Gaskessel mit Stromgenerator: Aufbau, Funktionsprinzip, Überblick über die besten Marken

Der sparsame Umgang mit Energieressourcen ist in erster Linie dadurch bedingt, dass nahezu alle natürlichen Vorräte nicht unendlich sind. Der wirtschaftliche Verbrauch aller Brennstoffarten erfordert die Entwicklung neuer Systeme oder eine grundlegende Modernisierung der bestehenden.

So ist der Gaskessel mit Stromgenerator – eine Art von Hybridsystemen, die eine vernünftige Nutzung des blauen Brennstoffs ermöglichen. Wir stellen Ihnen das Funktionsprinzip der Geräte vor, die neben Wärmeenergie auch elektrische Energie erzeugen. Wir präsentieren typische Modelle von Hybridaggregaten.

Effizienter Verbrauch von Energieressourcen

Selbst ein durchschnittlicher Bürger, der einen Gaskessel zur Wohnungsheizung installiert hat, kann sich über die Rationalität der Nutzung von Wärmeenergie Gedanken machen. In der Tat wird beim Verbrennen von Gas im Kessel bei weitem nicht die gesamte freigesetzte Wärme genutzt.

Bei Betrieb der Heizungsanlage geht immer ein Teil der Wärme unwiederbringlich verloren. Normalerweise geschieht dies beim Ausstoß der Verbrennungsprodukte aus dem Kessel in die Atmosphäre. Tatsächlich handelt es sich um verlorene Energie, die verwendet werden könnte.

Um was genau geht es? Um die Möglichkeit, die nutzlos “ausgestoßene” Wärme bei der Erzeugung elektrischer Energie zu verwenden.

Wenn man davon ausgeht, dass das Heizkesselsystem bereits optimiert ist, um den Wirkungsgrad maximal zu erhöhen, macht die „ausgestoßene“ Energie immer noch einen erheblichen Anteil der Energie aus, die bei der Verbrennung des Brennstoffs freigesetzt wird.

Die Brennstoffarten können unterschiedlich sein, angefangen bei einfachen Holzscheiten und verschiedenen Briketts bis hin zu den wirtschaftlichsten Optionen: Erdgas mit überwiegendem Methananteil, künstlichem blauen Brennstoff und Propan-Butan-Flüssiggasmischungen.

Es mag erscheinen, dass dies weit entfernt von einer „Entdeckung Amerikas“ ist, aber tatsächlich existiert die bereits 1943 von Robert Stirling entwickelte Technologie, genauer gesagt die Anlage. Ihre Konstruktionsmerkmale und das grundlegende Funktionsprinzip erlauben es, dieses System zu den Verbrennungsmotoren zu zählen.

Warum wurde diese Anlage dann nicht über einen so langen Zeitraum hinweg genutzt? Die Antwort ist einfach: Die theoretische Entwicklung der Technologie in den vierziger Jahren des letzten Jahrhunderts erwies sich in der Praxis als sehr sperrig.

Die zum Zeitpunkt der Technologieentwicklung vorhandenen Techniken und Materialien erlaubten es nicht, die Größe der Anlage zu reduzieren, und die damaligen Methoden der Stromerzeugung waren wirtschaftlicher.

Die Integration eines Geräts in den Gaskessel, das nutzlos verbrauchte Wärme in Strom umwandelt, ermöglicht eine deutliche Steigerung des Wirkungsgrads der Gasverarbeitungsanlage.

Was kann uns heute dazu bewegen, über einen sparsameren Umgang mit nicht erneuerbaren Ressourcen nachzudenken? Derzeit gibt es weltweit ein gemeinsames Problem: Die technologische Entwicklung führt unweigerlich zu einem Anstieg des Stromverbrauchs.

Der Verbrauch steigt so rasant, dass die Netzbetreiber nicht in der Lage sind, die Stromübertragungssysteme zu modernisieren, geschweige denn die Produktion. Diese Situation führt unweigerlich dazu, dass Komponenten der Stromversorgungssysteme ausfallen, und in einigen Fällen kann dies mit schöner Regelmäßigkeit geschehen.

