Создание лесных энергетических плантаций

ЛЕСОРАЗВЕДЕНИЕ

СОЗДАНИЕ ЛЕСНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПЛАНТАЦИЙ

А.Р РОДИН,

С.А. РОДИН

В настоящее время основным источником энергии является минеральное сырье (газ, нефть, каменный уголь). Вместе с тем, по данным заместителя руководителя Федерального агентства лесного хозяйства России А.В. Акимова [1], пессимистические прогнозы показывают, что через 40 лет будут исчерпаны мировые запасы нефти, через 70 лет запасы газа, через 100 лет - угля. По данным, опубликованным в журнале «Государственное управление ресурсами» (2006), можно судить о том, что нефти при нынешних объемах добычи хватит на 40 лет. При этом у России нефти остается примерно на 21 год. Анализ же мирового опыта состояния и развития биоэнергетики показал, что нефти в России хватит на 30-40 лет [2]. Больше всего повезет Казахстану и Ирану, у которых «черного золота» хватит на 80 с лишним лет. Газа, по самым разным подсчетам, осталось лет на 50. По более обнадеживающим подсчетам «последние дни человечества» отодвигаются лет на 200.

Приведенные прогнозы говорят о том, что энергетические ресурсы минерального сырья будут в основном исчерпаны за одно-два поколения человеческих жизней. Вместе с тем, добыча полезных ископаемых ухудшает экологическую обстановку, которую очень трудно востановить. В рекомендациях «Рекультивация земель лесного фонда, подвергшихся нефтяному загрязнению» (2004) предлагается проводить большой объем подготовительных работ (локализация или сбор нефти, срезка сильно загрязненного слоя почвы, внесение торфа и т.п.), после проведения которых необходим посев трав - мелиорантов. Восстановление леса в этих условиях долгое время невозможно.

Добыча минерального сырья отрицательно влияет на здоровье человека, ведет к преждевременной потере трудоспособности. В то же время происходит постоянное удорожание газа, нефти, каменного угля при одновременном нарастании дефицита этих полезных ископаемых. В связи с этим в зарубежных странах довольно широко ведутся работы по

развитию энергетики из возобновляемых источников энергии и прежде всего путем получения биотоплива. Например, в Бразилии более 30 % машин работают на биотопливе. В Швеции 80 % систем теплоснабжения используют биомассу, большей частью древесную. К 2020 г. Швеция планирует полностью прекратить использование нефти, заменив их возобновляемыми источниками энергии.

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.

О необходимости перехода к расширенному использованию биотоплива говорится в Киотском протоколе. Из этого документа видно, что только Европейскому союзу нужно будет использовать не менее 120 млн т древесных гранул в год. Использование этого вида топлива удобнее и во многих случаях существенно дешевле, чем традиционных видов, таких как мазут, уголь, дизельное топливо, газ. При сжигании 1 т древесных гранул выделяется столько же энергии, сколько при сжигании 1,6 т древесины, 480 м3 газа, 500 л дизельного топлива или 70 л мазута. Древесные гранулы намного экологичнее традиционного топлива: в 10-50 раз меньше эмиссии углекислого газа в воздушное пространство, в 15-20 раз уменьшается образование золы, чем при сжигании угля [2].

Вместе с тем, 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 топлива и во многих странах рассматриваются в качестве перспективного источника энергии [6].

178

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2008

ЛЕСОРАЗВЕДЕНИЕ

Таблица 1

Плотность древесины в воздушно-сухом состоянии и объемная теплота сгорания

Порода Плотность древесины, кг/м3 Объемная теплота сгорания, МДж/м3

Сосна обыкновенная 505 10352

Ель европейская 445 9122

Береза повислая 640 13120

Ольха черная 525 10762

Осина 495 10147

Тополь бальзамический 455 9327

Ива белая 455 9327

Одним из эффективных путей использования биотоплива является его энергохимическая переработка в газогенераторных установках. В результате этого образуется газогенераторный газ, который может широко использоваться в промышленности и, в частности, в двигателях внутреннего сгорания. В России имеется опыт получения газогенераторного газа из древесины и использования его в двигателях автомашин. Так, в годы Великой Отечественной войны, когда были отрезаны основные источники ископаемых видов топлива, и в первые послевоенные годы грузовые автомашины и первый трелевочный трактор КТ-12 имели газогенераторные установки, которые загружали небольшими древесными чурками. Последние после энергохимической переработки при температуре выше 800°С и в условиях ограниченного доступа воздуха давали генераторный газ для двигателей. Этот газ не относится к парниковым, в то же время удельное поступление различных загрязняющих веществ в атмосферу в 5-100 раз меньше, чем с дизельными выхлопами [7].

