Как снова сделать энергию биомассы устойчивой?

С неолита до начала двадцатого века подстриженные леса, подстриженные деревья и живые изгороди обеспечивали людей устойчивым источником энергии, материалов и продовольствия.

Как вырубка деревьев может стать устойчивой?

Пропаганда использования биомассы в качестве возобновляемого источника энергии — замены ископаемого топлива — стала предметом споров среди экологов.

Комментарии к предыдущей статье, в которой обсуждались термоэлектрические печи, иллюстрируют это:

«Как указывается в недавнем фильме «Планета людей», биомасса, то есть мертвые деревья, ни в коем случае не является возобновляемым ресурсом, хотя ЕС классифицирует ее как таковую. Как вырубка деревьев является устойчивой?»

«В статье не упоминается, что дровяная печь производит больше CO2, чем угольная электростанция, на каждую тонну сжигаемой древесины/угля».

«Это чистое безумие. Сжигание деревьев для сокращения нашего углеродного следа — это оксюморон. Один только углеродный след просто ужасает».

В отличие от того, что предполагают комментарии, статья не пропагандирует расширение биомассы как источника энергии. Вместо этого в ней утверждается, что уже горящие костры биомассы — используемые примерно 40% сегодняшнего населения мира — также могут производить электроэнергию в качестве побочного продукта, если они оснащены термоэлектрическими модулями. Тем не менее несколько комментаторов сохранили свою критику после того, как они прочитали статью более внимательно. Один из них написал:

«Мы должны стремиться к искоренению сжигания биомассы во всем мире, а не делать ее более привлекательной».

По-видимому, высокотехнологичное мышление проникло в умы (городских) экологов до такой степени, что они рассматривают биомассу как изначально проблемный источник энергии — подобно ископаемому топливу.

Чтобы было ясно, критики правы, когда называют неустойчивые методы производства биомассы. Однако это последствия относительно недавнего, «промышленного» подхода к лесному хозяйству. Когда мы смотрим на исторические методы управления лесами, становится ясно, что биомасса потенциально является одним из самых устойчивых источников энергии на этой планете.

Вырубка леса: заготовка древесины без уничтожения деревьев

В настоящее время большую часть древесины заготавливают путем уничтожения деревьев. До промышленной революции много древесины заготавливалось с живых деревьев, которые вырубались. Принцип вырубки леса основан на естественной способности многих широколиственных пород восстанавливаться из поврежденных стволов или корней — повреждений, вызванных огнем, ветром, снегом, животными, патогенами или (на склонах) падающими камнями. Управление порослью леса включает вырубку деревьев близко к уровню земли, после чего основание — называемое «стулом» — развивает несколько новых побегов, в результате чего получается многоствольное дерево.

Когда мы думаем о лесе или древесной плантации, мы представляем себе ландшафт, усеянный высокими деревьями. Однако до начала двадцатого века по крайней мере половина лесов в Европе была вырублена, что придавало им более кустарниковый вид. Вырубка деревьев может быть датирована каменном веком, когда люди строили свайные жилища и тропы, пересекающие доисторические болота, используя тысячи веток одинакового размера — подвиг, который можно было совершить только вырубкой.

С тех пор эта техника стала стандартным подходом к производству древесины – не только в Европе, но и почти во всем мире. Лесозаготовки значительно расширились в XVIII и XIX веках, когда рост населения и развитие промышленности (производство стекла, железа, плитки и извести) оказывали все большее давление на запасы древесины.

Короткие циклы ротации

Поскольку молодые побеги порослевого дерева могут использовать уже хорошо развитую корневую систему, порослевое дерево производит древесину быстрее, чем высокое дерево. Или, если быть более точным: хотя его фотосинтетическая эффективность одинакова, высокое дерево дает больше биомассы под землей (в корнях), в то время как порослевое дерево производит больше биомассы над землей (в побегах) — что, очевидно, более практично для сбора урожая. Отчасти из-за этого порослевая рубка основывалась на коротких циклах ротации, часто около двух-четырех лет, хотя также имели место как годичные ротации, так и ротации до 12 лет и дольше.