Moderne Heizkessel sind mit Steuerungssystemen ausgestattet, die ebenfalls stromabhängig sind. Die Umwälzpumpe, die Sensoren, die Automatisierung und das Bedienfeld selbst benötigen Strom. Die gesamte Gerätegruppe kann nicht umhin, Besorgnis über die Aufrechterhaltung der Funktionsfähigkeit bei einem Stromausfall zu erregen.

Zwangsheizsysteme können ohne Strom nicht in Betrieb genommen werden. Ein Stromausfall während der Heizperiode ist für sie praktisch katastrophal. Nicht nur, dass dies unweigerlich zu einer schnellen Abkühlung des Raumes führt, bei längerem Ausfall der Heizung kann es zum Einfrieren des Kreislaufs kommen.

Ein längerer Stillstand des Heizsystems in der kalten Jahreszeit führt zum Einfrieren des Heizsystems, zur Bildung von Eisstopfen und schließlich zu Schäden an den Geräten und Heizungsrohren aufgrund von Bersten.

Standardmäßige bestehende Lösungsvarianten – Installation von USV-Anlagen, Generatoren aller Art (Gas-, Benzin-, Dieselgeneratoren oder unkonventionelle Quellen – Windgeneratoren oder Mini-KWK, Wasserkraftwerke).

Dieser Lösungsweg ist jedoch bei weitem nicht für alle akzeptabel, da es für viele schwierig ist, Platz für die Installation einer autarken Stromversorgung zu finden.

Wenn Bewohner von Einfamilienhäusern noch einen Platz für einen Generator finden können, ist dies in einem Mehrfamilienhaus praktisch unmöglich. Somit sind die Bewohner von Mehrfamilienhäusern mit individueller Heizung die ersten, die bei einem Stromausfall betroffen sind.

Genau aus diesem Grund stellten sich zunächst die Unternehmen, die Komponenten für Heizungssysteme herstellen, die Frage nach der vollständigen Nutzung der Wärme, die vom Heizsystem „verworfen“ wird. Sie dachten darüber nach, wie die nutzlos verbrauchte Substanz zur Stromerzeugung genutzt werden könnte.

Von den bekannten Technologien wählten die Entwickler die „gut vergessene“ Stirling-Anlage aus; moderne Technologien ermöglichen es, ihre Effizienz zu steigern und gleichzeitig kompakte Abmessungen zu bewahren.

Das Funktionsprinzip des Stirling-Motors – die Auf- und Abbewegung des Motorkolbens. Der Motor arbeitet nahezu geräuschlos und verursacht keine Vibrationen der Ausrüstung.

Das Funktionsprinzip der Stirling-Anlage basiert auf der Erwärmung und Kühlung des Arbeitsmediums, was wiederum einen Mechanismus antreibt, der elektrische Energie erzeugt.

Im Inneren des (geschlossenen) Kolbens befindet sich ein eingepumptes Gas; bei Erwärmung dehnt sich das gasförmige Medium aus und bewegt den Kolben in eine Richtung; nach der Abkühlung im Kühler komprimiert es sich und bewegt den Kolben in die andere Richtung.

Überblick über Hersteller von Kesseln mit Generator

Betrachten wir an konkreten Beispielen die heute existierenden Systeme von Haushaltskesseln, bei denen das Prinzip der Nutzung von Abgasen (Verbrennungsprodukten) zur Stromerzeugung erfolgreich umgesetzt wurde. Das südkoreanische Unternehmen NAVIEN hat die oben genannte Technologie erfolgreich im Kessel der Marke HYBRIGEN SE umgesetzt.

In dem Kessel wird ein Stirling-Motor verwendet, der laut technischen Daten während des Betriebs elektrische Energie mit einer Leistung von 1000 W (oder 1 kW) und einer Spannung von 12 V erzeugt. Die Entwickler geben an, dass die erzeugte elektrische Energie zur Stromversorgung von Haushaltsgeräten genutzt werden kann.

Eine solche Leistung sollte ausreichen, um einen Haushaltskühlschrank (ca. 0,1 kW), einen Personalcomputer (ca. 0,4 kW), einen Flüssigkristallfernseher (ca. 0,2 kW) und bis zu 12 LED-Lampen mit einer Leistung von je 25 W zu versorgen.

