Сохранение энергоресурсов обусловлено тем, что запасы природного топлива ограничены. Для рационального использования всех видов энергии необходимо разрабатывать новые технологии или существенно модернизировать старые.
Одним из примеров таких технологий является газовый котел с электрогенератором, который дает возможность эффективно использовать газ. Мы расскажем о том, как работает это оборудование, которое одновременно производит как тепловую, так и электрическую энергию, а также представим популярные модели гибридных систем.
Краткое содержание статьи
Эффективное потребление энергоресурсов
Даже обычный владелец жилья с газовым котлом может задаться вопросом о том, насколько целесообразно использовать тепловую энергию. Действительно, сжигание газа в котле не всегда приводит к полноценно использованному теплу.
При функционировании системы отопления часть тепла неизбежно теряется. Это случается, например, когда продукты сгорания выбрасываются в атмосферу. Это значит, что мы теряем энергию, которая могла бы быть использована.
Что имеется в виду? Речь идет о возможности преобразования так называемого «потерянного» тепла в электрическую энергию.
Если учесть, что система котла отопления оптимизирована для повышения коэффициента полезного действия, то «потерянная» энергия все равно составляет значительную часть от тепла, выделяемого при сгорании.
Разнообразие топлива может быть крайне широким: от простых дров и различных прессованных брикетов до экономически выгодного магистрального газа, в который входит метан, искусственного голубого топлива и сжиженных смесей пропана и бутана.
Хотя идея не представляется чем-то новым, разработанная еще в 1943 году Робертом Стирлингом технология, и сама установка действительно существует. Ее конструкция и рабочий принцип позволяют относить данную систему к двигателям внутреннего сгорания.
Почему же тогда эта установка не использовалась столь долгое время? Ответ заключается в том, что теоретическая основа, разработанная в сороковых, на практике оказалась слишком громоздкой.
Материалы и технологии того времени не позволяли добиться компактности установки, а методы генерации электроэнергии были более прибыльными.
Добавление устройства, позволяющего перерабатывать бесполезно выбрасываемое тепло в электроэнергию, значительно повышает эффективность газоперерабатывающей системы.
Что же заставляет нас обратить внимание на бережное использование невозобновляемых ресурсов? По всему миру существует общая проблема — развитие технологий ведет к постоянному увеличению потребления электричества.
Спрос растет так стремительно, что энергетические компании не успевают адаптировать системы передачи электричества, не говоря уже о производстве. Это неизбежно приводит к поломкам оборудования в системах электроснабжения, что происходит с определенной регулярностью.
Современные отопительные котлы имеют системы управления, зависящие от электроэнергии. Им необходима энергия для работы циркуляционного насоса, датчиков, автоматики и панели управления. Это вызывает опасения о работоспособности системы в условиях отключения электричества.
Принудительные системы отопления невозможно запустить без электричества. Отключение энергии во время отопительного сезона может иметь катастрофические последствия: не только быстро произойдет остывание помещений, но также существует риск замерзания отопительного контура.
Долгое отсутствие работы системы в зимний период приводит к замерзанию всей системы, образованию ледяных пробок и, в конечном итоге, повреждению оборудования и труб из-за разрывов.
Стандартные решения проблемы включают в себя установку источников бесперебойного питания, генераторов различных модификаций (газовых, бензиновых, дизельных) или альтернативных источников – ветряков, мини-ТЭС или ГЭС.
Однако такой подход подходит не всем, так как зачастую трудно выделить место для установки автономного электроснабжения.
Хотя владельцам частных домов проще найти место под генератор, жителям многоэтажек сделать это практически невозможно. Таким образом, прооблема отключения света в первую очередь коснется жителей многоквартирных зданий с индивидуальными системами отопления.
Именно по этой причине производители компонентов для отопительных систем начинают активно думать о том, как использовать тепло, которое «выбрасывается» отопительными системами. Они ищут способы преобразования этой «бесполезной» энергии в электрическую.
Среди существующих технологий разработчики выбрали «долго забытое» устройство Стирлинга; современные технологии позволяют повысить его эффективность и уменьшить габариты.
Принцип работы двигателя Стирлинга заключается в вертикальном движении его поршня. Он практически бесшумный и не вызывает вибрации оборудования.
Принцип действия установки Стирлинга базируется на процессе нагрева и охлаждения рабочего вещества, что, в свою очередь, приводит к генерированию электричества.
Внутри поршня находится газ, который при нагреве расширяется и перемещает поршень в одну сторону, а затем, остывая в охладителе, сжимается и заставляет поршень двигаться в другую сторону.
Обзор производителей котлов с генератором
Для более наглядного примера рассмотрим существующие системы бытовых котлов, в которых успешно внедрён принцип использования выхлопных газов для генерации электроэнергии. Южнокорейская компания NAVIEN успешно реализовала эту концепцию в котле модели HYBRIGEN SE.