Постановка проблемы газификации древесины важна сегодня и для России. По данным А.В. Акимова [1], использование биотоплива в России позволит сократить на 45-50 % объем потребления минерального сырья, необходимого для производства тепловой и электрической энергии. Одним из источников биотоплива является древесная биомасса. В связи с этим необходимы комплексные системные исследования и создание экологически и технологически обоснованных энергетических плантаций лесных растений.

При выборе древесных пород для энергетических плантаций необходимо учи-

тывать плотность выращиваемой древесины, от которой зависит теплота сгорания; интенсивность нарастания древесной биомассы в течение жизни насаждения. Плотность древесины и объемная теплота сгорания различны (табл. 1).

Из приведенных в табл. 1 данных видно, что береза и ольха имеют большую плотность древесины и объемную теплоту сгорания, чем сосна обыкновенная. Плотность древесины ели и объемная теплота сгорания ниже всех приведенных в табл. 1 лиственных пород. Следовательно, ель нецелесообразно вводить в энергетические плантации. Имеющиеся рекомендации в этом плане требуют проверки. Не следует выращивать плантации из сосны обыкновенной, так как объемная теплота сгорания древесины не имеет существенных преимуществ перед упомянутыми лиственными древесными породами. В то же время сосна дает ценную древесину для столярно-мебельного производства. Использование ее древесины в этом случае даст наибольший экономический эффект. Древесина лиственных пород также предпочтительна для получения газа, используемого в двигателях. Смолопродукты, образующиеся при повышенных температурах из компонентов физиологической смолы хвойных пород, вызывают затруднения в работе системы питания двигателей внутреннего сгорания.

При организации энергетических плантаций лесных растений необходимо подбирать возрастной период в жизни дерева с таким расчетом, чтобы интенсивность нарастания древесной биомассы была максимальной, и с учетом этого устанавливать оптимальный возраст рубки.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2008

179

ЛЕСОРАЗВЕДЕНИЕ

Таблица 2

Древесные породы, рекомендуемые для выращивания лесных энергетических плантаций

Порода Зона Метод искусственного выращивания плантаций

Лесная Лесо- степная черенками сеянцами in vitro

средней тайги южной тайги смешанных лесов

Береза повислая + + + + - + +

Осина + + + + - + +

Тополь бальзамический - - + + + - +

Тополь черный - - + + - + +

Тополь белый - - + + - + +

Ольха черная - + + - - + +

Ива белая + + + + + - +

Ива ломкая - + + + + - +

Ива пятитычинковая + + + + - + +

Например, исследования проф. В.К. Попова в Воронежской области показали, что береза, произрастающая на черноземовидных супесях, интенсивно растет в первые 20-30 лет. Так, в 25-летнем возрасте культуры березы имели запас древесной биомассы, равный 249 м3/га. К 48 годам, то есть за 23 последующих года, биомасса увеличилась только на 59 м3/га. Сырая масса древесины в 25 лет составила 214,4 т/га, а в 48-летнем - 297,7 т/га. Следовательно, увеличение массы ствола произошло только на 83,3 т/га. Абсолютно сухая биомасса древесины ствола увеличилась с 124,8 т/га до 162,6 т/га, то есть лишь на 37,8 т/га. Береза обладает высокой энергией роста в первые 2-3 десятилетия, после чего рост ее резко снижается. Тополь также обладает быстрым ростом на раннем этапе онтогенеза. Например, в Восточном Приазовье растущие на ракушечниках в типе условий местопроизрастания В3 культуры тополя канадского в 22-летнем возрасте достигали 20,5 м высоты, а тополя пирамидального в 32-летнем возрасте - 24,6 м при диаметре ствола, соответственно, 34,7 и 48,6 см [4].

Анализ хода роста лиственных пород (березы, ольхи, осины, тополя, ивы) показал, что наибольший эффект по образованию древесной биомассы дадут энергетические плантации при обороте рубки в 30 лет. В этом случае имеется возможность получить больше древесной биомассы, чем при более длительном сроке выращивания. Так, при двух оборотах рубки по 30 лет образуется древес-

ная масса на 13-16 % больше, чем при непрерывном выращивании древесных пород до 60 лет. Увеличение возраста выращивания до 80 лет еще более нецелесообразно. Прирост древесной биомассы с 60 до 80 лет в 2,3-2,7 раза меньше, чем ее прирост за первые 20 лет. Необходимость выращивания энергетической плантации лиственных пород до 30 лет кроме того объясняется: интенсивным вегетативным возобновлением после рубки, что позволяет без особых затрат получить последующие генерации, которые будут расти даже несколько лучше; наибольшей способностью молодняков поглощать углерод. Объем его ежегодного депонирования превышает или близок к 2 т/га [7].