Der Kessel der Serie Hybrigen SE von Navien mit eingebautem Generator und Stirling-Motor. Beim Betrieb des Kessels wird neben den Hauptfunktionen elektrische Energie mit einer Leistung von etwa 1000 W erzeugt.

Von den europäischen Herstellern beschäftigt sich die Firma Viessmann mit Entwicklungen in dieser Richtung. Viessmann kann dem Verbraucher zwei Modelle der Kesselserie Vitotwin 300W und Vitotwin 350F zur Auswahl anbieten.

Das Modell Vitotwin 300W war die erste Entwicklung in dieser Richtung. Es zeichnet sich durch eine relativ kompakte Bauweise aus und ähnelt äußerlich stark einem herkömmlichen Wandgasheizkessel. Allerdings wurden beim Betrieb des ersten Modells die „schwachen“ Stellen im Motor des Stirling-Systems festgestellt.

Das größte Problem war die Wärmeableitung; die Funktionsweise des Geräts basiert auf Erwärmung und Abkühlung. Das heißt, die Entwickler standen vor dem gleichen Problem, mit dem Stirling in den vierziger Jahren des letzten Jahrhunderts konfrontiert war – effektive Kühlung, die nur mit einer erheblichen Größe des Kühlers erreicht werden kann.

Genau deshalb entstand das Kesselmodell Vitotwin 350F, das nicht nur einen Gaskessel mit Stromgenerator, sondern auch einen integrierten Boiler mit 175 Litern umfasste.

Der Warmwasserspeicher wird in der Standversion ausgeführt, aufgrund des hohen Gewichts sowohl der Anlage selbst als auch des für sanitäre Zwecke bereitgestellten Wassers.

In diesem Fall wurde das Problem der Kühlung des Kolbens der Stirling-Anlage durch das Wasser im Boiler recht effektiv gelöst. Allerdings führte die Lösung dazu, dass die Abmessungen und das Gewicht der Anlage zunahmen. Ein solches System kann nicht mehr wie ein herkömmlicher Gaskessel an der Wand montiert werden und kann nur als Standgerät ausgeführt werden.

Die Kessel der Firma Viessmann sehen die Möglichkeit der Einspeisung der Kesselsysteme von einer externen Quelle, d.h. aus dem öffentlichen Stromnetz, vor. Das Unternehmen Viessmann positionierte die Anlage als ein Gerät, das den Eigenbedarf (Betrieb der Kesselaggregate) deckt, ohne die Möglichkeit der Entnahme von überschüssigem Strom für den Haushaltsverbrauch.

Das System Vitotwin F350 – ein Kessel mit Boiler zur Wassererwärmung mit einem Volumen von 175 Litern. Das System ermöglicht die Beheizung des Raumes, versorgt mit Warmwasser und erzeugt elektrische Energie.

Um die Effizienz des Einsatzes von in das Heizsystem integrierten Generatoren vergleichen zu können, lohnt es sich, einen Kessel zu betrachten, der von den Unternehmen „TERMOFOR“ (Republik Belarus) und „Kriotherm“ (Russland, St. Petersburg) entwickelt wurde.

Man sollte sie nicht betrachten, weil sie in irgendeiner Weise mit den oben genannten Systemen konkurrieren könnten, sondern um die Funktionsprinzipien und die Effizienz der Stromerzeugung zu vergleichen. Diese Kessel verwenden als Brennstoff nur Holz, Pressspäne oder Holzbriketts, daher können sie nicht mit den Modellen der Firmen NAVIEN und Viessmann gleichgesetzt werden.

Der Kessel mit dem Namen „Heizofen 'Indigirka'“ ist auf langes Heizen mit Holz und Ähnlichem ausgelegt, ist aber mit zwei thermischen Stromgeneratoren vom Typ TEG 30-12 ausgestattet. Sie befinden sich an der Seitenwand des Aggregats. Die Leistung der Generatoren ist gering, d.h. insgesamt können sie nur 50-60 W bei 12 V Spannung erzeugen.

Das grundlegende Design des Ofens „Indigirka“ ermöglicht es nicht nur, den Raum zu heizen, sondern auch auf einer Kochplatte zu kochen. Ergänzt wird das System durch zwei 12-V-Wärmegeneratoren mit einer Leistung von 50-60 W.

