Gāzes katls ar elektroģeneratoru: uzbūve, darbības princips, labāko zīmolu apskats

Rūpīga attieksme pret energoresursiem ir diktēta pirmām kārtām ar to, ka praktiski visi dabas krājumi nav bezgalīgi. Ekonomiska visu veidu degvielas izmantošana prasa jaunu sistēmu izstrādi vai arī esošo sistēmu kardinālu modernizāciju.

Tātad, gāzes katls ar elektroģeneratoru – tas ir viens no hibrīdsistēmu veidiem, kas ļauj saprātīgi rīkoties ar zilo degvielu. Mēs iepazīstināsim jūs ar iekārtas darbības principu, kas papildus siltumenerģijai ražo arī elektroenerģiju. Iepazīstināsim ar tipiskiem hibrīdagregātu modeļiem.

Efektīvs energoresursu patēriņš

Pat parasts iedzīvotājs, kuram ir uzstādīts gāzes katls mājokļa apkurei, var uzdot jautājumu par siltumenerģijas izmantošanas racionalitāti. Patiešām, jo, sadedzinot gāzi katlā, ne visu izdalīto siltumu izmanto.

Vienmēr, darbojoties apkures sistēmai, kāda daļa siltuma tiek neatgriezeniski zaudēta. Parasti tas notiek, izmešot sadegšanas produktus no katla atmosfērā. Faktiski tā ir zaudēta enerģija, kurai varētu atrast pielietojumu.

Par ko konkrēti ir runa? Par iespēju izmantot velti “izmesto” siltumu elektroenerģijas ražošanā.

Ja izejam no tā, ka apkures katla sistēma jau tā ir optimizēta, lai maksimāli paaugstinātu efektivitāti, tad «izmestā» enerģija tomēr veido ievērojamu daļu no enerģijas, kas izdalās degvielas degšanas laikā

Degvielas veidi var būt dažādi, sākot ar parastu malku un visādiem brikešu veidiem, beidzot ar visekonomiskākajiem variantiem: maģistrālo gāzi ar metāna pārsvaru sastāvā, mākslīgo zilo degvielu un propāna-butāna sašķidrinātiem maisījumiem.

Varētu šķist, ka tas nebūt nav «Amerikas atklājums», bet patiesībā izstrādātā jau tālajā 1943. gadā Roberta Stērlinga tehnoloģija, precīzāk, iekārta pastāv. Tās konstruktīvās īpatnības un galvenais darbības princips ļauj šo sistēmu klasificēt pie iekšdedzes dzinējiem.

Kāpēc tad šī iekārta netika izmantota tik ilgu laiku? Atbilde ir vienkārša – tehnoloģijas teorētiskā izstrāde pagājušā gadsimta četrdesmitajos gados praksē izrādījās ļoti apjomīga.

Tehnoloģijas izstrādes brīdī pastāvošās tehnoloģijas un materiāli neļāva samazināt iekārtas izmērus, un pastāvošās elektroenerģijas ražošanas metodes bija rentablākas.

Gāzes katla shēmā iekļaujot ierīci, kas pārvērš bezjēdzīgi iztērēto siltumu elektroenerģijā, būtiski palielinās gāzes pārstrādes iekārtas lietderības koeficientu.

Kas mūsdienās var likt mums aizdomāties par saudzīgāku attieksmi pret resursiem, kas nav atjaunojami? Šobrīd visā pasaulē pastāv kopīga problēma – tehnoloģiju attīstība neizbēgami palielina elektroenerģijas patēriņu.

Patēriņa pieaugums notiek tik strauji, ka tīkla uzņēmumi nepaspēj modernizēt elektroenerģijas pārvades sistēmas, nemaz nerunājot par ražošanu. Šāda situācija neizbēgami noved pie tā, ka elektroapgādes sistēmu elementi sabojājas, un dažos gadījumos tas var notikt ar apskaužamu regularitāti.

Mūsdienu apkures katli ir aprīkoti ar vadības sistēmām, kas arī ir energoatkarīgas. Elektroapgāde ir nepieciešama cirkulācijas sūknim, sensoriem, automātikai, pašai panelim. Viss ierīču komplekts nevar neizraisīt bažas par darbspējas saglabāšanu elektroenerģijas atslēgšanas gadījumā.

