This article is from ECHO Asia Note # 32.
โดย Elliot Carey1, Patrick Trail2, Kenneth Brown3, and Abram Bicksler4
1อาสาสมัคร เอคโคเอเชีย อิมแพค เซ็นเตอร์ อ.แม่อาย
2เจ้าหน้าที่ฝ่ายวิจัยและเทคนิค เอคโคเอเชีย อิมแพค เซ็นเตอร์
3เจ้าหน้าที่จาก Virginia Tech สหรัฐอเมริกา
4ผู้อานวยการ เอคโคเอเชีย อิมแพค เซ็นเตอร์
[ประวัติผู้เขียน: คุณเอเลียตได้ร่วมงานกับทีมของเราในฐานะนักศึกษา gap-year ในปี 2016-2017 โดยมีส่วนในโครงการด้านการเกษตรหลายอย่างในสานักงานที่เชียงใหม่และที่ธนาคารเมล็ดพันธุ์ นอกจากนี้ยังมีส่วนในการทดลองงานวิจัยต้นกล้ากาแฟ, โครงการปลูกผักกูดเป็นอาหาร และเป็นผู้แนะนาที่เชี่ยวชาญด้านโซเชียลมีเดียในทศวรรษที่ 21 ทั้งนี้เราขออวยพรให้คุณเอเลียตได้ประสบความสาเร็จในการเข้าศึกษาระดับปริญญาตรีด้านวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยนอตติ้งแฮมประเทศอังกฤษ
บรรณาธิการ: เตาเผาชีวมวล ช่วยให้เกิดการเผาไหม้ที่สะอาดกว่าและสามารถใช้กับเชื้อเพลิงที่มีคุณภาพต่าซึ่งเป็นขบวนการที่เกิดควบคู่ไปกับการผลิตถ่านชีวภาพที่ได้ในขั้นตอนสุดท้าย การทดลองที่อธิบายในบทความนี้เกิดจากคาถามของเราเกี่ยวกับประสิทธิภาพของเตาและการใช้เชื้อเพลิงชนิดต่างๆที่มีผลต่อเวลา, อุณหภูมิ, และประสิทธิภาพในการเก็บกักความร้อน โดยเราใช้ประโยชน์จากเตาที่ออกแบบมาจาก Novotera stove จากองค์กร NGO ที่มีชื่อเหมือนกันนี้ ซึ่งของเอคโคเอเชียกาลังจะใช้แบบที่ใช้แสตนเลสมากกว่าโดยเป็นแบบที่ทาจากเมืองไทย หากท่านมีความประสงค์จะซื้อ กรุณาแจ้งให้เราทราบได้ (ที่อีเมล์ echoasia@echonet.org) หรือหาซื้อได้ที่การประชุม 6th Biennial Agriculture and Community Development Conference ที่กาลังจะเกิดขึ้นที่จังหวัดเชียงใหม่ ในวันที่ 3-6 ตุลาคม 2017]
คานา
ในประเทศกาลังพัฒนา ความจาเป็นที่ต้องมีพลังงานในการหุงหาอาหารประจาวันในครัวเรือนถือเป็นภาระและสิ้นเปลืองค่าใช้จ่าย แต่ปัจจุบันได้มีวิธีการหุงหาอาหารที่ประหยัดและใช้เชื้อเพลิงน้อยลงในการเผาไหม้ที่สะอาดและคุ้มค่าในระดับครัวเรือน วิธีการหนึ่งคือการใช้เตาเผาชีวมวลเพื่อประกอบอาหาร ที่ออกแบบเพื่อเปลี่ยนชีวมวลแข็งที่มีส่วนประกอบพื้นฐานเป็นถ่าน (ส่วนมากมาจากวัสดุเหลือทิ้งหรือวัสดุราคาถูก) นามาเผาไหม้เป็นพลังงานเพื่อใช้ในการหุงหาอาหาร (ดูรายละเอียดเกี่ยวกับการทางานของเตาเผาชีวมวล how gasifier stoves work ของดร.ณัฐวุฒิ ดุษฏี (2013))
