Текст книги "Энергия и цивилизация"

Рисунок 4.11. Колесо «Леди Изабелла» после реставрации (Corbis)

Эффективность турбин Фурнейрона вскоре превзошли центростремительные турбины, которые один из исследователей (Layton 1979) назвал прототипическим продуктом НИОКР[3]3
  Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы. – Прим. ред.


[Закрыть]. Такие устройства больше всего известны как «турбина Френсиса» по имени Джеймса Б. Френсиса (1815–1892), британского и американского инженера. Позже появились реактивные турбины Лестера А. Пельтона (запатентованы в 1889 году) и осевые турбины Виктора Каплана (в 1920-м). Турбины заменили водяные колеса во многих отраслях промышленности и стали новыми первичными движителями. Например, в Массачусетсе в 1875 году они выдавали 80 % номинальной мощности. Это было время максимальной важности приводимых в движение водой машин в быстро индустриализирующемся обществе.

Например, каждый из трех крупнейших текстильных центров на реке Мерримак в Массачусетсе и южном Нью-Гемпшире – Лоуэлл, Лоуренс и Манчестер – располагал водяными машинами общей мощностью около 7,2 МВт. Весь бассейн реки давал около 60 МВт номинальной мощности, в среднем по 66 кВт на единицу производственного оборудования (Hunter 1975). Даже в середине 1850-х годов пар был все еще почти в три раза дороже воды, когда использовался в качестве первичного движителя в Новой Англии. Однако эпоха водяных турбин, непосредственно приводивших в движение разные механизмы с помощью передач и ремней, закончилась внезапно. К 1880-м годам появились крупномасштабная добыча угля и более эффективные двигатели, и пар стал дешевле воды практически на всей территории США. К концу XIX века большая часть турбин была перенацелена с прямой генерации движения на генерацию электричества.

История обуздания ветра с помощью стационарных источников мощности (в противоположность более долгой истории его превращения в движение с помощью парусов) и эволюция ветряных мельниц до сложных и мощных машин начала индустриальной эры хорошо описана и в общих, и в специализированных национальных обзорах. Значимый вклад в первую категорию внесли Freese (1957), Needham (1965), Reynolds (1970), Minchinton (1980) и Denny (2007). Интересные исследования по отдельным странам написали: Skilton (1947) и Wails (1975) по британским мельницам, Boonenburg (1952), Stockhuyzen (1963) и Husslage (1965) по наиболее часто упоминаемым голландским, и Wolff (1900), Torrey (1976), Baker (2006) и Righter (2008) по американским, которые сыграли ключевую, но до сих пор недооцененную роль в освоении Запада. Ветряные мельницы стали наиболее мощными первичными движителями доиндустриальной эпохи на равнинах, где почти полное отсутствие потоков с перепадом высот исключало возможность создания маленьких водяных мельниц (в Нидерландах, Дании и части Англии) и в пустынных регионах Азии и Европы, где сильны сезонные ветра.

Вклад ветряных мельниц в интенсификацию мировой экономики был не таким значительным, как в случае с водяными, большей частью потому, что в конечном итоге их широко использовали лишь в некоторых частях атлантической Европы. Первые записи о европейских ветряных мельницах относятся к последним десятилетиям XII века. Согласно исследованиям (Lewis 1993), ветряные мельницы распространились поначалу из Персии на территорию Византии, где они превратились в вертикальные машины, с которыми и столкнулись крестоносцы из Европы. В отличие от восточных машин, чьи лопасти вращались в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси, эти мельницы монтировались вертикально на горизонтальной оси, и ведущий вал можно было поворачивать под ветер. За исключением иберийских восьмиугольных парусных мельниц, где использовались треугольные отрезы ткани (заимствованные из восточного Средиземноморья), все остальные машины в Европе тогда относились к классу столбовых мельниц. Их деревянный корпус, передачи и жернова вращались на массивном центральном столбе, который поддерживали четыре мощные диагональные балки (рис. 4.12).

Рисунок 4.12. Столбовая ветряная мельница. Главный деревянный, почти всегда дубовый столб, на котором держится вся структура, зафиксирован четырьмя балками, прикрепленными к массивному фундаменту. Вращение мельницы передается на жернов передачей типа «фонарь-и-корона», и доступ внутрь возможен только по лестнице. Воспроизведено из «Encyclopedie» (Diderot and d'Alembert 1769–1772)

Поскольку они не могли самостоятельно поворачиваться, когда менялось направление ветра, их приходилось разворачивать вручную. Подобные мельницы были нестабильны при сильных ветрах и уязвимы перед лицом штормов, а сравнительно малая высота ограничивала их эффективность (примечание 4.8).