In diesem Kessel findet die Seebeck-Methode Anwendung, die auf der Erzeugung einer EMK in einem geschlossenen Stromkreis basiert. Sie besteht aus zwei verschiedenen Materialarten und hält die Kontaktpunkte bei unterschiedlichen Temperaturen. D.h., die Entwickler nutzen ebenfalls die vom Kessel abgegebene Wärme zur Erzeugung elektrischer Energie.

Vergleich der Arbeitseffizienz von Kesseln

Vergleicht man die vorgestellten Kesseltypen, die nicht nur den Raum erwärmen (das Heizmedium erhitzen), sondern auch durch Nutzung der Abwärme Strom erzeugen, sollte man auf wichtige Aspekte beim Betrieb achten.

Sowohl die Firma NAVIEN als auch die Firma Viessmann positionieren ihre Kessel mit den unbestreitbaren Vorteilen – vollständige Automatisierung des Prozesses, keine Notwendigkeit von Wartungsreparaturen und generell kein Eingreifen des Käufers nach der Inbetriebnahme.

Für den Betrieb dieser Kessel ist nur eine stabile Gasversorgung erforderlich (sei es durch Erdgasleitungen, eine Flaschenanlage mit Flüssiggas oder einen Gastank). Dementsprechend wird für den Betrieb der Kessel Hausgas verwendet, das nach der Verbrennung keine Umweltbelastung darstellt.

Im Prinzip kann man fast dasselbe über den Heizofen „Indigirka“ sagen, nur dass der Brennstoff hier nicht Gas ist, sondern Holz, Pellets oder gepresste Sägespäne.

Völliges Fehlen von Automatik, die Strom benötigt. Das System zur Stromerzeugung und der Kessel selbst beeinflussen sich gegenseitig nicht, d.h. bei Ausfall der Stromerzeugungsanlage arbeitet der Kessel weiter.

All diese gasverarbeitenden Heizgeräte, unter deren Brennern Stirlingmotoren angeordnet sind, erzeugen elektrische Energie, die für verschiedene Zwecke genutzt werden kann.

Die Kessel der Firmen NAVIEN und Viessmann können nicht mit Ähnlichem “aufwarten”, da der Stirlingmotor direkt in die Kesselkonstruktion integriert ist. Aber wie rentabel sind solche Systeme und nach welcher Zeit amortisiert sich ein solcher Kessel? Diese Frage sollte im Detail untersucht werden.

Wirtschaftlichkeit der betrachteten Systeme

Auf den ersten Blick sind die Kessel der Firmen NAVIEN und Viessmann praktisch Mini-BHKW in einem Privathaus oder sogar einer Wohnung.

Selbst trotz der großen Abmessungen sollte die Möglichkeit, elektrische Energie allein durch die Nutzung des Kessels zur Erwärmung des Warmwasserspeichers oder zur Raumheizung zu erzeugen, den Käufer dazu bewegen, ein solches „Wunder der Technik“ ohne Zögern zu installieren.

Bei näherer Betrachtung des NAVIEN-Kessels ergeben sich Fragen, die einer Antwort bedürfen. Bei der angegebenen Leistung von 1 kW (freie Leistung, die nach eigenem Ermessen genutzt werden kann) verbraucht der Kessel während des Systembetriebs recht deutlich elektrische Energie.

Was ist damit gemeint? Mindestens der Betrieb der Automatik erfordert eine geringe Leistung, aber diese ist notwendig, damit der Ventilator und die Umwälzpumpe funktionieren. Die genannten Geräte können zusammen nicht nur diese Kilowattstunde Energie erfolgreich verbrauchen, sondern sie könnte beim 'Hochfahren' des Systems auch nicht ausreichen.

Prinzipschaltbild des Heizsystems der Firma Vissmann Vitotwin 350F mit einem Standspeicher von 175 l. Das System ermöglicht sowohl die Nutzung von elektrischer Energie aus einer externen Quelle als auch die Einspeisung von überschüssig erzeugter elektrischer Energie in das öffentliche Netz.

Die gleichen Fragen ergeben sich auch bei den Kesseln der Firma Viessmann, aber hier wurde zumindest nicht die Möglichkeit der Gewinnung von elektrischer Energie für den Eigenbedarf behauptet. Es wurde lediglich die Möglichkeit des autonomen Betriebs des Systems bei fehlender externer Versorgung erörtert.