เตาเผาชีวมวลให้ประโยชน์หลายอย่างที่ช่วยในการประกอบอาหารที่ต้องมีการใช้ไม้หรือวัสดุอย่างอื่นในแบบวิถีดั้งเดิม การเผาไหม้แก๊สขั้นที่สอง (ไพโรไลซิส) ในเตาเผาชีวมวลจะให้การเผาไหม้ที่สะอาดและมีประสิทธิภาพ อีกทั้งลดควันที่อาจนาไปสู่ปัญหาสุขภาพของผู้ใช้ (Berkelaar 2004) เนื่องจากเตาถูกออกแบบมาให้ใช้วัสดุชีวมวลที่มีส่วนประกอบพื้นฐานเป็นถ่านในปริมาณน้อยจึงเป็นการช่วยลดความต้องการเชื้อเพลิงที่ใช้ประกอบอาหาร ผลที่ได้คือเป็นการลดเวลาและพลังงานในการออกไปหาไม้ที่จะใช้เป็นเชื้อเพลิงและลดปริมาณต้นไม้ที่ต้องตัดเพื่อนามาทาเป็นฟืน โดยเฉพาะเมื่อมีการใช้เชื้อเพลิงที่คุณภาพต่าหรือเป็นวัสดุเหลือทิ้งที่นามาใช้แทนไม้ ในบางกรณี เตาแบบนี้ยังช่วยกักเก็บคาร์บอนไว้แทนที่จะปล่อยออกไปในบรรยากาศ ตัวอย่างเช่น เมื่อเชื้อเพลิงที่ใช้ไป (วัสดุเหลือใช้ที่มีคาร์บอนคุณภาพสูงที่เกิดจากเตาเผาชีวมวลในสภาพออกซิเจน์ต่า) ถูกนาไปใช้เป็นถ่านชีวภาพเพื่อปรับปรุงสภาพดิน (Hugill 2013)
ขณะนี้มีการออกแบบเตาเผาชีวมวลอยู่มากมายหลายแบบ โดยเตาเผาชีวมวลชนิด TLUD (Top-Lit Up-Draft หรือ เผาจากด้านบน-อากาศไหลขึ้น) ยังคงเป็นที่นิยนกัน เพราะเตาแบบนี้ง่ายต่อการจุดไฟและติดไฟรวดเร็วเจ้าหน้าที่ของเอคโค เอเชียใช้พัดลมแบบธรรมดาสาหรับเตาเผาชีวมวลแบบอากาศไหลขึ้น (Updraft Gasifier Stove) (ภาพที่ 1 & 2) โดยออกแบบการทดลองเพื่อทดสอบความเป็นไปได้และการใช้งานได้จริงในการใช้เชื้อเพลิงที่เป็นวัสดุเหลือทิ้งที่มีองค์ประกอบคาร์บอนที่หาได้ในพื้นที่ เราได้ทดลองใช้แกลบ, กะลากาแฟ, ขี้เลื่อย และซังข้าวโพด ซึ่งทั้งหมดเป็นวัสดุเหลือจากการเกษตรที่มีอยู่แล้วและหาได้ง่ายทางภาคเหนือ และส่วนมากไม่ต้องซื้อ สิ่งที่เราต้องการหาคือประสิทธิภาพเชิงความร้อน (Thermal Efficiencies) รวมถึงอุณหภูมิที่จุดเผาไหม้ และเวลาในการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงชนิดต่างๆที่กล่าวมา
วัสดุและวิธีการ
การทดลองนี้จัดทาขึ้นเมื่อเดือนตุลาคม 2016 ที่ศูนย์เอคโค เอเชีย อิมแพค เซ็นเตอร์ ในจังหวัดเชียงใหม่ ในการทดลองทั้ง 5 ครั้งได้ใช้วัสดุเหลือทิ้งที่หาได้ในพื้นที่ 4 ชนิด (กะลากาแฟ, ขี้เลื่อย, ซังข้าวโพด และแกลบ) นาไปเผาด้วยวิธีจากัดออกซิเจนซึ่งเป็นวิธีเดียวกับเตาเผาชีวมวลแบบ Novotera Biochar Cook-Stove (ภาพที่ 1) ซึ่งมีการออกแบบชนิด TLUD และมีการใช้พัดลมป้อนอากาศขึ้นมาจากด้านล่าง (ภาพที่ 1)
สาหรับเชื้อเพลิงแต่ละชนิด เราได้บันทึกเวลาในการใช้ต้มน้าปริมาณ 1 ลิตร, เวลาทั้งหมดของการเผาไหม้แต่ละครั้ง, อุณหภูมิการเผาไหม้ตั้งแต่เริ่มต้นจนเสร็จสิ้น และน้าหนักของเชื้อเพลิงที่ใช้ไปเมื่อเสร็จแล้ว โดยเราใช้ข้อมูลนี้มาคานวนหาประสิทธิภาพเชิงความร้อนของเชื้อเพลิงแต่ละชนิดเมื่อมีการเผาแบบจากัดออกซิเจนในเตาเผาชีวมวล ซึ่งสูตรคานวนมีดังนี้:
