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).
