A atitude cuidadosa em relação aos recursos energéticos é ditada principalmente pelo fato de que quase todas as reservas naturais não são infinitas. O consumo econômico de todos os tipos de combustível requer o desenvolvimento de novos sistemas ou uma modernização radical dos existentes.
Portanto, uma caldeira a gás com gerador elétrico é um dos tipos de sistemas híbridos que permitem gerenciar razoavelmente o combustível azul. Apresentaremos o princípio de funcionamento de equipamentos que geram energia elétrica juntamente com a energia térmica. Vamos imaginar modelos típicos de unidades híbridas.
O conteúdo do artigo:
- Consumo eficiente de energia
- Visão geral dos fabricantes de caldeiras com gerador
- Comparação da eficiência da caldeira
- Rentabilidade dos sistemas considerados
- Conclusões e vídeo útil sobre o tema
Consumo eficiente de energia
Mesmo um leigo comum que tenha uma caldeira a gás instalada para aquecer sua casa pode se perguntar sobre a racionalidade do uso de energia térmica. De fato, ao queimar gás em uma caldeira, nem todo o calor gerado é usado.
Sempre durante a operação do sistema de aquecimento, alguma parte do calor é irremediavelmente perdida. Isso geralmente acontece quando os produtos da combustão são liberados da caldeira para a atmosfera. Na verdade, essa é a energia perdida, que poderia ser aproveitada.
Do que exatamente estamos falando? Sobre a possibilidade de aproveitamento do calor "ejetado" desperdiçado na produção de energia elétrica.
Supondo que o sistema da caldeira de aquecimento já esteja otimizado para maximizar a eficiência, então A energia “ejetada” ainda constitui uma fração significativa da energia que é liberada durante a combustão combustível
Os tipos de combustível podem ser diferentes, começando com lenha banal e todos os tipos de briquetes, terminando com o mais econômico opções: gás principal com predominância de metano na composição, combustível azul artificial e propano-butano liquefeito misturas.
Pode parecer que isso está longe de ser a “descoberta da América”, mas na verdade, a tecnologia desenvolvida em 1943 por Robert Stirling, ou melhor, a instalação existe. Suas características de projeto e o princípio básico de operação permitem classificar este sistema como um motor de combustão interna.
Por que, então, esta instalação não foi utilizada por um tempo tão considerável? A resposta é simples - o desenvolvimento teórico da tecnologia nos anos quarenta do século passado revelou-se muito complicado na prática.
As tecnologias e materiais existentes na época do desenvolvimento não permitiam reduzir o tamanho da instalação, e os métodos existentes de geração de energia elétrica eram mais econômicos.
A inclusão no esquema de uma caldeira a gás de um dispositivo que converte calor inutilmente consumido em eletricidade pode aumentar significativamente a eficiência de uma usina de processamento de gás
O que pode nos fazer pensar hoje em uma atitude mais cuidadosa com os recursos que não são renováveis? Agora, em todo o mundo, existe um problema comum - o desenvolvimento da tecnologia inevitavelmente leva a um aumento no consumo de energia elétrica.
O aumento do consumo está ocorrendo em um ritmo tão acelerado que as concessionárias não têm tempo para modernizar os sistemas de transmissão de energia elétrica, muito menos a produção. Essa situação leva inevitavelmente ao fato de que os elementos dos sistemas de alimentação falham e, em alguns casos, isso pode acontecer com uma regularidade invejável.
Caldeiras de aquecimento modernas são equipadas com sistemas de controle que também são voláteis. A bomba de circulação, sensores, automação, o próprio painel precisam de energia. Todo o conjunto de dispositivos não pode deixar de causar preocupação com a preservação do desempenho durante uma queda de energia.
Os sistemas de aquecimento forçado não podem ser iniciados sem eletricidade. Uma queda de energia durante a estação de aquecimento é quase catastrófica para eles. Isso não apenas levará inevitavelmente ao resfriamento rápido da sala, mas com um longo aquecimento ocioso, o circuito pode congelar.
A falta prolongada de operação do sistema de aquecimento na estação fria leva ao congelamento do sistema aquecimento, ao aparecimento de tampões de gelo e, como resultado, danos aos equipamentos e tubos de aquecimento devido a brecha
Soluções padrão existentes para o problema - instalação fontes de alimentação ininterrupta, geradores de várias modificações (geradores a gás, gasolina, diesel ou fontes não tradicionais - turbinas eólicas ou mini centrais térmicas, centrais hidroeléctricas).
