W gotowaniu najbardziej interesujące jest to, co w garnku. Ale zanim nada się to do spożycia, potrzebne jest źródło ciepła. Dla nas kuchenka to jedna z tych rzeczy, która po prostu jest i działa na zawołanie. Ale dla połowy ludzkości codzienne pichcenie wiąże się ze spalaniem drewna i węgla. Prymitywna technika spalania tych paliw powoduje niebezpieczne zanieczyszczenie powietrza wewnątrz domostw. Zgodnie z danymi WHO, na choroby tym wywołane co roku umierają ponad cztery miliony ludzi na świecie – to więcej niż na AIDS i malarię razem wzięte!

Świat nie patrzy bezczynnie. Od ponad 30 lat liczne organizacje międzynarodowe opracowują rozwiązania poprawiające kulturę techniczną spalania biomasy i węgla na potrzeby przygotowania jedzenia w krajach tzw. trzeciego świata. Powstał szereg projektów czysto spalających piecyków kuchennych. Są one o tyle ciekawe, że z konieczności są ekstremalnie proste, tanie i łatwe w wykonaniu a zarazem implementują najlepsze znane techniki spalania paliw stałych. Oraz są stale rozwijane i ulepszane.

W naszych domach grzanie jedzenia na gazie i prądzie nie powoduje problemów z powietrzem w domu. Ale skoro już o tematy kuchenne zahaczamy, zobaczmy na ile efektywne są kuchenki z naszego, niemal już pierwszego świata? To może być niemiłym zaskoczeniem.

Jak wyposażenie kuchni określa byt

Około trzech miliardów ludzi (z 7,3 mld ogółem wg stanu na rok 2015) codziennie przygotowuje posiłki nad ogniem, spalając drewno, węgiel a czasem po prostu suszone zwierzęce odchody, trawę czy cokolwiek tam mają pod ręką. Ogień często rozpalany jest wewnątrz domu a spaliny ulatują przez dziurę w dachu. W wielu częściach świata komin nie jest bowiem powszechnie posiadanym elementem budynku, zupełnie jak to było w naszych kurnych chatach.

Ludzie nie potrafią prawidłowo rozpalać ogniska, aby było ono efektywne i nie dymiło, lub też użytkują źle skonstruowane piece. Tak fatalnie używane kuchenne palenisko potrafi mieć sprawność poniżej 10%. Z dużej ilości zużywanego opału powstaje mnóstwo dymu a mało użytecznego ciepła.

Tak niski poziom techniki w kuchni upośledza wiele obszarów życia:

• pogłębia biedę – niska efektywność spalania to duże zużycie opału, co musza do spędzania długich godzin na zbieraniu i transporcie drewna zamiast poświecenia czasu na zarobek, a jeśli zarabiają, to dużą część dochodu wydają na opał
• niszczy zdrowie – dym w domu to jak komora gazowa, szkodzi bardziej niż najgorszy smog. Zaczyna się od przewlekłych chorób dróg oddechowych, aż po wady rozwojowe dzieci i przedwczesną śmierć osób starszych
• degraduje środowisko – rejony i tak ubogie w zasoby drewna wylesiają się jeszcze szybciej, niszczeje gleba, niemożliwa staje się jej uprawa

Działania na rzecz poprawy warunków technicznych w kuchniach krajów rozwijających się wpisują się w co najmniej pięć z ośmiu milenijnych celów rozwojowych ONZ: zlikwidowanie nędzy i głodu, wspieranie równouprawnienia płci, zmniejszenie wskaźnika umieralności dzieci, poprawę stanu zdrowia kobiet ciężarnych i zapewnienie równowagi ekologicznej środowiska.

Dobre ognisko nie jest złe

Najprostsze palenisko kuchenne to ognisko + trzy kamienie do ustawienia garnka nad ogniem. Nawet tak proste „urządzenie” potrafi osiągnąć sprawność samego spalania w okolicach 90%. Pod warunkiem oczywiście, że obsługuje je osoba znająca zasady efektywnego rozpalania i podtrzymania ognia. W przeciwnym razie efekt jest łatwy do przewidzenia: brud, dym, smród i ogólna sprawność na poziomie kilku procent.

Choć początkowo w projektowaniu nowoczesnych piecyków kuchennych przyjęto dogmat, że takie proste ognisko jest koszmarnie nieefektywne, to jednak z czasem zrewidowano ten pogląd na podstawie doświadczeń. Obserwacja nawyków wytrawnych palaczy kuchennych pozwoliła ulepszyć konstrukcje pieców, tak by nawet mniej wprawny operator był w stanie osiągać dobre efekty.