Из-за коротких циклов оборота лесной поросль был очень быстрым, регулярным и надежным поставщиком дров. Часто его делили на несколько равных отсеков, которые соответствовали количеству лет в запланированном обороте. Например, если побеги собирались каждые три года, лес делился на три части, и одна из них вырубалась каждый год. Короткие циклы оборота также означали, что требовалось всего несколько лет, прежде чем углерод, выделяемый при сжигании древесины, компенсировался углеродом, который поглощался новым ростом, делая лесной поросль действительно углеродно-нейтральным. При очень коротких циклах оборота новый рост мог быть даже готов к сбору к тому времени, когда старая древесина достаточно высохла, чтобы ее можно было сжечь. У некоторых видов деревьев способность к прорастанию пней снижается с возрастом. После нескольких оборотов эти деревья либо полностью вырубались и заменялись новыми деревьями, либо превращались в лесной поросль с более длительным оборотом. Другие виды деревьев хорошо отрастают из пней любого возраста и могут давать побеги в течение столетий, особенно на богатых почвах с хорошим водоснабжением. Выжившие порослевые табуреты могут иметь возраст более 1000 лет.

Биоразнообразие

Подлесок можно назвать «подлесным лесом» или «подлесной плантацией», но на самом деле это не лес и не плантация — возможно, что-то среднее. Несмотря на то, что подлесные леса управляются людьми, они не были экологически разрушительными, напротив. Сбор древесины с живых деревьев вместо их уничтожения полезен для форм жизни, которые от них зависят. Подлесные леса могут иметь более богатое биоразнообразие, чем неуправляемые леса, потому что они всегда содержат области с разными стадиями освещенности и роста. Ничего из этого не относится к промышленным лесным плантациям, которые поддерживают мало, или вообще не поддерживают жизнь растений и животных, и которые имеют более длинные циклы оборота (не менее двадцати лет).

Наши предки также вырубали высокие, стоящие деревья с большим диаметром стволов — только не для дров. Большие деревья «убивались» только тогда, когда требовалась большая древесина, например, для строительства кораблей, зданий, мостов и ветряных мельниц. Леса-подлески могли содержать высокие деревья («подлесок со штамбами»), которые оставлялись расти десятилетиями, в то время как окружающие деревья регулярно подрезались. Однако даже эти стоящие деревья могли быть частично подрублены, например, путем сбора их боковых ветвей, пока они были живы (измельчение).

Многоцелевые деревья

Архетипичная лесная плантация, продвигаемая индустриальным миром, включает в себя регулярно расположенные ряды деревьев в одновозрастных монокультурных насаждениях, обеспечивающих единый выход — древесину для строительства, балансовую древесину для производства бумаги или топливную древесину для электростанций. Напротив, деревья в доиндустриальных порослевых лесах имели несколько назначений. Они давали дрова, а также строительные материалы и корм для животных. Целевые размеры древесины, определяемые использованием побегов, устанавливали период ротации поросли. Поскольку не каждый тип древесины подходил для каждого типа использования, порослевые леса часто состояли из различных пород деревьев разного возраста. Несколько возрастных классов стволов могли даже ротироваться на одном и том же порослевом “стуле» («селекционная поросль»), и ротации могли со временем меняться в соответствии с потребностями и приоритетами экономической деятельности.

Древесина, собранная в подлесок, использовалась для строительства практически всего, что было необходимо в обществе. Например, молодые побеги ивы, которые очень гибкие, плели в корзины и ящики, в то время как обрезки каштана, которые не расширяются и не сжимаются после высыхания, использовались для изготовления всех видов бочек. Ясень и козья ива, которые дают прямую и прочную древесину, служили материалом для изготовления ручек метел, топоров, лопат, граблей и других инструментов. Молодые побеги орешника расщепляли по всей длине, сплетали между деревянными балками зданий, а затем заделывали суглинком и коровьим навозом — так называемая конструкция из плетня и мазанки. Побеги орешника также скрепляли соломенные крыши. Ольха и ива, которые имеют почти неограниченную продолжительность жизни под водой, использовались в качестве фундаментных свай и укрепления берегов рек. Строительная древесина, вырубленная в порослевом лесу, не уменьшала ее энергетических запасов: поскольку артефакты часто использовались локально, в конце их срока службы их все равно можно было сжигать в качестве дров.

Леса-подлески также давали пищу.

С одной стороны, они давали людям фрукты, ягоды, трюфели, орехи, грибы, травы, мед и дичь.