В данной модели установлен двигатель Стирлинга, который, согласно техническим характеристикам, генерирует 1000 ватт (или 1 кВт) при напряжении 12 волт. Разработчики утверждают, что полученное электричество может использоваться для питания различных бытовых приборов.
Такой мощности вполне достаточно для питания холодильника (примерно 0,1 кВт), персонального компьютера (около 0,4 кВт), жидкокристаллического телевизора (порядка 0,2 кВт) и до 12 светодиодных ламп, каждая из которых потребляет 25 ватт.
Котел серии hybrigen se от компании navien оборудован встроенным генератором и Стирлинговым двигателем. При желании электропитания он генерирует около 1000 ватт.
Европейская компания Viessmann также активно разрабатывает подобные технологии. Viessmann предлагает потребителям два варианта котлов: Vitotwin 300W и Vitotwin 350F.
Модель Vitotwin 300W стала первой разработкой в этом направлении. Она отличается компактными размерами и внешне напоминает обычный настенный газовый котел. Однако во время эксплуатации этой первой модели были выявлены некоторые недостатки в работе Стирлингового двигателя.
Наиболее серьезной проблемой стало охлаждение, что является основой работы устройства, заключающегося в нагреве и охлаждении. Разработчики столкнулись с той же проблемой, что и Стирлинг в сороковых – обеспечить необходимое охлаждение, что возможно только при больших размерах охладителя.
В результате появилась модель котла Vitotwin 350F, которая включает в себя не только газовый котел с электрогенератором, но и емкость для горячей воды на 175 литров.
Накопительная бойлерная емкость выполнена в напольном варианте из-за значительного веса как самого оборудования, так и жидкости, предназначенной для санитарных нужд.
В данном случае проблема охлаждения поршня Стирлингового двигателя эффективно решается за счет воды в бойлере. Однако это приводит к увеличению размеров и веса установки, что делает невозможным её настенное крепление, и такая система может быть использована только в напольном варианте.
Котлы Viessmann имеют возможность подключения к внешнему электроснабжению для подсоединения к сетям. Компания позиционирует свою продукцию как устройства, удовлетворяющие собственные потребности без возможности использования избыточной энергии для бытовых нужд.
Система Vitotwin F350 представляет собой котел с энергетическим бойлером на 175 литров. Она обеспечивает как отопление, так и горячее водоснабжение, а также генерацию электричества.
Для сравнения эффективности генераторов, встроенных в отопительные системы, стоит обратить внимание на котел, разработанный совместно компаниями «ТЕРМОФОР» (Республика Беларусь) и «Криотерм» (Санкт-Петербург, Россия).
Эти котлы не предназначены для конкуренции с предыдущими системами, но могут служить примером различных подходов к генерации электрической энергии. В качестве топлива они используют только дрова, прессованные опилки или древесные брикеты, поэтому их нельзя сравнивать с моделями NAVIEN и Viessmann.
Котел под названием «Отопительная печь «Индигирка»» предназначен для длительного отопления дровами и оснащен двумя термическими генераторами электричества типа ТЭГ 30-12. Эти генераторы расположены на боковой стороне агрегата. Их мощность невелика — в сумме они генерируют около 50-60 ватт при напряжении 12 вольт.
Уникальная конструкция печи «Индигирка» предоставляет возможность не только обогревать помещение, но и готовить пищу на варочной поверхности. Система дополнена двумя теплогенераторами, работающими на 12В с мощностью 50-60Вт.
В этом котле применен метод Зебека, основанный на создании ЭДС в замкнутой электрической цепи, состоящей из двух различных материалов, температурные различия на контактах которых создают электрический ток. Таким образом, разработчики используют тепло, выделяемое котлом, для генерации электрической энергии.
Сравнение эффективности работы котлов
При сравнении различных видов котлов, которые обеспечивают не только отопление, но и выработку электроэнергии за счет отапливаемого пространства, стоит обратить внимание на ключевые моменты эксплуатации.
Компании NAVIEN и Viessmann представляют свои котлы, акцентируя внимание на явных преимуществах – полной автоматизации процесса, отсутствии необходимости в сервисном обслуживании и полной независимости использования с момента запуска.
Для работы данных котлов требуется лишь стабильное газоснабжение (будь то централизованная подача, использование баллонов со сжиженным газом или газгольдеров). Поэтому для функционирования котлов используется бытовой газ, который после сгорания не наносит вреда экологии.
По сути, аналогичное можно сказать и о печи «Индигирка», но в качестве топлива здесь выступают дрова, пеллеты или прессованные опилки.
Отсутствует автоматизированная система, которая нуждается в электричестве. Выработка электроэнергии и работа котла не зависят друг от друга, то есть, в случае неисправности генератора электроэнергии, котел продолжает выполнять свои функции.
