Caldaia a gas con generatore elettrico: struttura, principio di funzionamento, panoramica dei migliori brand

Un uso accorto delle risorse energetiche è dettato innanzitutto dal fatto che praticamente tutte le riserve naturali non sono infinite. Un consumo economico di tutti i tipi di combustibile richiede lo sviluppo di nuovi sistemi o una modernizzazione radicale di quelli esistenti.

Pertanto, la caldaia a gas con generatore elettrico – è uno dei tipi di sistemi ibridi che consentono di gestire in modo intelligente il combustibile blu. Le presenteremo il principio di funzionamento dell'apparecchiatura, che produce energia elettrica oltre a quella termica. Presenteremo i modelli tipici dei gruppi ibridi.

Consumo efficiente delle risorse energetiche

Anche un comune cittadino, che ha installato una caldaia a gas per il riscaldamento dell'abitazione, può chiedersi sulla razionalità dell'uso dell'energia termica. In effetti, quando si brucia gas nella caldaia, non tutto il calore prodotto viene utilizzato.

Sempre durante il funzionamento del sistema di riscaldamento, una parte del calore viene persa irreversibilmente. Di solito ciò accade quando i prodotti della combustione vengono espulsi dalla caldaia nell'atmosfera. Di fatto, questa è energia sprecata che potrebbe trovare un impiego.

Di cosa si tratta esattamente? Della possibilità di utilizzare il calore “sprecato” nella produzione di energia elettrica.

Se si parte dal presupposto che il sistema della caldaia di riscaldamento è già ottimizzato per massimizzare il rendimento, l'energia «sprecata» costituisce comunque una parte significativa dell'energia rilasciata durante la combustione del combustibile.

I tipi di combustibile possono essere vari, a partire dalla semplice legna e da vari bricchetti, fino alle opzioni più economiche: gas naturale a prevalenza di metano, combustibile blu artificiale e miscele liquefatte di propano-butano.

Può sembrare che non sia una «scoperta dell'America», ma in realtà la tecnologia, sviluppata già nel lontano 1943 da Robert Stirling, o meglio l'impianto, esiste. Le sue caratteristiche costruttive e il principio di funzionamento consentono di classificare questo sistema come motore a combustione interna.

Perché allora questo impianto non è stato utilizzato per un periodo di tempo così significativo? La risposta è semplice: lo sviluppo teorico della tecnologia negli anni Quaranta del secolo scorso si è rivelato molto ingombrante nella pratica.

Le tecnologie e i materiali esistenti al momento dello sviluppo non consentivano di ridurre le dimensioni dell'impianto, e i metodi di produzione di energia elettrica allora esistenti erano più redditizi.

L'inclusione nello schema di una caldaia a gas di un dispositivo che converte il calore sprecato in energia elettrica consente di aumentare significativamente l'efficienza dell'impianto di trattamento del gas.

Cosa potrebbe spingerci oggi a riflettere su un uso più attento delle risorse non rinnovabili? Attualmente in tutto il mondo esiste un problema comune: lo sviluppo tecnologico porta inevitabilmente a un aumento del consumo di energia elettrica.

L'aumento dei consumi avviene a un ritmo così rapido che le società di rete non riescono a modernizzare i sistemi di trasmissione dell'energia elettrica, per non parlare della produzione. Questa situazione porta inevitabilmente al guasto degli elementi dei sistemi di alimentazione elettrica, e in alcuni casi ciò può accadere con una frequenza preoccupante.

Le moderne caldaie per riscaldamento sono dotate di sistemi di controllo che sono anch'essi dipendenti dall'energia elettrica. La pompa di circolazione, i sensori, l'automazione e il pannello stesso necessitano di alimentazione elettrica. L'intero insieme di dispositivi non può non destare preoccupazione per il mantenimento della funzionalità in caso di interruzione di corrente.

I sistemi di riscaldamento forzato non possono essere avviati senza elettricità. L'interruzione dell'alimentazione durante la stagione di riscaldamento è praticamente catastrofica per loro. Non solo porterà inevitabilmente a un rapido raffreddamento dell'ambiente, ma con un riscaldamento inattivo a lungo è possibile il congelamento del circuito.

La prolungata inattività del sistema di riscaldamento durante la stagione fredda porta al congelamento del sistema, alla formazione di blocchi di ghiaccio e, di conseguenza, al danneggiamento delle apparecchiature e dei tubi di riscaldamento a causa di rotture.

Le opzioni standard esistenti per risolvere il problema sono l'installazione di gruppi di continuità, generatori di varie modifiche (a gas, a benzina, diesel o fonti alternative – eolici o mini centrali termoelettriche, idroelettriche).

