Caldeira a gás com gerador elétrico: estrutura, princípio de funcionamento, visão geral das melhores marcas

A gestão cuidadosa dos recursos energéticos é ditada principalmente pelo fato de que praticamente todas as reservas naturais não são infinitas. O consumo econômico de todos os tipos de combustível exige o desenvolvimento de novos sistemas ou a modernização radical dos existentes.

Assim, a caldeira a gás com gerador elétrico – é um dos tipos de sistemas híbridos que permitem gerenciar de forma inteligente o combustível azul. Vamos apresentar a você o princípio de funcionamento do equipamento que gera energia elétrica juntamente com a energia térmica. Apresentaremos modelos típicos de unidades híbridas.

Consumo eficiente de recursos energéticos

Até mesmo um cidadão comum, que tem uma caldeira a gás instalada para aquecer a casa, pode se perguntar sobre a racionalidade do uso da energia térmica. De fato, ao queimar gás na caldeira, nem todo o calor liberado é utilizado.

Sempre durante o funcionamento do sistema de aquecimento, uma parte do calor é irreversivelmente perdida. Isso geralmente ocorre quando os produtos da combustão são lançados da caldeira para a atmosfera. Na verdade, é energia perdida que poderia ser utilizada.

Do que exatamente estamos falando? Da possibilidade de usar o calor “descartado” na produção de energia elétrica.

Se considerarmos que o sistema da caldeira de aquecimento já está otimizado para maximizar a eficiência, a energia «descartada» ainda representa uma parte significativa da energia liberada durante a combustão do combustível

Os tipos de combustível podem ser variados, desde lenha comum e briquetes de todos os tipos, até as opções mais econômicas: gás natural com predominância de metano em sua composição, combustível azul artificial e misturas liquefeitas de propano-butano.

Pode parecer que isso está longe de ser a «descoberta da América», mas na verdade a tecnologia desenvolvida por Robert Stirling em 1943, ou melhor, o dispositivo, existe. Suas características construtivas e princípio básico de funcionamento permitem classificar este sistema como um motor de combustão interna.

Por que então essa instalação não foi utilizada por um período de tempo tão significativo? A resposta é simples – o desenvolvimento teórico da tecnologia nos anos quarenta do século passado, na prática, revelou-se muito volumosa.

As tecnologias e materiais existentes no momento do desenvolvimento não permitiam reduzir o tamanho da instalação, e os métodos existentes de produção de energia elétrica eram mais rentáveis.

A inclusão no esquema da caldeira a gás de um dispositivo que processa o calor desperdiçado em eletricidade permite aumentar significativamente a eficiência da instalação de processamento de gás.

O que pode nos levar a pensar hoje sobre uma atitude mais cuidadosa em relação aos recursos não renováveis? Atualmente, existe um problema comum em todo o mundo – o desenvolvimento tecnológico inevitavelmente leva ao aumento do consumo de energia elétrica.

O aumento do consumo ocorre a um ritmo tão acelerado que as empresas de rede não conseguem modernizar os sistemas de transmissão de energia elétrica, sem falar na produção. Tal situação leva inevitavelmente a que os elementos dos sistemas de fornecimento de energia falhem, e em alguns casos isso pode ocorrer com uma regularidade invejável.

As caldeiras de aquecimento modernas são equipadas com sistemas de controle que também são dependentes de energia. A bomba de circulação, sensores, automação, o próprio painel precisam de energia elétrica. Todo o conjunto de dispositivos não pode deixar de causar preocupação com a manutenção da operacionalidade em caso de corte de energia.

Não é possível ligar sistemas de aquecimento forçado sem eletricidade. O corte de energia durante a estação de aquecimento é praticamente catastrófico para eles. Além de levar inevitavelmente a um rápido arrefecimento do ambiente, com o aquecimento inativo por muito tempo, pode ocorrer o congelamento do circuito.

A ausência prolongada de funcionamento do sistema de aquecimento no período frio leva ao congelamento do sistema de aquecimento, ao aparecimento de tampões de gelo e, finalmente, a danos no equipamento e tubulações de aquecimento devido a ruptura.

As soluções padrão existentes para o problema são a instalação de fontes de alimentação ininterrupta, geradores de várias modificações (geradores a gás, a gasolina, diesel ou fontes não convencionais – aerogeradores ou mini termelétricas, hidrelétricas).