Zasady efektywnego i czystego rozpalania ognia nie są wielce skomplikowane gdy się je zna:

• palić się powinny tylko końcówki patyków – skupia się w ten sposób płomień pod garnkiem oraz zapobiega gwałtownemu podgrzewaniu dużej ilości opału, unikając tym samym dymienia
• moc paleniska reguluje się dodając kolejne szczapy zapalane tylko na końcach i podsuwając je do ognia w miarę wypalania
• szczapy powinny być tak układane, aby ich płonące końcówki wisiały kilka centymetrów nad ziemią, co zapewnia dobry dopływ powietrza, ogień pali się bardziej intensywnie, a więc czyściej

Takie proste ognisko – prawidłowo obsługiwane – działa stosunkowo dobrze pod kątem efektywności cieplnej i emisji zanieczyszczeń. Efektywność ogrzewania garnka pozostawia jednak wiele do życzenia. Sporo jeszcze można ulepszyć w tym względzie, dlatego projektuje się piece kuchenne, które prócz czystego spalania poprawiają również odbiór ciepła przez garnek.

Zasady budowy efektywnego pieca kuchennego

Aby efektywnie podgrzać zawartość garnka, każdy piec kuchenny musi zrobić dwie rzeczy:

• efektywnie spalić paliwo
• jak najwięcej wytworzonego ciepła przekazać do garnka

Aby piec kuchenny był lepszy od zwykłego ogniska, nie wystarczy bezdymne spalanie. Trzeba jeszcze poprawić odbiór ciepła przez garnek, a to nie jest banalna sprawa. Garnek jest kiepskim wymiennikiem. Nie bardzo można zmienić jego tradycyjny kształt. Gdyby zrobić z niego dobry wymiennik, wtedy stałby się kiepskim garnkiem.

Organizacja Inżynierowie bez granic wydała krótki poradnik opisujący zasady projektowania efektywnych piecyków kuchennych pod kątem obydwu tych zadań.

Aby poprawić efektywność spalania paliwa należy:

• wyposażyć piec w komorę spalania, która będzie dobrze zaizolowana materiałem o niewielkiej pojemności cieplnej
• izolować wszystko z czym styka się płomień (ogranicza się wtedy straty na nagrzewanie konstrukcji pieca)
• zapewnić dobry ciąg np. przez zastosowanie rusztu oraz miniaturowego wewnętrznego komina (pionowej komory spalania wprost nad ogniem), w którym zwiększające objętość wskutek spalania gazy będą wytwarzać ciąg
• moc regulować ilością podawanego paliwa
• rozpalać paliwo stopniowo, najlepiej same końcówki szczap jak to ma miejsce w prawidłowo palonym ognisku

Aby poprawić efektywność ogrzewania garnka należy:

• podnieść temperaturę gazów ogrzewających garnek i/lub przyspieszyć ich przepływ
• dodać wokół garnka kołnierz dzięki któremu poprawi się odbiór ciepła przez boczne powierzchnie garnka

Oba te obszary działalności pieca kuchennego wzajemnie się zazębiają. Przykładowo lepsza izolacja komory spalania daje mocniejszy ciąg czyli większą prędkość gazów opływających garnek.

Techniki spalania w piecach kuchennych

Istnieje multum pieców kuchennych opracowanych dla różnych części świata, przystosowanych do różnych paliw, różnych zadań i możliwości finansowych ludzi. Większość z nich używa jednak podobnych rozwiązań w celu zapewnienia czystego spalania.

Piec rakietowy (rocket stove)

Najprostszym chyba a zarazem najbardziej efektywnym piecem świata jest piec rakietowy. Autorem tej koncepcji jest dr Larry Winiarski, założyciel Aprovecho Research Center – organizacji non-profit działającej na rzecz rozwoju technologicznego pieców kuchennych. Pierwsze szkice pieca rakietowego powstały u początku lat 80-tych. Mimo nazwy, nie ma on nic wspólnego z zasadą działania rakiet, ale raczej nazwa wzięła się od sposobu pracy – szybkiego, gorącego i huczącego płomienia.

Dopływ powietrza do pieca jest swobodny a moc sterowana jest ilością podanego paliwa. Palą się jedynie końcówki szczap a płomień ma do dyspozycji pionową, świetnie zaizolowaną komorę spalania. Dzięki tej izolacji temperatury wewnątrz przekraczają 1000st.C i paliwo spala się do cna. Wytwarzany ciąg jest tak duży, że po spalonym drewnie praktycznie nie pozostaje żaden popiół, stąd brak tu popielnika.

