Automatyzacja i produkcja energii elektrycznej z ciepła były tematami tegorocznej edycji konkursu na nowoczesne piece na drewno organizowanego w USA przez Alliance For Green Heat – organizację promującą ogrzewanie drewnem pod różnymi postaciami. O pierwszej edycji pisałem w 2013 roku.

Co w tej imprezie takiego ciekawego? To miejsce, gdzie spotyka się nie tylko branża piecowo-kominkowa sama ze sobą. Są tu również ekipy z tak pozornie dalekich od pieców na drewno światów jak inżynieria kosmiczna a czasem i "garażowi" wynalazcy-pasjonaci. Dzieją się tu rzeczy unikalne a interesujące:

• pomiary emisji kilkunastu pieców jednocześnie (rzecz trwała pięć dni) – przejrzyście i na równych zasadach,
• wymiana doświadczeń i wzajemna pomoc w ulepszeniu pieców,
• upowszechnianie wiedzy o nowoczesnym spalaniu drewna wśród społeczeństwa (rzecz była otwarta dla publiczności).

Impreza pod anglosaską nazwą 2018 Wood Stove Design Challenge odbyła się w dniach 9-13. listopada 2018 u podnóża waszyngtońskiego Kapitolu.

Wzięło w niej udział 13 drużyn, czyli 13 pieców, z czego 10 w samym konkursie a 3 jako wystawowe. Każda z drużyn otrzymała grant na prace przygotowawcze w wysokości 10 000$ od federalnego Departamentu Energii.

Relacja na stronach Lopez Labs

Relacja na stronach Alliance for Green Heat

Co ciekawsze zespoły i technologie:

• studenci inżynierii kosmicznej – znają się na problemie produkcji prądu z ciepła a połączenie tego z piecem na drewno wcale nie jest mniejszym wyzwaniem niż lądowanie na Księżycu.
• mechaniczny regulator dopływu powietrza do pieca (znany już z poprzednich edycji)
• zasilany grawitacyjnie piec na pellet, który też od jakiegoś czasu jest znany w światku, ale teraz został dodatkowo wyposażony w możliwość produkcji prądu,
• jeszcze jeden uniwersytecki zespół z ciekawymi pomysłami: piec dolnego spalania z komorą wstępnego suszenia drewna i wspomagaczem ciągu opartym o inżektor a nie zwyczajowy wentylator.

Automatyzacja i produkcja energii elektrycznej

Konkurs podzielono na dwie kategorie:

• rozwiązania automatyzujące obsługę pieca,
• produkcja energii elektrycznej przy okazji grzania.

Szczególnie ciekawa jest ta druga kategoria. Ktokolwiek pamięta jakieś szczegóły z lekcji fizyki, ten się domyśli, że produkcja energii elektrycznej z energii cieplnej, zwłaszcza w domowych warunkach, nie wróży cudownych osiągów. Ale jeżeli prąd chcemy pozyskać przy okazji grzania domu, to sprawa nie jest tak do końca przegrana już na starcie.

Konkursowe piece wykorzystywały generatory termoelektryczne (TEG, ogniwo Peltiera). Jest to element w postaci płytki, która z jednej strony jest grzana a z drugiej musi być intensywnie chłodzona – wtedy produkuje prąd (jeśli czyta to jakiś fachman – nie bij za uproszczenia). Poniżej na filmie przykład zabawkowego zastosowania takiego ogniwa – tyleż taniego, co kiepskiego (mocę parę wat).

W piecu ciepła jest aż nadto (choć zapewnić temperaturę wysoką, acz nie za bardzo, to też niełatwa sprawa). Problemem jest strona zimna, której chłodzenie powietrzem może nie wystarczyć, dlatego w konkursowych piecach zwykle stosowano chłodzenie cieczą.

Jako ciekawostka pozakonkursowa wystawiony był kocioł na pellet sprzężony z silnikiem Stirlinga firmy Oekofen. Produkuje on 4-5kW mocy elektrycznej z 50kW mocy cieplnej. Urządzenie kosztuje (moment, niech no przełknę suplement na uspokojenie) ok. 30 tys. $. Tutaj można przeczytać więcej o ekipie, podobnie też o innych konkursowych zespołach.

Dwie główne nagrody – za najmniejsze emisje oraz najlepsze osiągi w produkcji prądu – zdobył piec Wittus. W relacjach gdzieś zapodziały się informacje o wysokości nagród, ale w poprzednich edycjach bywało to ponad 20 tys. $.

