Практически все традиционные общества могли получать свет и тепло, только сжигая растительное топливо. Древесная фитомасса, полученный из нее древесный уголь, пожнивные остатки и высушенный навоз обеспечивали всю энергию, необходимую для обогрева дома, приготовления пищи, для освещения и маломасштабного кустарного производства. Позже, на больших протоиндустриальных предприятиях все эти виды топлива использовались для обжига сравнительно больших объемов кирпича и керамической посуды, изготовления стекла, плавки металлов. Заметные исключения обнаружены в древнем Китае, где уголь применяли на севере при изготовлении железа; в Сычуани жгли природный газ, чтобы выпаривать рассол и получать соль (Adshead 1997), а также в средневековой Англии (Nef 1932).
Добыча растительного топлива могла быть легкой: простая прогулка в ближайший лес, чтобы собрать ветки и сухостой, или поход за сухой травой или соломой после жатвы, чтобы сложить добытое под навесом. Но куда чаще она подразумевала долгий путь, совершаемый обычно женщинами и детьми; трудоемкую валку деревьев, утомительное выжигание угля и транспортировку этого топлива на длинные расстояния в телегах, запряженных волами, или с помощью верблюжьих караванов там, где города находились в центре обезлесенных равнин или в пустынях. Изобилие или недостаток топлива влияли на конструкцию домов, на одежду и на привычки в приготовлении пищи. А добыча топлива стала одной из главных причин уничтожения лесных массивов.
В странах Западной Европы зависимость от растительного топливауменынилась только после 1850 года. Лучшие реконструкции в области первичного поступления энергии показывают, что во Франции уголь начал давать более половины энергии топлива в середине 1870-х, а в США уголь и нефть (и природный газ в небольших объемах) превзошли вклад биологического топлива к 1884 году (Smil 2010а). Остальной мир продолжал полагаться на растительное топливо и в XX веке: в наиболее плотно населенных странах Азии оно было главнейшим до 60-х или 70-х годов, а в Африке к югу от Сахары является единственным крупнейшим источником первичной энергии и сейчас.
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).
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