Ma questa soluzione non è accettabile per tutti, poiché molti hanno difficoltà a trovare spazio per installare un fornitore autonomo di elettricità.

Se i residenti di case unifamiliari possono ancora trovare spazio per un generatore, per l'installazione in un condominio è praticamente impossibile. Pertanto, risulta che i residenti di condomini con sistema di riscaldamento individuale sono i primi a subire conseguenze in caso di blackout.

Per questo motivo, le aziende che producono componenti per sistemi di riscaldamento si sono poste per prime il problema di sfruttare appieno il calore che viene 'buttato via' dall'impianto di riscaldamento. Hanno riflettuto su come applicare questa sostanza sprecata inutilmente alla generazione di elettricità.

Tra le tecnologie note, gli sviluppatori hanno scelto l'installazione Stirling, ormai quasi dimenticata; le tecnologie moderne ne consentono di aumentare l'efficienza mantenendo dimensioni compatte.

Principio di funzionamento del motore Stirling – movimento del pistone del motore verso il basso e verso l'alto. Il motore funziona quasi silenziosamente e non provoca vibrazioni dell'apparecchiatura.

Il principio di funzionamento dell'installazione Stirling si basa sull'uso del riscaldamento e del raffreddamento del fluido di lavoro, che a sua volta aziona un meccanismo che produce energia elettrica.

All'interno del pistone (chiuso) si trova un gas compresso; quando viene riscaldato, il mezzo gassoso si espande e spinge il pistone in una direzione; dopo il raffreddamento nel refrigeratore, si comprime e spinge il pistone nell'altra direzione.

Panoramica dei produttori di caldaie con generatore

Consideriamo esempi concreti di sistemi di caldaie domestiche oggi esistenti in cui il principio di utilizzo dei gas di scarico (prodotti della combustione) per la produzione di elettricità è stato implementato con successo. L'azienda sudcoreana NAVIEN ha implementato con successo la tecnologia sopra menzionata nella caldaia del modello HYBRIGEN SE.

Nella caldaia viene utilizzato un motore Stirling che, secondo i dati tecnici, durante il funzionamento produce elettricità con una potenza di 1000W (o 1kW) e una tensione di 12V. Gli sviluppatori affermano che l'elettricità generata può essere utilizzata per alimentare elettrodomestici.

Tale potenza dovrebbe essere sufficiente per alimentare un frigorifero domestico (circa 0,1 kW), un computer personale (circa 0,4 kW), un televisore a cristalli liquidi (circa 0,2 kW) e fino a 12 lampadine a LED con una potenza di 25 W ciascuna.

Caldaia della serie Hybrigen SE dell'azienda Navien con generatore integrato e motore del sistema Stirling. Durante il funzionamento della caldaia, oltre alle funzioni principali, viene generata elettricità con una potenza di circa 1000W.

Tra i produttori europei, l'azienda Viessmann sta sviluppando soluzioni in questo settore. Viessmann ha la possibilità di offrire al consumatore due modelli di caldaie della serie Vitotwin 300W e Vitotwin 350F.

Il modello Vitotwin 300W è stato il primo sviluppo in questa direzione. Si distingue per un design abbastanza compatto e all'esterno è molto simile a una normale caldaia murale a gas. Tuttavia, proprio durante l'utilizzo del primo modello sono state individuate le 'debolezze' nel funzionamento del motore del sistema Stirling.

Il problema più grande si è rivelato essere la dissipazione del calore, il principio di funzionamento del dispositivo è riscaldamento e raffreddamento. Cioè, gli sviluppatori hanno incontrato lo stesso problema che Stirling aveva affrontato negli anni quaranta del secolo scorso: un raffreddamento efficiente che può essere ottenuto solo con dimensioni significative del radiatore.

È proprio per questo che è stato creato il modello di caldaia Vitotwin 350F, che includeva non solo una caldaia a gas con generatore elettrico, ma anche un bollitore integrato da 175 litri.

Il serbatoio di accumulo per l'acqua calda viene realizzato in versione da pavimento a causa del peso elevato sia dell'apparecchiatura stessa che del liquido preparato per scopi sanitari.

In questo caso, il problema del raffreddamento del pistone dell'impianto Stirling è stato risolto in modo abbastanza efficace grazie all'acqua nel bollitore. Tuttavia, la soluzione ha portato a un aumento delle dimensioni e del peso dell'impianto. Un tale sistema non può più essere montato a parete come una normale caldaia a gas e può essere solo a pavimento.

Le caldaie dell'azienda Viessmann prevedono la possibilità di alimentare i sistemi di funzionamento della caldaia da una fonte esterna, ovvero dalle reti di alimentazione elettrica centralizzata. L'azienda Viessmann ha posizionato l'apparecchiatura come un dispositivo che soddisfa le proprie esigenze (funzionamento dei componenti della caldaia) senza possibilità di prelevare l'elettricità in eccesso per uso domestico.

