Gasgestookte ketel met elektrische generator: constructie, werkingsprincipe, overzicht van de beste merken

Zuinig omgaan met energiebronnen wordt in de eerste plaats ingegeven door het feit dat vrijwel alle natuurlijke voorraden niet oneindig zijn. Het zuinig verbruik van alle soorten brandstof vereist de ontwikkeling van nieuwe systemen of een ingrijpende modernisering van bestaande.

Zo is een gasgestookte ketel met elektrische generator – een van de hybride systemen die het mogelijk maken om verstandig om te gaan met blauwe brandstof. Wij laten u kennismaken met het werkingsprincipe van de apparatuur, die naast thermische energie ook elektrische energie produceert. Wij presenteren typische modellen van hybride aggregaten.

Efficiënt energieverbruik

Zelfs een gewone burger die een gasgestookte ketel voor woningverwarming heeft geïnstalleerd, kan zich afvragen of het gebruik van thermische energie wel efficiënt is. Immers, bij het verbranden van gas in de ketel wordt lang niet alle vrijkomende warmte gebruikt.

Altijd gaat bij het functioneren van het verwarmingssysteem een deel van de warmte onherroepelijk verloren. Dit gebeurt meestal bij het uitstoten van verbrandingsproducten uit de ketel in de atmosfeer. In feite is dit verloren energie die gebruikt had kunnen worden.

Waar gaat het precies over? Over de mogelijkheid om de nutteloos “uitgestoten” warmte te gebruiken voor de productie van elektrische energie.

Als men ervan uitgaat dat het systeem van de verwarmingsketel al geoptimaliseerd is voor een maximaal rendement, dan vormt de 'uitgestoten' energie nog steeds een aanzienlijk deel van de energie die vrijkomt bij de verbranding van de brandstof.

De brandstofsoorten kunnen verschillend zijn, van gewoon hout en allerlei briketten tot de meest economische opties: aardgas met een overwicht van methaan, synthetisch blauw brandstof en propaan-butaangas in vloeibare mengsels.

Het lijkt misschien verre van een 'ontdekking van Amerika', maar in werkelijkheid bestaat de technologie, of beter gezegd de installatie, die al in 1943 werd ontwikkeld door Robert Stirling. De constructieve kenmerken en het werkingsprincipe ervan maken het mogelijk om dit systeem te classificeren als verbrandingsmotoren.

Waarom werd dit apparaat dan niet gebruikt gedurende zo'n aanzienlijke tijd? Het antwoord is eenvoudig: de theoretische ontwikkeling van de technologie in de jaren veertig van de vorige eeuw bleek in de praktijk erg omvangrijk te zijn.

De bestaande technologieën en materialen op het moment van ontwikkeling lieten niet toe om de afmetingen van het apparaat te verkleinen, en de bestaande methoden voor elektriciteitsproductie waren rendabeler.

Het opnemen van een apparaat dat nutteloos verspilde warmte omzet in elektrische energie in het circuit van een gasketel maakt het mogelijk om het rendement van de gasverwerkingsinstallatie aanzienlijk te verhogen.

Wat kan ons vandaag de dag doen nadenken over een zuiniger omgang met niet-hernieuwbare hulpbronnen? Momenteel is er over de hele wereld een gemeenschappelijk probleem: de ontwikkeling van technologie leidt onvermijdelijk tot een toename van het elektriciteitsverbruik.

De toename van het verbruik vindt zo snel plaats dat netbeheerders niet kunnen bijhouden met het moderniseren van de elektriciteitstransmissiesystemen, laat staan de productie. Een dergelijke situatie leidt onvermijdelijk tot het uitvallen van componenten van elektriciteitsvoorzieningssystemen, en in sommige gevallen kan dit met benijdenswaardige regelmaat gebeuren.

Moderne verwarmingsketels zijn uitgerust met regelsystemen die ook energieafhankelijk zijn. De circulatiepomp, sensoren, automatisering en het paneel zelf hebben elektrische voeding nodig. De hele reeks apparaten kan niet anders dan zorgen baren over het behoud van de functionaliteit bij een stroomstoring.

