За матеріалами 2-ї Міжнародної конференції зі сталої енергетики та розвитку навколишнього середовища на тему «Економічні та правові аспекти безпосередньої переробки цукрових буряків на етанол» («Economic and legal aspects of the direct processing of sugar beet to ethanol»), 2019 р.

Одним з енергоносіїв і водночас найперспективнішим вихідним продуктом для виробництва широкого спектру товарних біопродуктів є етанол, який зазвичай називають біоетанолом, щоб підкреслити відновлюваність сировини, з якої він виготовляється. Таким чином, біоетанол, часто в розумінні відновлюваного палива (біопалива), є етиловим спиртом, отриманим шляхом спиртового бродіння простих цукрів, вилучених безпосередньо з біомаси, або після процесу відносно простого гідролізу (крохмального матеріалу) або більш просунутої попередньої обробки та гідролізу (лігноцелюлозного матеріалу) (Рис. 1).

Рис. 1. Використання цукру, крохмалю та лігноцелюлозної сировини та основні процеси у виробництві біоетанолу

Традиційно основною сировиною для виробництва етанолу є рослинна сировина крохмальних (зернові і картопля) та цукроносних культур (цукрові буряки і цукрова тростина) або побічні продукти цукрового виробництва, тобто меляса. Географічні умови та клімат визначають основні виробничі райони та особливості вирощуваних для ферментації культур. У Європі культурами, які використовуються в процесі бродіння, є цукровий буряк та зернові, в Азії – цукрова тростина та маніок, в США – кукурудза і, меншою мірою, цукровий буряк, у Бразилії – цукрова тростина.

Ринок біоетанолу. У 2014 році світове виробництво етанолу становило 93,0 млрд л, із яких 54,1 млрд л було вироблено в США і 23,4 млрд л в Бразилії, що в цілому склало 83,3% світового виробництва (Рис. 2). Сполучені Штати експортують етанол до 51 країн світу, здебільшого до Канади (41% експорту етанолу), Китаю (13%) та Об’єднаних Арабських Еміратів (10%). У США ринок етанолу робить значний внесок в американську економіку. У 2014 році було створено до 83 949 робочих місць, безпосередньо пов’язаних із ринком етанолу, і 295 265 робочих місць з непрямими зв’язками та 53 млрд дол. внеску до ВВП. У 2007-2010 рр. в США виробництво етанолу демонструвало тенденцію стійкого зростання (понад 50% щорічно), щоб у наступні роки стабілізуватися на рівні 50-54 млрд л на рік. У Бразилії рівень виробництва етанолу залишається відносно стабільним протягом багатьох років і становить 23-24 млрд л на рік. У Європі спостерігалося стійке зростання виробництва етанолу з 2 млрд л у 2007 році до 5,5 млрд л у 2014 році.

Рис. 2. Виробництво біоетанолу в мільярдах літрів

Біоетанол як біопаливо – аспекти регулювання. Технологія виробництва етанолу для харчових цілей розроблялася століттями і досить добре відома. Однак виробництво етанолу як біопалива створює нові виклики, як технологічні, так і соціально-екологічні. Етанол був одним із перших видів палива, які використовувалися для двигунів автомобілів. Чистий етанол, що використовується в паливі, що містять 85-100% етанолу, може бути замінником бензину в двигунах з іскровим запалюванням або додаватися до паливної суміші, найчастіше в співвідношенні від 5 до 25%. Використання біоетанолу в якості палива тісно пов'язане з ринком палива та правилами використання біопалива та біокомпонентів палива, особливо в контексті вартості бензину. Розвиток ринку біоетанолу для паливних цілей пов'язаний з економічною та соціальною сферами. Виробництво етанолу може покращити баланс ринку палива шляхом заміни імпортованої сирої нафти паливом, що виробляється та зазвичай споживається на місцевому рівні. Опосередковано, це може збільшити зайнятість населення в сільській місцевості та диверсифікувати доходи фермерів. Як наслідок, виробництво біопалива сприяє паливній безпеці країн. В ЄС основною сировиною для виробництва біоетанолу є цукровий буряк. Рішення про розвиток виробництва цукрових буряків для паливних цілей стимулювалося дерегулюванням цукрових квот, запровадженим ЄС у 2006 році з метою досягнення збалансованого виробництва цукру, яке діяло до 2017 року. Надлишки цукрових буряків спрямовувалися на виробництво біопалива.

Процес ферментації етанолу в контексті сучасних технологій виробництва цукру. Цукрові буряки є багатим джерелом сахарози та дисахариду, що складається з двох простих молекул цукру: глюкози та фруктози. Сировиною для виробництва сахарози є коренеплід цукрового буряка, який має конічну форму і зазвичай важить 0,5-1,0 кг. Розподіл цукру в коренеплоді нерівномірний. Найбільша його концентрація зосереджена в серцевині кореня. Хімічна структура коренеплодів змінюється в залежності від географічного розташування полів.

На Рис. 3 показана схема, що ілюструє процес виробництва цукру з буряків, на якій виділяють напівпродукти з різною концентрацією простих цукрів.

Теоретично витягнутий солодкий сік у вигляді дифузійного соку, сатураційного соку або сиропу, а також кінцеві продукти, тобто цукор і мелясу, можна використовувати для ферментації (бродіння). На практиці, через різноманітну технологічну якість цих субстратів, а також вхідних матеріалів, процеси ферментації досягають різного ступеня ефективності.