Il sistema Vitotwin F350 – una caldaia con bollitore per il riscaldamento dell'acqua da 175 litri. Il sistema consente di riscaldare l'ambiente, fornisce acqua calda e produce energia elettrica.

Per poter confrontare l'efficienza dell'impiego dei generatori integrati nel sistema di riscaldamento. Vale la pena considerare una caldaia sviluppata dalle aziende «TERMOFOR» (Repubblica di Bielorussia) e «Kriotherm» (Russia, San Pietroburgo).

Vale la pena considerarli non perché possano in qualche modo competere con i sistemi sopra menzionati, ma per confrontare i principi di funzionamento e l'efficienza nella produzione di energia elettrica. Queste caldaie utilizzano come combustibile solo legna, segatura pressata o bricchette a base di legno, quindi non possono essere messe sullo stesso piano dei modelli delle aziende NAVIEN e Viessmann.

La caldaia, chiamata «Stufa riscaldante «Indigirka», è progettata per il riscaldamento prolungato a legna e simili, ma è dotata di due generatori termoelettrici di tipo TEG 30-12. Sono posizionati sulla parete laterale dell'unità. Le potenze dei generatori sono basse, cioè complessivamente sono in grado di generare solo 50-60W a 12V.

Il principio di funzionamento della stufa “Indigirka” permette non solo di riscaldare l'ambiente, ma anche di cucinare sul fornello. Il sistema è completato da due termogeneratori da 12V con potenza di 50-60 W.

In questa caldaia è stato applicato il metodo Seebeck, basato sulla generazione di una forza elettromotrice (FEM) in un circuito elettrico chiuso. Esso è costituito da due materiali di tipo diverso e mantiene i punti di contatto a temperature differenti. Cioè, anche gli sviluppatori sfruttano il calore prodotto dalla caldaia per generare energia elettrica.

Confronto dell'efficienza di funzionamento delle caldaie

Confrontando i tipi di caldaie presentati, che non solo riscaldano l'ambiente (riscaldano il fluido termovettore), ma producono anche elettricità sfruttando il calore emesso, è importante prestare attenzione agli aspetti cruciali durante l'utilizzo.

Sia l'azienda NAVIEN che l'azienda Viessmann presentano le loro caldaie evidenziando indubbi vantaggi: completa automazione del processo, nessuna necessità di manutenzione e assoluta assenza di intervento da parte dell'acquirente dopo l'avvio.

Per il funzionamento di queste caldaie è necessaria solo una fornitura stabile di gas (sia essa di rete, una bombola di gas liquefatto o un serbatoio di GPL). Di conseguenza, per il funzionamento delle caldaie viene utilizzato gas domestico, che dopo la combustione non è dannoso per l'ambiente.

In linea di principio, si può dire quasi lo stesso per la stufa di riscaldamento «Indigirka», solo che il tipo di combustibile qui non è gas, ma legna, pellet o segatura pressata.

La completa assenza di automatismi che richiedono elettricità. Il sistema di produzione di energia elettrica e la caldaia stessa non interferiscono l'uno con l'altro, cioè in caso di guasto del sistema di generazione elettrica, la caldaia continua a svolgere le sue funzioni.

Tutti questi gruppi di riscaldamento a gas, sotto i cui bruciatori sono montati motori Stirling, producono energia elettrica che può essere utilizzata per vari scopi.

Le caldaie delle aziende NAVIEN e Viessmann non possono “vantarsi” di questo, poiché il motore del sistema Stirling è integrato direttamente nella struttura della caldaia. Ma quanto sono redditizi tali sistemi e in quanto tempo si ripagherà una caldaia simile? Vale la pena analizzare questa questione in dettaglio.

Redditività dei sistemi considerati

A prima vista, le caldaie delle aziende NAVIEN e Viessmann sono praticamente mini centrali termoelettriche in una casa privata o persino in un appartamento.

Nonostante le grandi dimensioni d'ingombro, la possibilità di produrre energia elettrica semplicemente utilizzando la caldaia per riscaldare il boiler o gli ambienti dovrebbe indurre l'acquirente a installare senza esitazione una simile «meraviglia tecnologica».

Ma a un esame più attento della caldaia della società NAVIEN sorgono domande che richiedono risposta. Con una potenza dichiarata di 1 kW (potenza libera che si può utilizzare a piacimento), la caldaia consuma energia elettrica in modo piuttosto significativo durante il funzionamento del sistema.

