Plynový kotel s elektrogenerátorem: zařízení, princip práce, přehled nejlepších značek

Šetrný vztah k energetickým zdrojům je diktován především tím, že prakticky všechny přírodní zásoby nejsou nekonečné. Úsporné využívání všech druhů paliv vyžaduje vývoj nových systémů nebo radikální modernizaci stávajících.

Takže plynový kotel s elektrogenerátorem – to je jeden z druhů hybridních systémů, které umožňují rozumně hospodařit s modrým palivem. Seznámíme vás s principem činnosti zařízení, které vedle tepelné energie vyrábí i elektrickou. Představíme typické modely hybridních agregátů.

Efektivní spotřeba energetických zdrojů

I běžný obyvatel, který má nainstalovaný plynový kotel na vytápění bydlení, si může klást otázku o racionalitě využití tepelné energie. Opravdu, vždyť při spalování plynu v kotli se zdaleka nevyužívá všechno uvolněné teplo.

Při provozu topného systému se vždy nějaká část tepla nenávratně ztrácí. Obvykle k tomu dochází při vypouštění spalin z kotle do atmosféry. Ve skutečnosti je to ztracená energie, která by mohla najít uplatnění.

O čem konkrétně je řeč? O možnosti využití zbytečně “vyhozeného” tepla k výrobě elektrické energie.

Pokud vycházíme z toho, že systém topného kotle je již optimalizován pro maximální zvýšení účinnosti, tak «vyhazovaná» energie stále tvoří významný podíl energie, která se uvolňuje při hoření paliva

Druhy paliv mohou být různé, počínaje banálním dřevem a všemožnými briketami, konče nejekonomičtějšími variantami: zemním plynem s převahou metanu, umělým modrým palivem a propan-butanovými zkapalněnými směsmi.

Může se zdát, že to zdaleka není «objevení Ameriky», ale ve skutečnosti technologie vyvinutá již v roce 1943 Robertem Stirlingem, přesněji řečeno zařízení, existuje. Její konstrukční vlastnosti a základní princip práce umožňuje řadit tento systém k motorům s vnitřním spalováním.

Proč se tedy toto zařízení po tak dlouhou dobu nepoužívalo? Odpověď je jednoduchá – teoretický vývoj technologie ve čtyřicátých letech minulého století se v praxi ukázal jako velmi těžkopádný.

Technologie a materiály existující v době vývoje neumožňovaly zmenšení rozměrů zařízení a tehdejší metody výroby elektrické energie byly výnosnější.

Začlenění zařízení, které přeměňuje bezúčelně spotřebované teplo na elektřinu, do schématu plynového kotle umožňuje výrazně zvýšit účinnost zařízení na zpracování plynu.

Co nás dnes může přimět k zamyšlení nad šetrnějším přístupem k neobnovitelným zdrojům? V současnosti existuje celosvětový problém – rozvoj technologií nevyhnutelně vede ke zvýšení spotřeby elektrické energie.

Nárůst spotřeby probíhá tak rychlým tempem, že síťové společnosti nestíhají modernizovat systémy přenosu elektrické energie, nemluvě o výrobě. Tato situace nevyhnutelně vede k tomu, že prvky systémů napájení selhávají a v některých případech se to může dít s záviděníhodnou pravidelností.

Moderní topné kotle jsou vybaveny řídicími systémy, které jsou rovněž závislé na energii. Na elektrické napájení jsou odkázány oběhové čerpadlo, senzory, automatika, samotný panel. Celá sada zařízení nemůže nevyvolávat obavy o zachování funkčnosti při výpadku elektřiny.

Nucené topné systémy nelze spustit bez elektřiny. Výpadek napájení v topné sezóně je pro ně prakticky katastrofický. Nejenže to nevyhnutelně povede k rychlému ochlazení místnosti, ale při dlouhodobě nefunkčním topení může dojít k zamrznutí okruhu.

Dlouhodobá nečinnost topného systému v chladném období vede k zamrznutí topného systému, ke vzniku ledových zátek a nakonec k poškození zařízení a topných trubek v důsledku prasknutí.

Standardní existující možnosti řešení – instalace zdrojů nepřerušovaného napájení, generátorů všech možných modifikací (plynových, benzinových, dieselových generátorů nebo netradičních zdrojů – větrných generátorů nebo miniaturních tepelných elektráren, vodních elektráren).

