Opatrný prístup k energetickým zdrojom je diktovaný predovšetkým skutočnosťou, že takmer všetky prírodné zásoby nie sú nekonečné. Ekonomická spotreba všetkých druhov palív si vyžaduje vývoj nových systémov alebo radikálnu modernizáciu existujúcich. Plynový kotol s elektrickým generátorom je teda jedným z typov hybridných systémov, ktoré umožňujú inteligentne spravovať modré palivo. Predstavíme vám princíp fungovania zariadení, ktoré spolu s tepelnou energiou vyrábajú aj elektrickú energiu.
Princíp fungovania a využitie odpadového tepla
Aj bežný človek, ktorý má nainštalovaný plynový kotol na vykurovanie domu, sa môže čudovať racionálnemu využívaniu tepelnej energie. Pri spaľovaní plynu v kotle sa totiž nevyužije všetko vyrobené teplo. Pri prevádzke vykurovacieho systému sa časť tepla vždy nenávratne stratí. To sa zvyčajne stáva, keď sa produkty spaľovania uvoľňujú z kotla do atmosféry. V skutočnosti je to zbytočná energia, ktorá sa mohla použiť.
O čom presne hovoríme? O možnosti využiť nevyužité „premárnené“ teplo pri výrobe elektrickej energie. Ak predpokladáme, že systém vykurovacieho kotla je už optimalizovaný s cieľom maximalizovať účinnosť, potom „vyradená“ energia stále tvorí značnú časť energie, ktorá sa uvoľňuje pri spaľovaní paliva.
Druhy paliva a historické súvislosti
Druhy paliva môžu byť rôzne, počnúc banálnym palivovým drevom a všetkými druhmi brikiet, končiac najúspornejšími možnosťami: hlavný plyn s prevahou metánu v jeho zložení, umelé modré palivo a skvapalnené zmesi propán-bután.
Môže sa zdať, že toto je ďaleko od „objavenia Ameriky“, ale v skutočnosti technológia, alebo skôr inštalácia, ktorú v roku 1943 vyvinul Robert Stirling, existuje. Jeho konštrukčné vlastnosti a základný princíp činnosti umožňujú klasifikovať tento systém ako spaľovací motor.
Prečo sa potom táto inštalácia nepoužívala tak významný čas? Odpoveď je jednoduchá - teoretický vývoj techniky v štyridsiatych rokoch minulého storočia sa v praxi ukázal ako veľmi ťažkopádny. Technológie a materiály, ktoré existovali v čase vývoja, neumožňovali zmenšiť veľkosť inštalácie a existujúce spôsoby výroby elektrickej energie boli nákladovo efektívnejšie.
Potreba efektívnejších energetických riešení
Zahrnutie zariadenia do okruhu plynového kotla, ktoré premieňa odpadové teplo na elektrickú energiu, môže výrazne zvýšiť účinnosť zariadenia na spracovanie plynu.
Čo nás dnes môže prinútiť zamyslieť sa nad opatrnejším prístupom k zdrojom, ktoré nie sú klasifikované ako obnoviteľné? V súčasnosti je na celom svete bežný problém - rozvoj technológií nevyhnutne vedie k zvyšovaniu spotreby elektrickej energie. Nárast spotreby sa deje takým rýchlym tempom, že sieťové spoločnosti nestíhajú modernizovať systémy prenosu elektrickej energie, o výrobe ani nehovoriac.
Táto situácia nevyhnutne vedie k tomu, že prvky systémov napájania zlyhajú a v niektorých prípadoch sa to môže stať so závideniahodnou pravidelnosťou.
Problémy s výpadkami elektrickej energie a ich riešenia
Moderné vykurovacie kotly sú vybavené riadiacimi systémami, ktoré sú tiež energeticky závislé. Obehové čerpadlo, senzory, automatizácia a samotný panel potrebujú napájanie. Celá sada zariadení môže spôsobiť obavy o zachovanie funkčnosti počas výpadku napájania.
Bez elektriny nie je možné prevádzkovať nútené vykurovacie systémy. Výpadok elektriny počas vykurovacej sezóny je pre nich takmer katastrofálny. Nielenže to nevyhnutne povedie k rýchlemu ochladeniu miestnosti, ale ak kúrenie nefunguje dlhší čas, okruh môže zamrznúť.
