Энергетические лесные плантации

Крупнейшие лесные плантации находятся в Азии (17,7 млн га), Северной Америке (12,8 млн га) и Латинской Америке (12,8 млн га). В Африке высажено почти 5 млн га плантаций, в Океании – около 3,7 млн га плантаций, в Европе – 2,0 млн га.

В России также искусственное лесовосстановление начинает все больше преобладать над естественным. Ежегодно увеличивается количество лесных питомников, производящих посадочный материал с закрытой корневой системой. Однако существует ряд проблем. Ни один питомник не производит посадочный материал быстрорастущих мягколиственных пород. Проекты освоения лесов на арендных базах лесопромышленных предприятий предусматривают восстановление вырубок только хвойными, в редких случаях твердолиственными породами, даже если на этой вырубке были заготовлены мягколиственные деревья. В Финляндии такая система привела к дефициту березового сырья, необходимого для производства фанеры.

Еще одной проблемой, препятствующей эффективному созданию лесных плантаций, является отсутствие научно обоснованной системы машин, способной выполнять весь цикл работ, начиная с посадки (посева) древесных растений и заканчивая сбором древесного урожая и подготовкой территории под новую сукцессию. Данная система машин должна строиться на основании модульного принципа ее построения, включать возможный минимум машин и механизмов, иметь высокий коэффициент технической готовности и низкие удельные эксплуатационные затраты. Для решения проблемы отсутствия плантационного лесовыращивания в России необходимо совершенствование законодательной базы, желание надзорных органов лесного хозяйства с пониманием относиться к бизнес-интересам добросовестных арендаторов, разработка и обоснование оптимальной системы машин для создания и эксплуатации лесных плантаций.

Энергетические насаждения подразделяют на два основных типа. Первый тип – деревья с порослевым размножением, главным отличием которого является посадка значительного количества саженцев (12–15 тыс. шт./га). При этом максимальный возраст рубки составляет от двух до пяти лет. В этом случае основной целью является получение топливной щепы. Второй тип – энергетические насаждения стволового происхождения, то есть посадкой деревьев при каждой ротации. В этом случае сажают быстрорастущие деревья той породы, которая наиболее соответствует имеющемуся качеству почвы в максимально возможном количестве. Обычно на 1 га высаживают 8–10 тыс. шт. Максимальный оборот рубки – 8–15 лет. При освоении таких насаждений получают топливную щепу и технологическую древесину.

В зависимости от возраста рубки энергетические плантации классифицируют на группы: короткие (оборот рубки до 5 лет); средние (оборот рубки 5–10 или 10–15 лет); длинные (оборот рубки 10–20 или 15–30 лет).

Объем получаемой фитомассы, ее целевое использование определяет оборот рубки. При возрасте рубки от одного до десяти лет получают топливную щепу; при возрасте рубки от шести до пятнадцати лет – сырье для ЦБП и производства древесных плит.

Во многих странах – Австралии, Бразилии, Чили, Уругвае, Новой Зеландии, ЮАР, странах Евросоюза – в развитии лесных плантаций существенную роль играют дотации. Есть примеры схем стимулирования создания плантаций в Коста-Рике, Малайзии, Таиланде и Уганде. Стимулирование развития лесных плантаций в Европе, США, Австралии и Новой Зеландии намного превышает предоставляемое правительствами в Африке, Азии и Латинской Америке.

Некоторые схемы стимулирования – выдача бесплатных саженцев или прямые авансовые платежи, без последующей оценки исполнения проекта – приводили к тому, что было высажено большое количество саженцев с очень низкой выживаемостью. В некоторых случаях не брался во внимание конечный продукт, который должен быть получен из плантаций.

Для выращивания деревьев энергетического назначения в Евросоюзе разработаны три основные нормы. На их основании посадка деревьев может дотироваться безвозмездными денежными средствами в размере 40% от всей суммы затрат на весь комплекс работ. Если этим планирует заниматься молодой специалист, то эта сумма дотации может достигать 50%, а иногда 60%. Выделяемые дотационные средства могут расходоваться на весь перечень работ при условии, что у исполнителя есть пятилетний договор на поставку древесины потребителям. Если величина дотации составляет более 47,5 тыс. евро, то необходимо вместе с другими документами представить и технико-экономическое обоснование.