Het is niet mogelijk om geforceerde verwarmingssystemen te starten zonder elektriciteit. Een stroomstoring tijdens het stookseizoen is voor hen praktisch catastrofaal. Niet alleen zal dit onvermijdelijk leiden tot een snelle afkoeling van de ruimte, maar bij langdurig niet-werkende verwarming kan het circuit bevriezen.

Langdurige stilstand van het verwarmingssysteem in het koude seizoen leidt tot bevriezing van het verwarmingssysteem, het ontstaan van ijsproppen en uiteindelijk tot schade aan apparatuur en verwarmingsbuizen door breuk.

De standaard bestaande oplossingen voor het probleem zijn de installatie van noodstroomvoorzieningen, generatoren in allerlei varianten (gas-, benzine-, dieselgeneratoren of niet-traditionele bronnen – windturbines of mini-WKK, waterkrachtcentrales).

Maar deze oplossing is lang niet voor iedereen aanvaardbaar, omdat het voor velen moeilijk is om een plaats te vinden voor de installatie van een autonome elektriciteitsleverancier.

Als bewoners van eengezinswoningen nog een plek kunnen vrijmaken voor een generator, dan is dit bijna onmogelijk voor installatie in een flatgebouw. Zo blijkt dat bewoners van appartementen met een individueel verwarmingssysteem de eersten zijn die getroffen worden bij een stroomuitval.

Daarom hebben bedrijven die componenten voor verwarmingssystemen produceren zich allereerst de vraag gesteld hoe de warmte die door het verwarmingssysteem wordt 'weggegooid' volledig kan worden benut. Ze hebben nagedacht over hoe de doelloos verbruikte substantie kan worden gebruikt voor het opwekken van elektriciteit.

Van de bekende technologieën kozen de ontwikkelaars voor de 'goed vergeten' Stirling-installatie. Moderne technologieën maken het mogelijk om de efficiëntie ervan te verhogen terwijl de compacte afmetingen behouden blijven.

Het werkingsprincipe van de Stirlingmotor – de zuigerbeweging van de motor naar beneden en naar boven. De motor werkt vrijwel geluidloos en veroorzaakt geen trillingen van de apparatuur.

Het werkingsprincipe van de Stirlinginstallatie is gebaseerd op het gebruik van verhitting en koeling van het werkmedium, wat op zijn beurt een mechanisme in werking stelt dat elektrische energie opwekt.

Binnen de (gesloten) zuiger bevindt zich een geïnjecteerd gas. Bij verhitting zet de gasvormige omgeving uit en beweegt de zuiger in de ene richting; na afkoeling in de koeler krimpt het en beweegt de zuiger in de andere richting.

Overzicht van fabrikanten van ketels met generator

Laten we aan de hand van concrete voorbeelden kijken naar de systemen van huishoudelijke ketels die tegenwoordig bestaan, waarin het principe van het gebruik van uitlaatgassen (verbrandingsproducten) voor de productie van elektriciteit met succes is toegepast. Het Zuid-Koreaanse bedrijf NAVIEN heeft deze technologie met succes geïmplementeerd in de ketel van het merk HYBRIGEN SE.

In de ketel wordt een Stirlingmotor gebruikt, die volgens de specificaties tijdens bedrijf elektriciteit genereert met een vermogen van 1000 W (of 1 kW) en een spanning van 12 V. De ontwikkelaars beweren dat de opgewekte elektriciteit kan worden gebruikt om huishoudelijke apparaten van stroom te voorzien.

Een dergelijk vermogen zou voldoende moeten zijn voor een huishoudelijke koelkast (ongeveer 0,1 kW), een personal computer (ongeveer 0,4 kW), een lcd-televisie (ongeveer 0,2 kW) en tot 12 led-lampen van elk 25 W.

Ketel uit de Hybrigen SE-serie van Navien met ingebouwde generator en Stirlingmotor. Tijdens het gebruik van de ketel wordt naast de hoofdfuncties elektriciteit opgewekt met een vermogen van ongeveer 1000 W.

