevitabil la răcirea rapidă a încăperii, dar, în cazul unei funcționări îndelungate oprite a încălzirii, este posibilă înghețarea circuitului.

Lipsa îndelungată a funcționării sistemului de încălzire în sezonul rece duce la înghețarea acestuia, la apariția dopurilor de gheață și, în final, la deteriorarea echipamentelor și a țevilor de încălzire din cauza spargerii.

Soluțiile standard existente pentru această problemă sunt instalarea surselor de alimentare neîntreruptă, a generatoarelor de diverse modificări (cu gaz, benzină, diesel) sau a surselor neconvenționale – turbine eoliene sau microcentrale termice, hidrocentrale.

Însă această cale de soluționare nu este accesibilă tuturor, deoarece multora le este dificil să aloce un spațiu pentru instalarea unui furnizor autonom de electricitate.

Dacă locuitorii caselor individuale mai pot aloca un spațiu pentru generator, în cazul unui bloc de apartamente acest lucru este practic imposibil. Astfel, rezultă că locuitorii blocurilor de apartamente cu sistem individual de încălzire sunt primii care vor avea de suferit la o întrerupere a curentului electric.

De aceea, în primul rând, companiile care produc componente pentru asamblarea sistemelor de încălzire și-au pus problema utilizării integrale a căldurii care este „aruncată” de sistemul de încălzire. S-au gândit cum să folosească substanța risipită fără scop în generarea de energie electrică.

Dintre tehnologiile cunoscute, dezvoltatorii au ales instalația „bine uitată” Stirling, tehnologiile moderne permițând creșterea eficienței acesteia, păstrând dimensiuni compacte.

Principiul de funcționare al motorului Stirling – mișcarea pistonului motorului în jos și în sus. Motorul funcționează aproape silențios și nu provoacă vibrații ale echipamentului.

Principiul de funcționare al instalației Stirling se bazează pe utilizarea încălzirii și răcirii fluidului de lucru, ceea ce, la rândul său, pune în mișcare un mecanism care produce energie electrică.

În interiorul pistonului (închis) se află un gaz injectat; la încălzire, mediul gazos se extinde și mișcă pistonul într-o direcție, iar după răcirea în răcitor, acesta se comprimă și mișcă pistonul în cealaltă direcție.

Prezentare generală a producătorilor de cazane cu generator

Să analizăm, pe exemple concrete, sistemele de cazane de uz casnic existente în prezent, în care principiul utilizării gazelor de eșapament (produșilor de ardere) pentru producerea energiei electrice a fost implementat cu succes. Firma sud-coreeană NAVIEN a implementat cu succes tehnologia menționată mai sus în cazanul marca HYBRIGEN SE.

În cazan se folosește un motor Stirling, care, conform datelor din fișa tehnică, produce în timpul funcționării energie electrică cu o putere de 1000W (sau 1kW) și o tensiune de 12V. Dezvoltatorii afirmă că energia electrică produsă poate fi utilizată pentru alimentarea aparatelor de uz casnic.

O astfel de putere ar trebui să fie suficientă pentru alimentarea unui frigider de uz casnic (aproximativ 0,1 kW), a unui computer personal (aproximativ 0,4 kW), a unui televizor cu cristale lichide (aproximativ 0,2 kW) și a până la 12 becuri LED cu o putere de 25 W fiecare.

Cazanul din seria hybrigen se al companiei navien, cu generator și motor Stirling încorporate. În timpul funcționării cazanului, pe lângă funcțiile principale, se produce energie electrică de aproximativ 1000W putere.

Dintre producătorii europeni, compania Viessmann se ocupă de dezvoltări în această direcție. Viessmann are posibilitatea de a prezenta spre alegere consumatorului două modele de cazane din seria Vitotwin 300W și Vitotwin 350F.

Modelul Vitotwin 300W a fost prima dezvoltare în direcția menționată. Se remarcă printr-o execuție destul de compactă și, vizual, este foarte asemănător cu un cazan mural pe gaz obișnuit. Însă, tocmai în timpul exploatării primului model au fost identificate puncte „slabe” în funcționarea motorului sistemului Stirling.

Cea mai mare problemă s-a dovedit a fi evacuarea căldurii, baza de funcționare a dispozitivului – încălzirea și răcirea. Adică, dezvoltatorii s-au confruntat cu aceeași problemă cu care s-a confruntat Stirling în anii patruzeci ai secolului trecut – răcirea eficientă, care poate fi atinsă doar cu dimensiuni semnificative ale răcitorului.

Tocmai de aceea a apărut modelul de centrală Vitotwin 350F, care includea nu doar o centrală pe gaz cu generator de electricitate, ci și un boiler incorporat de 175 l.

Rezervorul de acumulare pentru apă caldă este realizat în varianta de pardoseală din cauza greutății mari atât a echipamentului în sine, cât și a lichidului pregătit în scopuri sanitare.