Mas essa solução não é aceitável para todos, pois para muitos é difícil reservar espaço para a instalação de um fornecedor autônomo de eletricidade.

Se os moradores de casas individuais ainda podem reservar espaço para um gerador, para instalação em um prédio de vários andares isso é praticamente impossível. Assim, conclui-se que os moradores de prédios de apartamentos com sistema de aquecimento individual são os primeiros a sofrer em caso de corte de luz.

Por isso, em primeiro lugar, as empresas que fabricam componentes para sistemas de aquecimento se questionaram sobre o aproveitamento total do calor que é 'desperdiçado' pelo sistema de aquecimento. Elas pensaram em como aplicar essa substância inutilmente desperdiçada na geração de eletricidade.

Das tecnologias conhecidas, os desenvolvedores escolheram a 'bem esquecida' máquina Stirling. As tecnologias modernas permitem aumentar sua eficiência, mantendo dimensões compactas.

O princípio de funcionamento do motor Stirling – movimento do pistão para baixo e para cima. O motor funciona praticamente sem ruído e não causa vibrações no equipamento.

O princípio de funcionamento da máquina Stirling baseia-se no uso de aquecimento e resfriamento do fluido de trabalho, o que por sua vez aciona um mecanismo que gera energia elétrica.

Dentro do pistão (fechado) há gás pressurizado. Quando aquecido, o meio gasoso se expande e move o pistão em uma direção; após o resfriamento no refrigerador, ele se contrai e move o pistão na direção oposta.

Visão geral dos fabricantes de caldeiras com gerador

Vamos examinar exemplos específicos de sistemas de caldeiras domésticas existentes hoje, nos quais o princípio de usar gases de exaustão (produtos da combustão) para gerar eletricidade foi implementado com sucesso. A empresa sul-coreana NAVIEN implementou com sucesso a tecnologia acima na caldeira HYBRIGEN SE.

A caldeira usa um motor Stirling que, de acordo com os dados técnicos, gera eletricidade com potência de 1000W (ou 1kW) e tensão de 12V. Os desenvolvedores afirmam que a eletricidade gerada pode ser usada para alimentar aparelhos domésticos.

Essa potência deve ser suficiente para alimentar um refrigerador doméstico (cerca de 0,1 kW), um computador pessoal (cerca de 0,4 kW), uma televisão de LCD (cerca de 0,2 kW) e até 12 lâmpadas LED de 25W cada.

Caldeira da série hybrigen se da empresa navien com gerador integrado e motor do sistema Stirling. Durante a operação, além das funções principais, a caldeira gera eletricidade de cerca de 1000W de potência.

Entre os fabricantes europeus, a empresa Viessmann está desenvolvendo soluções nessa área. A Viessmann tem a capacidade de oferecer ao consumidor dois modelos de caldeiras da série Vitotwin 300W e Vitotwin 350F.

O modelo Vitotwin 300W foi o primeiro desenvolvimento nessa área. Ele possui um design bastante compacto e é externamente muito semelhante a uma caldeira a gás de parede. No entanto, foi durante a operação do primeiro modelo que foram identificados os 'pontos fracos' no funcionamento do motor do sistema Stirling.

O maior problema foi a dissipação de calor, pois o princípio de funcionamento do dispositivo é o aquecimento e o resfriamento. Ou seja, os desenvolvedores enfrentaram o mesmo problema que Stirling enfrentou na década de 1940: o resfriamento eficiente, que só pode ser alcançado com dimensões significativas do resfriador.

Foi por isso que surgiu o modelo de caldeira Vitotwin 350F, que incluía não apenas uma caldeira a gás com gerador de eletricidade, mas também um boiler incorporado de 175 litros.

O tanque de acumulação para água quente é feito na versão de piso devido ao grande peso tanto do próprio equipamento quanto do líquido preparado para fins sanitários.

Nesse caso, a questão do resfriamento do pistão da unidade Stirling foi resolvida de forma bastante eficaz por meio da água no boiler. No entanto, a solução fez com que as dimensões totais e o peso da unidade aumentassem. Esse sistema já não pode ser montado na parede como uma caldeira a gás comum, sendo apenas de piso.

As caldeiras da empresa Viessmann permitem a alimentação dos sistemas de funcionamento da caldeira a partir de uma fonte externa, ou seja, das redes de fornecimento elétrico central. A Viessmann posicionou o equipamento como um dispositivo que atende às suas próprias necessidades (funcionamento dos agregados da caldeira) sem a possibilidade de extrair o excesso de eletricidade para consumo doméstico.