Эти насаждения являются эффективной природной системой, снижающей парниковый эффект и положительно влияющей на окружающую природную среду.

Для закладки энергетических плантаций следует использовать древесные породы, приведенные в табл. 2.

Рекомендованные в табл. 2 древесные породы необходимо высаживать в плантации с учетом биологической потребностей лесных растений к условиям произрастания. Для закладки энергетических плантаций следует использовать потомство селекционно отобранных быстрорастущих форм, выведенных гибридов и сортов древесных пород. Это позволит наиболее быстро реализовать результаты селекции и генетики за счет вегетативного размножения отселектированных и выведен-

180

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2008

ЛЕСОРАЗВЕДЕНИЕ

ных новых форм быстрорастущих древесных пород, с сохранением у потомства ценных признаков материнского растения и вновь созданных, а также получить максимальный прирост древесной биомассы. В этом плане накоплен определенный опыт НИИЛГиС, ВНИИЛМ, МГУЛ, СПбЛТА, ВГЛТА и другими научными и учебными подразделениями. Например, в лесах России найдены деревья исполинской осины [3, 9], которые обладают усиленным ростом и превосходят одинаковые по возрасту деревья осины по высоте на 28 %, по диаметру на 97 %. Кариотипический анализ показал, что исполинская осина является триплоидом. Исследованиями различных интродуцирован-ных форм осины и ее гибридов в Воронежской области установлено, что в 24-летнем возрасте их высота, по данным РП. Царевой, составляла 18,6-25,5 м, диаметр ствола - 20,3-36,3 см и объем ствола - 0,29-1,10 м3. Сортоиспытание различных клонов, гибридов и сортов тополей, проведенное в той же области, показало, что в 21-летнем возрасте они имели высоту 23,9-28,9 м, диаметр ствола 25,2-43,0 см [8].

Хороший рост тополя бальзамического наблюдался в обычных культурах, расположенных на суглинистых почвах при уровне грунтовых вод 1,8-2,2 м в зоне смешанных лесов. Тополь был посажен при размещении 5,0 х 0,8 м. В междурядия главной породы высаживали ряд рябины обыкновенной или вяза обыкновенного, при том же шаге посадки. В 20-летнем возрасте культуры имели запас, равный 224,3 м3/га, при этом древесная биомасса рябины составляла 3,0 %, вяза - 2,8 %.

В перспективе для создания лесных энергетических плантаций следует применять быстрорастущий посадочный материал, например выращенный в условиях in vitro с использованием генно-инженерных и клеточных методов и технологий. Микроразмножение позволяет получить генетически однородный посадочный материал, характеризующийся быстрым ростом, ранним вступлением в фазу плодоношения и возможностью получения безвирусного посадочного материала. Качество древесины и ее основные показатели при этом не изменяются. Дальнейшие исследования по выращиванию посадочного материала в условиях in vitro должны быть направлены

на более эффективное преобразование энергии солнечного света в химическую энергию и получения лесных растений, более стойких и выносливых к неблагоприятным условиям среды и техногенным воздействиям.

Исследования по выращиванию посадочного материала лиственных древесных пород методом клонального микроразмножения успешно проводились и проводятся в следующих научных подразделениях:

Научные подразделения Размножаемая порода

Институт леса Карельского Научного центра РАН береза карельская

СПбНИИЛХ осина

Южносибирский ботанический сад Алтайского государственного ботанического сада липа, ольха черная

Ботанический сад Института Уфимского научного центра тополь, гибриды тополя с осиной

НИИ лесной генетики и селекции тополь сереющий - спонтанно-гибридный вид от скрещивания тополя белого и осины

Центральный сибирский ботанический сад СО РАН ольха серая

Размещение древесных пород на плантации в определенной степени зависит от разрастания крон. Анализ собранного материала показал, что в 20-летних культурах средний диаметр кроны тополя бальзамического и березы повислой составил 3,4 м. Это является основанием рекомендовать при создании лиственных лесных энергетических плантаций при выращивании до 30 лет, расстояния между рядами целевых пород не более 3 м и шага посадки 1 м. С целью получения большей биомассы в междурядия плантаций целесообразно высаживать по 1 ряду древесных пород-уплотнителей, дающих после рубки естественное вегетативное возобновление (рябина обыкновенная, вяз обыкновенный, клен остролистный, липа мелколистная и др.). При этом рубку целевой породы и уплотнителя производить одновременно с использованием всей биомассы путем ее брикетирования.