Все эти отопительные агрегаты с газовыми горелками, под которыми расположены двигатели Стирлинга, производят электроэнергию, востребованную для различных нужд.
Котлы NAVIEN и Viessmann не могут похвастаться подобной особенностью, так как двигатель Стирлинга интегрирован непосредственно в их конструкцию. Но насколько такие системы экономически выгодные и каков их срок окупаемости? Это требует детального изучения.
Рентабельность рассматриваемых систем
На первый взгляд, котлы от компаний NAVIEN и Viessmann выглядят как маленькие ТЭС, приспособленные для частных домов и даже квартир.
Несмотря на довольно крупные размеры, возможность выработки электроэнергии за счет использования котла для нагрева воды или отопления помещений должна привлечь внимание покупателей и побудить их к установке такого устройства.
Однако, при более тщательном рассмотрении появляется масса вопросов, касающихся котла NAVIEN. При заявленной мощности в 1 кВт (доступной для использования) он потребляет значительное количество электроэнергии в процессе работы.
Что имеется в виду? Необходимо учитывать работу автоматической системы, требующей хоть и небольшую мощность, но необходимой для функционирования вентилятора и циркуляционного насоса. Совокупные затраты этих устройств могут полностью использовать заявленный киловатт, и его может не хватить для «разгона» системы.
Схема отопительной системы Viessmann Vitotwin 350F с напольным бойлером на 175 литров. Она позволяет использовать как электроэнергию из внешнего источника, так и возвращать избыток выработанной электроэнергии в общую сеть.
Подобные вопросы могут возникнуть и по котлам Viessmann, но в этом случае, по крайней мере, не утверждается, что электроэнергия может быть использована для собственных нужд. Упоминается лишь возможность автономной работы при отсутствии внешнего питания.
Тем не менее, разработчики подчеркивают, что «система может требовать дополнительной электрической энергии в условиях пиковых нагрузок». При заявленных 3500 кВт*ч электроэнергии, производимой за год, этот момент вызывает сомнения. Простой расчет показывает:
3500:6 (месяцев отопительного периода):30 (среднее количество дней в месяце):24 (часа в сутки) = 0,81 кВт*час.
Это означает, что котел производит примерно 800 Вт при постоянной работе, но сколько потребляет сама система в процессе работы? Возможно, эти же 800 Вт, а может, и больше.
Кроме того, электроэнергия вырабатывается только во время работы горелки. То есть требуется постоянная работа системы, или же реальность может отличаться от заявленной разработчиками.
Эти расчеты нужны для понимания? Котел на дровах действительно может предоставить 50 Вт*ч (или 0,05 кВт*ч), достаточных для зарядки планшета, телефона или даже питания простейшей светодиодной лампы. В отличие от решений двух известных компаний, описанные разработки выглядят больше как хороший маркетинг, чем реальная польза.
Что касается ценовой политики, то сложно говорить о стоимости таких систем. Компании Viessmann и NAVIEN прямо указывают, что их оборудование «не нуждается в обслуживании». На простом языке это означает – если что-то сломалось, придется заменять устройство целиком.
Это может касаться не только всей системы, но и отдельных элементов: двигателя Стирлинга, газовой горелки и так далее. В результате получится весьма значительная сумма. Если считать, что средняя стоимость таких систем составляет около 12 тысяч евро, или 13,5 тысяч долларов, то в данной ситуации выгоднее всего будет производителю.
Печь «Индигирка» вообще не может участвовать в этом сравнении – не только из-за того, что используется не газ, а из-за низкой стоимости (в 15 раз меньше), а также из-за того, что данная печь ориентирована не на быт, а на путешествия, экспедиции и подобные нужды.
Если в Европе выбор потребителей в отношении источников энергии (при выборе систем отопления или электроснабжения) довольно сильно зависит от факторов экономии и охраны окружающей среды, то страны ЕС поддерживают это через субсидирование внедрения таких систем.
Для российских бытовых потребителей подобные системы могут оказаться слишком дорогими как изначально, так и в процессе эксплуатации.
Выводы и полезное видео по теме
Принципы работы двигателя Стирлинга, применяемого в газовом котле:
Демонстрация функционирования газового котла с электрическим генератором:
Пример дровяной печи с генератором электричества для сравнения с газовым устройством:
Необходимо также помнить, что энергетические компании в Европе довольно лояльны к производителям энергосберегающего оборудования.
В России же возможность генерации и передачи в сеть электроэнергии бытовыми потребителями не только не регулируется законодательно, но и не поощряется сетевыми компаниями. Поэтому представленные системы не имеют больших шансов на применение в нашей стране на данный момент.
Пожалуйста, оставляйте комментарии к статье в блоке ниже, задавайте вопросы, добавляйте фотографии по теме. Расскажите о вашем опыте с котлами с генераторами электроэнергии. Поделитесь полезной информацией, которая может заинтересовать посетителей сайта.
