Книга Энергия и цивилизация - Вацлав Смил

Примечание 4.9. Содержание энергии в растительном топливе.

Источники: базируется на Smil (1983) и Jenkins (1993).

Плотность энергии для дерева относится к совершенно сухому материалу, но дерево, сжигаемое в традиционных обществах, всегда имеет то или иное содержание влаги. Только что срубленная древесина твердой породы (лиственные деревья) содержит обычно 30 % воды, в мягком дереве (хвойные) – значительно более 40 %. Такая древесина горит неэффективно, поскольку значительная часть тепла расходуется на испарение влаги, а не нагревание котелка или помещения. Дерево, содержащее более 67 % влаги, не загорается. Именно по этой причине опавшие ветки или сухостой всегда лучше свежей древесины, и поэтому дерево обычно сушат перед сжиганием. Нарубленные поленья складывают под крышей и держат там как минимум несколько месяцев, но даже в сухом климате в них остается около 15 % влаги.

Древесный уголь, наоборот, содержит только следы жидкости, и его всегда предпочитали те, кто имел возможность заплатить.

Это топливо высокого качества практически бездымно, и содержание энергии в нем, почти такое же как в хорошем битуминозном угле, примерно на 50 % выше, чем в высушенной древесине. Другое преимущество древесного угля состоит в его чистоте. Поскольку это практически голый углерод, он содержит очень мало серы или фосфора. Потому он лучше, чем другое растительное топливо, подходит не только для применения в помещении, но и в печах по обжигу кирпича, керамических плиток или извести и в плавке руды. Дополнительным преимуществом для металлургии является высокая пористость древесного угля (удельная плотность всего 0,13-0,2 г/см3), которая облегчает возгонку удаляемых газов в топках (Sexton 1897). Но традиционные способы производства этого прекрасного топлива были очень затратными.

При частичном сгорании сваленной в груды древесины внутри примитивных печей в ямах или в виде курганов выделялось достаточное количество тепла для карбонизации. Вследствие этого не возникало нужды в дополнительном топливе, но и качество, и количество конечного продукта было трудно контролировать. Типичный выход древесного угля в такой печи составлял всего 15–25 % от заложенного высушеного дерева. Это означает, что около 60 % исходной энергии терялось в процессе изготовления угля, и в терминах объема требовалось до 24 кубометров дерева (и не менее 9-10), чтобы произвести 1 тонну древесного угля (рис. 4.14). Но выгода заключалась в качестве топлива: его сжигание могло дать температуру 900 °C, и при необходимом притоке воздуха, который создавали меха, ее можно было поднять до 2000 °C, а это более чем достаточно для плавки даже железной руды (Smil 2013а).

Ради заготовки дерева в качестве топлива (а также на строительные или кораблестроительные нужды) масштабно уничтожались леса, что приводило к полному разорению в ранее богатых деревом регионах. Массачусетс начала XVIII века был на 85 % покрыт лесами, но к 1870 году только в 30 % штата оставались деревья (Foster and Aber 2004). 6 марта Генри Дэвид Торо (1817–1862) записал в своем дневнике: «…деревьев у нас уже очень мало, а их продолжают вырубать. Нынешней зимой по всей округе стучат топоры, при этих звуках прямо сердце кровью обливается. По крайней мере мы, гуляющие, восприняли это таким образом. В Уайт-Понд всю кромку леса вырубили подчистую, а на юге оголили Фэйр-Хэвен-Понд, утесы практически обрили налысо. То же самое творится и на ферме Кобурна, в Бек-Стоу и т. д., и т. д.» (Thoreau 1906, 231).

До пяти раз больше биомассы использовалось в широтах с продолжительными зимами, и там, где массово производили кирпичи, стекло, керамическую плитку, плавили металл и выпаривали соль. В Германии до 2 тонн дерева (почти все сгорало, чтобы получить калий, а не тепло) требовалось для изготовления 1 кг стекла, выпаривание рассола в больших железных сосудах требовало до 40 кг дерева на 1 кг соли (Sieferle 2001).

Рисунок 4.14. Производство древесного угля начиналось с выравнивания участка земли и установки центрального шеста; нарубленные стволы устанавливались и укладывались вокруг него, и все покрывалось глиной перед тем, как груда поджигалась. Воспроизведено из «Encydopedie»(Diderot and d'Alembert 1769–1772)

He найдено записей о типичном потреблении растительного топлива во времена античности, и только небольшое количество надежных цифр мы имеем для Средневековья. Я оценил, что средние годовые потребности энергии в Римской империи в районе 200 года составляли 650 кг на душу населения, то есть, грубо, 10 ГДж, или около 1,8 кг/сут. (примечание 4.10). Наилучшая доступная реконструкция спроса на древесину в средневековом Лондоне (около 1300 года) показывает среднегодовую величину в 1,75 тонны дерева или, грубо, 30 ГДж на душу населения (Galloway, Keene and Murphy 1996). Оценки для Западной Европы и Северной Америки непосредственно перед переходом на уголь демонстрируют даже более высокие средние потребности.