Брикетирование - один из интенсивных методов повышения калорийности генераторного газа. В настоящее время за рубежом

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 1/2008

181

ЛЕСОРАЗВЕДЕНИЕ

осуществляют брикетирование древесной биомассы с получением гранул, названных пиллетами.

Древесное биотопливо - это дрова, древесные отходы и порубочные остатки. По нашему мнению, ориентироваться на использование порубочных остатков не всегда перспективно. Установлено, что после лесозаготовки древесины порубочные остатки составляют 10-20 м3/га [5]. При этом для их вывозки отходы первоначально надо собирать в кучи вручную, а затем механизированно подбирать и транспортировать. Это требует больших затрат ручного труда и машино-смен. Полностью механизированный сбор порубочных остатков на вырубке при нынешней технике, может быть путем сдвигания их в валы и кучи. Однако в этом случае нарушаются экологические условия вырубок, а в кучи и валы, наряду с древесиной, попадут почва и нежелательные предметы. Вместе с тем известно, что при получении древесных гранул в процессе прессования не допускается попадание в массу посторонних примесей. В то же время вырубки могут быть расположены вдали от газогенераторных установок.

Технология заготовки древесной биомассы должна обеспечивать сохранение почвенной экологии, не нанося при этом механических повреждений корням и пням, являющимся источником естественного возобновления срубленного лесного растения.

Проблема получения биотоплива привлекла внимание России. Энергетическая стратегия России на период до 2020 г. утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации 28 августа 2003 г. № 1234. Одним из путей выполнения стратегии является создание высокоэффективных лесных энергетических плантаций. С этой целью необходимо продолжить исследования по отбору новых форм и выращиванию быстрорастущего посадочного материала с использованием генно-инженерных и клеточных методов и технологий. Вместе с тем особое внимание необходимо уделить теоретическим и экспериментальным исследованиям по выращиванию посадочного материала лесных растений с более плотной древесиной, повышенной теплотой сгорания и устойчивой к грибным заболеваниям. Этого можно достичь с

помощью генной инженерии. В недалекой перспективе в России должны найти применение высокоэффективные лесные энергетические плантации и технологии брикетирования всей биомассы, растущей на плантации, с ее газификацией в стационарных и передвижных газогенераторных установках с последующим при необходимости закачивании газа в баллоны. Создавать лесные энергетические плантации следует непосредственно около перерабатывающих предприятий, на площадях, обеспечивающих непрерывное, неистощительное лесопользование при обороте рубки в 30 лет. Получение биомассы на плантациях позволит механизировать все работы по выращиванию древесины, ее заготовке и переработке как при первой генерации, так и последующих, образующихся в результате вегетативного возобновления. Искусственно созданные лесные плантации более продуктивны, чем естественные леса, благодаря созданию выращиваемым растениям благоприятных экологических условий и использованию быстрорастущего посадочного материала.

Библиографический список

1. Акимов, А.В. Энергия лесных запасов / А.В. Акимов // Российская лесная газета. - Июнь 2006. -№ 24-25 (154-155).

2. Биоэнергетика: Мировой опыт и прогноз развития. Научно-аналитический обзор. - М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2007 - 204 с.

3. Иванников, С.П. Селекция осины в условиях центральной лесостепи по быстрому росту и устойчивости против гнили. Быстрорастущие и хозяйственно-ценные породы / С.П. Иванников. - М.: изд. МСХ СССР, 1958. - С. 94-99.

4. Максименко, А.П. Облесение песчано-ракушечных почв Восточного Приазовья: монография /

A. П. Максименко. - Краснодар: Кубанский учебник, 2002. - 287 с.

5. Никишов, В.Д. Комплексное использование древесины: учебник / В.Д. Никишов - М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2006. - 264 с.

6. Писаренко, А.И. О некоторых современных задачах лесного сектора России / А.И. Писаренко, В.В. Страхов // Лесное хозяйство. - 2006. - № 4. - С. 5-7.

7. Таранков, В.И. Мониторинг лесных экосистем /

B. И. Таранков. - Воронеж: ВГЛТА, 2006. - 300 с.

8. Царева, Р.П. Гибридизация настоящих тополей в Воронежской области / Р.П. Царева // Гибридизация лесных древесных пород: сб. науч. тр. - Воронеж.: ЦНИИЛГиС, 1988. - С. 49-61.

9. Яблоков, А.С. Воспитание и разведение здоровой осины / А.С. Яблоков. - М.: Гослесбумиздат, 1963. - 433 с.

182

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2008