Tento způsob řešení však není zdaleka přijatelný pro všechny, protože mnozí jen obtížně vyčleňují místo pro instalaci autonomního dodavatele elektřiny.

Zatímco obyvatelé rodinných domů si ještě mohou vyčlenit místo pro generátor, v bytovém domě je to prakticky nemožné. Ukazuje se tedy, že obyvatelé bytových domů s individuálním topným systémem jsou první, kdo utrpí při výpadku proudu.

Právě proto se společnosti, které vyrábějí komponenty pro montáž topných systémů, nejprve zabývaly otázkou plného využití tepla, které je topným systémem „vyhazováno“. Zamyslely se nad tím, jak tuto bezúčelně spotřebovávanou substanci využít k výrobě elektřiny.

Z známých technologií vývojáři zvolili „dobře zapomenutou“ jednotku Stirlingova motoru, moderní technologie umožňují zvýšit její účinnost při zachování kompaktních rozměrů.

Princip činnosti Stirlingova motoru – pohyb pístu motoru dolů a nahoru. Motor pracuje prakticky bezhlučně a nezpůsobuje vibrace zařízení.

Princip činnosti Stirlingova zařízení je založen na využití ohřevu a chlazení pracovního média, což následně uvádí do pohybu mechanismus, který vyrábí elektrickou energii.

Uvnitř pístu (uzavřeného) se nachází načerpaný plyn, při ohřevu se plynná látka rozpíná a posouvá píst jedním směrem, po ochlazení v chladiči se stlačuje a posouvá píst opačným směrem.

Přehled výrobců kotlů s generátorem

Podívejme se na konkrétní příklady systémů domovních kotlů, které v současnosti existují, u nichž byl princip využití výfukových plynů (spalin) k výrobě elektřiny úspěšně realizován. Jihokorejská firma NAVIEN úspěšně implementovala výše uvedenou technologii v kotli značky HYBRIGEN SE.

V kotli je použit Stirlingův motor, který podle údajů v dokumentaci během provozu vyrábí elektrickou energii o výkonu 1000W (nebo 1kW) a napětí 12V. Vývojáři tvrdí, že vyrobenou elektřinu lze použít k napájení domácích spotřebičů.

Takový výkon by měl stačit na napájení domácí chladničky (asi 0,1kW), osobního počítače (asi 0,4kW), LCD televizoru (asi 0,2kW) a až 12 LED žárovek o výkonu 25W každá.

Kotel řady Hybrigen SE společnosti Navien s vestavěným generátorem a motorem Stirlingova systému. Při provozu kotle se kromě hlavních funkcí vyrábí elektřina o výkonu přibližně 1000W.

Z evropských výrobců se vývojem v tomto směru zabývá společnost Viessmann. Viessmann má možnost nabídnout spotřebiteli na výběr dva modely kotlů řady Vitotwin 300W a Vitotwin 350F.

Model Vitotwin 300W byl prvním vývojem v uvedeném směru. Vyznačuje se poměrně kompaktním provedením a navenek je velmi podobný běžnému nástěnnému plynovému kotli. Pravdou je, že právě při provozu prvního modelu byla identifikována „slabá“ místa v činnosti motoru Stirlingova systému.

Nejdůležitějším problémem se ukázalo odvádění tepla, základ fungování zařízení – ohřev a chlazení. Tj. vývojáři narazili na stejný problém, jako Stirling ve čtyřicátých letech minulého století – účinné chlazení, kterého lze dosáhnout jen při značných rozměrech chladiče.

Právě proto vznikl model kotle Vitotwin 350F, který již zahrnoval nejen plynový kotel s generátorem elektřiny, ale také vestavěný bojler o objemu 175 l.

Akumulační nádoba na teplou vodu se vyrábí v provedení na podlahu kvůli velké hmotnosti jak samotného zařízení, tak i kapaliny připravované pro sanitární účely.

V tomto případě byl poměrně účinně vyřešen problém s chlazením pístu Stirlingova zařízení pomocí vody v bojleru. Toto řešení však vedlo k tomu, že se rozměry a hmotnost zařízení zvětšily. Takový systém již nelze připevnit na stěnu jako běžný plynový kotel a může být pouze podlahový.

Kotle společnosti Viessmann umožňují napájení systémů kotle z externího zdroje, tj. ze sítí centrálního elektrického napájení. Společnost Viessmann prezentovala zařízení jako jednotku pokrývající vlastní potřeby (provoz agregátů kotle) bez možnosti odběru přebytečné elektřiny pro domácí použití.

