Е-камин: новое или давно забытое старое?
Как «научить» биотопливный котел вырабатывать электроэнергию
Маленькая коробочка с подключенным электрокабелем, установленная на поверхности газовыхлопной трубы, – вот и все, чем отличается так называемый е-камин производства компании HE Energy GmbH от других подобных биотопливных котлов и каминов. Разработчики преподносят свое детище как первый в мире биотопливный камин (котел), предназначенный не только для снабжения жилища тепловой энергией и горячей водой, но и для выработки электроэнергии в количестве, достаточном для обеспечения работы насосов, щитов управления, сенсоров и датчиков безопасности, источников светодиодного освещения дома и электроснабжения разной бытовой техники (телевизора, ноутбука и т. п.) с помощью инвертора.
В декабре 2017 года котел успешно прошел сертификацию TÜV (от нем. Technischer Überwachungsverein – зарегистрированные организации, осуществляющие контроль обеспечения безопасности продукции). Директор фирмы Хорст Эриксен в сотрудничестве с сотрудниками технического университета г. Висмар разработал дизайн этого камина в люксовом исполнении. Котел смотрится как элемент дизайна интерьера или предмет меблировки квартиры и обладает функционалом выработки электроэнергии посредством термоэлектрического генератора (ТЭГ). Генератор состоит из ряда термоэлектрических микромодулей, смонтированных в одном корпусе, а модули – из одной или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов, одного n-типа и одного р-типа, которые попарно соединены перемычками из металла, изолированными керамической пластинкой. В конструкции котлов нет никаких движущихся деталей, что навело г-на Эриксена на мысль установить их на пеллетном камине и получать электроэнергию за счет так называемого эффекта Зеебека, открытого немецким физиком Томасом Йоханом Зеебеком в 1821 году.
В 1822 году г-н Зеебек опубликовал результаты своих опытов в статье «К вопросу о магнитной поляризации некоторых металлов и руд, возникающей в условиях разности температур», опубликованной в докладах Прусской академии наук. Эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает термо-ЭДС (электродвижущая сила), если места контактов поддерживаются при разной температуре. Величина возникающей термо-ЭДС зависит только от материала проводников, температуры горячего и холодного проводников (термопары) и пропорциональна созданной разности температур. Ее можно рассчитать по следующей формуле: Е = α(Тг – Тх), где α – коэффициент ЭДС термоэлемента. Например, величина термо-ЭДС составляет несколько милливольт при разности температур 100°С. Суть явления, которое носит название «эффект Зеебека», можно вкратце объяснить следующим образом: если вдоль проводника существует градиент температуры, то электроны на горячем конце проводника приобретают более высокую энергию и скорость, чем на холодном; в полупроводниках концентрация электронов проводимости растет с температурой. В результате возникает поток электронов, движущихся от горячего конца проводника к холодному. На холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем остается нескомпенсированный положительный заряд. Кстати, на основе микромодуля, использующего эффект Зеебека, можно изготовить автономное зарядное устройство, которое будет работать везде, где есть любой источник тепла, к примеру открытый огонь. С помощью подобных зарядных устройств партизаны во время Великой Отечественной войны заряжали аккумуляторы радиостанций от костра.
В наше время термоэлектрические генераторы используются в таких областях, как космические исследования (энергоснабжение удаленных космических зондов, а в 2011 году NASA использовала ТЭГ в рамках программы Mars Rover Curiosity для исследования Марса), медицина, лазерные технологии, технологии газоанализа, а также для конденсации разных веществ из газовых потоков, ну и, конечно, в военной технике. Основные достоинства термоэлектрических элементов – это точное управление электрическим током, бесшумная работа, отсутствие движущихся частей, газов и жидкостей, небольшие размеры и долговечность (более 20 лет).
Партнерами компании HE Energy GmbH в развитии уникальной технологии, помимо названного выше Висмарского технического университета, стали Германский аэрокосмический центр (DLR e.V., г. Кельн), Институт физических измерений Фраунгофера (ИПМ, г. Фрайбург), Институт керамических технологий и систем (IKTS, г. Дрезден), Институт полимерных технологий e.V. (IPT, г. Висмар), Немецкая исследовательская группа по биомассе, некоммерческая организация (DBFZ, г. Лейпциг), Федеральное министерство продовольствия и сельского хозяйства (BMEL). В июне 2017 года HE Energy GmbH получила первый приз премии Inno Awards 2017, присужденный ассоциацией технологических центров федеральной земли Мекленбург – Передняя Померания за инновационную технологию использования ТЭГ в биотопливных каминах и котлах.
