Біоенергоконверсія — це об’єктивна реальність сьогодення. Актуальним напрямом розвитку аграрної сфери є виробництво енергії з біомаси, яка дає близько 2 млрд. тонн умовного палива на рік, що становить майже 14% від загального світового споживання первинних енергоносіїв. Слід зазначити, що понад 70% поновлюваних джерел енергії походять із біомаси.Широке використання альтернативних палив біологічного походження сприяє скороченню шкідливого впливу емісій викопних палив на навколишнє середовище. А тому запроваджувати виробництво біопалив необхідно з урахуванням екологічної обстановки конкретних географічних територій. Використовуючи первинну і вторинну сировину сільського господарства та лісівництва, потрібно звести до мінімуму вплив на природні екологічні цикли.
Стабільне виробництво сільськогосподарської продукції можливе лише за умови гарантованого забезпечення підприємств агропромислового комплексу паливно-енергетичними ресурсами. Щорічно агропромисловий комплекс споживає близько 4,2 млрд. куб. метрів природного газу, 4,98 млрд. кВт·год електроенергії та 1,7 млн. т світлих нафтопродуктів. Протягом останніх п’яти років вартість електричної і теплової енергії, природного газу, пального та інших основних видів енергоносіїв зросла в 1,5—2 рази. Тому для АПК питання зменшення споживання паливно-енергетичних ресурсів за рахунок впровадження енергоощадних технологій та альтернативних видів палива є надзвичайно актуальним. Аграрний сектор, зважаючи на потребу в самозабезпеченні біологічними енергетичними ресурсами, має для цього величезні потенційні можливості, але відстає в темпах розвитку біоенергоконверсії від країн ЄС.
Ефективність переробки біомаси в енергетичну продукцію досягається лише за раціональних параметрів технологічних процесів і машин для АПК, що здійснюють конверсію біосировини. Кожний вид біомаси здатний дати широкий спектр різноманітних продуктів. Наприклад, при виробництві дизельного біопалива від переробки відходів насіння олійних культур (соломи, макухи та лузги) можна отримати ряд продуктів, які мають комерційну цінність. Навіть просте спалювання соломи у твердопаливних котлах дає змогу отримати теплоту, а попіл повертають у ґрунт як добриво. Виробництво і застосування біогазу та супутніх із ним органічних добрив високої якості, що виробляються з ресурсів вторинної енергетичної сільськогосподарської біосировини, створюють умови для утилізації на сучасному рівні всіх біологічних відходів агропромислового виробництва. Новітню модель АПК, що включає на рівних правах біоенергетику як одну зі своїх основних складових галузей, наведено нижче.
За останнє десятиліття в Україні створена унікальна колекція енергетичних рослин, яка нараховує 354 таксонів, із них 140 — олійні, 72 — цукроносні, а 142 — нові культури для виробництва твердого біопалива та біогазу. При цьому досліджено закономірності накопичення цукрів у різних сортів та видів цукроносних рослин, насамперед у таких альтернативних культур для отримання біоетанолу, як цукрове сорго та пальчасте просо. За допомогою методів геномного аналізу ідентифіковано ген цитокініноксидази пальчастого проса, відповідальний за підвищений приріст біомаси в сортів, перспективних для отримання біоетанолу, розроблено біотехнологічні підходи для покращення технологічних показників найважливіших цукроносних культур.
Відібрано сорти перспективних в умовах України видів олійних культур для отримання біодизелю, а саме: ріпаку, суріпиці, гірчиці, рижію та редьки олійної. З них авторами виведено низку високопродуктивних сортів енергетичних культур, які (озимий ріпак, суріпиця та рижій) містять у насінні від 40 до 52% олії (ліпідів). Вони вирізняються високою пластичністю та продуктивністю і надійно забезпечують (на відміну від імпортних сортів) урожай насіння на рівні 2,5—3,0 т/га. Вихід олії з одного гектара залежно від сорту становить від 800 до 1000 кг. Опрацьовані шляхи покращення жирнокислотного складу олій у цих культур за допомогою методів класичної генетики та біотехнології.
Створено сорти нових багаторічних енергетичних культур для виробництва твердого біопалива та розроблено технології їх вирощування. Серед перспективних енергетичних рослин слід виділити такі, як шавнат (сорти Біекор-1 і Румекс ОК-2), сіда багаторічна (сорт Вірджинія), гірчак сахалінський, сильфій пронизанолистий. Вони продуктивно використовуються 10—20 років та щорічно забезпечують 10—20 т/га абсолютно сухої речовини. Як енергетичні ці культури пройшли успішні випробування в Чехії та Польщі (щавнат у 2005 р. зареєстровано в ЄС як біоенергетичну рослину). Вони забезпечують урожай енергії нетто в середньому на рівні 150—160 ГДж/га.
