Дерево и древесный уголь

Дерево использовалось во всех доступных формах: упавшие, сломанные или отрубленные ветки, прутья, кора и корни. Но хорошая древесина стволов стала доступной только после того, как вошли в обиход качественные режущие инструменты – струги, топоры, позже пилы. Применение древесины на удивление однообразно. Существуют тысячи видов древесных растений, и хотя физические различия значительны – плотность некоторых подвидов дуба может в два раза превышать плотность тополя, – химический состав почти одинаков (Smil 2013а). Дерево на две пятых состоит из целлюлозы, на одну треть из гемицеллюлозы, остальное – лигнин; в терминах элементов на углерод приходится 45–56 %, на кислород – 40–42 % общей массы. Содержание энергии в дереве растет вместе с долей лигнина и смол (соответственно 26,5 МДж/кг и до 35 МДж/кг по сравнению с 17,5 МДж/кг для целлюлозы), но разница в случае широко распространенных видов очень мала. Средние значения обычно 17,5-20 МДж/кг для твердых пород и, из-за того, что в мягких породах больше смолы, для них 19–21 МДж/кг (примечание 4.9).

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.

Примечание 4.10. Потребление дерева в Римской империи.

Мои консервативные оценки касаются всех главных категорий потребления дерева (Smil 2010с). Хлеб и тушеные блюда были основой римского питания, и городским пекарням и лавкам требовался по меньшей мере 1 кг дерева в день на душу населения. Минимум 500 кг дерева в год уходило на обогрев, без которого не могла обойтись примерно треть населения государства, обитавшая в умеренном климате. Нельзя забывать и среднее годовое потребление на душу населения 2 кг металлов: на килограмм уходило около 60 кг дерева. Это добавляет до 650 кг на душу населения (грубо, 10 ГДж, около 1,8 кг/сут.), но поскольку эффективность сжигания топлива в римские времена была везде одинаково низкой (<15 %), то полезной энергии получалось только порядка 1,5 ГДж/г., эквивалент почти 50 л (одной канистры) бензина.

Для сравнения, при создании реконструкции (Allen 2007) потребительской корзины времен Рима была принята величина в почти 1 кг дерева вдень на душу населения для того, что было названо «приличной альтернативой», и всего 0,4 кг/сут. на человека при минимальном бюджете, но в расчетах не учли топливо, использованное в металлургии и ремесленном производстве. Другой исследователь (Malanima 2013а) определил среднее потребление дерева на душу населения в ранней Римской империи в 4,6–9,2 ГДж/г., половину от общего использования энергии, где другая половина поделена, грубо, в соотношении 2 к 1 между энергией пищи и фуража. Его самые высокие оценки достигали 16,8 ГДж на человека, мои оценки для пищи, фуража и дерева были 18–19 ГДж/душу (Smil 2010с).

Общества XIX века в Северной Европе, Новой Англии, на Среднем Западе или в Канаде, которые использовали для приготовления пищи и обогрева домов только дерево, потребляли в год от 3 до 6 тонн топлива на душу населения. Таким же был уровень домашнего потребления топлива в Германии в XVIII веке (Sieferle 2001). Среднее значение по Австрии в 1830 году приближалось к 5 т на человека (Krausmann and Haberl 2002), и таким же было среднее значение для США в середине XIX века (Schurr and Netschert 1960). Хотя последняя цифра также включает растущее производственное (большей частью древесный уголь для металлургии) и транспортное использование дерева, домашнее потребление было все еще ведущей статьей в 1850 годы.

Назад: Растительное топливо

Дальше: Пожнивные остатки и навоз