În acest caz, problema răcirii pistonului instalației Stirling a fost rezolvată destul de eficient prin intermediul apei din boiler. Cu toate acestea, soluția a dus la creșterea dimensiunilor și greutății instalației. Un astfel de sistem nu mai poate fi montat pe perete ca o centrală obișnuită pe gaz și poate fi doar de pardoseală.

Centralele companiei Viessmann prevăd posibilitatea alimentării sistemelor de funcționare a centralei dintr-o sursă externă, adică din rețelele centrale de alimentare cu energie electrică. Compania Viessmann a poziționat echipamentul ca un dispozitiv care asigură propriile nevoi (funcționarea agregatelor centralei) fără posibilitatea de a extrage surplusul de energie electrică pentru consumul casnic.

Sistemul Vitotwin F350 – centrală cu boiler de încălzire a apei cu volumul de 175 l. Sistemul permite încălzirea încăperii, asigură apă caldă și produce energie electrică.

Pentru a putea compara eficiența utilizării generatoarelor încorporate în sistemul de încălzire. Merită să analizăm centrala dezvoltată de companiile «Termofor» (Republica Belarus) și compania «Criotherm» (Rusia, orașul Sankt Petersburg).

Merită să le analizăm nu pentru că ar putea concura într-un fel cu sistemele menționate mai sus, ci pentru a compara principiile de funcționare și eficiența obținerii energiei electrice. Aceste centrale utilizează drept combustibil numai lemne de foc, pilitură presată sau brichete pe bază de lemn, de aceea nu pot fi puse la același nivel cu modelele firmelor NAVIEN și Viessmann.

Centrala denumită «Sobă de încălzire «Indigirka» este orientată spre încălzirea de lungă durată cu lemne de foc etc., dar este dotată cu două generatoare termice de electricitate de tip TEG 30-12. Acestea sunt amplasate pe peretele lateral al agregatului. Puterile generatoarelor sunt mici, adică în total ele pot genera doar 50-60 W la o tensiune de 12 V.

Construcția de bază a cuptorului “Indigirka” permite nu numai încălzirea încăperii, dar și prepararea mâncării pe plită. Suplimentul sistemului – două generatoare termice de 12V cu puterea de 50-60W.

În acest cazan a fost aplicată metoda Seebeck, bazată pe generarea unei forțe electromotoare într-un circuit electric închis. Aceasta constă din două tipuri de materiale eterogene și menține punctele de contact la diferite temperaturi. Adică, dezvoltatorii folosesc și ei căldura degajată de cazan pentru a produce energie electrică.

Compararea eficienței de funcționare a cazanelor

Comparând tipurile prezentate de cazane, care nu numai încălzesc încăperea (încălzesc agentul termic), dar și produc energie electrică prin utilizarea căldurii degajate, trebuie să acordăm atenție unor aspecte importante în exploatare.

Atât compania NAVIEN, cât și compania Viessmann își poziționează cazanele, evidențiind avantajele incontestabile – automatizarea completă a procesului, lipsa necesității de reparații de service și, în general, absența totală a intervenției din partea cumpărătorului după punerea în funcțiune.

Pentru funcționarea acestor cazane este necesară doar o funcționare stabilă a sistemului, o prezență stabilă a gazului (fie că este vorba de alimentări prin rețea, o instalație cu butelii de gaz lichefiat sau un rezervor de gaz). În consecință, pentru funcționarea cazanelor se utilizează gaz menajer, care după ardere nu prezintă pericol pentru mediu.

În principiu, aproape același lucru se poate spune și despre cuptorul de încălzire «Indigirka», doar că tipul de combustibil aici nu este gazul, ci lemnele, peleții sau rumegușul presat.

Absența totală a automatizării, care necesită curent electric. Sistemul de producere a energiei electrice și cazanul în sine nu se influențează reciproc, adică, în cazul defectării sistemului de producere a electricității, cazanul continuă să-și îndeplinească funcțiile.

Toate aceste unități de încălzire care procesează gaz, sub arzătoarele cărora sunt amplasate motoare Stirling, produc energie electrică, care poate fi utilizată în diverse scopuri

Cazanele companiilor NAVIEN și Viessmann nu se pot “lăuda” cu așa ceva, deoarece motorul sistemului Stirling este încorporat direct în construcția cazanului. Dar cât de rentabile sunt astfel de sisteme și în ce termen se va amortiza un astfel de cazan? Merită să analizăm această întrebare în detaliu.

Rentabilitatea sistemelor examinate

La prima vedere, cazanele companiilor NAVIEN și Viessmann sunt practic niște mini-centrale electrice termice în condițiile unei case particulare sau chiar ale unui apartament.

Chiar și în ciuda dimensiunilor mari, posibilitatea de a produce energie electrică pur și simplu prin utilizarea cazanului pentru încălzirea boilerului sau încălzirea încăperilor ar trebui să determine cumpărătorul să instaleze fără ezitare un asemenea «minune tehnică».

Dar la o examinare mai atentă a cazanului companiei NAVIEN apar întrebări care necesită răspuns. La puterea declarată de 1 kW (putere liberă pe care o puteți utiliza la discreția dumneavoastră), cazanul consumă destul de multă energie electrică în timpul funcționării sistemului.