Согласно европейским нормам на каждую площадку под посадку акации выделяется сумма не более 510 евро/га, а при посадке других пород – не более 635 евро/га. Кроме того, в эти нормы вписаны условия дотации и на покупку котлов для сжигания древесины, выращенной на площадках с энергетическими насаждениями. Максимальная величина дотации может составить 95,2 тыс. евро. При этом собственные средства компании должны составлять 65%, а размер дотации – 35%. Еще одна европейская норма позволяет выделять дотацию для энергетических насаждений в размере 45 евро/га. Недостатком этих норм является то, что в них предусмотрены дотации только при выращивании трех пород – тополя, ивы и акации. Сейчас на европейском уровне решается вопрос о расширении количества дотационных пород до 15–20.

Для создания плантационных насаждений, их выращивания и заготовки древесины требуется строго придерживаться последовательности выполнения перечня операций: подбор и обследование территории под посадку; подготовка территории под посадку; подготовка почвы; посадка насаждений; уход за посадками; дополнительное внесение удобрений; заготовка древесины; сдача территории контролирующим органам.

Универсальным показателем эффективности землепользования может служить энергетический показатель, характеризующий количество вложенной в производство насаждения энергии и полученной от него в конечном итоге. Это касается как сельхозпродукции, так и продукции лесовыращивания.

Древесина широко применяется как источник возобновляемой энергии как в частных домах, так и в промышленных объектах. Кроме того, древесные насаждения играют одну из основных ролей в улучшении климата, снижая СО2, а также сокращая выбросы СО2 при сжигании древесины. У различных пород энергетические составляющие отличаются друг от друга количественным и химическим составом продуктов, образующихся при сгорании, таких как зола, величина тепло- и газовыделения. У некоторых пород строение древесины и химический состав передаются генетическим путем. У топливной древесины существует четыре основных свойства: плотность, тепловыделение, влажность и зольность.

От выбора породы для энергетических насаждений зависят время и технология заготовки биомассы, параметры посадки, способ ухода за посадками и другие факторы. Размеры исследованных посадок энергетических насаждений подразделялись по трем категориям: посадки площадью менее 3 га, от 3 до 20 га, более 20 га.

В зависимости от площади посадок выбираются технологические модели всего процесса – от посадки до заготовки энергетической биомассы. Для получения энергетического баланса в зависимости от площади энергетических насаждений рассчитаны технологические модели и проанализированы с точки зрения производительности. Для получения энергетического баланса, с одной стороны, рассчитана энергия, потребляемая машинами на всех операциях, с другой стороны, сравнивается с рассчитанной энергией, получаемой от сгорания биомассы заготовленной древесины. Полученный объективный энергетический баланс дает более реальную картинку, чем при расчетах различных экономических моделей.

При проведении расчетов принимались усредненные показатели, а за отправные точки приняты следующие: величина площади 1 га, срок выращивания древесины 20 лет, оборот рубок два года, энергия, выделяемая при сгорании дизтоплива, 43 МДж/кг, энергия, выделяемая при сгорании бензина, 44 МДж/кг.

Перед посадкой насаждений на плантации площадью менее 3 га нужно провести подготовку почвы путем ее вспашки и культивации. При этом посадка черенками или саженцами может производиться как вручную, так и с помощью посадочных машин малой производительности. Уход за саженцами и борьба с сорняками проводятся химикатами с помощью опрыскивающих машин. Срезание деревьев осуществляется ручными дисковой или цепной пилой. Поваленные деревья перерабатываются на щепу мобильными дробильными установками, а полученную щепу транспортируют потребителю.

При расчете биоэнергии output взяты во внимание следующие показатели: объем получаемой биомассы 20 т/га/год, влажность 60%, энергия сгорания биомассы древесины 7 MДж/кг. Получаемая энергия при этом будет 2 800 000 MДж. Энергетический баланс составляет: затрачиваемая энергия/получаемая энергия = 1/46. То есть при расходе одной единицы энергии получают биоэнергии в 46 раз больше.

При высадке энергетических насаждений площадью от 3 до 20 га подготовка почвы производится аналогично предыдущему случаю, а посадка черенков и саженцев выполняется при помощи прицепных посадочных машин. Уход за междурядьями деревьев производится опрыскивающими машинами. Заготовка древесной биомассы осуществляется валочно-дробильными машинами (чипперами) или валочно-пакетирующими машинами, а затем осуществляется транспортировка биомассы потребителю. В этой модели используют универсальные тракторы большей мощности, чем в предыдущем случае. Получаемая энергия в этом случае равна 2 800 000 MДж. Энергетический баланс для плантации площадью от 3 до 20 га составляет: затрачиваемая энергия/получаемая энергия = 1/30. То есть на одну единицу затраченной энергии получают в 30 раз больше биоэнергии.

