Энергетический потенциал культур сосны

Человеческое общество всегда движется в своем развитии, в познании себя и мира по спирали. Во многих случаях общество оказывается там же, где и раньше, только на другом, более высоком уровне развития. И ситуация с древесиной и биоэнергетикой тому очень яркий пример.

Человечество открыло для себя огонь много лет назад. Со времени овладения человека огнем основным источником энергии являлась древесина. В XIX—XX вв. в результате конкуренции с ископаемыми видами топлива ее значение уменьшилось. Но и в настоящее время больше половины заготавливаемой в мире древесины используется в энергетических целях, главным образом Для получения тепла (Кошелев, Шведов, 1998). По современным оценкам, биомасса является самым мощным после солнца возобновляемым экологически чистым источником энергии. Ежегодный прирост биомассы на планете эквивалентен 20—30 млрд т условного топлива, т. е. превосходит годовую добычу нефти. Кроме того, интерес к биомассе связан с необходимостью решения экологических проблем. В отличие от других видов органического топлива сжигание биомассы и продуктов ее переработки не ведет к увеличению в атмосфере диоксида углерода и не вызывает ее загрязнения оксидами серы.

Государственной научно-технической программой России «Экологически чистая энергетика» в качестве одного из приоритетных направлений в области нетрадиционной энергетики рассматривается использование энергетического потенциала биомассы (Доброхотов, 1993). Чрезвычайно перспективной спросовой нишей рынка представляется использование низкосортной древесины в качестве энергетического сырья. Речь идет о так называемом пеллетном топливе: этот энергоноситель уже завоевал обширный и ежегодно растущий сегмент рынка в Европе, Северной Америке, Китае. Производство пеллетного топлива может быть развернуто в любом населенном пункте, а переход на него не требует даже переоборудования традиционных угольных котельных. И по мере роста цен на природный газ (это обстоятельство малоприятное, но, увы, неизбежное) сфера применения пеллетного топлива, прежде всего в коммунальном хозяйстве, будет неуклонно расти (Рощупкин, 2005).

Во многих зарубежных странах расширяются научные исследования и принимаются практические меры, направленные на повышение роли древесного сырья в топливно-энергетическом обеспечении. Использование в этих целях низкосортной древесины и отходов, а также создание специальных энергетических плантаций из древесных пород рассматриваются как наиболее важные хозяйственные проблемы. Опыт некоторых зарубежных стран показывает возможность создания теплогенерирующих установок для сжигания древесных отходов с коэффициентом полезного действия 85—90%. Древесная биомасса как энергетический источник — объект многих исследовательских программ. Около 80 программ разрабатывает Лесная служба Министерства сельского хозяйства США (Девяткин, Самойлова, 1988). Более 15% всей энергии в Швеции дает биомасса. Считается, что использованием растительного топлива может быть покрыто до 20—30% потребности в энергии.

В России выпускаются мобильные газогенераторные электростанции разных модификаций. Например, для условий отдаленных лесничеств может быть использована передвижная электростанция мощностью 4 кВт, работающая на древесных отходах. Ее масса 0,4 т, расход древесины 6—8 кг/ч, время непрерывной работы между загрузками топливом 3—4 часа. Срок окупаемости 3 года. Применение этой электростанции позволяет экономить 6 т бензина в год (Панцхава и др., 1996).

Развитие биоэнергетики в России является актуальной государственной проблемой снижения энергозависимости производств, особенно удаленных от мест добычи газа, нефти, каменного угля. Исходным сырьем для получения биотоплива в твердом, жидком и газообразном виде является биомасса, которая аккумулирует солнечную энергию в форме углеводородов растительного происхождения (Родин, Родин, 2008).

Углекислый газ, образуемый при производстве энергии из биотоплива, не относится к парниковым газам, так как биомасса и продукты ее сгорания рассматриваются как часть природного карбонового цикла. Растительные биомассы считаются одним из наиболее «благородных» видов и во многих странах рассматриваются в качестве перспективного источника энергии (Писаренко, Страхов, 2006).

Оценка работы фотоавтотрофного компонента биогеоценозов (в частности, лесных) в весовых характеристиках образованной биомассы недостаточна для суждения об эффективности созидательной деятельности первого трофического уровня биоценозов. Специальным комитетом МБП рекомендовано количественные данные о биомассе и приростах выражать в количестве запасаемой в ней энергии (Дадыкин, Кононенко, 1975).