Van de Europese fabrikanten houdt het bedrijf Viessmann zich bezig met ontwikkelingen op dit gebied. Viessmann heeft de mogelijkheid om twee modellen ketels uit de Vitotwin 300W en Vitotwin 350F-serie aan de consument aan te bieden.

Het model Vitotwin 300W was de eerste ontwikkeling in deze richting. Het heeft een vrij compact ontwerp en lijkt uiterlijk sterk op een gewone wandgemonteerde gasboiler. Tijdens het gebruik van het eerste model werden echter de 'zwakke' punten in de werking van de Stirlingmotor vastgesteld.

Het grootste probleem bleek de warmteafvoer te zijn; de basis van de werking van het apparaat is verwarming en koeling. Dat wil zeggen dat de ontwikkelaars tegen hetzelfde probleem aanliepen als Stirling in de jaren veertig van de vorige eeuw: effectieve koeling, die alleen kan worden bereikt bij aanzienlijke afmetingen van de koeler.

Daarom ontstond het ketelmodel Vitotwin 350F, dat niet alleen een gasketel met een elektriciteitsgenerator omvatte, maar ook een ingebouwde boiler van 175 liter.

Het warmwaterreservoir wordt uitgevoerd in een vloermodel vanwege het grote gewicht van zowel de apparatuur zelf als de voor sanitaire doeleinden bereide vloeistof.

In dit geval werd het probleem van de koeling van de zuiger van de Stirling-installatie vrij effectief opgelost door het water in de boiler. De oplossing leidde er echter toe dat de afmetingen en het gewicht van de installatie toenamen. Een dergelijk systeem kan niet meer aan de muur worden bevestigd zoals een gewone gasketel en kan alleen op de vloer worden geplaatst.

De ketels van Viessmann bieden de mogelijkheid om de systeemvoeding van de ketel van een externe bron te voorzien, dat wil zeggen van de centrale elektriciteitsnetten. Viessmann positioneerde de apparatuur als een apparaat dat in zijn eigen behoeften voorziet (werking van de ketelaggregaten) zonder de mogelijkheid om overtollige elektriciteit af te nemen voor huishoudelijk gebruik.

Het systeem Vitotwin F350 – een ketel met een boiler voor waterverwarming met een inhoud van 175 liter. Het systeem kan de ruimte verwarmen, voorziet in warm water en wekt elektrische energie op.

Om de efficiëntie van generatoren die in het verwarmingssysteem zijn geïntegreerd te kunnen vergelijken. Het is de moeite waard om de ketel te bekijken die is ontwikkeld door de bedrijven «TERMOFOR» (Republiek Wit-Rusland) en «Kriotherm» (Rusland, Sint-Petersburg).

Het is de moeite waard om ze te bekijken, niet omdat ze op enigerlei wijze kunnen concurreren met de bovengenoemde systemen, maar om de werkingsprincipes en de efficiëntie van het verkrijgen van elektrische energie te vergelijken. Deze ketels gebruiken als brandstof alleen hout, geperst zaagsel of houtbriketten, daarom kunnen ze niet op één lijn worden gesteld met de modellen van NAVIEN en Viessmann.

De ketel, genaamd «Verwarmingsoven «Indigirka», is gericht op langdurige verwarming met hout e.d., maar is uitgerust met twee thermische elektriciteitsgeneratoren van het type TEG 30-12. Deze bevinden zich aan de zijkant van het apparaat. De vermogens van de generatoren zijn klein, dat wil zeggen dat ze in totaal slechts 50-60 W kunnen genereren bij een spanning van 12 V.

Het fundamentele ontwerp van de kachel “Indigirka” maakt het niet alleen mogelijk om de ruimte te verwarmen, maar ook om voedsel te bereiden op een kookplaat. De aanvulling op het systeem – twee warmtegeneratoren op 12V met een vermogen van 50-60W.

In deze ketel is de methode van Seebeck toegepast, gebaseerd op het opwekken van EMK in een gesloten elektrisch circuit. Het bestaat uit twee verschillende soorten materiaal en handhaaft contactpunten bij verschillende temperaturen. Dat wil zeggen, de ontwikkelaars gebruiken ook de door de ketel afgegeven warmte om elektrische energie op te wekken.