С другой стороны, они были важным источником зимнего корма для сельскохозяйственных животных. До промышленной революции многих овец и коз кормили так называемым «листовым кормом» или «листовым сеном» — листьями с веточками или без них. Вяз и ясень были одними из самых питательных видов, но овцы также получали березу, орешник, липу, черемуху и даже дуб, а козы также кормились ольхой. В горных районах лошадям, крупному рогатому скоту, свиньям и шелковичным червям также можно было давать листовое сено. Листовой корм выращивали с ротацией от трех до шести лет, когда ветки обеспечивали самое высокое соотношение листьев к древесине. Когда листья съедали животные, древесину все еще можно было сжигать.

Подстриженные деревья и живые изгороди

Подстриженные деревья уязвимы для травоядных животных, особенно когда побеги молодые. Поэтому подстриженные леса обычно защищали от животных, строя вокруг них канаву, забор или живую изгородь. Напротив, подстриженные деревья позволяли смешивать животных и деревья на одной земле. Неподстриженные деревья подстригались так же, как подстриженные деревья, но на высоту не менее двух метров, чтобы молодые побеги были недоступны для травоядных животных.

Лесистые луга и лесные пастбища — мозаики пастбищ и лесов — объединяли выпас животных с производством кормов, дров и/или строительной древесины из подстриженных деревьев. «Паннаж» или «кормление мачтами» был методом отправки свиней в подстриженные дубовые леса осенью, где они могли питаться опавшими желудями. Эта система на протяжении столетий была основой производства свинины в Европе. «Луговой сад» или «сад с выпасом» объединял выращивание фруктов и выпас — подстриженные фруктовые деревья давали тень животным, в то время как животные не могли добраться до фруктов, но удобряли деревья.

В то время как сельское хозяйство и лесное хозяйство сейчас строго разделены, в прежние времена ферма была лесом и наоборот. Было бы разумно объединить их снова, потому что сельское хозяйство и животноводство, а не производство древесины, являются основными факторами вырубки лесов. Если деревья обеспечивают корм для животных, производство мяса и молочных продуктов не должно приводить к вырубке лесов. Если урожай можно выращивать на полях с деревьями, сельское хозяйство не должно приводить к вырубке лесов. Лесные фермы также улучшат условия содержания животных, плодородие почвы и контроль эрозии.

Линейные посадки

Обширные плантации могли состоять из подстриженных или неподстриженных деревьев и часто управлялись как общинные. Однако подстрижение и неподстрижение не были методами, которые использовались только в крупномасштабном лесоуправлении. Небольшие лесные массивы между полями или рядом с сельским домом, управляемые отдельным домохозяйством, подстригались или неподстригались. Много древесины также выращивалось в виде линейных посадок вокруг фермерских дворов, полей и лугов, около зданий, а также вдоль троп, дорог и водных путей. Здесь подстриженные деревья и кустарники также могли появляться в виде живых изгородей, и часто густо посаженных изгородей.

Хотя линейные посадки обычно ассоциируются с использованием живых изгородей в Англии, они были распространены во многих частях Европы.

В 1804 году английский историк аббат Манн выразил свое удивление, когда он писал о своей поездке во Фландрию (сегодня часть Бельгии):

«Все поля огорожены живыми изгородями и густо засажены деревьями, так что весь облик страны, если смотреть с небольшой высоты, кажется одним сплошным лесом».

Типичным для региона было большое количество подстриженных деревьев. Как и порослевые леса, линейные посадки были разнообразны и обеспечивали людей дровами, строительными материалами и кормом из листьев. Однако, в отличие от порослевых лесов, они имели дополнительные функции из-за своего особого местоположения. Одной из них было разделение участков: содержание сельскохозяйственных животных внутри и недопущение диких животных или крупного рогатого скота, пасущихся на общих землях, наружу. Существовали различные методы, чтобы сделать живые изгороди непроницаемыми даже для мелких животных, таких как кролики. Вокруг лугов, живые изгороди или ряды очень близко посаженных подстриженных деревьев («изгороди из подстриженных деревьев») могли бы остановить крупных животных, таких как коровы. Если бы между ними была сплетена ивовая лоза, такая линейная посадка могла бы также удерживать мелких животных.