Dlhodobá absencia prevádzky vykurovacieho systému počas chladnej sezóny vedie k zamrznutiu vykurovacieho systému, vzniku ľadových zátok v ňom a v konečnom dôsledku k poškodeniu zariadenia a vykurovacích potrubí v dôsledku prasknutia.
Štandardné existujúce možnosti na vyriešenie problému - inštalácia neprerušiteľných zdrojov napájania, generátory rôznych modifikácií (plynové, benzínové, naftové generátory alebo netradičné zdroje - veterné generátory alebo mini tepelné elektrárne, vodné elektrárne).
Toto riešenie však nie je prijateľné pre každého, pretože pre mnohých je ťažké prideliť priestor na inštaláciu autonómneho dodávateľa elektriny. Zatiaľ čo obyvatelia jednotlivých domov môžu stále prideľovať priestor pre generátor, pri inštalácii vo viacpodlažnej budove je to takmer nemožné. Ukazuje sa teda, že pri výpadku prúdu ako prví trpia obyvatelia bytových domov s individuálnymi vykurovacími systémami.
Moderné riešenia: Stirlingov motor v kotloch
Preto si v prvom rade firmy vyrábajúce komponenty pre montáž vykurovacích systémov položili otázku, ako naplno využiť teplo, ktoré vykurovací systém „rozhodí“. Rozmýšľali sme nad tým, ako túto zbytočnú látku využiť na výrobu elektriny.
Zo známych technológií si vývojári vybrali „dobre zabudnutú“ inštaláciu Stirling, moderné technológie umožňujú zvýšiť jej efektivitu pri zachovaní kompaktných rozmerov.
Princíp činnosti Stirlingovho motora
Princípom činnosti Stirlingovho motora je pohyb piestu motora nadol a nahor. Motor pracuje takmer ticho a nespôsobuje vibrácie zariadenia.
Princíp fungovania Stirlingovej inštalácie je založený na využití ohrevu a chladenia pracovnej tekutiny, čo následne aktivuje mechanizmus, ktorý generuje elektrickú energiu. Vo vnútri piestu (uzavretý) je čerpaný plyn, plynné médium pri zahriatí expanduje a pohybuje piestom jedným smerom, po ochladení v chladiči sa sťahuje a posúva piest druhým smerom.
Prehľad výrobcov kotlov s integrovanými generátormi
Pozrime sa na konkrétne príklady domácich kotolní, ktoré dnes existujú, v ktorých bol úspešne implementovaný princíp využitia výfukových plynov (splodín horenia) na výrobu elektriny.
Kotly NAVIEN
Juhokórejská spoločnosť NAVIEN úspešne implementovala uvedenú technológiu do kotla značky HYBRIGEN SE. Kotol využíva Stirlingov motor, ktorý podľa pasových údajov počas prevádzky vyrába elektrinu s výkonom 1000W (alebo 1kW) a napätím 12V. Vývojári tvrdia, že vyrobenú elektrinu možno použiť na napájanie domácich spotrebičov.
Tento výkon by mal stačiť na napájanie domácej chladničky (asi 0,1 kW), osobného počítača (asi 0,4 kW), LCD televízora (asi 0,2 kW) a až 12 LED žiaroviek s výkonom 25 W každá.
Kotly Viessmann
Z európskych výrobcov sa týmto smerom rozvíja Viessmann. Viessmann má možnosť ponúknuť spotrebiteľom na výber dva modely kotlov rady Vitotwin 300W a Vitotwin 350F.
Vitotwin 300W bol prvým vývojom v tomto smere. Vyznačuje sa pomerne kompaktným dizajnom a vzhľadom je veľmi podobný bežnému nástenný plynový kotol. Je pravda, že počas prevádzky prvého modelu boli identifikované „slabé“ miesta v prevádzke Stirlingovho motora.
Najväčším problémom sa ukázal odvod tepla, základom činnosti zariadenia je vykurovanie a chladenie. Teda, vývojári čelili rovnakému problému, s akým sa potýkal Stirling v štyridsiatych rokoch minulého storočia - efektívne chladenie, ktoré je možné dosiahnuť len s výraznou veľkosťou chladiča.
Preto sa objavil model kotla Vitotwin 350F, ktorý obsahoval nielen plynový kotol s generátorom elektriny, ale aj vstavaný 175 litrový kotol. Zásobník na teplú vodu je vyrobený v podlahovom vyhotovení z dôvodu veľkej hmotnosti ako samotného zariadenia, tak aj kvapaliny pripravenej na sanitárne účely.