Nagrodę za innowacje otrzymał piec zespołu Stove Builders International, którego obsługa została zautomatyzowana z dobrymi efektami, ale prosto i niskim kosztem:

• kontrola nad jakością spalania odbywa się z użyciem tylko termopary na "wydechu" oraz czujnika podciśnienia,
• sterownik na tej podstawie kontroluje dopływ powietrza do pieca,
• całość jest podpięta pod aplikację mobilną, gdzie użytkownik decyduje, jak mocno piec ma grzać oraz dostaje powiadomienie gdy np. za niedługo trzeba dołożyć drewna.

Niskim kosztem oznacza w tym przypadku cenę pieca o jakieś 20% wyższą niż piec całkowicie ręcznie kontrolowany.

Czy prąd z pieca ma sens?

Sprawność ogniwa TEG jak i generatora z silnikiem Stirlinga nie przekracza 10%. Nędza? Tak – gdybyśmy odpalali piec wyłącznie w celu produkcji prądu a ciepło traktowali jako odpad. Ale w sytuacji, gdy i tak musimy grzać dom, nawet te kilkaset wat mocy elektrycznej uzyskane "mimochodem" mogą się do czegoś przydać. Ot choćby do zasilania urządzeń sterujących pracą pieca (zwykle elektronika o niewielkim poborze mocy), co czyniłoby go niezależnym od prądu sieciowego.

Ale sprawa nie wygląda kolorowo. Produkcja prądu z ciepła w domowych warunkach pozostaje ułomna pod wieloma względami:

• Urządzenie takie jak w/w generator z silnikiem Stirlinga kosztuje bajońskie sumy i mogą sobie na nie pozwolić głównie bogacze z pobudek ideologicznych.
• Generator TEG o mocy paruset wat to koszt kilkuset dolarów (do tego jest ogólnodostępny na rynku, nie wyniesiony tylnymi drzwiami z NASA) – dużo lepiej, ale urządzenia te są dość wrażliwe na przegrzanie, więc pierwsza awaria układu chłodzenia najpewniej będzie ich ostatnią.

Nawet gdyby obie w/w technologie nie miały swoich wad, to nadal problemem pozostaje kiepska sprawność. Oznacza to, że dla wyprodukowania stosunkowo niewielkich ilości energii elektrycznej musimy wytworzyć duże ilości ciepła, z którym przeważnie nie będzie co zrobić gdy zapotrzebowanie na grzanie będzie akurat niewielkie.

Polski konkurs na nowoczesny piec?

Korci, żeby coś podobnego działo się w Polsce. Nowoczesne i tanie kotły i piece są wszak pilnie potrzebne. Tylko czy to miałoby szansę u nas zadziałać?

• W USA kluczowe jest wsparcie rządowe. U naszej "góry" nie rejestruję zrozumienia dla tego problemu. Być może pukam w nie te drzwi. Albo nie tym szyfrem? Wszystko jest możliwe, bo kompletnie się na tym nie znam.
• Czy wśród osób zawodowo zajmujących się piecami, kotłami i kominkami znalazłby się popyt na udział w takim wydarzeniu? Pewnie u jakiegoś promila – tak. Obawiam się jednak, czy nie przybrałby on formy zjazdu busów z kotłami za ~15 tys. na pakach. Temu da się stosunkowo łatwo zapobiec, z góry orientując całą akcję na urządzenia segmentu low-end.
• Amatorskich i innowacyjnych modyfikacji kotłów jest dość sporo. Ale co innego dłubać sobie na własnym kotle we własnej piwnicy, a co innego (a) rzecz dopracować, (b) wybrać się z tym na jakąś imprezę. Dla większości takich "dłubaczy" byłby to pewnie problem pod wieloma względami: czasu, pieniędzy, możliwości warsztatowych, możliwości zabrania się z zabawkami w drogę.
• Zainteresowanie sprawą uczelni, a co za tym idzie studentów, jest możliwe, choć nie zrobi się ot tak. Temat spalania węgla i drewna jest niesamowicie ciekawy gdy już się człowiek dowie, że da się wyjść poza dymiące klocki/kamienie w blaszanej skrzyni, ale ktoś musi to wpierw przekazać a potem ekipę prowadzić.

W USA większość uczestników kolejnych edycji tego konkursu stanowią (pół)profesjonalne ekipy, które już jakiś czas w temacie działają – nawet jeśli to ekipy studenckie. Również i u nas należałoby celować głównie w zawodowców – a ci obecnie nie rozwijają zbyt intensywnie kotłów tanich i czystych. Są ku temu jakieś powody i wpierw należałoby je zbadać.