Mas esse caminho de solução está longe de ser aceitável para todos, pois é difícil para muitos alocar espaço para instalar um fornecedor autônomo de eletricidade.
Se os moradores de casas individuais ainda puderem alocar espaço para um gerador, isso é quase impossível para instalação em um prédio de vários andares. Assim, verifica-se que os moradores de prédios de apartamentos com sistema de aquecimento individual são os primeiros a sofrer com a falta de energia.
É por isso que, antes de mais nada, as empresas produtoras de componentes para a montagem de sistemas de aquecimento se questionam sobre o aproveitamento total do calor que é “expelido” pelo sistema de aquecimento. Pensamos em como aproveitar a substância desperdiçada na geração de eletricidade.
Das tecnologias conhecidas, os desenvolvedores escolheram a instalação "esquecida" de Stirling, as tecnologias modernas permitem aumentar sua eficiência, mantendo seu tamanho compacto.
O princípio de operação do motor Stirling é o movimento do pistão do motor para cima e para baixo. O motor funciona quase silenciosamente e não causa vibrações na máquina.
O princípio de operação da planta de Stirling é baseado no uso de aquecimento e resfriamento do fluido de trabalho, que por sua vez aciona um mecanismo que gera energia elétrica.
O gás injetado está localizado dentro do pistão (fechado); quando aquecido, o meio gasoso se expande e move o pistão em uma direção, após resfriar no resfriador, ele se contrai e move o pistão na outra direção lado.
Visão geral dos fabricantes de caldeiras com gerador
Consideremos exemplos específicos do sistema de caldeiras domésticas que existem hoje, nos quais o princípio de usar gases de exaustão (produtos de combustão) para gerar eletricidade foi bem-sucedido implementado. A empresa sul-coreana NAVIEN implementou com sucesso a tecnologia acima em uma caldeira HYBRIGEN SE.
A caldeira utiliza um motor Stirling, que, de acordo com os dados do passaporte, gera eletricidade com potência de 1000W (ou 1kW) e tensão de 12V durante a operação. Os desenvolvedores afirmam que a eletricidade gerada pode ser usada para alimentar eletrodomésticos.
Essa potência deve ser suficiente para alimentar uma geladeira doméstica (cerca de 0,1 kW), um computador pessoal (cerca de 0,4kW), TV LCD (cerca de 0,2kW) e até 12 lâmpadas LED com potência de 25W cada cada.
Caldeira Navien hybrigen se com gerador embutido e motor Stirling. Durante o funcionamento da caldeira, além das funções principais, é gerada eletricidade da ordem de 1000 W de potência
Dos fabricantes europeus, a Viessmann está envolvida em desenvolvimentos nessa direção. A Viessmann tem a oportunidade de oferecer dois modelos de caldeiras das séries Vitotwin 300W e Vitotwin 350F à escolha do cliente.
O Vitotwin 300W foi o primeiro desenvolvimento nessa direção. Tem um design bastante compacto e parece muito semelhante ao habitual caldeira a gás montada na parede. É verdade que foi durante a operação do primeiro modelo que foram identificados os pontos “fracos” na operação do motor do sistema Stirling.
O maior problema acabou sendo a dissipação de calor, a base do funcionamento do aparelho é o aquecimento e resfriamento. Aqueles. desenvolvedores enfrentaram o mesmo problema que Stirling enfrentou nos anos quarenta do século passado - resfriamento eficaz, que só pode ser alcançado com tamanhos significativos resfriador.
É por isso que surgiu o modelo de caldeira Vitotwin 350F, que incluía não apenas uma caldeira a gás com gerador de eletricidade, mas também uma caldeira embutida de 175l.
O tanque de armazenamento de água quente é feito na versão de piso devido ao grande peso do próprio equipamento e do líquido preparado para fins sanitários
Neste caso, o problema de resfriar o pistão da planta Stirling devido à água no caldeira. No entanto, a decisão levou ao aumento das dimensões gerais e do peso da instalação. Esse sistema não pode mais ser montado na parede como uma caldeira a gás convencional e só pode ser colocado no chão.