Економічні аспекти переробки цукрових буряків на етанол. Переробка цукрових буряків на етанол може змінити небажану тенденцію на ринку, яка полягає в обмеженому виробництві та меншому інтересі до цукру через низькі ціни. Витрати на виробництво цукру та етанолу з буряків вищі, порівняно з цукровою тростиною (Таблиця 1). Найнижча собівартість виробництва етанолу досягається при переробці цукрової тростини в Бразилії (0,21 дол./л), а вартість виробництва етанолу з кукурудзи в США вища приблизно на 40% (0,27-0,28 дол./л), тоді як вартість виробництва етанол із цукрових буряків приблизно втричі вища в США (0,62 дол./л) і в ЄС (0,76 дол./л). Для всіх аналізованих культур вартість самої сировини є вдвічі вищою за вартість її переробки в етанол (Таблиця 1).

Таблиця 1. Собівартість виробництва етанолу з різної сировини в дол./л

Варто звернути увагу на вартість виробництва етанолу з меляси, яка становить половину вартості виготовлення цієї речовини з цукрових буряків. Однак меляса є побічним продуктом виробництва цукру, тому її слід розглядати в контексті виробництва цукру як сировину для виробництва етанолу. Цукор залишається найдорожчим продуктом, отриманим із цукрових буряків, тоді як інші побічні продукти, такі як меляса, буряковий жом або сполуки кальцію, оцінюються в 14 дол./т цукрових буряків.

Таким чином, одним із шляхів підвищення конкурентоспроможності цукрових буряків на ринку цукроносних культур є виробництво етанолу та раціональне використання нерозкритого потенціалу відходів виробництва. З економічної точки зору процес отримання цукру з буряків відносно простий. Цукровий екстракт отримують з промитих і подрібнених буряків. Після очищення їх можна ферментувати безпосередньо до етанолу. Таким чином можна пропустити такі етапи, як кристалізацію, центрифугування та сушіння. Основними етапами виробництва етанолу є ферментація та дистиляція.

Вартість будівництва переробного заводу відносно висока. Баланс вартості будівництва та ефективності роботи заводу складається з таких складових витрат:

• витрати на оснащення установки, включаючи додаткове обладнання для забору і транспортування води, а також системи для миття обладнання та очищення стічних вод;
• вартість сировини, включаючи дріжджі, хімікати та вуглекислий газ;
• ціни на кінцеву продукцію: етанол, жом, мелясу, біогаз та інші;
• витрати на експлуатацію та обслуговування: споживання енергоносіїв (електроенергії, водяної пари), охолоджуючої води та інше;
• капіталовкладення;
• річні витрати та витрати на одиницю продукції;
• аналіз чутливості.

Обсяг виробництва та вартість цукрових буряків, на прикладі Нідерландів та Польщі. Обсяг зібраного цукрового буряка в Польщі вдвічі більший, ніж у Нідерландах, тоді як урожайність буряків у Польщі відповідає приблизно 66% урожайності, досягнутій у Нідерландах. Наприклад, у 2014 році в Польщі середня врожайність цукрових буряків становила 54,8 т/га, тоді як у Нідерландах вона досягла 87,4 т/га (Рис. 4). У 2015 році в Польщі було зібрано 8 тис. т буряків, що майже вдвічі менше, ніж у попередні роки. Так само, у 2015 році в Нідерландах валовий збір склав 4,5 тис. т, що на 500-1500 т менше, ніж у попереднє десятиліття.

Рис. 4. Обсяг виробництва цукрових буряків (ліва вісь) та врожайність (права вісь) у Нідерландах та Польщі

Водночас у 2005-2014 рр. вартість цукрових буряків в євро/т коливалася в межах 26,73 (2009) та 43,57 (2005), а в 2014 році складала 30,16. У Нідерландах буряки торгувалися від 36,90 (2007) до 61,00 (2013) та на рівні 50,12 у 2014 році (Рис. 5). Очікується, що регуляторні зміни на ринку цукрових буряків знизять їх вартість на 10-50%.

Рис. 5. Вартість цукрових буряків у Польщі та Нідерландах в євро/т

Цілорічна доступність сировини. Забезпечення цілорічного постачання сировини для переробки є технологічним завданням у контексті підтримки економічного балансу такого бізнес-підприємства, як цукропереробний завод, орієнтований на виробництво етанолу. При аналізі потенціалу такого заводу в американських умовах зазначається, що поставка цукрової тростини буде можлива лише приблизно 3 місяці на рік. Це означає, що в економічному балансі необхідно враховувати й іншу рослинну сировину з приблизно такими ж технологічними параметрами, що забезпечить роботу такого типу переробного заводу протягом цілого року. Ось чому досліджувалося додаткове використання енергетичної тростини з підвищеним вмістом лігноцелюлозних сполук і солодкого сорго, двох рослин, які можна збирати в різні сезони. Розташувавши ці рослини в певній послідовності та врахувавши, як довго кожна з них може використовуватися для забезпечення безперебійної роботи біопереробного заводу, було визначено теоретичну ефективність виробництва етанолу з цукрової тростини, енергетичної тростини та солодкого сорго на рівні 3609, 12938 та 5804 кг/га відповідно