Vergelijking van de efficiëntie van ketels

Bij het vergelijken van de gepresenteerde soorten ketels die niet alleen de ruimte verwarmen (het warmtedrager verwarmen), maar ook elektriciteit opwekken door gebruik te maken van de vrijkomende warmte, moet men letten op belangrijke aspecten bij het gebruik.

Zowel het bedrijf Navien als het bedrijf Viessmann positioneren hun ketels door te wijzen op onmiskenbare voordelen – volledige automatisering van het proces, geen noodzaak voor serviceonderhoud en in het algemeen volledige afwezigheid van ingrijpen van de kant van de koper na de ingebruikname.

Voor de werking van deze ketels is alleen een stabiele werking van het systeem en een stabiele gasvoorziening nodig (zij het via hoofdleveringen, een flessinstallatie met vloeibaar gas of een gasopslagtank). Dienovereenkomstig wordt voor de werking van de ketels huishoudelijk gas gebruikt, dat na verbranding geen schade toebrengt aan het milieu.

In principe kan hetzelfde vrijwel worden gezegd over de verwarmingskachel “Indigirka”, alleen is de brandstof hier geen gas, maar hout, pellets of geperst zaagsel.

Volledige afwezigheid van automatische regeling die elektriciteit vereist. Het systeem voor het opwekken van elektrische energie en de ketel zelf beïnvloeden elkaars werking niet, d.w.z. bij uitval van het elektriciteitsproductiesysteem blijft de ketel zijn functies uitvoeren.

Al deze gasverwerkende verwarmingsaggregaten, onder wiens branders Stirlingmotoren zijn geplaatst, produceren elektrische energie die voor verschillende doeleinden kan worden gebruikt.

Ketels van de bedrijven Navien en Viessmann kunnen niet “bogen” op dergelijke eigenschap, omdat de Stirlingmotor van het systeem direct in de constructie van de ketel is ingebouwd. Maar hoe rendabel zijn dergelijke systemen en na welke termijn zal een dergelijke ketel zich terugverdienen? Het loont de moeite deze kwestie in detail te onderzoeken.

Rentabiliteit van de beschouwde systemen

Op het eerste gezicht zijn ketels van de bedrijven Navien en Viessmann praktisch mini-WKK in een particulier huis of zelfs appartement.

Ondanks de grote afmetingen, zou de mogelijkheid om elektrische energie te produceren simpelweg door gebruik van de ketel voor het verwarmen van de boiler of het verwarmen van ruimtes de koper moeten aanzetten om zonder aarzeling een dergelijk “wonder van technologie” te installeren.

Maar bij nader inzien van de ketel van het bedrijf NAVIEN rijzen er vragen die om een antwoord vragen. Bij het opgegeven vermogen van 1 kW (vrij vermogen dat u naar eigen goeddunken kunt gebruiken), verbruikt de ketel behoorlijk wat elektriciteit tijdens het werken van het systeem.

Wat wordt hiermee bedoeld? In ieder geval de werking van de automatisering, al is er misschien een klein vermogen nodig, maar het is nodig om de ventilator en de circulatiepomp te laten werken. De genoemde apparaten kunnen samen niet alleen deze kilowatt energie succesvol verbruiken, maar het kan ook onvoldoende zijn bij het 'opstarten' van het systeem.

Principiële schema van het verwarmingssysteem van het bedrijf Vissmann Vitotwin 350F met een vloerstaande boiler van 175 liter. Het systeem maakt het mogelijk om zowel elektriciteit van een externe bron te gebruiken als het overschot aan geproduceerde elektriciteit aan het openbare net terug te leveren.

Precies dezelfde vragen rijzen ook bij de ketels van het bedrijf Viessmann, maar hier werd tenminste niet de mogelijkheid van het winnen van elektriciteit voor eigen gebruik geclaimd. Er werd alleen de mogelijkheid van autonome werking van het systeem bij afwezigheid van externe voorziening besproken.