Основними науковими досягненнями в інтродукції і акліматизації нових рослин, селекції і впровадженні енергетичних культур у виробництво стали встановлення біологічних особливостей, адаптивного та продуктивного потенціалу перспективних енергетичних інтродуцентів, а також створення на цій основі високопродуктивних, адаптованих до екосистем України, сортів інтродукованих культур; розробка 15 новітніх технологій вирощування та використання сортів малопоширених енергетичних культур у сільському господарстві та відбір генофонду для виведення нових сортів, формування унікальної колекції енергетичних рослин із різних ботаніко-географічних регіонів світу, що є надійною базою для створення нових культур та гібридів в цільовому розвитку селекційних досліджень.
Новітні технології біоенергоконверсії для отримання біопалив базуються на проведених в останні 10—15 років фундаментальних і прикладних дослідженнях процесів трансформації органічних речовин. Розроблено теоретичні основи спалювання масиву пресованої соломи в струмені повітря, які базуються на положеннях теорій горіння, аеродинаміки затоплених струменів та аеродинаміки вихрових потоків. Швидкості вигорання водню, оксиду вуглецю та метану за достатньої концентрації кисню описуються кінетичними рівняннями, що мають пропорційну залежність від концентрацій паливних компонентів та експоненційну залежність від рівня температур у топці. На основі виконаних теоретичних досліджень в Інституті технічної теплофізики НАН України (ІТТФ НАНУ) розроблена новітня технологія спалювання низькоякісних видів палива (високозольних, підвищеної вологості до 50%, з нерівномірним фракційним складом) у топках із ретортною подачею палива. Технологія реалізована в експериментальному котлі потужністю 100 кВт. Як паливо використовувались відходи деревини, тирса, а після модифікації котла — подрібнена солома, малі тюки соломи, стебла кукурудзи, торф. Основною перевагою новітньої технології є можливість екологічно безпечного використання відходів деревини високої вологості при тому, що типові котли працюють ефективно за вологості біопалива не вище 35%.
Важливим чинником якості твердого біопалива є технологія приготування біомаси до спалювання. Вона обумовлює конструктивно-технологічне виконання теплотехнічного обладнання, істотно впливає на економічні показники його роботи. Науковцями розроблено технології збирання і переробки біомаси. В них використовуються спеціалізовані установки з гранулювання і брикетування біомаси. Результати розробки проблем енергетичного використання біопалив із рослинної маси втілилися в створенні нового покоління технологій та опалювальних пристроїв, що мають за оптимального режиму роботи коефіцієнт корисної дії у межах від 80 до 90%.
Органічні сполуки кисню — спирти та ефіри, одержані з біомаси, — широко застосовуються у чистому вигляді або як компоненти сумішей з традиційним паливом для спалення у двигунах внутрішнього згоряння та рідкопаливних котлах. Науковцями Інституту харчової біотехнології та геноміки отримано ряд фундаментальних результатів, що дозволяють зрозуміти механізм ферментативних перетворень біополімерів рослинної сировини. Целюлоза та геміцелюлоза трансформуються в прості цукри, що є субстратами для мікроорганізмів-продуцентів одноатомних спиртів. Подальше виділення та концентрування цих спиртів дозволяють отримувати компоненти рідких біопалив. Вивчені механізми і встановлені межі резистентності клітин продуцентів до високих концентрацій етанолу та бутанолу. Визначені особливості споживання компонентів складних субстратів за їх мікробіологічної трансформації в цільові продукти. Ці роботи дозволили визначити напрямки технологічних розробок і реалізувати їх на практиці.
В Україні програми з виробництва біоетанолу паливного призначення почали здійснювати з кінця 90-х років минулого століття, з перепрофілювання спиртових заводів, що втратили ринки збуту харчового спирту. Науковцями Інституту харчової біотехнології та геноміки НАН України створені технології виробництва біосинтетичних паливних компонентів на основі етанолу з поновлюваної рослинної сировини. Розроблені концептуальні засади формування агропромислових комплексів із переробкою рослинної сировини в рідкі біопалива й використанням побічних продуктів для енергетичного виробництва. Запропоновано технології етерифікації рослинних олій етанолом і застосування етилових естерів жирних кислот для отримання паливних композицій для дизельних двигунів із біоетанолом та вуглеводневими компонентами.
На основі теорії нечітких множин і нечіткої логіки вперше розроблено модель адаптивного технологічного процесу етерифікації олій розчином лужного каталізатора в метанолі, яка дозволяє визначати очікувані показники промислового виробництва метилових ефірів жирних кислот залежно від характеристик сировини та технологічних режимів реакторів періодичної та безперервної дії.
Істотно розширені й деталізовані наукові основи зброджування органічних матеріалів, базовані на положеннях теорії розпаду органічної речовини в анаеробних умовах, створених штучно або існуючих у природних середовищах (полігони ТПВ). Механізм розпаду органічної речовини в анаеробних реакторах реалізують через протікання чотирьох, пов’язаних між собою, стадій. Ефективність анаеробного зброджування оцінюється за ступенем розпаду органічної речовини, виходом та складом біогазу, які визначаються хімічним складом вихідної органічної субстанції, що подається в реакційне середовище, а також основними технологічними параметрами процесу, такими, як доза завантаження біореактора, температура в реакційному середовищі, концентрація органічної речовини, тощо. Зелена маса рослин, що у своєму складі має відносно вищий вміст органічного вуглецю, є однією з перспективних органічних субстанцій, додавання якої дозволяє інтенсифікувати процес анаеробного зброджування гною, гноївки, посліду тощо.
