Теоретичний матеріал до теми 8: Роль біоекономіки в розвитку енергетичного сектору

1. Види біопалива. Економічна ефективність виробництва біопалива

Розвиток людства приводить до збільшення його енергетичних потреб. Протягом останніх півтора століття світове споживання енергетичних ресурсів із розрахунку на одного жителя планети збільшилося майже у 25 разів. Тому актуальною проблемою на сьогодні для усіх країн світу є задоволення постійно зростаючих енергетичних потреб людства, оскільки саме енергія є рушійною силою різноманітних явищ, пов’язаних із забезпеченням життєдіяльності людини. На сьогодні у світі 35% енергетичних потреб покривається завдяки використанню нафти, 23% завдяки вугіллю, 21% заради природного газу, 7% використання ядерного палива. Зростаючі темпи споживання зумовлюють постійне скорочення обсягів існуючих запасів традиційних енергоресурсів. Так, за оцінками експертів, запасів нафти вистачить лише на 44 р., природного газу – 159 років, вугілля – 409 років.

У зв’язку з цим серйозно загострюється проблема пошуку інших джерел енергетичних ресурсів, одним із яких є виробництво біопалива.

Біопаливо або біологічне паливо (англ. biofuel)‒ це паливо, яке отримується, як правило, з біологічної відновлювальної сировини (біомаси).

Подібно до вугілля й нафти, біомаса - це форма у якій збережено сонячну енергію. Енергія сонця «захоплюється» через процес постійного фотосинтезу під час росту рослин. Однією із переваг біологічного палива в порівнянні із іншими типами палива є те, що воно повністю завжди розкладається мікроорганізмами, і тому відносно не є шкідливим для довкілля.

Види біопалива:

- тверде (гранули, брикети, дрова тощо);

- газоподібне (різні суміші газові разом із чадним газом, метаном, воднем, що отримуються внаслідок термічного розкладу сировини у присутності кисню (газифікація), або без кисню (піроліз) або за рахунок бродіння за рахунок впливу бактерій тощо);

- рідке (горючі рідини і масла які у процесі піролізу, рідкі моторні біопалива що у процесі гідролізу або ферментації, (етанол, біодизель, метанол, тощо).

Усі перелічені види палива відносяться до альтернативних, або біологічних видів палива і підпадають під дію Закону України «Про альтернативні види палива».

Біопаливо першого покоління.

Як біопаливо першими почали використовувати такі традиційні сільськогосподарські агрокультури з високим складом жирів, вуглеводів, крохмалю. Рослинні жири дуже добре піддаються перетворенню на біодизель, а також крохмаль і цукри переробляють на етанол. Однак використання такої сировини має такі певні негативні аспекти, оскільки потрібно як правило залучати додаткові площі сільськогосподарських угідь для посівів культур, які виснажують ґрунти, та може виникнути загроза продовольчій безпеці, зростають потреби у використанні пестицидів та добрив та тощо.

До біопалива першого покоління відносять:

- біоетанол – це спирт етиловий зневоднений (C2H5OH або CH3-CH2-OH), який отримується шляхом переробки рослинної сировини (буряків цукрових, кукурудзи, очерету, зернових тощо) і використовують у якості біопалива. Виробництво біоетанолу розглядається як елемент «зеленої фабрики» у ланцюжку «біомаса - біоетанол - біогаз і кормопродукти - продукти тваринництва і біодобрива - біомаса”.

Існує два основних способи отримання етанолу ‒ один з них це мікробіологічний (спиртове бродіння) і також синтетичний (гідратація етилену). Наслідком процесу бродіння є розчин, що містить не більше 15 відсотків етанолу, оскільки в більш концентрованих та розчинах такі організми як дріжджі зазвичай гинуть. Отриманий таким способом етанол потребує очищення і концентрування, як звичайно шляхом дистиляції. У промислових великих масштабах етиловий спирт отримують із агросировини, що містить целюлозу (солома, деревина), яку попередньо гідролізують. Суміш, яка утворилася при цьому, піддають звичайному спиртовому бродінню. 

Етанол у порівнянні із звичайним бензином є менш «енергонасиченим» енергетичним джерелом. Пробіг машин, що працюють на Е85 (ця суміш містить 85% етанолу і лише 15% бензину; буква «Е» від англійського слова Ethanol), на одиницю об'сягу палива складає близько 75% від усього пробігу стандартних машин. На «справжньому» паливному етанолі можуть працювати лише звичайно так звані «Flex-Fuel» машини. Ці звичайні автомобілі як правило, можуть працювати на звичайному паливному бензині або на звичайній довільній суміші того та іншого.