Systém Vitotwin F350 – kotel s bojlerem na ohřev vody o objemu 175 l. Systém umožňuje vytápět prostor, zajišťuje teplou vodu a vyrábí elektrickou energii.

Aby bylo možné porovnat účinnost generátorů zabudovaných do topného systému. Stojí za to zvážit kotel vyvinutý společnostmi «TERMOFOR» (Republika Bělorusko) a «Kryoterm» (Rusko, město Sankt-Petěrburg).

Zvážit je stojí ne proto, že by mohly nějak konkurovat výše uvedeným systémům, ale pro srovnání principů práce a účinnosti získávání elektrické energie. Tyto kotle jako palivo používají pouze dřevo, lisované piliny nebo brikety na bázi dřeva, proto je nelze zařadit vedle modelů firem NAVIEN a Viessmann.

Kotel nazvaný «Topná kamna «Indigirka» je určen pro dlouhodobé topení dřevem apod., ale je vybaven dvěma termickými generátory elektřiny typu TEG 30-12. Jsou umístěny na boční stěně agregátu. Výkony generátorů jsou malé, tj. celkově jsou schopny generovat pouze 50-60 W při napětí 12 V.

Základní konstrukce kamen “Indigirka” umožňuje nejen vytápět místnost, ale také vařit jídlo na plotýnce. Doplňkem systému jsou dva tepelné generátory na 12V o výkonu 50-60W.

V tomto kotli našel uplatnění Seebeckův jev, založený na vytváření elektromotorického napětí v uzavřeném elektrickém obvodu. Skládá se ze dvou různorodých materiálů a udržuje kontaktní body při různých teplotách. To znamená, že vývojáři také využívají teplo produkované kotlem k výrobě elektrické energie.

Srovnání účinnosti práce kotlů

Při porovnání uvedených typů kotlů, které nejen vytápějí místnost (ohřívají teplonosné médium), ale také vyrábějí elektrickou energii využitím uvolněného tepla, je třeba věnovat pozornost důležitým aspektům provozu.

Společnost NAVIEN i společnost Viessmann prezentují své kotle s poukazem na nesporné výhody – plnou automatizaci procesu, absenci potřeby servisních oprav a vůbec žádný zásah ze strany zákazníka po uvedení do provozu.

Pro provoz těchto kotlů je nutná pouze stabilní dodávka plynu (ať už z rozvodné sítě, tlakové lahve se zkapalněným plynem nebo plynojem). V souladu s tím se pro provoz kotlů používá zemní plyn, který po spálení neškodí životnímu prostředí.

V podstatě totéž lze říci i o otopných kamnech „Indigirka“, jen druh paliva zde není plyn, ale dřevo, pelety nebo lisované piliny.

Úplná absence automatizace, která vyžaduje elektřinu. Systém výroby elektrické energie a samotný kotel se vzájemně neovlivňují, tzn. při poruše systému výroby elektřiny kotel nadále plní své funkce.

Všechny tyto plynové topné jednotky, pod jejichž hořáky jsou umístěny Stirlingovy motory, vyrábějí elektrickou energii, kterou lze využít k různým účelům.

Kotle společností NAVIEN a Viessmann se nemohou “chlubit” něčím podobným, protože Stirlingův motor je zabudován přímo do konstrukce kotle. Ale jak rentabilní jsou tyto systémy a za jak dlouho se takový kotel zaplatí? Touto otázkou je třeba se podrobně zabývat.

Rentabilita uvažovaných systémů

Na první pohled jsou kotle společností NAVIEN a Viessmann prakticky mini-elektrárny v podmínkách rodinného domu nebo dokonce bytu.

I přes velké rozměry by možnost vyrábět elektrickou energii pouhým používáním kotle k ohřevu bojleru nebo vytápění místností měla přimět zákazníka, aby bez váhání nainstaloval takový „zázrak techniky“.

Ale při bližším prozkoumání kotle společnosti NAVIEN vyvstávají otázky, které vyžadují odpověď. Při deklarovaném výkonu 1 kW (volného výkonu, který lze použít dle vlastního uvážení) kotel poměrně znatelně spotřebovává elektrickou energii při provozu systému.

Co tím myslí? Minimálně provoz automatizace, i když je potřeba malý výkon, je nutný pro funkci ventilátoru a oběhového čerpadla. Uvedená zařízení v součtu mohou nejen úspěšně spotřebovat tento kilowatt energie, ale může jim i chybět při „rozjezdu“ systému.