Hoewel de ontwikkelaars er meteen aan toevoegen dat 'het systeem mogelijk extra elektrisch vermogen nodig heeft bij piekbelastingen'. Tegen de achtergrond van de opgegeven 3500 kWh geproduceerde elektriciteit per jaar, wekt dit detail al twijfel, en door eenvoudige berekeningen krijgen we het volgende:

3500:6 (maanden van het standaard stookseizoen):30 (30 kalenderdagen gemiddeld):24 (24 uur per dag) = 0,81 kWh.

D.w.z. de ketel produceert bij stabiele (constante) werking ongeveer 800 W, maar hoeveel verbruikt het systeem zelf tijdens het werk? Mogelijk dezelfde geproduceerde 800 W, of misschien nog meer.

Bovendien wordt er alleen elektriciteit opgewekt tijdens het werk van de brander. D.w.z. er is hetzij een constante werking van het systeem nodig, hetzij is het allemaal niet helemaal zoals de ontwikkelaars van het systeem vertellen.

Waartoe dienden deze berekeningen? Het houtketelsysteem levert echt zijn 50 Wh (of 0,05 kWh), die gebruikt kunnen worden voor het opladen van een tablet, telefoon en dergelijke, zelfs voor een gewone 'stand-by ledlamp'. Daarentegen lijken de ontwikkelingen van twee wereldberoemde bedrijven duidelijk meer op een goede marketingstunt, en niet meer dan dat.

Wat betreft het prijsbeleid voor deze systemen, is het hier heel moeilijk om iets te beoordelen. Omdat zelfs de fabrikanten Viessmann en NAVIEN meteen aangeven dat de apparatuur 'geen onderhoud vereist'. In eenvoudige taal vertaald: als het kapot gaat, moet de eenheid volledig worden vervangen.

Dit kan niet het hele systeem betreffen, maar afzonderlijke onderdelen: de Stirlingmotor, het gasbrandersysteem, enz. Het resultaat is een vrij aanzienlijk bedrag. Als we ervan uitgaan dat de gemiddelde prijs voor deze systemen ongeveer 12 duizend euro of 13,5 duizend dollar bedraagt. Werkingsschema van de ketel met generator, dan kan in een dergelijke situatie alleen de fabrikant van de systemen winnen.

De kachel “Indigirka“ kan helemaal niet deelnemen aan de vergelijking, niet alleen omdat de brandstof geen gas is en de prijs niet vergelijkbaar is (15 keer lager), maar omdat de kachel niet voor huishoudelijk gebruik is bedoeld, maar meer voor reizen, expedities en dergelijke.

Als in Europa de situatie met energiedragers de keuze van de consument voldoende beïnvloedt (bij de keuze van verwarmingssystemen of energievoorziening) vanuit het oogpunt van zuinigheid en milieuvriendelijkheid, dan stimuleren de EU-lidstaten dit door middel van subsidies voor de invoering van dergelijke systemen.

Voor de huishoudelijke consument in Rusland zullen dergelijke systemen waarschijnlijk te duur zijn, zowel initieel (“systeem+installatie”) als tijdens de exploitatie.

Conclusies en nuttige video over het onderwerp

Het werkingsprincipe van de Stirlingmotor die de gasketel aandrijft:

Demonstratie van de werking van een gasketel met een elektriciteitsgenerator:

Voorbeeld van een houtkachel met een elektriciteitsgenerator ter vergelijking met een gasaggregaat:

U moet niet vergeten dat Europese energieleveranciers vrij loyaal zijn aan “producenten” van energiebesparende apparatuur.

In Rusland is de mogelijkheid voor een huishoudelijke consument om elektrische energie op te wekken en aan het net te leveren niet alleen niet wettelijk vastgelegd, maar ook niet welkom bij de netwerkbedrijven. Daarom hebben de gepresenteerde systemen waarschijnlijk geen serieuze kans op toepassing in de Russische Federatie op dit moment.

Reageer alstublieft op het ter beoordeling voorgelegde artikel in het onderstaande blokformulier, stel vragen, plaats foto's over het onderwerp. Vertel of u bekend bent met ketels met elektriciteitsopwekkende systemen. Deel nuttige informatie die de bezoekers van de site van pas zal komen.