As caldeiras Viessmann oferecem a possibilidade de alimentar os sistemas de operação da caldeira a partir de uma fonte externa, ou seja, das redes centrais de alimentação. A Viessmann posicionou o equipamento como um dispositivo que atende às suas próprias necessidades (operação de caldeiras) sem a possibilidade de extrair o excesso de eletricidade para consumo doméstico.
O sistema Vitotwin F350 é uma caldeira com caldeira de aquecimento de água de 175l. O sistema permite aquecer a sala, fornece água quente e gera eletricidade
A fim de comparar a eficiência do uso de geradores embutidos no sistema de aquecimento. Vale a pena considerar a caldeira, que foi desenvolvida pelas empresas TERMOFOR (República da Bielorrússia) e pela empresa Krioterm (Rússia, Minsk). São Petersburgo).
Vale a pena considerá-los não porque possam competir de alguma forma com os sistemas acima, mas para comparar os princípios de operação e a eficiência da geração de energia elétrica. Estas caldeiras usam apenas lenha como combustível, serragem prensada ou briquetes à base de madeira, pelo que não podem ser equiparados aos modelos da NAVIEN e da Viessmann.
A caldeira, denominada "Indigirka Heating Stove", está vocacionada para o aquecimento a longo prazo com lenha, etc., mas está equipada com dois geradores térmicos de electricidade do tipo TEG 30-12. Eles estão localizados na parede lateral da unidade. A potência dos geradores é pequena, ou seja, no total, eles só são capazes de gerar 50-60W a 12V.
O dispositivo fundamental do fogão Indigirka permite não só aquecer a sala, mas também cozinhar alimentos no queimador. A adição do sistema é de dois geradores de calor de 12V com uma potência de 50-60W.
Nesta caldeira, o método Zebek, baseado na formação de um EMF em um circuito elétrico fechado, encontrou aplicação. Consiste em dois tipos diferentes de material e mantém os pontos de contato em diferentes temperaturas. Aqueles. os desenvolvedores também usam o calor gerado pela caldeira para gerar energia elétrica.
Comparação da eficiência da caldeira
Comparando os tipos de caldeiras apresentados, que não só aquecem a divisão (calor refrigerante), mas também gerar eletricidade usando o calor gerado, você deve prestar atenção a aspectos importantes durante a operação.
Tanto a NAVIEN quanto a Viessmann posicionam suas caldeiras, apontando para as vantagens indiscutíveis - automação total processo, sem necessidade de reparos de serviço e, em geral, a ausência total de intervenção após o comissionamento por parte comprador.
Para o funcionamento destas caldeiras, apenas é necessário o funcionamento estável do sistema, a disponibilidade estável de gás (seja abastecimento principal, instalação engarrafada com gás liquefeito ou gasômetro). Assim, o gás doméstico é utilizado para o funcionamento das caldeiras, que, após a combustão, não agride o meio ambiente.
Em princípio, quase o mesmo pode ser dito sobre o fogão de aquecimento Indigirka, só que o tipo de combustível aqui não é gás, mas lenha, pellets ou serragem prensada.
Ausência completa automaçãoque requer eletricidade. O sistema de geração de energia elétrica e a própria caldeira não afetam o funcionamento um do outro, ou seja, se o sistema de geração de energia falhar, a caldeira continua a desempenhar suas funções.
Todas essas unidades de aquecimento de processamento de gás, com motores Stirling sob os queimadores, produzem energia elétrica que pode ser usada para diversos fins.
As caldeiras das empresas NAVIEN e Viessmann não poderão "se gabar" disso, uma vez que o motor do sistema Stirling é embutido diretamente no projeto da caldeira. Mas quão lucrativos são esses sistemas e por quanto tempo essa caldeira valerá a pena? Essa questão precisa ser tratada em detalhes.
Rentabilidade dos sistemas considerados
À primeira vista, as caldeiras da NAVIEN e da Viessmann são praticamente mini-CHPs em uma casa particular ou mesmo em um apartamento.
Apesar das grandes dimensões gerais, a capacidade de produzir energia elétrica simplesmente usando caldeira para aquecer uma caldeira ou aquecimento ambiente deve encorajar o comprador a instalar tal “milagre” sem hesitação tecnologia."
Mas, após um exame mais detalhado da caldeira NAVIEN, surgem perguntas que precisam ser respondidas. Com potência declarada de 1 kW (potência livre que pode ser utilizada a seu critério), a caldeira consome bastante energia elétrica durante o funcionamento do sistema.