Серйозним недоліком біоетанолу є зазвичай те, що при згорянні палива етанолу у вихлопних газах двигунів внутрішнього згорання з'являються альдегіди (як правило - формальдегід і ацетальдегід), які завдають всім живим організмам не меншу шкоду, ніж ароматичні вуглеводні.

- біодизель – це метилові та/або звичайні етилові етери вищих органічних кислот, які отримані із рослинних олій або звичайних тваринних жирів, і використовуються у вигляді біопалива чи біокомпонентів. Зокрема, сировиною для виробництва біодизелю часто можуть бути ріпакова, кокосова, соєва, пальмова олія, або будь-яка олія-сирець, а також відходи харчової та промисловості. Розробляються технології виробництва такого палива як біодизель з водоростей. Воно є зараз цілком сумісним з існуючими сучаснии двигунами траспортних засобів і системою комерційних паливних систем споживання і розподілу.

- біобутанол (C₄H₁₀O - бутиловий спирт) як правило, вироблений з біомаси бутанол, який використовується як біопаливо. Це безбарвна рідина з характерним для нього запахом. Широко використовується у галузях промисловості. Виробництво бутанолу почалося зазвичай на початку XX століття. А у 50-х роках завдяки падінню цін на нафту бутанол розпочали виробляти із нафтопродуктів.

Бутанол не має корозійних властивостей, може передаватися існуючою інфраструктурою. Він може, але не обов'язково звичайно повинен, змішуватися з традиційним паливом. Енергомісткість виробництва бутанолу близька до енергомісткості паливного бензину. Бутанол може використовуватися в будь-яих паливних елементах, а також у якості сировини для виробництва водню.

Біопаливо 2-го покоління.

Головне завдання технологій виробництва сучасного біопалива другого покоління - збільшити кількісно обсяги виробленого екологічно стійкого біопалива, при цьому використовуючи біомасу, що складається як із нехарчових частин рослин, зокрема таких як стебла, лушпиння, листя, які залишаються після вилучення їх харчової частини. Також використовуються звичайна деревна маса (целюлоза, лігнін), відходи сільського господарства, агровиробництва, менш цінні аграрні культури тощо.

До основних видів біопалива цього класу відносяться

- біоетанол з целюлози,

- дизельне паливо Фішера-Тропша –це синтетичний вуглеводень або суміш звичайних синтетичних вуглеводнів, вироблених із біомаси;

- диметиловий ефір (C₂H₆O) може також вироблятися як з природного газу, вугілля, так і з біомаси. Значна кількість диметилового ефіру виробляється із відходів целюлозно-паперового виробництва. Він скраплюється при невеликому тиску. Такий диметиловий ефір є екологічно чистим пальним без вмісту сірки, вміст азоту оксидів у вихлопних газах приблизно на 90% менший, ніж у звичайному бензині. Застосування диметилового ефіру як правило, не вимагає спеціальних фільтрів, але тому необхідна переробка систем живлення (наприклад, установка газобалонного обладнання, застосування коректування сумішоутворення) та запалювання цього виду двигуна. Без переробки можливе застосування на звичайниху автомобілях з LPG-двигунами при 30 відсотків вмісті у паливі. 

- біо-ETBE -етил-трет-бутиловий ефір, зроблений з біоетанолу;

- біо-МТВЕ - етил-трет-бутиловий ефір, який вироблений з біометанолу);

- біо-ТАЕЕ - метил-трет-етиловий ефір, трет-аміл-етиловий ефір тощо.

Основні переваги біопалива 2-го покоління у порівнянні із біопаливом 1-го покоління:

різноманітність біологічної маси, придатної до переробка;

більш висока раціональність використання;

суттєве скорочення викидів деяких парникових газів у процесі використання біопалива (зменшення викидів зможе досягти 90%, у той час як також при використанні біопалива 1-го покоління – 50%).

Основні недоліки біопалива 2-го покоління:

недосконалість технологій, більш висока собівартість виробництва;

економічно вигідними стають лише масштабні випуски із більшою продуктивністю, а значить -із великими капіталовкладенням.

Біопаливо третього покоління.