Деревья и рядовые посадки также обеспечивали защиту от непогоды. Рядовые посадки защищали поля, сады и огороды от ветра, который мог размыть почву и повредить урожай. В более теплом климате деревья могли защищать урожай от солнца и удобрять почву. Опиленные липы, имеющие очень густую листву, часто сажали прямо рядом с глинобитными постройками, чтобы защитить их от ветра, дождя и солнца. Навозные кучи защищались одним или несколькими деревьями, предотвращая испарение ценного ресурса из-за солнца или ветра. Во дворе водяной мельницы деревянное водяное колесо защищалось деревом, чтобы предотвратить усыхание или расширение древесины во время засухи или бездействия.

Местоположение имеет значение

Вдоль троп, дорог и водных путей линейные посадки имели многие из тех же функций, которые зависят от местоположения, что и на фермах. Крупный рогатый скот и свиней паслись на выделенных подъездных путях, вымощенных живыми изгородями, перелесками или подстриженными деревьями. Когда появились железные дороги, линейные посадки предотвращали столкновения с животными. Они защищали путешественников от непогоды и отмечали маршрут, чтобы люди и животные не сходили с дороги в заснеженном ландшафте. Они предотвращали эрозию почвы на берегах рек и впадинах дорог. Все функции линейных посадок могли выполняться заборами из мертвой древесины, которые можно перемещать легче, чем живые изгороди, они занимают меньше места, не конкурируют за свет и еду с урожаем и могут быть готовы в короткие сроки. Однако во времена и в местах, где древесины было мало, живую изгородь часто предпочитали (а иногда и обязывали), потому что она была постоянным производителем древесины, в то время как забор из мертвой древесины был постоянным потребителем древесины. Забор из сухостоя может сэкономить место и время на месте, но это подразумевает, что древесина для его строительства и обслуживания выращивается и заготавливается в другом месте поблизости.

Местное использование древесных ресурсов было максимально использовано. Например, дерево, посаженное рядом с водяным колесом, было не просто деревом. Это был красный кизил или вяз, древесина, которая лучше всего подходила для строительства внутренних механизмов мельницы. Когда требовалась новая деталь для ремонта, древесину можно было заготовить прямо рядом с мельницей. Аналогичным образом, рядные посадки вдоль грунтовых дорог использовались для обслуживания этих дорог. Побеги связывали в пучки и использовали в качестве фундамента или для заполнения ям. Поскольку деревья подстригали или обрезали, а не вырубали, ни одна функция никогда не выполнялась за счет другой. В настоящее время, когда люди выступают за посадку деревьев, цели устанавливаются с точки зрения лесной площади или количества деревьев, и мало внимания уделяется их местоположению — которое может быть даже на другом конце света. Однако, как показывают эти примеры, посадка деревьев поблизости и в правильном месте может значительно оптимизировать их потенциал.

Сформированные ограничениями

Вырубка леса в значительной степени исчезла в индустриальных обществах, хотя подстриженные деревья все еще можно найти вдоль улиц и в парках. Их обрезки, которые когда-то поддерживали целые общины, теперь считаются отходами. Если это работало так хорошо, почему вырубка леса была заброшена как источник энергии, материалов и пищи? Ответ краток: ископаемое топливо.

Наиболее очевидно, что ископаемое топливо заменило древесину в качестве источника энергии и материалов. Уголь, газ и нефть заняли место дров для приготовления пищи, отопления помещений, нагрева воды и промышленных процессов, основанных на тепловой энергии. Металл, бетон и кирпич — материалы, которые существовали на протяжении многих веков — стали широко распространенными альтернативами древесине только после того, как их можно было производить с использованием ископаемого топлива, что также дало нам пластик. Искусственные удобрения — продукты ископаемого топлива — увеличили поставки и мировую торговлю кормами для животных, сделав листовой корм устаревшим. Механизация сельского хозяйства — движимая ископаемым топливом — привела к ведению сельского хозяйства на гораздо больших участках вместе с уничтожением деревьев и рядовых посадок на фермах. Менее очевидно, но не менее важно, что ископаемое топливо преобразило само лесное хозяйство. В настоящее время заготовка, обработка и транспортировка древесины в значительной степени поддерживаются использованием ископаемого топлива, тогда как в прежние времена они полностью основывались на силе человека и животных — которые сами получают свое топливо из биомассы. Именно ограничения этих источников энергии сформировали и сформировали систему управления лесными массивами по всему миру.