Идея создания е-камина пришла к Хорсту Эриксену, который уже более 30 лет реализует проекты в области возобновляемых источников энергии, связанные с использованием в энергетике разных видов древесного топлива и солнечных панелей (фотовольтаиков), еще в 2014 году. Несколько лет ушло на предварительные расчеты, разработку технической документации, составление бизнес-плана, переговоры и заключение договоров на софинансирование проекта и получение субсидий от правительства федеральной земли Мекленбург – Передняя Померания и по европейской программе EFRE (Европейский фонд регионального развития). В начале 2016 года Эриксен и партнеры приступили к изготовлению камина. За основу был взят принцип газогенераторного котла (в России принято употреблять термин «пиролизный котел»). Дрова закладываются в одну камеру, поджигаются, и при регулируемой подаче воздуха там идет пиролиз, а во второй камере идет дожиг генераторного газа. Тепло отходящих газов используется не только для ТЭГа, но и для подогрева воды (второй контур). При тепловой мощности 22 кВт получается 250 Вт электроэнергии (у последней модели котла – 500 В?). ??????, т). Правда, КПД этого изделия по электроэнергии довольно низкий – всего 2–3%, но уже разработаны усовершенствованные модели, в которых КПД доведен до 10%. Общий КПД е-камина превышает 90%. Продолжительность горения при полной закладке дров в камеру достигает трех-четырех часов. Модуль ТЭГ, со слов г-на Эриксена, будет без проблем функционировать 40 лет! Выработка модулем ТЭГ всего 250 Вт или даже 500 Вт электроэнергии российскому потребителю может показаться весьма невысокой. Однако, если учесть, что ЖК-телевизор в среднем потребляет 80 Вт электроэнергии, ноутбук – 40–60 Вт, лампы дневного света – 25 Вт, небольшой холодильник – 200 Вт, этой мощности вполне достаточно для электроснабжения небольшого дома в отопительный сезон, к тому же модуль ТЭГ можно использовать в качестве резервного источника питания в случае отключения основного энергоснабжения.
Первая небольшая серия е-каминов поступила в Германии в продажу в начале 2018 года. Надо отметить, что стоимость этого устройства довольно высока: камин без ТЭГ стоит 8 300 евро, а в комплектации с ТЭГ – 12 000 евро. Для России подобные цены, безусловно, неприемлемы.
Тем не менее коротко расскажем, как можно самостоятельно установить ТЭГ, например, на пеллетном или любом другом котле. Хорст Эриксен заявляет, что его е-камин – первый в мире котел, с помощью которого можно не только обогревать дом и нагревать воду, но и вырабатывать электричество. Но, похоже, это не совсем соответствует истине, так как в России уже с давних пор изготавливали и эксплуатировали подобные устройства – так называемые энергопечи, печи-«буржуйки», в которых можно было сжигать любое твердое топливо. Подобная энергопечь – идеальный вариант для дач, охотничьих домиков, зимовок и т. п. Она рассчитана на автономное использование, конструкция простая – только очаг и дымоход.
Установленный на подобную печь ТЭГ будет вырабатывать не так много электроэнергии, но ее достаточно для зарядки даже автомобильного аккумулятора. На энергопечь устанавливают самый мощный элемент Пельтье. Жан Шарль Пельтье – французский физик, занимавшийся термоэлектричеством и электромагнетизмом; в 1834 году он открыл явление выделения или поглощения тепла при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников, получившее название по его имени – эффект Пельтье; приборы, принцип работы которых основан на эффекте Пельтье, называются элементами Пельтье.
Эффект Пельтье лежит в основе термоэлектрического охлаждения. Сущность его заключается в том, что при прохождении электрического тока через цепь, составленную из разнородных проводников, в местах контактов (спаев) в зависимости от направления тока выделяется или поглощается некоторое количество тепла. Таким образом, эффект Пельтье можно назвать обратным эффекту Зеебека, поэтому очень часто в литературе можно видеть упоминание эффекта Пельтье-Зеебека. Элементы Пельтье с успехом применяются в автомобильных кондиционерах и кулерах для воды, при производстве микропроцессоров и в других сферах.
В интернете можно найти множество инструкций по самостоятельной установке ТЭГ на котел. Осталось пожелать российским Кулибиным успехов: все у вас получится ничуть не хуже, чем при использовании разрекламированного на Западе е-камина.
Сергей Передерий