Cosa si intende? Almeno il funzionamento dell'automazione, anche se è necessaria una potenza ridotta, ma è indispensabile per far funzionare il ventilatore e la pompa di circolazione. I dispositivi elencati insieme possono non solo consumare con successo questo kilowatt di energia, ma potrebbe non essere sufficiente durante la 'messa a regime' del sistema.

Schema di principio del sistema di riscaldamento della società Vissmann Vitotwin 350F con boiler a pavimento da 175 litri. Il sistema consente sia di utilizzare l'energia elettrica da una fonte esterna, sia di cedere l'eccesso di energia elettrica prodotta alla rete comune.

Esattamente le stesse domande sorgono anche per le caldaie della società Viessmann, ma qui almeno non era dichiarata la possibilità di estrarre energia elettrica per le proprie esigenze. Veniva menzionata solo la possibilità di funzionamento autonomo del sistema in assenza di alimentazione esterna.

Tuttavia, gli sviluppatori indicano che 'il sistema potrebbe richiedere potenza elettrica aggiuntiva in condizioni di carico di punta'. Alla luce dei 3500 kWh dichiarati di energia elettrica prodotta all'anno, questa sfumatura già suscita dubbi, e con semplici calcoli si ottiene quanto segue:

3500 : 6 (mesi della stagione di riscaldamento standard) : 30 (30 giorni di calendario in media) : 24 (24 ore al giorno) = 0,81 kWh.

Cioè, la caldaia produce durante il funzionamento stabile (continuo) circa 800 W, ma quanto consuma il sistema stesso durante il funzionamento? Forse gli stessi 800 W prodotti, o forse di più.

Inoltre, l'energia elettrica viene generata solo durante il funzionamento del bruciatore. Cioè, è necessario un funzionamento continuo del sistema, oppure le cose non stanno esattamente come raccontano gli sviluppatori del sistema.

A cosa servivano questi calcoli? Il sistema di caldaia a legna fornisce effettivamente i suoi 50 Wh (o 0,05 kWh), che possono essere utilizzati per ricaricare un tablet, un telefono, ecc., persino per una banale 'lampadina LED di standby'. In contrasto con le sviluppi di due aziende di fama mondiale, ma le soluzioni descritte assomigliano chiaramente più a una buona manovra di marketing, e niente più.

Per quanto riguarda la politica dei prezzi di questi sistemi, è molto difficile valutare qualcosa. Poiché anche i produttori Viessmann e NAVIEN specificano immediatamente che l'apparecchiatura 'non richiede manutenzione'. In parole povere: se si rompe, significa che è necessario sostituire completamente l'unità.

Questo potrebbe riguardare non l'intero sistema, ma singoli componenti: il motore Stirling, il sistema del bruciatore a gas, ecc. Di conseguenza, si otterrà una cifra piuttosto consistente. Partendo dal presupposto che in media il prezzo di questi sistemi è di circa 12 mila euro o 13,5 mila dollari. Schema di funzionamento della caldaia con generatore, allora a trarre vantaggio in una situazione del genere potrebbe essere solo il produttore dei sistemi.

La stufa “Indigirka” non può affatto partecipare al confronto, non solo perché il tipo di combustibile non è gas e il prezzo non è paragonabile (15 volte inferiore), ma anche perché la stufa è concepita non per uso domestico, bensì per viaggi, spedizioni e simili.

Se in Europa la situazione delle fonti energetiche influenza in modo significativo la scelta del consumatore (nella selezione di sistemi di riscaldamento o alimentazione energetica) in termini di economicità e sostenibilità, gli Stati dell'UE incentivano questo attraverso sussidi per l'adozione di tali sistemi.

Per un consumatore domestico in Russia, tali sistemi probabilmente risulteranno troppo costosi sia inizialmente come “sistema+installazione”, sia durante il funzionamento.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Principio di funzionamento del motore Stirling che equipaggia la caldaia a gas:

Dimostrazione del funzionamento di una caldaia a gas con generatore elettrico:

Esempio di stufa a legna con generatore elettrico per confronto con l'apparecchio a gas:

Non bisogna dimenticare che le aziende energetiche europee sono piuttosto favorevoli verso i “produttori” di apparecchiature a risparmio energetico.

In Russia, la possibilità di generare e immettere energia elettrica nella rete da parte di un consumatore domestico non solo non è sancita per legge, ma è anche scoraggiata dalle società di rete. Pertanto, i sistemi presentati hanno scarse possibilità di applicazione nelle condizioni attuali della Federazione Russa.

Commenti, per favore, l'articolo presentato per la revisione nel modulo sottostante, ponga domande, inserisca foto sul tema. Racconti se conosce caldaie con sistemi di generazione elettrica. Condivida informazioni utili che possano essere utili ai visitatori del sito.