เราใช้ค่าคงที่มวลเชื้อเพลิงทุกชนิดเริ่มแรกที่ 600 กรัมต่อการเผาแต่ละครั้ง เราคิดว่าตัวเลขนี้เป็นปริมาณที่เหมาะสมสาหรับเชื้อเพลิงกับขนาดเตาและจากประสบการณ์ที่เคยทามาก่อน โดยใช้ข้อสันนิษฐานและข้อมูลจากการประเมินผลที่เคยบันทึกไว้ดังนี้:
เราบันทึกอุณหภูมิโดยใช้อุปกรณ์วัดอุณหภูมิ EasyLog Thermocouple และ USB Datalogger ที่ติดตั้งไว้ระหว่างเปลวไฟกับด้านบนเตาที่หม้อต้มน้าวางอยู่ (ภาพที่ 1) เราเริ่มบันทึกเวลาและอุณหภูมิเมื่อเราคิดว่าเชื้อเพลิงน่าจะเผาไหม้ด้วยตัวเอง ซึ่งทั่วไปแล้วมักจะเกิดขึ้นภายในเวลาไม่กี่นาทีหลังจากจุดไฟด้วยกระดาษ 1 หรือ 2 ชิ้นแล้ววางไว้บนเชื้อเพลิง โดยเราจะถือว่าการเผาเสร็จสิ้นเมื่ออุณหภูมิลดลงต่ากว่า 40oC เราได้ทาการทดลองทั้งหมดเสร็จสิ้นภายในเวลา 2 อาทิตย์เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาการเปลี่ยนแปลงสภาพและอุณหภูมิในบรรยากาศหากใช้เวลานานกว่านั้น
ผลการทดลอง
ผลการทดลองในตารางที่ 1 แสดงให้เห็นว่ารูปแบบเตาเผาชีวมวลที่ใช้ในการทดลองนี้เกิดการเผาไหม้ที่ความร้อนสูงในเวลาสั้น โดยอุณหภูมิสูงสุดอยู่ระหว่างช่วง 600 และ 750 องศาเซลเซียสกับเชื้อเพลิงทุกชนิด เมื่อจุดไฟแล้ว น้าปริมาณ 1 ลิตรจะเดือดภายในเวลาไม่ถึง 8 นาทีโดยเฉลี่ย (ตารางที่ 1) จากการสังเกตการเผาไหม้ของก๊าซรอง (Secondary Gases) ในการเผาไหม้แต่ละครั้ง จะเกิดเปลวไฟสีน้าเงินออกมากจากช่องอากาศและที่เปลวไฟจะไม่มีควัน
แกลบเผาไหม้ให้ความร้อนสูงมากที่สุดและเผาเร็วที่สุด (ตารางที่ 1 และภาพที่ 3) โดยซังข้าวโพดให้อุณหภูมิต่าสุดและเผานานที่สุด (ภาพที่ 3) แกลบมีประสิทธิภาพเชิงความร้อนสูงสุดที่ 9.1% ในบรรดาเชื้อเพลิง 4 ชนิดในการทดลองครั้งนี้(ภาพที่ 4) และแกลบยังทาให้เกิดถ่านชีวภาพในอัตราสูงอย่างเห็นได้ชัดเมื่อเทียบกับเชื้อเพลิงชนิดอื่น ที่กลายสภาพเป็นขี้เถ้าไปเกือบทั้งหมด (ตารางที่ 1)
ค่าประสิทธิภาพเชิงความร้อนได้ผลออกมาสูงจึงถือได้ว่าเป็นที่น่าพอใจ เตาเผาชีวมวลแบบต่างๆที่มีอยู่ต่างอ้างว่ามีค่าประสิทธิภาพเชิงความร้อนที่ 30% ถึง 50 % แม้ค่านี้จะเปลี่ยนแปลงไปบ้างตามปัจจัยต่างๆเช่นชนิดของเชื้อเพลิง, ค่าความชื้น, และอายุของวัสดุ แต่การทดสอบของเราไม่เคยได้ค่าประสิทธิภาพเชิงความร้อนเกิน 10%
สรุป