Niebywała prostota konstrukcji i łatwość budowy takiego pieca niemalże z byle czego sprawiły, że znalazł on wiele zastosowań poza piecami kuchennymi, np. w połączeniu z kilkoma tonami gliny może stanowić prosty, tani a przy tym niebywale efektywny piec ceramiczny do ogrzewania pomieszczeń.

Na youtube jest masa filmików prezentujących przeróżne – lepiej i gorzej wykonane – odmiany pieca rakietowego. Nie chodzi tu bynajmniej o estetykę wykorzystanych materiałów, ale o zachowanie zasad konstrukcyjnych. Piecyk ułożony z kilku cegieł będzie jako tako działał, ale nie tak dobrze jak powinien. Brak mu bowiem izolacji w komorze spalania (cegły nie izolują, a wręcz pochłaniają ciepło hurtowo).

Choć zasady budowy pieca rakietowego są proste, nie jest banalnym zbudować go dobrze. Temperatury panujące we wnętrzu sprawiają, że nawet nierdzewna stal nie wytrzyma tam długo. Do izolacji komory spalania trzeba też wykorzystać właściwe materiały – dobrze izolujące ALE o niewielkiej pojemności cieplnej. Najtańszym z nich jest… popiół. Chcąc dodać wymiennik (ta beczka nasadzona na wylot z komory spalania) trzeba też odpowiednio zwymiarować kanały spalinowe, aby piec w ogóle chciał pracować.

Przy wszystkich swoich zaletach, piec rakietowy nie jest świętym Graalem zduństwa i nie nadaje się równie dobrze do wszystkiego. Głównym problemem jest fundamentalna zasada jego działania – dawkowanie paliwa małymi porcjami. To oznacza, że stale musi być pilnowany i dokarmiany. O ile w jego pierwotnym zastosowaniu (piecu kuchennym) to sprawa oczywista, bo kucharz i tak jest ciągle przy garnku, o tyle już zastosowanie takiego paleniska w naszych piecach i kotłach jest problematyczne, bo większość ludzi ma życie poza kotłownią. Podejmowane są próby zwiększenia pojemności załadunkowej pieca rakietowego, ale przy zachowaniu swobodnego dopływu powietrza oznacza to jednocześnie gwałtowniejszą produkcję ciepła. Tak więc piec rakietowy jest dobry w swojej niszy, ale chcąc go zaadaptować do naszych kotłowni napotykamy na problemy konstrukcyjne typowe dla kotłów zasypowych.

Top-Lit Up-Draft (TLUD)

Ten piecyk powinien wyglądać znajomo. TLUD to skrót od Top-Lit Up-Draft co oznacza górne spalanie z rozpalaniem od góry. W odróżnieniu od pieca rakietowego jest on jednak klasyfikowany jako generator gazu – spalanie jest tu bowiem dwuetapowe, w pierwszej fazie produkowana jest palna mieszanka, która potem spala się w powietrzu wtórnym.

Zasada działania piecyka TLUD powinna być jasna dla każdego, kto wie o rozpalaniu od góry. Jednak historia jego powstania jest niebywale pokrętna. W połowie lat 80. wymyśliły go niezależnie i niemal równocześnie dwie osoby, dochodząc do tego samego efektu różnymi drogami:

• dr Thomas Reed – ekspert od zgazowania biomasy – nie wiedząc o metodzie rozpalania od góry wymyślił ją od nowa odwracając do góry nogami palenisko dolnego spalania.
• Paal Wendelbo – z zawodu architekt – działając w czasie drugiej wojny światowej w norweskim ruchu oporu nauczył się rozpalania ogniska od góry, a potem wykombinował jak w oparciu o tę metodę zbudować bezdymnie spalający piecyk

Dziś głównym „apostołem” tego typu pieców jest dr Paul S. Anderson, znany też jako dr TLUD. Na jego stronie można znaleźć m.in. historię powstania i rozwoju tych pieców do dnia dzisiejszego.

Piecyk TLUD jest równie prosty w budowie co piec rakietowy. Można zmajstrować dobrze działający egzemplarz z jednej-dwóch większych puszek po konserwach. Jednak zasada działania jest zupełnie różna od tej stosowanej w „rakietowcu” jak również nieco inna od tego, co można zaobserwować w domowym kotle rozpalonym od góry.