Sistema Vitotwin F350 – caldeira com boiler de aquecimento de água com volume de 175 litros. O sistema permite aquecer o ambiente, fornece água quente e gera energia elétrica.

Para que se possa comparar a eficiência do uso de geradores incorporados ao sistema de aquecimento, vale considerar a caldeira desenvolvida pelas empresas TERMOFOR (República da Bielorrússia) e Crioterm (Rússia, cidade de São Petersburgo).

Vale considerá-las não porque possam de alguma forma competir com os sistemas acima mencionados, mas para comparar os princípios de funcionamento e a eficiência na obtenção de energia elétrica. Essas caldeiras usam apenas lenha, serragem prensada ou briquetes à base de madeira como combustível, portanto não podem ser colocadas no mesmo nível dos modelos das empresas NAVIEN e Viessmann.

A caldeira chamada de 'Forno de aquecimento Indigirka' é projetada para aquecimento prolongado com lenha e etc., mas é equipada com dois geradores térmicos de eletricidade do tipo TEG 30-12. Eles estão localizados na parede lateral do agregado. As potências dos geradores são pequenas, ou seja, no total conseguem gerar apenas 50-60W com tensão de 12V.

O design fundamental do fogão “Indiguirka” permite não apenas aquecer o ambiente, mas também cozinhar alimentos no fogareiro. O complemento do sistema – dois geradores térmicos de 12V com potência de 50-60W.

Nesta caldeira, o método Seebeck foi aplicado, baseado na formação de FEM em um circuito elétrico fechado. Ele consiste em dois tipos diferentes de material e mantém pontos de contato em diferentes temperaturas. Ou seja, os desenvolvedores também usam o calor gerado pela caldeira para produzir energia elétrica.

Comparação da eficiência operacional das caldeiras

Ao comparar os tipos de caldeiras apresentados, que não apenas aquecem o ambiente (aquecem o fluido de aquecimento), mas também geram eletricidade através do uso do calor liberado, deve-se prestar atenção a aspectos importantes durante a operação.

Tanto a empresa NAVIEN quanto a empresa Viessmann posicionam suas caldeiras, destacando vantagens inegáveis – automação completa do processo, ausência de necessidade de reparo e, em geral, total ausência de intervenção por parte do comprador após a inicialização.

Para o funcionamento destas caldeiras, é necessário apenas o funcionamento estável do sistema e a disponibilidade estável de gás (seja fornecimento de rede, instalação de cilindro com gás liquefeito ou reservatório de gás). Consequentemente, para o funcionamento das caldeiras, utiliza-se gás doméstico, que após a combustão não causa danos ao meio ambiente.

Em princípio, quase o mesmo pode ser dito sobre o fogão de aquecimento "Indiguirka", só que o tipo de combustível aqui não é gás, mas lenha, pellets ou serragem prensada.

Ausência total de automação, que requer eletricidade. O sistema de geração de energia elétrica e a própria caldeira não interferem no funcionamento um do outro, ou seja, se o sistema de produção de eletricidade falhar, a caldeira continua a desempenhar suas funções.

Todos estes aparelhos de aquecimento a gás, sob cujos queimadores estão localizados motores Stirling, produzem energia elétrica que pode ser utilizada para diversos fins.

As caldeiras das empresas NAVIEN e Viessmann não podem “se gabar” disso, pois o motor do sistema Stirling está embutido diretamente na estrutura da caldeira. Mas quão rentáveis são tais sistemas e em quanto tempo tal caldeira se pagará? Vale a pena analisar essa questão em detalhes.

Rentabilidade dos sistemas em questão

À primeira vista, as caldeiras das empresas NAVIEN e Viessmann são praticamente mini-UTES em uma casa particular ou até mesmo em um apartamento.

Mesmo apesar das grandes dimensões, a possibilidade de gerar energia elétrica simplesmente pelo uso da caldeira para aquecer o boiler ou aquecer ambientes deve levar o comprador a instalar sem pensar essa "maravilha da tecnologia".

Mas, ao examinar mais de perto a caldeira da empresa NAVIEN, surgem questões que exigem resposta. Com a potência declarada de 1 kW (potência livre que pode ser usada a seu critério), a caldeira consome eletricidade de forma bastante perceptível quando o sistema está em funcionamento.