V tomto prípade ide o problém s chladením piestu Stirlingovej inštalácie v dôsledku vody kotol. Rozhodnutie však viedlo k zvýšeniu celkových rozmerov a hmotnosti inštalácie. Takýto systém už nie je možné namontovať na stenu ako bežný plynový kotol a je možné ho namontovať iba na podlahu.
Kotly Viessmann poskytujú možnosť napájania prevádzkových systémov kotla z externého zdroja, t.j. zo sietí centrálneho napájania. Spoločnosť Viessmann umiestnila zariadenie ako zariadenie, ktoré si zabezpečuje vlastnú potrebu (prevádzka kotlových jednotiek) bez možnosti výberu prebytočnej elektriny pre domácu spotrebu.
Systém Vitotwin F350 je kotol s bojlerom na ohrev vody s objemom 175 litrov. Systém umožňuje vykurovať miestnosť, poskytuje teplú vodu a vyrába elektrickú energiu.
Porovnanie s kotlami na tuhé palivo
Na porovnanie účinnosti použitia generátorov zabudovaných do vykurovacieho systému, zvážme kotol, ktorý vyvinuli firmy TERMOFOR (Bieloruská republika) a Kryotherm (Rusko, Petrohrad). Tieto kotly používajú ako palivo iba drevo, lisované piliny alebo brikety na báze dreva, preto sa nedajú postaviť na roveň modelom od NAVIEN a Viessmann.
Kotol s názvom „Vykurovacie kachle „Indigirka“ je určený na dlhodobé vykurovanie drevom a pod., ale je vybavený dvoma tepelnými generátormi elektriny typu TEG 30-12. Sú umiestnené na bočnej stene jednotky. Výkon generátorov je malý, t.j. celkovo sú schopné generovať len 50-60W pri 12V.
Základná konštrukcia sporáka Indigirka umožňuje nielen vykurovať miestnosť, ale aj variť jedlo na horáku. Systém dopĺňajú dva 12V generátory tepla s výkonom 50-60W.
V tomto kotle bola použitá metóda Seebecka založená na vytvorení emf v uzavretom elektrickom obvode. Skladá sa z dvoch odlišných typov materiálu a udržiava kontaktné body pri rôznych teplotách.
Porovnanie prevádzky a ekonomiky
Pri porovnaní prezentovaných typov kotlov, ktoré nielen vykurujú miestnosť (tepl chladiaca kvapalina), ale aj vyrábajú elektrinu využívaním vyrobeného tepla, treba pri prevádzke venovať pozornosť dôležitým aspektom.
Prevádzková nenáročnosť a dostupnosť paliva
Ako firma NAVIEN, tak aj firma Viessmann umiestňujú svoje kotly, pričom poukazujú na nesporné výhody - úplná automatizácia procesu, žiadna potreba servisných opráv a celkovo úplná absencia zásahov po uvedení do prevádzky zo strany kupujúceho. Pre prevádzku týchto kotlov je potrebná len stabilná prevádzka systému a stabilná dostupnosť plynu (či už ide o hlavné dodávky, fľaškovú inštaláciu so skvapalneným plynom resp. držiak plynu). V súlade s tým sa na prevádzku kotlov používa domáci plyn, ktorý po spálení nezaťažuje životné prostredie.
V zásade takmer to isté možno povedať o vykurovacej peci Indigirka, len palivom tu nie je plyn, ale palivové drevo, pelety alebo lisované piliny. Úplná absencia automatizácie, ktorá vyžaduje elektrinu. Systém výroby elektrickej energie a samotný kotol sa navzájom neovplyvňujú, t.j. ak dôjde k poruche systému výroby elektriny, kotol naďalej plní svoje funkcie.
Ziskovosť a návratnosť investície
Všetky tieto plynové vykurovacie jednotky so Stirlingovými motormi umiestnenými pod horákmi vyrábajú elektrickú energiu, ktorú je možné využiť na rôzne účely.
Kotly od NAVIEN a Viessmann sa tým nemôžu pochváliť, keďže Stirlingov motor je zabudovaný priamo do konštrukcie kotla. Ale ako ziskové sú takéto systémy a ako dlho bude trvať, kým sa takýto kotol zaplatí? Tento problém stojí za podrobné pochopenie.