เราคิดว่าควรจะมีการทดสอบเพิ่มเติมก่อนที่จะนาค่าประสิทธิภาพเชิงความร้อนของรูปแบบเตานี้ไปใช้ รวมถึงเพื่อการพิจารณาถึงความเหมาะสมของปริมาณหรือมวลของเชื้อเพลิงแต่ละชนิดเพื่อการเผาไหม้ที่มีประสิทธิภาพสูงสุด อย่างไรก็ตาม เราพบว่าเชื้อเพลิงที่ใช้ในการทดลองทุกชนิดสามารถใช้เป็นแหล่งพลังงานที่เหมาะสมและเผาไหม้ได้เป็นอย่างดีในเตาแบบอากาศไหลขึ้นที่เราใช้ ในพื้นที่เอเชียตะวันออกเฉียงใต้ ไม่ว่าจะเป็นกะลากาแฟ, ขี้เลื่อย, ซังข้าวโพดและแกลบล้วนหาได้ในพื้นที่ ราคาไม่แพงและใช้ได้ผลดี รวมถึงยังติดไฟง่ายและเผาไหม้ได้เร็วในระบบเตาเผาระดับครัวเรือน แกลบถือเป็นแหล่งเชื้อเพลิงที่ดีเป็นพิเศษเพราะเผาไหม้ได้ดีกว่าเชื้อเพลิงชนิดอื่นและในขั้นตอนสุดท้ายยังให้ถ่านชีวภาพในปริมาณที่มากกว่า ทาให้เกิดวัสดุเหลือใช้ที่นาไปปรับปรุงสภาพดินได้ด้วย
นอกจากนี้ เรายังสังเกตเห็นข้อเสียเปรียบบางอย่างต่อไปนี้ของเตาเผาชีวมวลแบบ Novotera Biochar Cook-Stove: 1) ก่อนจะใช้เตาเราต้องใส่เชื้อเพลิงให้เต็มก่อน ทาให้ยากต่อการเติมเชื้อเพลิงเพิ่มระหว่างประกอบอาหาร; 2) การปรับอุณหภูมิระหว่างประกอบอาหารทาได้ยาก; และ 3) เตาแบบนี้ใช้พัดลมที่มีสายไฟหลักเพื่อป้อนลมเข้าทางด้านล่าง ซึ่งพัดลมที่สามารถปรับความแรงได้จะช่วยเพิ่มหรือลดปริมาณอากาศ ซึ่งอาจเป็นการช่วยแก้ปัญหาเรื่องการควบคุมอุณหภูมิได้บ้าง
อ้างอิง
Berkelaar, D. 2004. Indoor air pollution from cooking fire smoke. ECHO Development Notes. 85:1-5. Available: https://www.echocommunity.org/en/resources/116af501-ac2e-4303-8c46-7a3d586a0818.
Dussadee, N. 2013. Household and farm level gasifier technology. ECHO Asia Alternative Energy and Appropriate Technology Symposium. Available: https://c.ymcdn.com/sites/echocommunity.site-ym.com/resource/collection/25f7955d-c19f-44ae-aa75-18a5dfc2b980/Household_and_Farm_Level_Gasifier_Technolog.pdf?hhSearchTerms=%22stove%22
ECN Phyllis Classification. 2017. Available: https://www.ecn.nl/phyllis2/Browse/Standard/ECN-Phyllis#sawdust
Hugill, B. 2013. Biochar - An organic house for soil microbes. ECHO Technical Notes 75:1-4. Available: https://www.echocommunity.org/en/resources/60196dbc-c62a-4bcf-a33f-251e7195d62c.
Kolmel, O., and D. Maxwell. 2017. Smokeless Novotera biochar cook-stoves. Available: https://www.facebook.com/pg/Novotera-442666302431979/about/?ref=page_internal
The Water Boiling Test: Cookstove Emissions and efficiency in a Controlled Laboratory Setting, 2014. 2.4.3. Available: http://cleancookstoves.org/technology-and-fuels/testing/protocols.html