В технологической модели насаждений на площади более 20 га от предыдущих моделей отличается только заготовка биомассы, используются самоходные валочно-дробильные установки. Энергия, получаемая из биомассы, также составляет 2 800 000 MДж. Энергетический баланс для плантаций площадью более 20 га равен: затрачиваемая энергия/получаемая энергия = 1/37. В этом случае на одну единицу затраченной энергии получают в 37 раз больше биоэнергии.

Годовой объем получаемой биомассы древесины с 1 га в энергетических насаждениях в первую очередь зависит от почвенно-грунтовых условий, выбранной породы дерева и в меньшей степени от площади насаждений. Применение энергетического баланса позволяет наряду с экономическими расчетами подбирать оптимальные технологические модели и комплексы рабочих машин.

Обычно при освоении плантационных насаждений древесину получают или в виде целых деревьев, или в виде щепы. К потребителям (теплостанциям, электростанциям или теплоэлектростанциям) ее доставляют различными транспортными средствами, в зависимости от плеча доставки. На расстояние максимум до 40 км древесину транспортируют колесными тракторами, на 30–90 км – автомобильным и на расстояние более 70 км – железнодорожным транспортом.

Древесную щепу перед транспортировкой складируют. Условия складирования щепы (размер щепы, размер гуртов, способ складирования, возможность проветривания и т.д.) напрямую влияют на ее качество. Теплота, выделяемая при сгорании щепы, зависит от ее влажности и способа складирования. В начале процесса складирования температура щепы резко увеличивается. От этого начинают активизироваться грибы термофилы и мезофилы, которые еще больше повышают температуру щепы, до 60°С. Грибы поражают лигнин, содержащийся в древесине, и этим снижают тепловыделение при сжигании. Даже подсохнувшая щепа, пораженная грибком, при сжигании выделяет меньше тепла, чем влажная не пораженная грибками. Кроме того, грибы оказывают вредное воздействие на здоровье человека.

Щепа обычно хранится в открытых гуртах для лучшего проветривания, так как при хранении ее температура может достигать 60–70°С. Выделяемое тепло высушивает щепу, ее влажность достигает 20–25%, и щепа не впитывает в себя обратно влагу, даже дождь и снег увлажняют щепу только на глубину 40–50 см, а ниже она остается сухой. При влажности вновь образованного гурта 50–55% из мелкой фракции и при высоком содержании гемицеллюлозы в щепе может заводиться плесень, поэтому ее в гуртах раз в две недели рекомендуют переворачивать для проветривания. Для безопасности большие гурты по сторонам не должны иметь уклон более 40–45°. Перед сжиганием щепу перевозят и складируют в помещениях, оборудованных крышей, но не имеющих боковых стен, что способствует проветриванию. При транспортировке щепы на значительные расстояния ее уплотняют и укладывают в транспортные пакеты весом 15–20 кг или 200–1000 кг.

В Европе по величине щепы ее сортируют, согласно австрийскому стандартуÖNORM M 7133, по фракциям на: мелкую (G30), среднюю (G50) и крупную (G100). Наиболее распространен размер щепы G30, из-за легкого его применения на практике при сжигании.

В случае с непереработанной древесиной применяется другая технология складирования и хранения. Обычно на территории выделяется площадка для складирования, временного хранения и переработки срезанных деревьев на щепу. Деревья на площадке хорошо проветриваются, и поэтому в них снижается влажность. С уменьшением влажности древесины увеличивается ее тепловыделение при сгорании. Кроме того, при транспортировке подсушенной древесины снижаются транспортные расходы из расчета на 1 т, так как нет необходимости перевозитьв древесине воду. Складированные деревья перерабатываются мобильными дробильными установками, и щепа напрямую задувается в кузов транспортного устройства. Штабеля складируемых деревьев рекомендуется располагать на площадке поперек главного направления ветра и на солнечной стороне. Сучья и ветки деревьев за четыре-шесть месяцев теряют влажность на 30%, а влажность стволов деревьев снижается на 30% в течение года.

Территория, на которой в установленный срок проведена заготовка выращенной древесины, подлежит сдаче органам надзора в том виде, в котором была принята для посадки лесных плантаций. При этом вся территория очищается от порубочных остатков, пни фрезеруются на глубину 20–30 см, и в конце проводится глубокая вспашка всей площади.

На таких операциях, как подготовка территории, вспашка, посев, уход за насаждениями, используются обычно применяемые в сельском и лесном хозяйстве самоходное или навесное оборудование. Однако для широкого целевого высокопроизводительного применения машин на специфических операциях, таких как посадка саженцев черенками, заготовка древесины, нужна специальная техника.