Piespiedu apkures sistēmas nav iespējams iedarbināt bez elektroenerģijas. Elektroapgādes atslēgšana apkures sezonā tām ir praktiski katastrofāla. Ne tikai tas neizbēgami novedīs pie straujas telpas atdzišanas, bet ilgstoši nestrādājot apkurei, ir iespējama kontūra aizsalšana.

Ilgstoša apkures sistēmas darba neesamība aukstajā gadalaikā noved pie apkures sistēmas aizsalšanas, ledus korķu veidošanās un galu galā pie apkures iekārtu un cauruļu bojājumiem pārrāvuma dēļ.

Standarta esošie risinājuma varianti – nepārtrauktās barošanas avotu, visādu modifikāciju ģeneratoru (gāzes, benzīna, dīzeļģeneratoru vai netradicionālu avotu – vēja ģeneratoru vai mini termoelektrostaciju, hidroelektrostaciju) uzstādīšana.

Taču šis risinājuma ceļš ir pieņemams tālu ne visiem, jo daudziem ir grūti atrast vietu autonoma elektroenerģijas piegādātāja uzstādīšanai.

Ja individuālo māju iedzīvotāji vēl var atrast vietu ģeneratoram, tad uzstādīšanai daudzstāvu mājā tas ir praktiski neiespējami. Tādējādi iznāk, ka daudzdzīvokļu māju iedzīvotāji ar individuālo apkures sistēmu ir pirmie, kas cietīs, kad tiks atslēgta elektrība.

Tieši tāpēc pirmām kārtām uzņēmumi, kas ražo komponentes apkures sistēmu montāžai, sāka apsvērt iespēju pilnvērtīgi izmantot siltumu, ko apkures sistēma "izmet". Tie domāja par to, kā bezmērķīgi iztērēto vielu izmantot elektroenerģijas ražošanā.

No zināmajām tehnoloģijām izstrādātāji izvēlējās "labi aizmirsto" Stirlinga iekārtu; mūsdienu tehnoloģijas ļauj palielināt tās efektivitāti, saglabājot kompaktus izmērus.

Stirlinga dzinēja darbības princips – dzinēja virzuļa kustība uz leju un augšu. Dzinējs darbojas praktiski klusi un neizraisa iekārtu vibrācijas.

Stirlinga iekārtas darbības princips balstās uz darba ķermeņa sildīšanas un dzesēšanas izmantošanu, kas savukārt iedarbina mehānismu, kas ražo elektrisko enerģiju.

Iekšā virzulī (slēgtā) atrodas ievadīta gāze; karsējot gāzveida vide izplešas un virza virzuli vienā virzienā, pēc dzesēšanas dzesētājā tā saspiežas un virza virzuli otrā virzienā.

Ražotāju apskats: katli ar ģeneratoru

Apskatīsim konkrētos piemēros mājsaimniecības katlu sistēmas, kas pastāv mūsdienās un kurās veiksmīgi tika īstenots izplūdes gāzu (sadegšanas produktu) izmantošanas princips elektroenerģijas ražošanai. Dienvidkorejas uzņēmums NAVIEN veiksmīgi īstenoja iepriekšminēto tehnoloģiju katlā ar marku HYBRIGEN SE.

Katla tiek izmantots Stirlinga dzinējs, kas saskaņā ar pases datiem darbības laikā ražo elektroenerģiju ar jaudu 1000W (vai 1kW) un spriegumu 12V. Izstrādātāji apgalvo, ka saražoto elektroenerģiju var izmantot mājsaimniecības ierīču barošanai.

Šādai jaudai vajadzētu pietikt mājsaimniecības ledusskapja (apmēram 0,1kW), personālā datora (apmēram 0,4kW), šķidro kristālu televizora (apmēram 0,2kW) un līdz pat 12 LED spuldzēm ar jaudu 25W katrai barošanai.

Uzņēmuma NAVIEN sērijas HYBRIGEN SE katls ar iebūvētu ģeneratoru un Stirlinga sistēmas dzinēju. Katla darbības laikā papildus pamatfunkcijām tiek ražota elektroenerģija ar jaudu aptuveni 1000W.