Kotly od NAVIEN a Viessmann sú na prvý pohľad prakticky mini-tepelné elektrárne v súkromnom dome alebo dokonca v byte. Aj napriek veľkým celkovým rozmerom by schopnosť produkovať elektrickú energiu jednoducho pomocou kotla na vykurovanie kotla alebo vykurovania miestností mala kupujúceho podnietiť k inštalácii takéhoto „zázraku technológie“ bez váhania.
Pri bližšom skúmaní kotla NAVIEN sa však vynárajú otázky, ktoré si vyžadujú odpovede. S deklarovaným výkonom 1 kW (voľný výkon, ktorý možno použiť podľa vlastného uváženia) kotol pri prevádzke systému pomerne citeľne spotrebúva elektrickú energiu.
Čo to znamená? Minimálne funguje automatika, aj keď je potrebný malý výkon, ale je potrebný na fungovanie ventilátora a obehového čerpadla. Uvedené zariadenia celkovo dokážu tento kilowatt energie nielen úspešne spotrebovať, ale pri „pretaktovaní“ systému to nemusí stačiť.
Pri kotloch Viessmann vyvstávajú presne tie isté otázky, ale aspoň tu nebola uvedená možnosť získavania elektriny pre vlastnú potrebu. Bola stanovená iba možnosť autonómnej prevádzky systému pri absencii externého napájania.
Aj keď vývojári okamžite poukazujú na to, že „systém môže vyžadovať dodatočnú elektrickú energiu pri špičkovom zaťažení“. Na pozadí deklarovaných 3 500 kWh elektriny vyrobenej za rok je táto nuansa už pochybná, ale pomocou jednoduchých a jednoduchých výpočtov dostaneme nasledovné:
3500 / 6 (mesiace štandardnej vykurovacej sezóny) / 30 (v priemere 30 kalendárnych dní) / 24 (24 hodín denne) = 0,81 kW*hod.
Teda, možno tie isté, produkujúce 800W a možno aj viac. Navyše elektrina vzniká len počas prevádzky horáka. Teda, buď je potrebná neustála prevádzka systému, alebo je všetko trochu inak, ako hovoria vývojári systému.
K čomu tieto výpočty viedli? Systém kotla na drevo skutočne vyprodukuje svojich 50Wh (alebo 0,05kWh), ktoré je možné použiť na dobitie tabletu, telefónu atď. aj pre banálnu „pracovnú LED žiarovku“. Na rozdiel od vývoja dvoch svetoznámych spoločností, popísaný vývoj zjavne vyzerá skôr ako dobrý marketingový trik a nič viac.
Cenová politika a údržba
Čo sa týka cenovej politiky pre tieto systémy, vo všeobecnosti je ťažké čokoľvek hodnotiť. Pretože aj výrobné spoločnosti Viessmann a NAVIEN okamžite stanovujú, že zariadenie „nevyžaduje údržbu“. Preložené do jednoduchého jazyka je pokazené, čo znamená, že jednotku je potrebné úplne vymeniť. Toto nemusí platiť pre celý systém, ale pre jednotlivé komponenty: Stirlingov motor, systém plynového horáka atď. Výsledkom bude celkom pôsobivá suma. Za predpokladu, že priemerná cena za tieto systémy je cca 12 tis. eur alebo 13,5 tisíc dolárov. Schéma prevádzky kotla s generátorom, potom môže v takejto situácii vyhrať iba výrobca systému.
Sporák Indigirka sa porovnávania nemôže vôbec zúčastniť, nielen preto, že palivo nie je plyn a cena nie je porovnateľná (15x nižšia), ale pretože sporák nie je umiestnený na domáce použitie, ale skôr na cesty, expedície atď.
Animácia elektrárne s kombinovaným cyklom
Animácia elektrárne s kombinovaným cyklom
Legislatíva a perspektívy
Nezabudnite, že európske spoločnosti vyrábajúce energiu sú celkom lojálne k „výrobcom“ zariadení na úsporu energie. V Rusku možnosť výroby a prenosu elektrickej energie do siete domácimi spotrebiteľmi nielenže nie je zakotvená v zákone, ale nie je vítaná ani sieťovými spoločnosťami. Preto je nepravdepodobné, že by prezentované systémy mali dnes vážnu šancu na použitie v Ruskej federácii.
tags: #elektraren #spalovaci #kotol