Энергия и цивилизация

Благодаря этому обстоятельству мы смогли изучить методы и последствия неэффективного сжигания традиционного топлива и его широкое воздействие на здоровье. Исследования, проведенные в последние десятилетия (Earl 1973; Smil 1983; RWEDP 2000; Tomaselli 2007; Smith 2013), помогли нам подробнее узнать историю потребления древесного топлива. Многие современные варианты приложимы к доиндустриальным временам, поскольку базовые потребности с тех пор не изменились. Для большинства людей в традиционных обществах энергетические потребности всегда сводятся к тому, чтобы приготовить пищу два-три раза в день, в холодном климате обогреть как минимум одну комнату и в некоторых регионах приготовить корм для животных и насушить пищи впрок.

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).