No Eiropas ražotājiem šajā virzienā darbojas uzņēmums Viessmann. Viessmann ir iespēja piedāvāt patērētājam izvēlei divus katlu modeļus no sērijas Vitotwin 300W un Vitotwin 350F.

Modelis Vitotwin 300W bija pirmais izstrādājums šajā virzienā. Tas izceļas ar diezgan kompaktu izpildījumu un ārēji ir ļoti līdzīgs parastam sienas gāzes katlam. Tomēr tieši pirmā modeļa ekspluatācijas laikā tika atklātas "vājās" vietas Stirlinga sistēmas dzinēja darbā.

Lielākā problēma bija siltuma novadīšana; ierīces darbības pamats ir sildīšana un dzesēšana. Proti, izstrādātāji saskārās ar to pašu problēmu, ar ko saskārās Stirlings pagājušā gadsimta četrdesmitajos gados – efektīva dzesēšana, ko var panākt tikai ar ievērojamiem dzesētāja izmēriem.

Tieši tāpēc parādījās katla modelis Vitotwin 350F, kas ietvēra sevī ne tikai gāzes katlu ar elektroenerģijas ģeneratoru, bet arī iebūvēto boileri ar 175 litru tilpumu.

Uzkrāšanas tvertne karstajam ūdenim tiek izgatavota grīdas variantā, jo lielā svara dēļ gan paša aprīkojuma, gan sanitārajiem mērķiem sagatavotā šķidruma svars ir ievērojams.

Šajā gadījumā diezgan efektīvi tika atrisināta Stirlinga iekārtas virzuļa dzesēšanas problēma, izmantojot ūdeni boilerī. Tomēr risinājuma rezultātā palielinājās iekārtas gabarīti un svars. Šāda sistēma vairs nevar tikt piestiprināta pie sienas kā parasts gāzes katls, un tā var būt tikai grīdas tips.

Viessmann uzņēmuma katli paredz iespēju katla darbības sistēmas apgādāt no ārēja avota, proti, no centralizētā elektroapgādes tīkla. Viessmann uzņēmums pozicionēja aprīkojumu kā ierīci, kas nodrošina pašu vajadzības (katla agregātu darbību) bez iespējas paņemt elektroenerģijas pārpalikumu mājsaimniecības patēriņam.

Vitotwin F350 sistēma – katls ar ūdens sildīšanas boileri, kura tilpums ir 175 litri. Sistēma ļauj apsildīt telpu, nodrošina ar karsto ūdeni un ražo elektroenerģiju.

Lai varētu salīdzināt apkures sistēmā iebūvējamo ģeneratoru efektivitāti, ir vērts apskatīt katlu, ko izstrādājuši uzņēmumi «Termofors» (Baltkrievijas Republika) un «Krioterms» (Krievija, Sanktpēterburga).

Tos ir vērts apskatīt nevis tāpēc, ka tie spētu kaut kādā veidā konkurēt ar iepriekšminētajām sistēmām, bet gan lai salīdzinātu darbības principus un elektroenerģijas iegūšanas efektivitāti. Šie katli kā degvielu izmanto tikai malku, presētas zāģskaidas vai koksnes briketes, tāpēc tos nevar novietot vienā rindā ar NAVIEN un Viessmann firmu modeļiem.

Katls, nosaukts par «Apkures krāsns «Indigirka», ir orientēts uz ilgstošu apkuri ar malku u.tml., bet ir aprīkots ar diviem termiskajiem elektroģeneratoriem tipa TEG 30-12. Tie atrodas uz agregāta sānu sienas. Ģeneratoru jaudas ir nelielas, proti, kopumā tie spēj saražot tikai 50-60 W ar 12 V spriegumu.

Pēc principa “Indigirka” krāsns iekārta ļauj ne tikai apsildīt telpu, bet arī gatavot ēdienu uz plīts. Sistēmas papildinājums – divi 12 V siltuma ģeneratori ar jaudu 50–60 W.

Šajā katlā ir pielietota Zebeka metode, kas balstās uz EDS veidošanu slēgtā elektriskā ķēdē. Tā sastāv no diviem neviendabīgiem materiālu veidiem un uztur kontaktpunktus dažādās temperatūrās. T.i., izstrādātāji arī izmanto katla izdalīto siltumu, lai ražotu elektroenerģiju.

