Sähköä puuta polttamalla?

Termosähkögeneraattorit (TEG) perustuvat yli pari sataa vuotta vanhaan havaintoon, että lämpövirtaus synnyttää tietyissä materiaaleissa sähkövirran (ja muutama vuosi myöhemmin havaittiin, että ilmiö toimii myös toisinkin päin, eli sähkövirtaus aiheuttaa lämpövirtauksen, jolloin generaattori toimiikin jäähdyttimenä). TEG elementit ovat kehittyneet ajan myötä yhä tehokkaammiksi ja niitä käytetään erilaisissa sovellutuksissa esim. autoissa, tietokoneissa ja avaruusluotaimissa (Marsiin lähetetty Curiosity-maasturissa käytettiin myös TEGejä sähkövirran tuottamiseen). Puoustusvoimien Tekninen Tutkimuslaitos julkaisi vuonna 2008 arvion, että “termosähköinen generaattori kamiinaan liitettynä lataisi akun yön aikana” (PTT, 2008)

Keväällä ja kesän 2013 aikana HawuPro:ssa alettiin kehitellä yhden ihmisen voimin liikuteltavaa (mahdollisesti puettavaa) tarkemmin rajoittamattomaan lämmityslaitteeseen fyysisesti kiinnitettävää laitetta, jonka avulla voidaan tuottaa lämmöstä sähköä elektronisiin laitteisiin. Ajatus syntyi retkeilijöiden ja kamiinatelttamajoittujien tarpeisiin, mutta idea on yleisempi ja se nähdään nyt laajemminkin mahdollisuutena vastata pienen kulutuksen sähkötarpeisiin mm. kesämökeillä, kevyt- ja mobiiliasumuksissa ja muissa kantaverkon ulkopuolella olevissa (mahdollisesti sähkökatkoksesta kärsivissä) tiloissa.

Virtavyö

Ensimmäinen versio ideasta kehittyi nimellä virtavyö. Ajatus syntyi sarjaan kytkettävästä vyömäisestä rakenteesta, jonka voisi pukea kamiinan päälle, tai myöhemmin laittaa vaikkapa liedelle. Vyöhön tehtiin kuppimainen rakenne jäähdytykseen. Kasaamalla lunta kuppeihin saatiin muodostumaan kohtuullinen lämpötilaero levyjen eri puolille, kts. kuvasarja alla. Virtavyö tuntui kuitenkin tarpeettoman hankalalta ja seuraava askel oli tehdä nk. minimaalinen ratkaisu, joka on yksinkertaisesti levy, jonka voi laittaa kuumalle pinnalle tai polttimen päälle. Minimaalinen ratkaisu kuitenkin osoittautui liian riskialttiiksi. Siinä vaiheessa kun vesi kiehuu, TEGit alkoivat lämmetä siinä määrin, että homma alkoi hajota käsiin. Lisäksi, jos jostain syystä saatavilla ei ole kylmää vettä, laitetta ei voisi käyttää. Laitteen päälle rakennettiin pieni puhallinjärjestelmä, mutta sekin osoittautui kelvottomaksi, sillä puhaltimen sisäänottoilma, joka nousi lähes suoraan polttimesta, oli liian kuumaa.

Kamiinan pariin

Kokeilimme sähköntuottamista myös kehittämällämme Sawu-kamiinalla. Kyseisen kamiinan kanssa ongelmaksi muodostui lämpötilan laaja vaihtelu. Perinteiset kamiinat palavat erittäin kuumana sen hetken, kun kamiinan pesä on täynnä puuta, mutta lämpö hiipuu nopeasti, kun puut palavat. Lisäksi lämpötila jakautuu hyvin epätasaisesti kamiinan pinnalle.

Kehittelimme nopeasti kamiinasta monia eri versioita, joissa palaminen olisi tasaisempaa. Tässä vaiheessa kokeilimme polttoaineena polttopuun sijaan pellettejä. Pelletit vaikuttivat hämmästyttävän hyviltä! Niistä saatiin selvästi paremmat lämmöt ja palonkesto kuin tavallisesta polttopuusta. Lisäksi pelletit ovat kotimainen ja uusiutuva luonnonvara. Tämä tuntui niin hienolta, että esittelimme mahdollisille yhteistyökumppaneille ensimmäisen kamiinaversiomme pellettikamiinana.

Vasemmalla näkyy Sawu-kamiina ja ensimmäinen sähköä tuottava pellettikamiinaversio. Alla olevissa kuvissa on yksityiskohtia kamiinan kehityksestä sekä sen tuottamista virtamääristä.

