Caldera de gas con electrogenerador: estructura, principio de funcionamiento, revisión de las mejores marcas

El cuidado de los recursos energéticos está dictado principalmente por el hecho de que casi todas las reservas naturales no son infinitas. El consumo económico de todos los tipos de combustible requiere el desarrollo de nuevos sistemas o la modernización radical de los existentes.

Así, la caldera de gas con electrogenerador – es uno de los tipos de sistemas híbridos que permiten gestionar de manera inteligente el combustible azul. Le presentaremos el principio de funcionamiento del equipo, que genera energía eléctrica además de térmica. Presentaremos modelos típicos de aparatos híbridos.

Consumo eficiente de recursos energéticos

Incluso un ciudadano común que tiene instalada una caldera de gas para calefacción doméstica puede preguntarse sobre la racionalidad del uso de la energía térmica. Efectivamente, al quemar gas en la caldera, no todo el calor liberado se utiliza.

Siempre, durante el funcionamiento del sistema de calefacción, una parte del calor se pierde irreversiblemente. Normalmente esto ocurre cuando los productos de combustión se expulsan de la caldera a la atmósfera. En realidad, es energía perdida que podría tener algún uso.

¿De qué se trata exactamente? De la posibilidad de utilizar el calor “desechado” en la producción de energía eléctrica.

Si partimos de que el sistema de la caldera de calefacción ya está optimizado para maximizar el rendimiento, la energía «desechada» sigue representando una parte significativa de la energía que se libera durante la combustión del combustible.

Los tipos de combustible pueden ser variados, desde la simple leña y diversos briquetas, hasta las opciones más económicas: gas natural con predominio de metano en su composición, combustible azul artificial y mezclas licuadas de propano-butano.

Puede parecer que esto no es un «descubrimiento de América», pero en realidad existe una tecnología desarrollada ya en el lejano 1943 por Robert Stirling, o más bien, una instalación. Sus características constructivas y el principio básico de funcionamiento permiten clasificar este sistema entre los motores de combustión interna.

¿Por qué entonces no se utilizó esta instalación durante tanto tiempo? La respuesta es simple: el desarrollo teórico de la tecnología en los años cuarenta del siglo pasado resultó ser muy voluminoso en la práctica.

Las tecnologías y los materiales existentes en el momento del desarrollo no permitían reducir el tamaño de la instalación, y los métodos existentes de producción de energía eléctrica eran más rentables.

La inclusión en el esquema de una caldera de gas de un dispositivo que convierte el calor desperdiciado en electricidad permite aumentar significativamente la eficiencia de la instalación de procesamiento de gas.

¿Qué puede llevarnos hoy a pensar en un uso más cuidadoso de los recursos no renovables? Actualmente, existe un problema común en todo el mundo: el desarrollo tecnológico conduce inevitablemente a un aumento en el consumo de energía eléctrica.

El aumento del consumo se produce a un ritmo tan acelerado que las empresas de red no tienen tiempo para modernizar los sistemas de transmisión de energía eléctrica, y mucho menos la producción. Esta situación lleva inevitablemente a que los elementos de los sistemas de suministro eléctrico fallen, y en algunos casos esto puede ocurrir con una regularidad envidiable.

Las calderas de calefacción modernas están equipadas con sistemas de control que también dependen de la energía eléctrica. La bomba de circulación, los sensores, la automatización y el propio panel necesitan alimentación eléctrica. Todo el conjunto de dispositivos no puede sino generar preocupación por el mantenimiento de la funcionalidad en caso de corte de energía eléctrica.

No es posible poner en marcha los sistemas de calefacción forzada sin electricidad. Un corte de energía durante la temporada de calefacción es prácticamente catastrófico para ellos. No solo conduce inevitablemente a un rápido enfriamiento del local, sino que si la calefacción permanece inactiva durante mucho tiempo, es posible que el circuito se congele.

La ausencia prolongada de funcionamiento del sistema de calefacción en la temporada de frío provoca la congelación del sistema de calefacción, la aparición de tapones de hielo y, en última instancia, daños en los equipos y tuberías de calefacción debido a roturas.

Las opciones estándar existentes para resolver el problema son la instalación de fuentes de alimentación ininterrumpida, generadores de todo tipo de modificaciones (generadores de gas, gasolina, diésel o fuentes no tradicionales: aerogeneradores o minicentrales térmicas, hidroeléctricas).