Katlu darbības efektivitātes salīdzinājums

Salīdzinot uzrādītos katlu veidus, kas ne tikai apsilda telpu (silda siltumnesēju), bet arī ražo elektroenerģiju, izmantojot izdalīto siltumu, jāpievērš uzmanība svarīgiem ekspluatācijas aspektiem.

Gan uzņēmums NAVIEN, gan uzņēmums Viessmann pozicionē savus katlus, norādot uz nenoliedzamiem plusiem – pilnīga procesa automatizācija, servisa remonta nepieciešamības neesamība un vispār pilnīga pircēja iejaukšanās neesamība pēc darbības uzsākšanas.

Lai šie katli darbotos, ir nepieciešama tikai stabila sistēmas darbība un stabīla gāzes pieejamība (vai nu maģistrālie piegādes, balonu iekārta ar sašķidrinātu gāzi vai gāzes tvertne). Attiecīgi katlu darbībai tiek izmantota sadzīves gāze, kas pēc sadegšanas nerada kaitējumu videi.

Principā gandrīz to pašu var teikt par apkures krāsni «Indigirka», tikai degvielas veids šeit ir nevis gāze, bet malka, granulas vai presētas zāģskaidas.

Pilnīgs automatikas trūkums, kas prasa elektroenerģijas klātbūtni. Elektroenerģijas ražošanas sistēma un pats katls neietekmē viens otra darbību, t.i., atteicoties elektroenerģijas ražošanas sistēmai, katls turpina pildīt savas funkcijas.

Visi šie gāzi apstrādājošie apkures agregāti, kuru degļu apakšā atrodas Stirlinga dzinēji, ražo elektroenerģiju, ko var izmantot dažādiem mērķiem

NAVIEN un Viessmann uzņēmumu katli nevarēs “lepoties” ar kaut ko līdzīgu, jo Stirlinga sistēmas dzinējs ir iebūvēts tieši katla konstrukcijā. Bet cik rentablas ir šādas sistēmas un pēc kāda laika šāds katls atmaksāsies? Šo jautājumu ir vērts sīki izpētīt.

Apskatīto sistēmu rentabilitāte

No pirmā acu uzmetiena NAVIEN un Viessmann uzņēmumu katli ir praktiski mini-koģenerācijas stacijas privātmājas vai pat dzīvokļa apstākļos.

Pat neraugoties uz lielajiem gabarītu izmēriem, iespēja ražot elektroenerģiju tikai, izmantojot katlu, lai sildītu boileri vai apsildītu telpas, vajadzētu mudināt pircēju bez vilcināšanās uzstādīt šādu «tehnikas brīnumu».

Bet, rūpīgāk aplūkojot NAVIEN uzņēmuma katlu, rodas jautājumi, kas prasa atbildes. Pie deklarētās jaudas 1 kW (brīvā jauda, ko var izmantot pēc saviem ieskatiem), katls diezgan jūtami patērē elektroenerģiju sistēmas darbības laikā.

Kas ar to ir domāts? Vismaz automātikas darbs – lai gan ir nepieciešama neliela jauda, tā ir vajadzīga, lai darbotos ventilators un cirkulācijas sūknis. Uzskaitītās ierīces kopā var ne tikai veiksmīgi patērēt šo kilovatu enerģijas, bet tas var arī nepietikt sistēmas palaišanas laikā.

Vissmann Vitotwin 350F uzņēmuma apkures sistēmas principiālā shēma ar uz grīdas stāvošu boileri uz 175 l. Sistēma ļauj gan izmantot elektroenerģiju no ārēja avota, gan atdot saražotās elektroenerģijas pārpalikumu kopējā tīklā.

Tieši tādi paši jautājumi rodas arī par Viessmann uzņēmuma katliem, taču šeit vismaz netika deklarēta iespēja iegūt elektroenerģiju savām vajadzībām. Tika minēta tikai iespēja autonoma sistēmas darbība, ja nav ārējās apgādes.