O que significa? No mínimo, a operação da automação, mesmo que seja necessária uma pequena quantidade de energia, mas é necessária para o funcionamento do ventilador e da bomba de circulação. Os dispositivos listados no total podem não apenas consumir com sucesso esse quilowatt de energia, mas também pode não ser suficiente ao “overclockar” o sistema.
Diagrama esquemático do sistema de aquecimento Vissmann Vitotwin 350F com caldeira de chão de 175l. O sistema permite tanto o uso de eletricidade de fonte externa quanto a transferência do excesso de eletricidade gerada para a rede geral.
Exatamente as mesmas questões surgem em relação às caldeiras da Viessmann, mas aqui pelo menos a possibilidade de extrair eletricidade para suas próprias necessidades não foi declarada. Apenas foi estipulada a possibilidade de funcionamento autónomo do sistema na ausência de alimentação externa.
Embora os desenvolvedores indiquem imediatamente que "o sistema pode exigir energia elétrica adicional em cargas de pico". Tendo como pano de fundo os declarados 3500 kWh de eletricidade produzida por ano, essa nuance já está em dúvida e, por cálculos simples e simples, obtemos o seguinte:
3500:6 (meses da estação de aquecimento padrão): 30 (30 dias corridos em média): 24 (24 horas por dia) = 0,81 kWh.
Aqueles. a caldeira produz cerca de 800W durante a operação estável (constante), mas quanto o próprio sistema consome durante a operação? Talvez o mesmo, produzido por 800W, e possivelmente mais.
Além disso, a eletricidade é gerada apenas durante a operação do queimador. Aqueles. ou é necessária operação constante do sistema, ou tudo é um pouco diferente, como dizem os desenvolvedores do sistema.
Quais foram esses cálculos? O sistema de caldeira a lenha realmente fornece seus 50Wh (ou 0,05kWh), que podem ser usados para recarregar um tablet, telefone etc. mesmo para a banal “lâmpada LED de serviço”. Ao contrário do desenvolvimento de duas empresas mundialmente famosas, mas os desenvolvimentos descritos parecem mais uma boa jogada de marketing e nada mais.
Quanto à política de preços para esses sistemas, geralmente é difícil avaliar algo. Uma vez que até os fabricantes Viessmann e NAVIEN estipulam imediatamente que o equipamento "não requer manutenção". Traduzido em linguagem simples - quebrou, o que significa que a unidade precisa ser totalmente substituída.
Isso pode não se aplicar a todo o sistema, mas a componentes individuais: motor Stirling, sistema de queimador de gás, etc. O resultado será uma quantidade bastante impressionante. Com base no fato de que o preço médio desses sistemas é de cerca de 12 mil rublos. euros ou 13,5 mil. $. O esquema de operação de uma caldeira com gerador, então somente o fabricante dos sistemas pode vencer em tal situação.
O fogão Indigirka não pode participar da comparação, não só porque o tipo de combustível não é gás, mas o preço não é comparável (15 vezes menos), mas porque o fogão está posicionado não para uso doméstico, mas mais para viagens, expedições e etc.
Se na Europa a situação com os portadores de energia afeta significativamente a escolha do consumidor (ao escolher sistemas de aquecimento ou fornecimento de energia) em termos de economia e respeito ao meio ambiente, os estados da UE estimulam isso subsidiando a introdução tais sistemas.
Para um consumidor doméstico na Rússia, esses sistemas provavelmente serão muito caros inicialmente "sistema + instalação" e durante a operação.
Conclusões e vídeo útil sobre o tema
O princípio de funcionamento do motor Stirling que equipa a caldeira a gás:
Demonstração do funcionamento de uma caldeira a gás com gerador de eletricidade:
Um exemplo de fogão a lenha com gerador de eletricidade para comparação com uma unidade de gás:
Não se esqueça que as empresas européias de geração de energia são bastante leais aos "fabricantes" de equipamentos de economia de energia.
Na Rússia, a possibilidade de gerar e transmitir energia elétrica para a rede por um consumidor doméstico não só não é fixada por lei, mas também não é bem-vinda pelas empresas de rede. Portanto, é improvável que os sistemas apresentados tenham sérias chances de aplicação nas condições da Federação Russa hoje.
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