Pero esta solución no es aceptable para todos, ya que a muchos les resulta difícil asignar espacio para instalar un proveedor autónomo de electricidad.

Si los residentes de casas individuales aún pueden asignar espacio para un generador, en un edificio de varias plantas es prácticamente imposible. Por lo tanto, resulta que los residentes de edificios de apartamentos con sistema de calefacción individual son los primeros que se verán afectados por un corte de luz.

Por esta razón, en primer lugar, las empresas que fabrican componentes para sistemas de calefacción se plantearon la cuestión del aprovechamiento completo del calor que el sistema de calefacción «desecha». Reflexionaron sobre cómo aplicar la sustancia que se desperdicia inútilmente en la generación de electricidad.

De las tecnologías conocidas, los desarrolladores eligieron el «bien olvidado» motor Stirling; las tecnologías modernas permiten aumentar su eficiencia manteniendo un tamaño compacto.

Principio de funcionamiento del motor Stirling – movimiento del pistón del motor hacia abajo y hacia arriba. El motor funciona prácticamente sin ruido y no provoca vibraciones en el equipo.

El principio de funcionamiento de la instalación Stirling se basa en el calentamiento y enfriamiento del fluido de trabajo, lo que a su vez acciona un mecanismo que genera energía eléctrica.

Dentro del pistón (cerrado) hay un gas inyectado; al calentarse, el medio gaseoso se expande y mueve el pistón en una dirección; después de enfriarse en el enfriador, se contrae y mueve el pistón en la dirección opuesta.

Revisión de fabricantes de calderas con generador

Analicemos con ejemplos concretos los sistemas de calderas domésticas existentes hoy en día en los que se ha implementado con éxito el principio de utilizar los gases de escape (productos de combustión) para generar electricidad. La empresa surcoreana NAVIEN ha implementado con éxito la tecnología mencionada en la caldera de la marca HYBRIGEN SE.

En la caldera se utiliza un motor Stirling que, según los datos de la ficha técnica, genera durante su funcionamiento electricidad con una potencia de 1000 W (o 1 kW) y un voltaje de 12 V. Los desarrolladores afirman que la electricidad generada se puede utilizar para alimentar electrodomésticos.

Esa potencia debería ser suficiente para alimentar un refrigerador doméstico (aproximadamente 0,1 kW), un ordenador personal (alrededor de 0,4 kW), un televisor de cristal líquido (alrededor de 0,2 kW) y hasta 12 bombillas LED de 25 W cada una.

Caldera de la serie HYBRIGEN SE de la empresa NAVIEN con generador integrado y motor del sistema Stirling. Durante el funcionamiento de la caldera, además de las funciones principales, se genera electricidad de aproximadamente 1000 W de potencia.

Entre los fabricantes europeos, la empresa Viessmann está desarrollando este ámbito. Viessmann tiene la capacidad de ofrecer al consumidor dos modelos de calderas de la serie Vitotwin 300W y Vitotwin 350F.

El modelo Vitotwin 300W fue el primer desarrollo en esta dirección. Se caracteriza por un diseño bastante compacto y es muy similar en apariencia a una caldera de gas mural común. Sin embargo, durante la operación del primer modelo se identificaron los puntos «débiles» en el funcionamiento del motor del sistema Stirling.

El mayor problema resultó ser la disipación del calor, el principio de funcionamiento del dispositivo es el calentamiento y el enfriamiento. Es decir, los desarrolladores se encontraron con el mismo problema que Stirling enfrentó en los años cuarenta del siglo pasado: un enfriamiento eficiente que solo se puede lograr con dimensiones significativas del refrigerador.

Precisamente por eso apareció el modelo de caldera Vitotwin 350F, que incluía no solo una caldera de gas con generador eléctrico, sino también un calentador de agua integrado de 175 litros.

El depósito acumulador de agua caliente se realiza en versión de suelo debido al gran peso tanto del propio equipo como del líquido preparado para fines sanitarios.

En este caso, se resolvió de manera bastante efectiva el problema de enfriamiento del pistón de la instalación Stirling mediante el agua en la caldera. Sin embargo, la solución provocó que las dimensiones y el peso de la instalación aumentaran. Dicho sistema ya no puede montarse en la pared como una caldera de gas común y solo puede ser de suelo.