Lai gan turpat izstrādātāji norāda, ka "sistēma var prasīt papildu elektrisko jaudu pie maksimālajām slodzēm". Uz deklarēto 3500 kWh saražotās elektroenerģijas fona gadā, šī nianse jau rada šaubas, un ar vienkāršiem aprēķiniem iegūstam sekojošo:

3500:6 (standarta apkures sezona mēnešos):30 (30 kalendārās dienas vidēji):24 (24 stundas diennaktī) = 0,81 kWh.

T.i., katls pie stabilas (pastāvīgas) darbības saražo aptuveni 800 W, bet cik daudz pati sistēma patērē darbības laikā? Iespējams, tie paši saražotie 800 W, bet iespējams, arī vairāk.

Turklāt elektroenerģija tiek ražota tikai degļa darbības laikā. T.i., ir nepieciešama vai nu pastāvīga sistēmas darbība, vai arī viss ir nedaudz savādāk, nekā stāsta sistēmas izstrādātāji.

Uz ko balstīti šie aprēķini? Ar malku kurināma katla sistēma reāli atdod savus 50 Wh (jeb 0,05 kWh), ko var izmantot planšetes, telefona u.tml. uzlādei, pat parastai "dežūras LED spuldzītei". Pretstatā divu pasaules slavenu uzņēmumu izstrādēm, taču aprakstītās izstrādes vairāk līdzinās labam mārketinga trikam, un nekam vairāk.

Kas attiecas uz cenu politiku šīm sistēmām, te vispār ir grūti kaut ko vērtēt. Jo pat ražotāju firmas Viessmann un NAVIEN uzreiz norāda, ka iekārta "neprasa apkalpošanu". Vienkāršā valodā – saplīsis, nozīmē, ka jānomaina agregāts pilnībā.

Tas var attiekties nevis uz visu sistēmu, bet atsevišķiem mezgliem: Stirlinga dzinēju, gāzes degļa sistēmu utt. Rezultātā tiks iegūta diezgan iespaidīga summa. Ja izejam no tā, ka vidējā cena šīm sistēmām ir aptuveni 12 tūkstoši eiro vai 13,5 tūkstoši $ – katla darbības shēma ar ģeneratoru, tad šādā situācijā var uzvarēt tikai sistēmu ražotājs.

Krāsns “Indigirka” vispār nevar piedalīties salīdzināšanā ne tikai tāpēc, ka degvielas veids nav gāze un cena nav salīdzināma (15 reizes mazāka), bet arī tāpēc, ka krāsns nav pozicionēta sadzīves vajadzībām, bet vairāk ceļojumiem, ekspedīcijām un tamlīdzīgi.

Ja Eiropā situācija ar energoresursiem pietiekami būtiski ietekmē patērētāja izvēli (izvēloties apkures vai energoapgādes sistēmas) no ekonomiskuma un ekoloģiskuma viedokļa, tad ES valstis to stimulē, subsidējot šādu sistēmu ieviešanu.

Mājsaimniecības patērētājam Krievijā šādas sistēmas, visticamāk, būs pārāk dārgas gan sākotnēji “sistēma+uzstādīšana”, gan ekspluatācijas procesā.

Secinājumi un noderīgs video par tēmu

Stērlinga dzinēja, kas aprīko gāzes katlu, darbības princips:

Gāzes katla darbības demonstrācija ar elektroenerģijas ģeneratoru:

Malkas krāsns piemērs ar elektroenerģijas ģeneratoru salīdzinājumam ar gāzes agregātu:

Nedrīkst aizmirst, ka Eiropas enerģiju ražojošie uzņēmumi ir diezgan lojāli “ražotājiem” energotaupīgās tehnikas.

Krievijā iespēja ģenerēt un nodot tīklā elektroenerģiju mājsaimniecības patērētājam nav tikai likumdošanas līmenī nostiprināta, bet arī nav atbalstīta tīkla uzņēmumos. Tāpēc piedāvātajām sistēmām diez vai ir nopietnas iespējas tikt pielietotām Krievijas apstākļos pašlaik.

Lūdzu, komentējiet izskatīšanai iesniegto rakstu zemāk esošajā bloka formā, uzdodiet jautājumus, ievietojiet fotoattēlus par tēmu. Pastāstiet, vai jums ir pazīstami katli ar elektroenerģiju ražojošām sistēmām. Dalieties ar noderīgu informāciju, kas noderēs vietnes apmeklētājiem.