Біопаливо третього покоління виготовляється із водоростей. Водорості це є одночасно дешевою і високопродуктивною сировиною для отримання біопалива. Експерти вважають, що переробка водоростей дозволяє отримати у 3,5 раз більшого палива, ніж із олії пальмової, у 5 раз більше, ніж із очерету цукрового, у 8 можна разів більше, ніж з кукурудзи, і в більш, ніж у 30 разів, чим із сої. Водорості також можна використовувати для виробництва звичайного метану способом анаеробного зброджування або етанолу використовуючи шлях бродіння. Але найбільша їхня цінність потенційна полягає в тому, їх можуть використовуватись як сировина також і для виробництва біодизельного палива. Однак для виробництва біопалива 3-го покоління потрібні значні площі для вирощування водоростей. Переважна більшість біопаливо отримують шляхом перетворення органічної речовина у палива, проте існує альтернативний підхід, оснований на тому, що окремі водорості від природи виробляють етанол, що можна збирати без знищення рослин. На даний момент компанія Алгенол планує поставити цей метод на комерційну основу.

На сучасному етапі у наукових світових колах біопаливо розглядається як ресурс, що важливий для диверсифікації енергетичних джерел та забезпечення енергетичної безпеки, розвитку територій сільської місцевості.

Розвиток біоенергетики є також актуальним і для України із її значним потенціалом виробництва місцевих палив, які є доступними для отримання енергії. Основними складовими біомаси потенціалу є солома та інші відходи діяльності сільськогосподарського виробництва (стержні, кукурудзяні стебла), лушпиння тощо, а також відходи від роботи місцевого господарства, садівництва та енергетичних культур. Особливе місце в використанні аграрної біомаси займає отримання енергонасиченого біогазу шляхом анаеробного зброджування та високоякісних екологічно чистих добрив органічних. Залучення в енергетичний баланс деяких біологічних видів палива як поновлюваних ресурсів із використанням акумульованої сонячної енергії є важливим стратегічним напрямком розвитку цивілізації. Однак поширення використання енергоресурсів біологічних - це доволі складний процес, який потребує додаткових витрат для надання їм певних споживчих якостей. Споживачі палива технічно та технологічно налаштовані впродовж останнього сторіччя для використання концентрованих непоновлюваних енергетичних джерел, а для стимулювання використання біологічних поновлюваних енергоресурсів необхідні значні витрати. Також, постійний зріст цін на паливні матеріали та необхідність збереження природного навколишнього середовища потребують зосередження зусиль для розробки методів та технічних засобів необхідних для забезпечення енергоавтономності країни.

Частково вирішення енергетичного питання зможе бути знайдене в площині формування вітчизняної біопаливної галузі. Під натиском вітчизняних і зарубіжних монополій енергетичних вона постійно знаходилася в «замороженому» стані. Навіть через прийняття значної кількості нормативних та законодавчих актів щодо розвитку біопаливного ринку галузь біоенергетики розвивалась низьким темпом. На даний час в Україні приймається Енергетична стратегія на період до 2035 р. «Безпека, енергоефективність, конкурентоспроможність», що передбачає досягнення у 2035 році частки біомаси у структурі постачання первинної енергії в нашій країні аж до 11,5% проти існуючих 2,3відсотків. Разом із тим у Фінляндії такий показник уже нині сягає 23відсотка, Швеції він є 19%, Австрії та Данії близько 12%. Протягом періоду до 2035 р. вказані країни, безперечно, нарощуватимуть цей показник.

На сьогодні розвиток біопаливної індустрії у нашій країні відбувається, на жаль, стихійно: аграрні підприємства виробляють моторне паливо із використанням власної сировини на напівкустарних і малопотужних установках. Достовірна інформація про стан виробництва сучасного біопалива у нашій державі не знаходиться на належному рівні.

У звітах Незалежного агентства з моніторингу ринку енергетичних ресурсів Міністерства енергетики США статистична інформація щодо обсягів виробництва біопалив в Україні представлена починаючи лише з 2013 р. та станом на 2017 р. становить 44,2 тис. тонн. При цьому вказана інформація стосується лише обсягів виробництва біоетанолу, інформації про біодизель немає. Це зумовлено тим, що в Україні нині виробництво біодизеля в масштабах промислових практично відсутнє, за винятком декількох «пілотних» проектів. Слід зазначити, що у світові темпи виробництва біопалива збільшуються. Найбільшими виробниками біодизеля та біоетанолу є США (60% від загальносвітового виробництва) та Бразилія (27%), що постійно нарощують їх виробництво (табл. 1).