Las calderas de la empresa Viessmann contemplan la posibilidad de alimentar los sistemas de funcionamiento de la caldera desde una fuente externa, es decir, desde las redes de suministro eléctrico central. La empresa Viessmann posicionó el equipo como un dispositivo que cubre sus propias necesidades (funcionamiento de los agregados de la caldera) sin posibilidad de extraer el excedente de electricidad para consumo doméstico.

Sistema Vitotwin F350 – caldera con calentador de agua de 175 litros. El sistema permite calentar el local, suministra agua caliente y genera energía eléctrica.

Para poder comparar la eficiencia de los generadores integrados en el sistema de calefacción, conviene considerar la caldera desarrollada por las empresas «TERMOFOR» (República de Bielorrusia) y «Krioterm» (Rusia, San Petersburgo).

Vale la pena considerarlos no porque puedan competir de alguna manera con los sistemas mencionados anteriormente, sino para comparar los principios de funcionamiento y la eficiencia de la obtención de energía eléctrica. Estas calderas utilizan como combustible solo leña, aserrín prensado o briquetas a base de madera, por lo que no pueden colocarse al mismo nivel que los modelos de las empresas NAVIEN y Viessmann.

La caldera denominada «Estufa de calefacción «Indiguirka» está diseñada para calefacción prolongada con leña y similares, pero está equipada con dos generadores térmicos de electricidad tipo TEG 30-12. Están ubicados en la pared lateral del equipo. Las potencias de los generadores son bajas, es decir, en total solo pueden generar 50-60 W a 12 V.

El principio de funcionamiento de la estufa “Indiguirka” permite no solo calentar la habitación, sino también cocinar alimentos en el quemador. El sistema se complementa con dos generadores térmicos de 12 V con una potencia de 50-60 W.

En esta caldera se ha aplicado el método Seebeck, basado en la generación de FEM en un circuito eléctrico cerrado. Este consta de dos materiales diferentes y mantiene los puntos de contacto a diferentes temperaturas. Es decir, los desarrolladores también utilizan el calor emitido por la caldera para generar energía eléctrica.

Comparación de la eficiencia de funcionamiento de las calderas

Al comparar los tipos de calderas presentados, que no solo calientan el espacio (calientan el fluido caloportador), sino que también generan electricidad mediante el uso del calor desprendido, se debe prestar atención a aspectos importantes durante su operación.

Tanto la empresa NAVIEN como la empresa Viessmann posicionan sus calderas destacando ventajas indudables: automatización completa del proceso, ausencia de necesidad de reparaciones de mantenimiento y, en general, ninguna intervención por parte del comprador una vez puestas en funcionamiento.

Para el funcionamiento de estas calderas solo se necesita un funcionamiento estable del sistema y un suministro constante de gas (ya sea suministro por tubería, instalación de tanques de gas licuado o gasógeno). En consecuencia, para el funcionamiento de las calderas se utiliza gas doméstico, que después de la combustión no es perjudicial para el medio ambiente.

En principio, casi lo mismo puede decirse de la estufa de calefacción «Indiguirka», solo que el tipo de combustible aquí no es gas, sino leña, pellets o serrín prensado.

Ausencia total de automatización que requiera electricidad. El sistema de generación de energía eléctrica y la propia caldera no afectan el funcionamiento del otro, es decir, si falla el sistema de generación de electricidad, la caldera continúa realizando sus funciones.

Todos estos equipos de calefacción de gas, debajo de cuyos quemadores se encuentran los motores Stirling, producen energía eléctrica que puede utilizarse para diversos fines.

Las calderas de las empresas NAVIEN y Viessmann no podrán “presumir” de algo así, ya que el motor del sistema Stirling está integrado directamente en la estructura de la caldera. Pero, ¿qué tan rentables son estos sistemas y en cuánto tiempo se amortizará una caldera de este tipo? Vale la pena analizar esta cuestión en detalle.

Rentabilidad de los sistemas considerados

A primera vista, las calderas de las empresas NAVIEN y Viessmann son prácticamente mini centrales de cogeneración en una casa particular o incluso en un apartamento.

Incluso a pesar de las grandes dimensiones, la posibilidad de generar energía eléctrica simplemente utilizando la caldera para calentar el calentador de agua o las habitaciones debería motivar al comprador a instalar sin dudarlo esta «maravilla de la tecnología».

Pero al examinar más de cerca la caldera de la empresa NAVIEN surgen preguntas que requieren respuesta. Con la potencia declarada de 1 kW (potencia libre que puede utilizar a su discreción), la caldera consume una cantidad considerable de electricidad durante el funcionamiento del sistema.