При изучении степени использования солнечной энергии культурами сосны ставилась задача выявить количество тепловой энергии, заключенной в фитомассе культурфитоценозов. Пофракционные запасы фитомассы древесного яруса культур сосны в южной подзоне тайги получены в результате проведенных нами полевых исследований. Размеры аккумулированной солнечной энергии в фитомассе культур сосны рассчитывали исходя из калорийности и количества органики, формируемой культурами за период их жизни. Калорийность, или теплотворную способность, фитомассы получали, используя данные экспериментальных исследований с применением калориметрического метода ряда авторов (табл. 13.2), при этом определяли средние значения, которые для хвои, древесины, коры и ветвей составили 5195,4903, 4842 и 4959 ккал/кг соответственно.

Таблица 13.2

Теплотворная способность горючего материала по данным исследователей, ккал/кг.

Произведенные расчеты показали, что количество энергии, аккумулированной фитомассой культур сосны в форме химических связей органических веществ, колеблется по типам леса в значительных пределах и связано с их производительностью (табл. 13.3). В исследованном возрастном периоде количество энергии, депонированной во всех фракциях фитомассы, возрастает.

Для выявления влияния типа условий местопроизрастания на энергетическую продуктивность посевов сосны провели сравнение этого показателя в одном возрасте культур (например, 40 лет) в разных типах леса. Минимальное количество энергии, депонированной древостоем, отмечается в сосняке лишайниковом (726,2 ГДж/га), максимальное — в сосняке черничном (2955,29 ГДж/га). В культурах сосны брусничного типа условий местопроизрастания количество аккумулированной энергии составляет промежуточную величину.

Анализ данных табл. 13.3 позволил установить, что относительное количество фиксированной солнечной энергии отдельными частями древесного яруса культур сосны изменяется по типам леса в небольших пределах и может быть охарактеризовано средними значениями для всех исследованных типов леса. В частности, в посевах сосны 40-летнего возраста древесиной аккумулируется 67% энергии, сухими сучьями, ветвями, древесной зеленью и корой — 4, 8, 13 и 9% соответственно. Также можно отметить, что абсолютный и относительный энергетический потенциал веток, древесной зелени и коры с возрастом уменьшается на фоне увеличения энергетической продуктивности древесины. Данная закономерность характерна для всех изученных типов леса.

Аккумуляция энергии посевами сосны по типам леса, ГДж/га.

* В знаменателе приведено процентное выражение показателя аккумуляции энергии.

Н. А. Бабич и В. К. Любов (2002) в результате проведенных исследований определили энергетический потенциал среднетаежных сосняков-черничников искусственного происхождения. Авторы приводят для посевов сосны черничного типа условий местопроизрастания в возрасте 20, 30 и 40 лет значения депонированной надземной фитомассой энергии 627, 1609 и 2995 ГДж/га соответственно. Сравнивания приведенные данные с результатами наших исследований можно отметить, что культуры сосны в южной подзоне тайги депонируют энергии несколько больше, чем в средней. Например, в 20-летнем возрасте посевы сосны черничного типа условий местопроизрастания южной подзоны тайги накапливают энергии на 35%, в 30-летнем на 16% больше, чем аналогичные культурфитоценозы средней подзоны. В возрасте 40 лет посевы сосны в указанных подзонах фиксируют энергию примерно в равных частях.

Результаты наших исследований представляют определенный интерес не только для теплоэнергетиков, но и для лесоводов. Полученная информация может быть использована при разработке теоретических основ тушения лесных верховых пожаров в сосновых молодняках, так как важно знать запасы горючих материалов в пологе древостоя. Эти данные необходимы для обоснования правильного выбора дозы огнегасящих химических средств и воды при тушении, а также при обосновании комплекса необходимых профилактических противопожарных мероприятий. Приведенные материалы дают возможность оценивать энергетический потенциал традиционно неиспользуемых фракций фитомассы и позволяют наметить пути их энергетического использования, а также являются основой для составления энергетического баланса лесных сообществ и для изучения потока энергии в лесных экосистемах.