Таблиця 1. Виробництво рідкого біопалива у світі

За даними Renewables 2018. Global status report. Renewable Energy Policy Network for the 21st century

Серед країн ЄС зараз найбільшими виробниками біодизеля стають Німеччина, Франція, Іспанія, Нідерланди та Польща, доля яких складає відповідно 23%, 15%; 11%; 8% та 7% загальноєвропейського виробництва цих видів біопалива. Основною сировиною для виробництва біопалива в цих країнах є ріпак. Частка його посівів у ріллі у 2006- 2018 рр. становила у Франції у розмірі 8-9%, Німеччині ‑від 11-12%, Польщі у межах 5-9%, в той час цей показник в Україні упродовж зазначеного періоду становив від 1,5 до 3%. При цьому ряд вчених вважає, що концентрація посівів ріпаку зможе досягати 20-25% ріллі. Таким чином, в Україні спостерігаються всі можливості стосовно підвищення урожайності та розширення площ посівів даної культури. Незважаючи на порівняно значні площі посівів ріпаку в багатьох європейських країнах (Франція – 1,5 млн га, Польща – 0,7-0,9 млн га, Німеччина – 1,3-1,5), сировинна база для виробництва біодизеля у цих країнах формується ще й за рахунок імпорту певної кількості насіння ріпаку, в тому числі з України. В Україні під посівами культури знаходилося всього 0,5-1 млн га. Як говорять дослідження, із збільшенням споживання біодизеля у країнах ЄС нарощують обсяги імпорту насіння ріпаку. Зокрема протягом 2006-2016 рр. Польща збільшила його імпорт з України вдвічі, Німеччина – у 2,3 раза, Франція понад 200 разів.

Таким чином, Україна з економічними, соціальними і політичними проблемами через велику імпортозалежність в енергетичній сфері, не розвиває власного виробництва біодизеля,а лише постачає сировину для розвитку галузі біопалива країн ЄС. Експорт насіння ріпаку із України у цілому стає 83-97% обсягів його виробництва.

Разом із тим при нинішніх відповідних інвестиціях та інноваціях в Україні є беззаперечні потенційні можливості досягнення продовольчої безпеки країни та розвитку біоенергетичної галузі, що зумовлюються наявністю 0,75 га сільгоспугідь у розрахунку на одну особу.

Дослідженнями встановлено за яких умов економічних доцільне виробництво біопалива як в Україні так і в інших країнах світу. Зокрема, ще на початку минулих років, коли була вже відома технологія виробництва біопалива, питання стосовно розвитку цієї галузі практично не з’являлось. Не поверталися до цього і в 60-х роках, коли ціна на нафту, зокрема, на сорт Saudi Arabian Light1 API (Arab Light – це марка нафти, яка добувається у Саудівській Аравії та використовується задля установлення ціни для інших марок експортної нафти в районах Персидської затоки) за даними ОПЕК (Organization of Petroleum Exporting Countries) становила близько 1,63 дол. США за один барель. Зовсім інша економічна ситуація склалася у 2008-2012 рр. за ціні її у 93-108 дол. США за барель. При такій ціновій ситуації конкурентоспроможність біопалива на енергоресурсному ринку об’єктивно зростала. Таким чином, тепер базовими позиціями визначення рівня ефективності економічного виробництва біопалива є рівень ціни на нафту та види палива, виробленого з нафти, цін на відповідну біосировину та рівень затрат на виробництво біопалива й цін на його побічну продукцію при одержанні тощо. Щоб бути конкурентоспроможним, ціни на біопаливо повинні бути принаймні не вище ринкових цін на бензин або дизельне паливо за рахунок дешевої сировини та за рахунок дотацій на виробництво біопалива, враховуючи його екологічну складову.

Крім економічної складової під час визначення ефективності виробництва з біомаси біопалива необхідно враховувати також енергетичну, екологічну, соціальну супутні та політичну складові.

Економічна складова складає стабільну діяльність об'єктів господарювання; стан надходження додаткових податків до бюджету; скорочення витрат на зменшення та компенсацію екологічного збитку. Мета економічної оцінки складає визначення прибутковості виробництва та використання джерел альтернативної енергії для конкретних об’єктів агрогосподарювання та включає в себе прийнятий набір показників, які визначають економічну значимість використання та виробництва біопалива.

Як правило, для оцінки економічного виробництва та використання дизельного біопалива дослідники використовують такі загальноприйняті показники, що включають собівартість виробленої продукції, строк окупності витрат, прибуток від реалізації, рентабельність виробництва та ін.