Примечание 4.8. Энергия и мощность ветра

Средняя скорость ветра увеличивается с высотой, а значит, его мощность тоже растет. Например, на высоте в 20 метров над землей мощность будет примерно на 22 % выше, чем на высоте в 5 м. Кинетическая энергия 1 м³ воздуха (в джоулях) равняется 0,5pv², где р – плотность воздуха (около 0,12 кг/м³ у поверхности), a v – средняя скорость ветра (в м/с). Мощность ветра (в ваттах) является продуктом энергии ветра, площади лопастей, расположенной перпендикулярно направлению ветра (А, в м²), и скорости ветра в кубе: 0,5pAV³. Поскольку мощность ветра увеличивается в кубе средней скорости, удвоение скорости повышает доступную мощность в восемь раз. Первые (сравнительно тяжелые и неудачно устроенные) ветряные мельницы нуждались в ветрах, дующих со скоростью минимум 25 км/ч (7 м/с), чтобы начать работать. При более низких скоростях они просто медленно поворачивались, но уже при скорости ветра более 10 м/с площадь лопастей нужно было сокращать (и полностью сворачивать ткань при скорости выше 12 м/с), что обеспечивало только узкий ветровой коридор и малое количество часов (5–7 в день) ежедневной полезной работы (Denny 2007).

Все эти факторы обусловили превосходство местностей с постоянными сильными ветрами. Поздние мельницы, более эффективные, с мягкими передачами и хорошей смазкой функционировали при ветрах быстрее чем 4 м/с, обеспечивая 10–12 часов полезной работы в день. Доиндустриальные общества могли пользоваться только потоками, дующими рядом с землей, и размах лопастей большинства мельниц был менее 10 метров. Ветряные потоки имеют большую вариативность во времени и пространстве, и даже в благоприятных районах средняя годовая скорость ветра варьируется на 30 %, а перемещение машины всего на 30–50 метров может уменьшить или увеличить среднюю скорость вдвое. Ограниченные возможности транспорта доиндустриальной эпохи затрудняли освоение самых ветреных местностей, и мельницы часто оставались неподвижными. Никакая машина не может извлечь всю мощность из ветра: это потребовало бы полностью остановить его поток. Максимальная извлекаемая мощность равняется 16/27 или около 60 % кинетической энергии потока (Betz 1926). Реальная эффективность для мельниц доиндустриальной эпохи была 20–30 %. Башенная мельница XVIII века с диаметром лопастей в 20 м, таким образом, имела теоретическую мощность около 189 кВт при скорости 10 м/с, но поставляла менее 50 кВт.

Столбовые мельницы продолжали работать в отдельных местностях восточной Европы до XX столетия, а в западной их постепенно заменили привычные для нас башенные мельницы. В них только верхушка поворачивалась под ветер, с земли или с галерей, если башня была высокой. Восьмиугольные мельницы-коптильни с деревянной рамой обычно покрывали гонтом или дранкой. Другие, настоящие башенные мельницы, были круглыми, сложенными из камня. Только после 1745 года, когда в Англии начали использовать хвостовик, появилась возможность обеспечить автоматический поворот механизма в ту сторону, откуда дует ветер. Любопытно, но голландцы, обладатели самого большого количества ветряных мельниц в Европе, приняли это нововведение только в начале XIX века.

Но голландцы первыми освоили более эффективную форму лопастей. Они начали добавлять перпендикулярные боковые планки на плоские лопасти около 1600 года. Получившийся в результате изгиб дал лопастям больше подъемной силы, уменьшив сопротивление. Более поздние инновации включали в себя улучшения в креплении лопастей, чугунные зубчатые передачи и центробежный регулятор оборотов. Такое устройство решило сложную и часто опасную задачу управления парусиной при разной скорости ветра. К концу XIX века англичане начали использовать настоящие аэродинамические профили с четко рассчитанной формой. Помол зерна и откачка воды (в том числе на кораблях, где использовались маленькие переносные машины) были главными областями приложения. Ветряные мельницы также использовали и в Европе, и в исламском мире для измельчения и прессования (мела, сахарного тростника, зерен горчицы и какао), для изготовления бумаги, распила дерева и операций с металлом (Hill 1984).

В Нидерландах мельницы выполняли все эти задачи, но наиболее важный вклад они внесли в осушение низменностей и в превращение польдеров в поля. Первые мельницы, предназначенные для этой цели, появились в Голландии в начале XV века, но широко распространились только в шестнадцатом. Пустостолбовые (не нашла такого термина) wipmolen вращали большие деревянные колеса с черпаками, а мобильные (передвижные?) tjasker меньшего размера приводили в движение архимедовы винты, но только эффективные башенные мельницы смогли обеспечить мощность, необходимую для крупномасштабного осушения польдеров. В музее Зансе-Сханс в Северной Голландии представлены 600 ветряных мельниц, несколько были построены после 1574 года (Zaanse Schans 2015). Самые высокие голландские мельницы (33 м) находились в Схидаме (пять из оригинальных тридцати все еще стоят), где они мололи зерно, необходимое для производства голландского джина.