Obwohl die Entwickler sofort darauf hinweisen, dass 'das System bei Spitzenlasten zusätzliche elektrische Leistung benötigen kann'. Angesichts der angegebenen 3500 kWh erzeugter elektrischer Energie pro Jahr wirft diese Nuance bereits Zweifel auf, und durch einfache und unkomplizierte Berechnungen erhalten wir Folgendes:

3500 : 6 (Monate der Standardsaison) : 30 (30 Kalendertage im Durchschnitt) : 24 (24 Stunden pro Tag) = 0,81 kWh.

D.h. der Kessel erzeugt bei stabilem (Dauer-)Betrieb etwa 800 W, aber wie viel verbraucht das System selbst während des Betriebs? Möglicherweise die gleichen 800 W, die erzeugt werden, oder möglicherweise sogar mehr.

Außerdem wird elektrische Energie nur während des Brennerbetriebs erzeugt. D.h. es ist entweder ein Dauerbetrieb des Systems erforderlich, oder die Situation ist etwas anders, als die Systementwickler darstellen.

Wozu wurden diese Berechnungen angeführt? Ein Holzvergaser-Kessel gibt tatsächlich seine 50 Wh (oder 0,05 kWh) ab, die zum Aufladen eines Tablets, Telefons usw. oder sogar für eine einfache 'Bereitschafts-LED-Lampe' verwendet werden können. Im Gegensatz dazu stehen die Entwicklungen zweier Weltmarktführer, aber die beschriebenen Entwicklungen gleichen eher einem guten Marketingtrick und nicht mehr.

Was die Preispolitik für diese Systeme betrifft, ist es hier überhaupt schwierig, etwas zu bewerten. Da sogar die Hersteller Viessmann und NAVIEN sofort angeben, dass die Geräte 'wartungsfrei' sind. Einfach ausgedrückt: Wenn etwas kaputt geht, muss das gesamte Aggregat ausgetauscht werden.

Das kann nicht das gesamte System betreffen, sondern einzelne Komponenten: den Stirlingmotor, das Gasbrennersystem usw. Im Ergebnis ergibt sich ein recht beachtlicher Betrag. Geht man davon aus, dass der Durchschnittspreis für diese Systeme bei etwa 12.000 € oder 13.500 $ liegt (Funktionsschema des Kessels mit Generator), dann kann in einer solchen Situation wohl nur der Systemhersteller profitieren.

Der Ofen “Indigirka” kann überhaupt nicht am Vergleich teilnehmen, nicht nur weil der Brennstoff kein Gas ist und der Preis nicht vergleichbar ist (15-mal niedriger), sondern weil der Ofen nicht für den Hausgebrauch, sondern eher für Reisen, Expeditionen usw. positioniert ist.

Wenn in Europa die Situation bei den Energieträgern die Wahl des Verbrauchers (bei der Auswahl von Heizungs- oder Energieversorgungssystemen) im Hinblick auf Wirtschaftlichkeit und Umweltfreundlichkeit erheblich beeinflusst, fördern die EU-Staaten dies durch Subventionen für die Einführung solcher Systeme.

Für einen privaten Verbraucher in Russland wären solche Systeme wahrscheinlich zu teuer, sowohl anfänglich (“System + Installation”) als auch im Betrieb.

Fazit und nützliche Videos zum Thema

Das Funktionsprinzip des Stirlingmotors, der den Gaskessel ausstattet:

Demonstration der Arbeitsweise eines Gaskessels mit Stromgenerator:

Beispiel eines Holzofens mit Stromgenerator zum Vergleich mit einem Gasgerät:

Man sollte nicht vergessen, dass europäische Energieerzeugungsunternehmen den “Herstellern” energiesparender Geräte gegenüber recht wohlwollend eingestellt sind.

In Russland ist die Möglichkeit der Erzeugung und Einspeisung von elektrischer Energie durch private Verbraucher nicht nur gesetzlich nicht verankert, sondern wird auch von den Netzbetreibern nicht begrüßt. Daher haben die vorgestellten Systeme unter den derzeitigen Bedingungen in der Russischen Föderation wohl kaum ernsthafte Chancen auf eine Anwendung.

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