Крім того, під час виробництва енергії із альтернативних джерел можна отримати деякі побічні продукти чи ефекти. Під час їх реалізації знаходять додатковий дохід, що поліпшує економічні загальні показники. Наприклад, під час виробництва біопалива дизельного з ріпаку побічними продуктами є гліцерин та макуха. Макуху використовується як кормова добавка із вмістом протеїну до раціону птиці та худоби, а також як матеріал для виробництва паливних брикетів та гранул.

Екологічна складова визначає зменшення викидів забруднюючих речовин в повітря атмосферне; скорочення частки використання палива з природних вичерпних ресурсів; значно менший негативний вплив на фауну та флору у випадку розливів та аварій. Цього можна досягти за рахунок зміни традиційного дизельного палива біологічним. Тому, під час використання біодизеля певної марки В100 викиди вуглеводнів відповідно з нафтовим аналогом скорочуються на 56%, оксидів вуглецю – на 43%, твердих частинок – на 55%, сажі – на 60%, оксидів азоту – на 5–10%. При цьому виділяється стільки вуглекислого газу, скільки й було спожито з атмосфери рослинами, що є вихідною сировиною у виробництві олії. Це, своєю чергою, зменшує відсоток коштів, необхідних для відновлення навколишнього середовища.

Важливо зазначити, що нафта належить до невідновних вичерпних природних ресурсів, що скорочуються по мірі їх використовування. Таким чином, споживання біологічного дизельного палива зменшить долю використання палива з вичерпних ресурсів.

До переваг біодизельного палива належить його здатність до повного біологічного розкладу. У ґрунті та воді мікроорганізми за 28 діб переробляють 99% біодизеля. Отже, потрібно стверджувати, що біологічне паливо дизельне має значно менший негативний вплив на фауну та флору в разі розливу та аварій порівняно з традиційним.

Соціальна складова спрямована для зменшення рівня безробіття, особливо в сільській місцевості; зниження рівня захворюваності населення.

Під час експлуатації засобів транспортних в атмосферу потрапляють більше 200 шкідливих компонентів, таких зокрема, як діоксид вуглецю, азоту, оксид вуглецю, оксиди сірки, важких металів, сполуки свинцю, сажі, вуглеводні, незгорілі частки палива, канцерогенні і мутагенні сполуки, тощо, які, у свою чергу, чинять токсичну дію на людський організм. Так, двоокис азоту порушує цілісність мембран клітин. За короткострокового часу може проявлятися схильність до підвищення ризиковості респіраторних захворювань, а за високої концентрації може викликати гострі запалювальний процес дихальних шляхів у здорових людей. Ученими виявлено тісний зв’язок серед викидів оксиду вуглецю (RСО =0,84) та діоксиду азоту (RNO2=0,77) у атмосферне повітря транспортом автомобільним та рівнем захворюваності населення хворобами респіраторними. Беручи до уваги факти, які перераховані, можна стверджувати, що використання для альтернативних видів палива призведе до покращення загального стану здоров’я населення, а також зменшення рівня захворюваності респіраторної системи.

Створення виробництва біопалива потребує формування трудових ресурсів як на етапі будівництва, так й експлуатації, що й буде причиною залучення додаткової робочої сили у дану галузь. До того ж ця стабільна діяльність об’єктів господарювання буде мати позитивний вплив на розвиток інфраструктури територій розміщення виробництва.

Енергетична складова полягає у зниженні залежності від імпорту палива. Україну відносять до списку енергодефіцитних країн, оскільки більшу долю паливо-енергетичних ресурсів, необхідних для формування нормальних умов життєдіяльності громадян, імпортує з інших країн. Сьогодні понад 62% внутрішнього обсягу споживання бензину та 90% дизпалива в Україні задовольняється за рахунок імпорту. Використання і виробництво біопалива здатне забезпечити додаткові механізми та системи для енергонезалежності країни, зокрема транспортного сектору.

Політична складова передбачає зростання авторитету країни у світовому співтоваристві шляхом дотримання взятих міжнародних зобов'язань. Для зменшення напруги економіко-енергетичної у державі необхідно застосувати комплексний розгляд питань економічно-організаційного механізму розвитку енергозберігаючих технологій з великою ефективністю, зокрема активізація позиції приєднання до міжнародних організацій, у компетенцію яких належать питання, енергоефективних та енергозберігаючих, екологічно безпечних технологічних засобів.

Таким чином, економічна ефективність використання та виробництва біологічного пального є однією з важливих характеристик господарської діяльності підприємств. Тому в контексті сталого суспільного розвитку не слід забувати про такі нематеріальні ефекти, які не можна представити в грошовому виразі.