W kotle rozpalonym od góry większość powietrza podawana jest pod ruszt jako powietrze główne. Napędza ono zarówno proces odgazowania paliwa jak i wystarcza go jeszcze na spalanie koksu. Powietrze wtórne jest jedynie dopalaczem.

W TLUD-zie mniejsza część powietrza podawana jest przez warstwę paliwa – tylko tyle, aby napędzać proces odgazowania. Nie wystarcza to do pełnego spalania, dlatego nad warstwą paliwa unosi się palna mieszanka gazów. Tu do pracy wkracza powietrze wtórne podane tuż nad zasyp. Gorące gazy są spalane po zmieszaniu z powietrzem wtórnym. Wszystko to bez dodatkowego nadmuchu czy komina, tylko w oparciu o konwekcję (choć bywają modele z wymuszonym nadmuchem co daje lepsze osiągi).

TLUD ma tę ciekawą cechę w porównaniu z piecem rakietowym, że jeśli odpowiednio zmniejszy się mu dawkę powietrza głównego, wtedy produktem ubocznym spalania jest węgiel drzewny. Na co to komu? To tzw. biochar – węgiel drzewny używany do użyźniania gleby. Jego produkcja jest jedną z metod usuwania dwutlenku węgla z atmosfery. Tak prosto można przelicytować wszystkich ekologów i zostać carbon-negative!

Pod względem emisji zanieczyszczeń TLUD jest lepszy od pieca rakietowego. Znaczenie ma tu choćby prędkość przepływu gazów. W „rakietowcu” jest ona tak duża, że ze spalinami porywany jest popiół. TLUD natomiast pali się o wiele spokojniej i powoli.

Węglowy Cross-Draft z Mongolii

Oryginalną konstrukcją jest piec na węgiel opracowany dla Mongolii przez GIZ – niemiecką rządową agencję zajmującą się pomocą rozwojową.

Piec posiada niedużą komorę zasypową (pod dekielkiem z lewa), z której węgiel zsuwa się na lekko pochyły ruchomy ruszt. Powietrze podawane jest pod ruszt oraz w dolną część komory zasypowej.

Taki układ paleniska z angielska nazywa się cross-draft i brak mu chyba ładnego polskiego tłumaczenia, więc nazwijmy to roboczo „spalanie w poprzek”. Chodzi bowiem o to, że powietrze przepływa tutaj w poprzek względem kierunku podawania opału. Taki sposób spalania zastosowany jest m.in. w kotle Sztoker, w palnikach rynnowych oraz w kotle zasypowym rozpalanym metodą palenia kroczącego.

Ten dokument opisuje proces wdrożenia nowego typu pieców w Mongolii oraz porównuje emisje zanieczyszczeń z pieca przed i po modyfikacji sposobu spalania. Różnice są kolosalne.

Anatomia czystego spalania

Choć w/w piece wydają się prymitywnie proste, ich twórcy głęboko rozgryźli mechanizmy rządzące spalaniem, aby tak prostymi środkami osiągnąć tak dobre efekty. Kto chce głębiej drążyć temat czystego spalania jako takiego, temu polecam stronę opisującą po polsku (to rzadkość) podstawy praw rządzących spalaniem: furnace-zero.tk. Autorem jest fizyk, podchodzący do tematu od strony teoretycznej – co też jest rzadkością, bo przeważnie piecowi eksperymentatorzy obrastają w wiedzę na podstawie własnych eksperymentów.

Efektywność kuchni „pierwszego świata”

My tu sobie siedzimy we względnym dostatku i czujemy się lepsi od trzeciego świata, bo przecież nasze kuchenki są takie czyste, wygodne… ale czy są efektywne? Oj…

Weźmy na tapetę rodzime badanie porównujące efektywność trzech rodzajów kuchenek:

• zwykłej gazowej
• ceramicznej płyty grzewczej
• płyty indukcyjnej

Oto wykres podsumowujący całkowitą sprawność urządzeń.

Nie zaskakuje najlepszy wynik płyty indukcyjnej. To efekt odmiennego, o wiele efektywniejszego sposobu przesyłu energii do garnka. Zamiast ciepła wysyłana jest fala elektromagnetyczna, która bezpośrednio nagrzewa garnek. Jedyne straty ciepła to te od garnka do otoczenia i do płyty kuchenki.

Ciekawy jest przypadek kuchenki gazowej. Okazuje się, że jej efektywność mocno zależy od właściwego doboru wielkości palnika do rozmiarów naczynia. Natomiast samo przykrycie garnka pokrywką pozwala oszczędzić ~20% energii i w podobnym stopniu skrócić czas gotowania.