Древесину собирали и обрабатывали вручную, используя простые инструменты, такие как ножи, мачете, секачи, топоры и (позже) пилы. Поскольку трудозатраты на ручную заготовку деревьев увеличиваются с диаметром ствола, было дешевле и удобнее заготавливать много мелких веток вместо того, чтобы рубить несколько крупных деревьев. Кроме того, не было необходимости раскалывать порослевую древесину после ее заготовки. Побеги обрезались до длины около одного метра и связывались вместе в «вязанки хвороста», которые были легко обрабатывать вручную.

Именно ограничения человеческой и животной силы создали и сформировали управление порослевыми хозяйствами по всему миру

Для перевозки дров наши предки использовали телеги, запряженные животными, по часто очень плохим дорогам. Это означало, что, если их нельзя было перевезти по воде, дрова приходилось собирать в радиусе не более 15–30 км от места, где они использовались. За пределами этих расстояний сила животных, необходимая для перевозки дров, превышала их энергетическую ценность, и было бы разумнее выращивать дрова на пастбище, которое кормило тягловых животных. Из этого правила были некоторые исключения. Некоторые промышленные виды деятельности, такие как производство железа и поташа, можно было перенести в более отдаленные леса — транспортировка железа или поташа была более экономичной, чем транспортировка дров, необходимых для их производства. Однако в целом порослевые леса (и, конечно, также рядовые посадки) располагались в непосредственной близости от поселения, где использовалась древесина. Короче говоря, порослевое лесоводство возникло в контексте ограничений. Благодаря более быстрому росту и универсальному использованию пространства оно максимизировало местное предложение древесины в данной местности. Благодаря использованию небольших веток ручная заготовка и транспортировка стали максимально экономичными и удобными.

Можно ли механизировать лесозаготовку?

Начиная с двадцатого века лесозаготовка производилась с помощью моторной пилы, а с 1980-х годов древесину все чаще заготавливают мощными транспортными средствами, которые могут валить целые деревья и распиливать их на месте за считанные минуты. Ископаемое топливо также принесло с собой лучшую транспортную инфраструктуру, которая открыла запасы древесины, которые были недоступны в прежние времена. Следовательно, дрова теперь можно выращивать на одной стороне планеты и потреблять на другой. Использование ископаемого топлива добавляет выбросы углерода к тому, что раньше было полностью углеродно-нейтральной деятельностью, но гораздо важнее то, что оно вывело производство древесины на более крупные – неустойчивые – масштабы. Транспорт на ископаемом топливе разрушил связь между спросом и предложением, который управлял местным лесным хозяйством. Если запасы древесины ограничены, у сообщества нет другого выбора, кроме как убедиться, что темпы заготовки древесины и темпы ее возобновления находятся в равновесии. В противном случае оно рискует остаться без топливной древесины, ремесленной древесины и корма для животных.

Аналогично, полностью механизированная заготовка леса вывела лесное хозяйство на уровень, несовместимый с устойчивым лесоуправлением. Наши предки не рубили большие деревья на дрова, потому что это было неэкономично. Сегодня лесная промышленность делает именно это, потому что механизация делает это наиболее прибыльным занятием. По сравнению с промышленным лесным хозяйством, где один рабочий может заготавливать до 60 м3 древесины в час, порослевая заготовка чрезвычайно трудоемка. Следовательно, она не может конкурировать в экономической системе, которая способствует замене человеческого труда машинами, работающими на ископаемом топливе.

Некоторые ученые и инженеры пытались решить эту проблему, демонстрируя машины для сбора поросли. Однако механизация — это скользкий путь. Машины практичны и экономичны только на несколько больших участках леса (>1 га), которые содержат порослевые деревья одного вида и одного возраста, имеющие только одно назначение (часто топливная древесина для выработки электроэнергии). Как мы видели, это исключает многие старые формы управления порослью, такие как использование многоцелевых деревьев и линейных посадок. Добавьте к этому транспортировку на ископаемом топливе, и результатом станет тип промышленного управления порослью, который приносит мало улучшений.