Старые американские мельницы наподобие тех, что на побережье Массачусетса, часто использовались для добычи соли, но их количество оставалось небольшим. Новые американские мельницы появились сразу после середины XIX века, когда началась экспансия на запад через Великие Равнины. Здесь нельзя было использовать маленькие водяные мельницы из-за нехватки небольших водных потоков и скудости осадков, а воду приходилось качать из колодцев. По сравнению с мощными тяжелыми и дорогими голландскими мельницами (они имели несколько больших и широких лопастей) американские были меньше, проще, удобнее, но при этом оставались эффективными машинами, которые могли обслуживать железнодорожные станции и фермы.

Рисунок 4.13. Ветряная мельница Халладэя. В последнее десятилетие XIX века ветряные мельницы такого типа были самыми популярными в США. Они широко использовались на железнодорожных станциях, где качали необходимую для паровозов воду. Воспроизведено из Wolff (1900)

Американские мельницы обычно состояли из большого числа узких лопастей, прикрепленных к цельным или составным колесам, и оснащались центробежным либо боковым регулятором оборотов и независимыми рулями. Помещенные на вершину решетчатой башни в 6-25 метров высотой, они использовались для перекачки воды – для домашних хозяйств, крупного рогатого скота, паровых локомотивов (рис. 4.13). Подобные мельницы, колючая проволока и железные дороги стали образцовыми инструментами, которые помогли освоить Великие Равнины (Wilson 1999). Оценки (Daugherty 1927) показывают, что мощность всех ветряных мельниц в США с 1849 по 1899 год выросла с около 320 МВт до почти 500 МВт и достигла пика в 625 Мвт в 1919 году

У нас нет информации о мощности самых первых мельниц, экспериментальные данные имеются только с конца 1750-х годов, когда Джон Смитон приравнял мощность средней голландской мельницы с лопастями в 9 м к мощности десяти человек или двух лошадей (Smeaton 1759). Этот расчет, базировавшийся на измерениях с помощью маленькой модели, был подтвержден реальной эффективностью при выдавливании растительного масла. Мельница давала верхнему камню жернова семь оборотов в минуту, а две лошади едва могли обеспечить 3,5 оборота за то же самое время. Типичная большая голландская мельница XVIII века с размахом крыльев в 30 м могла дать около 7,5 кВт (Forbes 1958). Современные измерения на хорошо сохранившейся голландской осушительной мельнице 1648 года показали, что она способна поднять 35 кубометров воды при скорости ветра 8–9 м/с, что дает мощность на главном валу порядка 30 кВт, но большие потери при передаче снижают полезную выработку до менее 12 кВт.

Все эти результаты подтверждают сравнение традиционных первичных движителей (Rankine 1866). Автор оценил столбовые мельницы как способные выдать 1,5–6 кВт полезной мощности, башенные – 4,5-10,5 кВт. Измерения на американских мельницах определили их полезную мощность от едва 30 Вт для мельницы в 2,5 м до 1000 Вт для больших машин в 7,6 м (Wolff 1900). Типичные цифры (в терминах полезной энергии) составляли 0,1–1 кВт для мельниц в США XIX века, 1–2 кВт для маленьких и 2–5 кВт для больших столбовых мельниц, 4–8 кВт для башенных и 8-12 кВт для крупнейших машин того же XIX века. Все это означает, что типичные средневековые ветряные мельницы были сравнимы по мощности с современными им водяными, но к началу XIX века многие водяные мельницы могли выдавать в пять раз больше мощности, чем крупнейшие башенные ветряные, и разница только выросла с появлением водяных турбин.

Как и в случае с водяными мельницами, вклад ветряных, используемых в качестве источников стационарной мощности, достиг пика в XIX веке. В Великобритании их количество составляло 10 тысяч в 1800 году, в конце XIX века 12 тысяч работали в Нидерландах и 18 тысяч в Германии, и к 1900 году около 30 тысяч мельниц (с общей мощность в 100 МВт) имелось в странах побережья Северного моря (De Zeeuw 1978). В США несколько миллионов мельниц было построено между 1860 и 1900 годами, во время расширения страны на запад; их число начало уменьшаться только в 1920-х годах. В 1889 году было 77 производителей, самые успешные из них Халладэй, Адамс и Бухэнан (Baker 2006). Большое число водооткачивающих мельниц американского типа использовалось в XX веке в Австралии, Южной Африке и Аргентине.

Растительное топливо

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 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.