O que isso significa? No mínimo, o funcionamento da automação: embora seja necessária pouca potência, ela é necessária para que o ventilador e a bomba de circulação funcionem. Os dispositivos listados, em conjunto, não apenas podem consumir com sucesso esse quilowatt de energia, como também pode não ser suficiente durante a 'aceleração' do sistema.

Diagrama esquemático do sistema de aquecimento da empresa Viessmann Vitotwin 350F com caldeira de piso de 175 litros. O sistema permite tanto usar eletricidade de uma fonte externa quanto fornecer o excesso de eletricidade gerada para a rede geral.

As mesmas questões surgem exatamente para as caldeiras da empresa Viessmann, mas aqui pelo menos não se declarava a possibilidade de extrair eletricidade para as próprias necessidades. Apenas era mencionada a possibilidade de operação autônoma do sistema na ausência de fornecimento externo.

Embora os desenvolvedores indiquem imediatamente que 'o sistema pode exigir potência elétrica adicional em cargas de pico'. Diante dos 3500 kWh declarados de eletricidade produzida por ano, essa nuance já levanta dúvidas e, por meio de cálculos simples e diretos, obtemos o seguinte:

3500:6 (meses da estação padrão de aquecimento):30 (30 dias corridos em média):24 (24 horas por dia) = 0,81 kWh.

Ou seja, a caldeira produz, em operação estável (constante), cerca de 800 W, mas quanto o próprio sistema consome durante o funcionamento? Possivelmente os mesmos 800 W produzidos, ou talvez mais.

Além disso, a eletricidade é gerada apenas durante o funcionamento do queimador. Ou seja, é necessário que o sistema funcione constantemente, ou as coisas não são bem como os desenvolvedores do sistema contam.

Para que serviam esses cálculos? O sistema de caldeira a lenha realmente fornece seus 50 Wh (ou 0,05 kWh), que podem ser usados para carregar um tablet, telefone, etc., até mesmo para uma simples 'lâmpada LED de espera'. Em contraste com os desenvolvimentos de duas empresas de renome mundial, mas os desenvolvimentos descritos claramente se parecem mais com uma boa jogada de marketing, e nada mais.

Quanto à política de preços desses sistemas, é difícil avaliar qualquer coisa. Já que os próprios fabricantes Viessmann e NAVIEN afirmam imediatamente que o equipamento 'não requer manutenção'. Em tradução para uma linguagem simples – se quebrar, significa que é necessário substituir a unidade completamente.

Isso pode não se referir a todo o sistema, mas a componentes individuais: motor Stirling, sistema de queimador a gás, etc. Como resultado, obtém-se um valor bastante significativo. Considerando que, em média, o preço desses sistemas é de cerca de 12 mil euros ou 13,5 mil dólares. Diagrama de funcionamento da caldeira com gerador, então quem pode ganhar nessa situação é apenas o fabricante dos sistemas.

O fogão “Indigirka” não pode participar da comparação, não apenas porque o tipo de combustível não é gás e o preço não é comparável (15 vezes menor), mas porque o fogão é posicionado não para uso doméstico, mas sim para viagens, expedições, etc.

Se na Europa a situação dos vetores energéticos influencia de forma bastante significativa a escolha do consumidor (na escolha de sistemas de aquecimento ou de fornecimento de energia) em termos de economia e sustentabilidade, os estados da UE estimulam isso através de subsídios para a implementação de tais sistemas.

Para o consumidor doméstico na Rússia, esses sistemas provavelmente serão muito caros, tanto inicialmente “sistema+instalação” quanto durante a operação.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Princípio de funcionamento do motor Stirling que equipa a caldeira a gás:

Demonstração do funcionamento de uma caldeira a gás com gerador de eletricidade:

Exemplo de um fogão a lenha com gerador de eletricidade para comparação com o aparelho a gás:

Não se deve esquecer que as empresas europeias de geração de energia são bastante leais aos “fabricantes” de equipamentos de economia de energia.

Na Rússia, a possibilidade de geração e transmissão de energia elétrica para a rede pelo consumidor doméstico não é apenas legalmente estabelecida, mas também não é bem-vinda pelas empresas de rede. Portanto, os sistemas apresentados dificilmente têm chances sérias de aplicação nas condições da RF hoje em dia.

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