Principiální schéma topného systému společnosti Vissmann Vitotwin 350F s podlahovým bojlerem o objemu 175 litrů. Systém umožňuje jak využívat elektřinu z externího zdroje, tak i odevzdávat přebytek vyrobené elektrické energie do veřejné sítě.

Stejné otázky vyvstávají i u kotlů společnosti Viessmann, ale zde alespoň nebyla deklarována možnost získávání elektrické energie pro vlastní potřebu. Byla zmíněna pouze možnost autonomního provozu systému při absenci externího napájení.

Ihned však vývojáři uvádějí, že „systém může vyžadovat dodatečný elektrický výkon při špičkovém zatížení“. Vzhledem k deklarovaným 3500 kWh vyrobené elektrické energie ročně již tato nuance vyvolává pochybnosti, a pomocí jednoduchých a snadných výpočtů dostaneme toto:

3500:6 (měsíců standardní topné sezóny):30 (průměrný počet kalendářních dnů):24 (24 hodin denně) = 0,81 kWh.

Tzn. kotel při stabilním (trvalém) provozu vyrábí řádově 800 W, ale kolik spotřebuje samotný systém během provozu? Možná stejných vyráběných 800 W, možná i více.

Navíc se elektrická energie vyrábí pouze při chodu hořáku. Tzn. je buď nutný trvalý provoz systému, nebo to všechno není tak, jak popisují vývojáři systému.

K čemu vedly tyto výpočty? Systém kotle na dřevo reálně dodává svých 50 Wh (nebo 0,05 kWh), které lze použít k nabíjení tabletu, telefonu atd., dokonce i pro obyčejnou „záložní LED žárovku“. Naproti tomu vývoj dvou celosvětově známých společností, ale popsané vývojové práce zjevně více připomínají dobrý marketingový tah, a nic víc.

Co se týče cenové politiky těchto systémů, je zde vůbec obtížné něco hodnotit. Protože i výrobci Viessmann a NAVIEN hned uvádějí, že zařízení „nevyžaduje údržbu“. V překladu do jednoduché řeči – pokud se rozbije, znamená to, že je třeba jednotku kompletně vyměnit.

To se může týkat ne celého systému, ale jednotlivých uzlů: Stirlingova motoru, systému plynového hořáku atd. Výsledkem bude poměrně vysoká částka. Vycházíme-li z toho, že cena těchto systémů se v průměru pohybuje kolem 12 tisíc eur nebo 13,5 tisíc dolarů. Schéma provozu kotle s generátorem, pak v takové situaci může profitovat snad jen výrobce systémů.

Kamna “Indigirka” se nemohou vůbec účastnit srovnání, nejen proto, že palivo není plyn a cena je nesrovnatelná (15krát nižší), ale také proto, že nejsou určena pro domácí použití, ale spíše pro cestování, expedice atd.

Jestliže v Evropě situace s energetickými nosiči poměrně výrazně ovlivňuje volbu spotřebitele (při výběru topných nebo energetických systémů) z hlediska hospodárnosti a ekologičnosti, pak státy EU to stimulují prostřednictvím dotací na zavádění takových systémů.

Pro běžného spotřebitele v Rusku budou tyto systémy s největší pravděpodobností příliš drahé, jak z hlediska počátečních nákladů na “systém a instalaci”, tak během provozu.

Závěry a užitečné video k tématu

Princip činnosti Stirlingova motoru, který je součástí plynového kotle:

Ukázka provozu plynového kotle s generátorem elektrické energie:

Příklad kamen na dřevo s generátorem elektřiny pro srovnání s plynovým agregátem:

Nezapomínejte, že evropské energetické společnosti jsou zcela loajální k “výrobcům” energeticky úsporného zařízení.

V Rusku možnost výroby a dodávání elektrické energie do sítě běžným spotřebitelem není nejen legislativně zakotvena, ale není ani vítána síťovými společnostmi. Proto představené systémy mají dnes jen malou šanci na uplatnění v podmínkách Ruské federace.

Komentujte, prosím, předložený článek v blokovém formuláři níže, pokládejte otázky, přidávejte fotografie k tématu. Řekněte nám, zda znáte kotle s elektrogeneračními systémy. Podělte se o užitečné informace, které se hodí návštěvníkům webu.