Mimo kiepskiej efektywności kuchenka gazowa wygrywa pod względem kosztów eksploatacji dzięki taniemu paliwu. Ale tylko minimalnie. Na karku siedzi jej płyta indukcyjna, która robi na odwrót – zasilana droższym prądem, zużywa go efektywniej oraz grzeje prawie dwa razy szybciej od gazówki.

Polska myśl techniczna: gaz bez płomienia

Jest jeszcze jedno mniej znane oblicze kuchenki gazowej, o którym warto przy tej okazji wspomnieć, bo mocno różni się na plus od znanej nam z dziada pradziada kuchni z palnikami. Polska firma Solgaz produkuje płyty kuchenne zasilane gazem, które w wyglądzie i użyciu nie różnią się od płyt elektrycznych. Słowo innowacja, choć wytarte i nadużywane, pasuje tutaj jak ulał.

Niezbyt obszerny test stwierdza, że płyty Solgaz zużywają 30-50% mniej gazu od tradycyjnych kuchenek. Jest to możliwe, bowiem wyeliminowano tu największe źródło strat w typowej kuchni palnikowej:

• płomień nie grzeje już garnka, lecz komorę palnika – to oznacza, że przekazywanie ciepła odbywa się głównie przez kontakt garnka z gorącym polem grzewczym. To tak jak w ceramicznej płycie elektrycznej.
• palnik nie pali się stale – gaz jest dostarczany i spalany cyklicznie, w takim tempie, w jakim garnek odbiera od niego ciepło
• spaliny z palników zasilają dodatkowe (nazywane przez producenta „darmowym”) pole grzewcze, na którym można wstępnie podgrzać potrawę lub ustawić garnek, który nie powinien stygnąć. Zawsze to jakiś zysk.

Z podanego w teście zużycia gazu ziemnego wynika, że płyta Solgaz osiągnęła sprawność ok. 41% z odkrytym garnkiem, podczas gdy konwencjonalna kuchenka gazowa radziła sobie z identycznej wielkości garnkiem ze sprawnością od 24% do 38% zależnie od wielkości palnika. W teście płyty Solgaz brakuje istotnej informacji: który z palników wykorzystano? Czas grzania wody w przeliczeniu na 1 litr jest podobny jak w teście pierwszym dla palnika tradycyjnego o mocy 3kW, na którym sprawność wyniosła tylko 23,8%. Tak więc tutaj różnica w zużyciu paliwa faktycznie wyniesie niemal 50%.

Jest efektywnie, czysto i estetycznie, ale żeby nie było tak słodko, wystarczy spojrzeć na ceny płyt Solgazu, które zaczynają się od 1560zł za płytę z dwoma palnikami (stan na grudzień 2015). Fakt, że koszt eksploatacji w porównaniu z kuchenką elektryczną będzie niższy o ~70% (konwencjonalny gaz jest tańszy o ~45%). Jednak perspektywa osiągnięcia zwrotu z inwestycji wydaje się odległa, chyba że ktoś gotuje dużo i intensywnie.

Co z drogą do gniazdka?

W wyżej przytaczanych badaniach dla urządzeń elektrycznych oceniono efektywność na podstawie zużycia prądu. Ale przecież prąd nie rośnie na drzewie. W kuchni z kuchenką elektryczną jest czysto i wygodnie, bo cała brudna robota odbywa się w elektrowni. Na każdą wyprodukowaną kilowatogodzinę przypada kilka straconych na produkcji i przesyle. Wypadałoby to uwzględnić w bilansie.

Świetny artykuł z LowTechMagazine.com porównuje efektywność kuchennych źródeł ciepła z krajów biednych i bogatych, z uwzględnieniem pełnego kosztu wytworzenia prąd. Stamtąd pochodzi poniższy wykres.

Po uwzględnieniu kosztów dostarczenia prądu do gniazdka, piecyki kuchenne dla trzeciego świata efektywnością biją na głowę kuchenki elektryczne.

Jak się chwilę zastanowić, wykorzystanie prądu do produkcji ciepła jest skrajnym marnotrawstwem. Najpierw spala się paliwo w elektrowni, z czego ~30% przerabiane jest na prąd, wysyłane w sieć, gdzie znika ok. połowa z tego, po czym reszta – czyli jakieś 15% energii z pierwotnego paliwa – zamieniana jest znów w ciepło, aby podgrzać garnek.

Ale to wygodne i nas stać. Kto bogatemu zabroni?

—
foto tytułowe: David Amsler