Ce se înțelege prin aceasta? Cel puțin funcționarea automatizării, deși este necesară o putere mică, este necesară pentru ca ventilatorul și pompa de circulație să funcționeze. Dispozitivele enumerate în total pot nu numai să consume cu succes acest kilowatt de energie, dar poate să nu fie suficient în timpul „accelerării” sistemului.

Schema de principiu a sistemului de încălzire al companiei Vissmann Vitotwin 350F cu un boiler de podea de 175 l. Sistemul permite atât utilizarea energiei electrice de la o sursă externă, cât și returnarea excesului de energie electrică produsă în rețeaua comună.

Aceste aceleași întrebări apar și în cazul cazanelor companiei Viessmann, dar aici măcar nu s-a declarat posibilitatea de a extrage energie electrică pentru propriile nevoi. S-a discutat doar posibilitatea funcționării autonome a sistemului în absența alimentării externe.

Deși imediat dezvoltatorii indică faptul că „sistemul poate necesita o putere electrică suplimentară la sarcini de vârf”. Pe fundalul a 3500 kWh de energie electrică produsă pe an declarate, această nuanță ridică deja îndoieli, iar prin calcule simple și necomplicate obținem următoarele:

3500:6 (luni ale sezonului standard de încălzire):30 (30 de zile calendaristice în medie):24 (24 de ore pe zi) = 0,81 kWh.

Adică, cazanul produce în regim de funcționare stabil (constant) aproximativ 800 W, dar cât consumă sistemul însuși în timpul funcționării? Poate aceiași 800 W produși, poate chiar mai mult.

Mai mult, energia electrică este generată doar în timpul funcționării arzătorului. Adică, fie este necesară o funcționare constantă a sistemului, fie totul nu este exact așa cum spun dezvoltatorii sistemului.

La ce au dus aceste calcule? Sistemul cazanului pe lemne livrează efectiv 50 Wh (sau 0,05 kWh), care pot fi utilizați pentru încărcarea unei tablete, telefonului etc., chiar și pentru o banală „bec cu LED de veghe”. Spre deosebire de dezvoltările a două companii de renume mondial, dar dezvoltările descrise seamănă mai degrabă cu o bună manevră de marketing, și nimic mai mult.

În ceea ce privește politica de prețuri pentru aceste sisteme, este foarte dificil să evaluezi ceva. Deoarece chiar și firmele producătoare Viessmann și NAVIEN precizează imediat că echipamentul „nu necesită întreținere”. În traducere în limbaj simplu – s-a stricat, înseamnă că trebuie înlocuit complet agregatul.

Acest lucru poate viza nu întregul sistem, ci componente individuale: motorul Stirling, sistemul arzătorului pe gaz etc. În rezultat se va obține o sumă destul de considerabilă. Dacă pornim de la faptul că, în medie, prețul acestor sisteme este de aproximativ 12 mii de euro sau 13,5 mii de dolari. Schema de funcționare a cazanului cu generator, atunci singurul care poate câștiga într-o astfel de situație este producătorul sistemelor.

Soba “Indigirka” nu poate participa deloc la comparație, nu doar pentru că tipul de combustibil nu este gaz, iar prețul nu este comparabil (de 15 ori mai mic), ci pentru că soba este poziționată nu pentru uz casnic, ci mai mult pentru călătorii, expediții etc.

Dacă în Europa situația cu resursele energetice influențează destul de semnificativ alegerea consumatorului (la alegerea sistemelor de încălzire sau alimentare cu energie) din punct de vedere al economiei și ecologiei, statele UE stimulează acest lucru prin subvenționarea implementării unor astfel de sisteme.

Pentru consumatorul casnic din Rusia, astfel de sisteme vor fi, cel mai probabil, prea scumpe atât inițial “sistem+instalare”, cât și în timpul exploatării.

Concluzii și material video util pe această temă

Principiul de funcționare al motorului Stirling care echipează centrala pe gaz:

Demonstrarea funcționării unei centrale pe gaz cu generator de energie electrică:

Exemplu de sobă pe lemne cu generator electric pentru comparație cu agregatul pe gaz:

Nu trebuie uitat că companiile europene de generare a energiei sunt destul de loiale față de “producătorii” de echipamente de economisire a energiei.

În Rusia, posibilitatea generării și transmiterii în rețea a energiei electrice de către consumatorul casnic nu este doar neconsolidată legislativ, dar nici nu este binevenită de companiile de rețea. Prin urmare, sistemele prezentate au puține șanse reale de aplicare în condițiile Federației Ruse în ziua de azi.

Vă rugăm să comentați articolul prezentat spre examinare în formularul de bloc de mai jos, adresați întrebări, postați fotografii pe această temă. Spuneți-ne dacă vă sunt cunoscute centralele cu sisteme electrogeneratoare. Împărtășiți informații utile care vor fi de folos vizitatorilor site-ului.