¿Qué se quiere decir? Como mínimo, el funcionamiento de la automática, aunque se necesita poca potencia, es necesaria para que el ventilador y la bomba de circulación funcionen. Los dispositivos mencionados en conjunto no solo pueden consumir con éxito ese kilovatio de energía, sino que puede no ser suficiente durante la «aceleración» del sistema.

Diagrama esquemático del sistema de calefacción de la empresa Vissmann Vitotwin 350F con calentador de suelo de 175L. El sistema permite tanto utilizar electricidad de una fuente externa como entregar el excedente de electricidad producida a la red general.

Exactamente las mismas preguntas surgen con las calderas de la empresa Viessmann, pero al menos aquí no se declaró la posibilidad de extraer electricidad para necesidades propias. Solo se mencionó la posibilidad de funcionamiento autónomo del sistema en ausencia de suministro externo.

Aunque los desarrolladores indican de inmediato que «el sistema puede requerir potencia eléctrica adicional durante las cargas máximas». Ante los declarados 3500 kWh de electricidad producida al año, este detalle ya genera dudas, y mediante cálculos simples y sencillos obtenemos lo siguiente:

3500:6 (meses de la temporada de calefacción estándar):30 (30 días calendario en promedio):24 (24 horas al día) = 0,81 kWh.

Es decir, la caldera produce durante el funcionamiento estable (continuo) alrededor de 800 W, pero ¿cuánto consume el propio sistema durante el funcionamiento? Posiblemente los mismos 800 W producidos, o quizás más.

Además, la electricidad solo se genera durante el funcionamiento del quemador. Es decir, se requiere un funcionamiento constante del sistema, o las cosas no son exactamente como cuentan los desarrolladores del sistema.

¿Para qué sirvieron estos cálculos? El sistema de caldera de leña realmente entrega sus 50 Wh (o 0,05 kWh), que se pueden utilizar para cargar una tableta, un teléfono, etc., incluso para una simple «luz LED de respaldo». En contraposición, los desarrollos de dos empresas de renombre mundial, pero los desarrollos descritos claramente se parecen más a una buena jugada de marketing, y nada más.

En cuanto a la política de precios de estos sistemas, es difícil evaluar algo. Dado que incluso los fabricantes Viessmann y NAVIEN especifican de inmediato que el equipo «no requiere mantenimiento». En lenguaje sencillo: si se estropea, significa que se debe reemplazar el conjunto por completo.

Esto puede aplicarse no a todo el sistema, sino a componentes específicos: el motor Stirling, el sistema de quemador de gas, etc. El resultado será una cantidad bastante considerable. Considerando que el precio promedio de estos sistemas es de aproximadamente 12.000 € o 13.500 $. Esquema de funcionamiento de la caldera con generador, entonces quien puede ganar en esta situación es quizás el fabricante de los sistemas.

La estufa “Indigirka” no puede participar en la comparación en absoluto, no solo porque el tipo de combustible no es gas y el precio es incomparable (15 veces menor), sino porque la estufa está orientada no al uso doméstico, sino más bien a viajes, expediciones, etc.

Si en Europa la situación de los vectores energéticos influye de manera considerable en la elección del consumidor (al elegir sistemas de calefacción o suministro de energía) desde el punto de vista de la economía y la ecología, los estados de la UE lo fomentan mediante subvenciones para la implementación de dichos sistemas.

Para el consumidor residencial en Rusia, estos sistemas probablemente resultarán demasiado costosos, tanto inicialmente (“sistema+instalación”) como durante su funcionamiento.

Conclusiones y video útil sobre el tema

Principio de funcionamiento del motor Stirling que equipa la caldera de gas:

Demostración del funcionamiento de una caldera de gas con generador de electricidad:

Ejemplo de una estufa de leña con generador de electricidad para comparar con un equipo de gas:

No se debe olvidar que las empresas generadoras de energía europeas son bastante leales a los “productores” de equipos de ahorro energético.

En Rusia, la posibilidad de que un consumidor residencial genere y inyecte energía eléctrica a la red no solo no está regulada legislativamente, sino que tampoco es bien vista por las empresas de la red. En consecuencia, los sistemas presentados probablemente tengan pocas posibilidades de aplicación en las condiciones de la Federación Rusa hoy en día.

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