Устойчивое лесоуправление по сути локальное и ручное. Это не значит, что нам нужно копировать прошлое, чтобы снова сделать энергию биомассы устойчивой. Например, радиус поставок древесины можно увеличить за счет низкоэнергетических транспортных средств, таких как грузовые велосипеды и воздушные канатные дороги, которые намного эффективнее, чем конные или бычьи повозки на плохих дорогах, и которые могут работать без ископаемого топлива. Ручные инструменты также улучшились с точки зрения эффективности и эргономичности. Мы даже могли бы использовать моторные пилы, работающие на биотопливе — гораздо более реалистичное применение, чем их использование в автомобильных двигателях.

Прошлое продолжает жить

В этой статье сравнивалось промышленное производство биомассы с историческими формами лесоуправления в Европе, но на самом деле не было необходимости искать вдохновение в прошлом. 40% мирового населения, состоящее из людей в бедных обществах, которые все еще сжигают древесину для приготовления пищи, получения воды и/или отопления помещений, не являются клиентами промышленного лесного хозяйства. Вместо этого они добывают дрова во многом теми же способами, что и мы в прежние времена, хотя виды деревьев и условия окружающей среды могут сильно отличаться. Исследование 2017 года подсчитало, что потребление древесины людьми в «развивающихся» обществах — а это 55% от мирового объема лесозаготовок и 9–15% от общего объема мирового потребления энергии — вызывает лишь 2–8% антропогенных последствий для климата. Почему так мало? Потому что около двух третей древесины, заготавливаемой в развивающихся обществах, заготавливается устойчивым образом, пишут ученые. Люди собирают в основном мертвую древесину, они выращивают много древесины вне леса, они подрезают и подстригают деревья, и они предпочитают использовать многоцелевые деревья, которые слишком ценны, чтобы их вырубать. Мотивы те же, что и у наших предков: люди не имеют доступа к ископаемому топливу и, таким образом, привязаны к местному запасу древесины, которую нужно заготавливать и транспортировать вручную.

Эти цифры подтверждают, что не биомасса является неустойчивой. Если бы все человечество жило как 40%, которые все еще регулярно сжигают биомассу, изменение климата не было бы проблемой. Что действительно неустойчиво, так это образ жизни с высоким потреблением энергии. Очевидно, что мы не можем поддерживать высокотехнологичное индустриальное общество только на порослевых лесах и линейных посадках. Но то же самое относится к любому другому источнику энергии, включая уран и ископаемое топливо.

P.S. — перевод не затронул часть важной информации по деревьям поэтому уточню. Помимо срезания существует уже давно культура прививки веток разных деревьев для получения разных плодов с одного дерева. В наше время отличие лишь в количестве максимально разных видов на одном дереве.

Дерево из 40 плодов — одно из серии фруктовых деревьев, созданных профессором Сиракузского университета Сэмом Ван Акеном с использованием техники прививки. На каждом дереве растет сорок видов косточковых плодов рода Prunus, созревающих последовательно с июля по октябрь в Соединенных Штатах. В течение примерно пяти лет на дереве росли ветви от сорока разных деревьев-«доноров», на каждом из которых были разные плоды, включая миндаль, абрикос, вишню, нектарин, персик и сливы разных сортов.
Каждую весну цветение дерева представляет собой смесь различных оттенков красного, розового и белого.

Еще одним нововведением на наше время является получение автомобильного топлива из сока дерева.

Звучит еще более необычно, но это факт.

Сок дерева Копаифера в Бразилии, добываемого примерно так же как березовый у нас, местные использовали раньше как замену керосину для ламп освещения, как лекарственное и лакокрасочное средство. Теперь чаще используют как замену дизельному топливу для двигателей. Состав сока дерева позволяет эту жидкость заливать в бак без переработки.
Сок копаиферы представляет собой смесь углеводородов терпенов. Производит их дерево из изопрена, более известного широкой публике как скипидар. Нагреваясь внутри ствола, терпены распадаются на метанол (CH3OH) и другие топливные элементы.
Деревья производят сок в течение 70 лет жизни, однако биотопливо не хранится более 3 месяцев, потом природные масла начинают загустевать, как и обычная солярка при большем сроке хранения.

В среднем из одного надреза на стволе дерева можно за год добыть до 20 литров биодизельного топлива. С гектара деревьев, к примеру, можно собрать до 12 тыс. литров «дизеля».

Один главный минус — дерево не растет за пределами тропиков!