Vaihtoehdot hakusessa

Matkan varrella oli aikaa selvitellä lukuisia erilaisia vaihtoehtoja, joilla sähkötuotannon haasteita retkeilyyn liittyen on tehty. PowerPot on hyvin samankaltainen idea kuin kehittelemämme latauslevy. Pidämme sen yksinkertaisuudesta ja selkeydestä. PowerPotissa kattila on vain kiinnitetty levyyn kiinni. Heikkoutena näemme, että PowerPotissa on jätetty käyttäjän vastuulle muistaa pitää vettä kattilassa. Jos vesi kiehuu tyhjiin, kattilan tekniikka tuhoutuu. Juuri tämän jäähdytysongelman vuoksi jätimme latauslevyn kehittämisen sikseen. Myös BioLiten risupoltin vaikutti kiinnostavalta. Siinä kuitenkin on sama perusongelma kuin kaikissa muissakin TEG-polttimissa – niissä käytetään osa sähköstä tuulettimen pyörittämiseen, jotta TEGit eivät ylikuumene. Jos tarkoitus on maksimoida sähköntuotanto, tämä ratkaisu ei vaikuttanut tyydyttävältä. Sen lisäksi, että sähköä kuluu hukkaan, tuulettimet voivat vikaantua maasto-olosuhteissa helpostikin, jolloin generaattorista tulee käyttökelvoton. Halusimme yksinkertaisemman ja kestävämmän ratkaisun. Emme tätä tosin itsekään aluksi hoksanneet, vaan kokeilimme erilaisia variaatioita hyödyntää kamiinan hukkalämpöä.

Yksi versioista oli piippuun kiinnitettävä generaattori, jossa oli se hyöty, että sitä voitaisiin hyödyntää vanhojen puukamiinoiden kanssa. Tällöin käyttäjien olisi helppoa omaksua se käyttöön, kun ei tarvitsisi tehdä muuta kuin vaihtaa yksi kamiinan putkista generaattoriputkeen. Alla on kuvia piippugeneraattorin kehittelystä.

Pyhä yksinkertaisuus

Jotenkin nämä kokeilut eivät vain lähteneet lentoon. Virtamäärät eivät olleet riittäviä eikä tasalaatuisia. Ratkaisut olivat monimutkaisia ja oikeastaan aina tarvittiin tuuletin, joka söi osan tuotetusta sähköstä. Jossain vaiheessa kehittäminen alkoi tuntua lohduttomalta ja keskityimme lähinnä mahdollisimman hyvän pellettipolttimen rakentamiseen. Siinä se kuitenkin syntyi. Se kuningasidea. Kun pellettikamiinaa yksinkertaistettiin, huomattiin, että käänteinen palo, jonka olimme havainneet ensimmäisen pellettiprototyypin kehittämisen aikaan, toimii erittäin yksinkertaisessa rakenteessa luotettavasti. Tulimme kehittäneeksi maailman pienimmän puukamiinan, jolla voitiin lämmittää eräteltta. Tämä tuntui jo sinänsä aika merkittävältä.

Lisäksi tuohon maailman pienimpään kamiinaan oli helppoa kehittää ilmanotto-osio, johon TEGit saataisiin. Ja koska sisäänottoilma viilentää TEGejä, jäi tarve tuulettimelle kokonaan pois. Pellettien käyttö polttoaineena osoittautui lisäksi huomattavasti puuta tehokkaammaksi ja tasalaatuisemmaksi kuin halkojen käyttö.

Oheisessa kuvassa on kehittämme maailman pienin kamiina. Se on se pieni laatikko isomman laatikon päällä heti piippujen alla. Kun olimme saaneet hyvän näppituntuman siihen, miten paloilmiöt ja sähkögeneraattorit toimivat, oli enää tehtävä muutama versio. Innostuimme keksinnöstä siinä määrin, että laitoimme patenttihakemuksenkin menemään. Alla on kuvia minikamiinan kehittelystä ja myös uuden sähköä tuottavan halkokamiinan kehittelystä. Ajattelimme, että olisi turhan iso hyppäys olettaa, että retkeilijät siirtyisivät vuosikymmeniä halkoja käytettyään yht’äkkiä käyttämään pellettejä.

Pellettikamiinan kehittäminen johti myös uuteen ajatteluun kamiinan piipun suhteen. Aiemmat halkokamiinat on suunniteltu niin, että piippu kasataan kamiinan sisään kuljettamisen ajaksi. Tämä suunnitteluperiaate on sanellut kamiinan kokoa hyvin pitkään. Kehitimme erilaisia versioita rullattavasta ja halkaistavasta piipusta. Tässäkin suunnittelussa oli kohdattava lukuisia uusia haasteita.