Протягом останніх 5 років фахівцями установ, що підготували монографію, на різних режимах і живильних субстратах агропромислового і комунального походження опрацьовано технології виробництва біогазу та рідких органічних добрив високої якості. Досліджено процеси метаноутворення при переробці моносубстратів та полікомпонентних органічних сумішей. Проведена серія експериментальних досліджень для визначення ефективності сумісного анаеробного зброджування гноївки з силосом кукурудзи, сінажем, відходами овочів та фруктів за температурних режимів 22 плюс-мінус 1 градус Цельсія, 35 плюс-мінус 1 градус Цельсія та 53 плюс-мінус 1 градус Цельсія. Оцінено вихід біогазу, склад біогазу (CH4, CO2, O2, H2S), ступінь розпаду органіки для кожного субстрату та їхніх сумішей.
Виконані пілотні проекти з оцінки потенціалу та моделювання газоутворення на вітчизняних полігонах твердих побутових відходів (ТПВ). Кількісну оцінку потенціалу біогазу на полігонах ТПВ проведено на основі даних, отриманих при проведенні коротко- та довготривалих насосних тестів на типових полігонах у різних регіонах України.
За підтримки Міністерства аграрної політики України, інших відомств та організацій здійснюється будівництво та реконструкція цілого ряду об’єктів із виробництва біодизелю, біоетанолу, біогазу. Запропоновані технологічні рішення дозволяють скоротити енергетичні витрати на виробництво біопалив, як це досягнуто в кращих світових аналогів. Окремі концептуальні рішення, представлені в монографії, дають можливість підприємствам із виробництва біопалив повністю перейти на енергетичне самозабезпечення за рахунок використання відходів біомаси як палива.
Зусиллями науковців, конструкторів та машинобудівників в Україні розроблено та освоєно виробництво новітнього комплексу технічних засобів біоенергоконверсії. Авторами розроблено й поставлено на виробництво типорозмірний ряд котлів і теплогенераторів потужністю від 25 до 800 кВт, що працюють на біомасі, та реалізовано кілька пілотних проектів, починаючи з введення в експлуатацію першого в Україні соломоспалюючого котла потужністю 1 МВт у с. Дрозди.
Розроблено типорозмірні ряди технологічного обладнання з виробництва дизельного біопалива продуктивністю від однієї до десяти тонн на добу. При модульній комплектації ліній технологію з «холодним» способом віджиму олії рекомендовано застосовувати за обсягів виробництва до 30000 т/рік дизельного біопалива. Введено в експлуатацію перший пілотний завод із продукування біодизелю навчально-наукового призначення. Обладнання заводу успішно пройшло державні приймальні випробування в УкрНДІПВТ ім. Л. Погорілого та поставлене на виробництво на вітчизняних підприємствах.
Налагоджено виробництво біосинтетичного компоненту рідких біопалив «Альтернативний біосинтетичний оксигенний компонент-1» (АБОК-1), «Оксигенат моторного палива альтернативний» (ОМП-А) на основі біоетанолу на Будильському експериментальному заводі Держкоменергозбереження України та підприємстві ЗАТ «Еко-Енергія» Сумської області. Доведено до споживача випуск комплексних паливних компонентів на основі біоетанолу та його похідних на Лохвицькому спиртокомбінаті та підприємстві ЗАТ «Еко-Енергія», а також біопалива типу «БІО-100» для двигунів з іскровим запаленням на Лохвицькому спиртокомбінаті. Впроваджено новітні енергоефективні рішення на високопотужних об’єктах — заводах ТОВ «Корон-Агро» продуктивністю 100 тис. тонн біоетанолу на рік із кукурудзи в м. Золотоноша Черкаської області та ТОВ «АМГ-Агрохолдинг» продуктивністю 90 тис. тонн біоетанолу на рік у м. Чернівці тощо.
Українськими науковцями спільно з австрійськими колегами з Університету BOKU і компаній BauerTech й Heat Bіoenergy завершено проектні роботи зі створення біогазової установки нового покоління для виробництва біогазу й органічних добрив при зброджуванні складних субстратів. Установка перероблятиме щорічно близько 17—18 тисяч тонн багатокомпонентного субстрату й вироблятиме щодоби до 3500 м3 біогазу з вмістом метану на рівні 50—60%. Крім того, пілотна біогазова установка щорічно вироблятиме 3,3 твердих і 14,5 тисячі тонн рідких органічних добрив високої якості. Фахівці з ІТТФ НАНУ реалізували проекти першої промислової біогазової установки на свинофермі (15000 свиней) ВАТ «Агро-Овен» в Дніпропетровській області, систем збору та утилізації біогазу на Хмельницькому і Приморському полігонах ТПВ. Введені в експлуатацію аналогічні системи на полігонах твердих побутових відходів Луганська, Алушти та Ялти.
Розроблене вітчизняне обладнання за технологічними показниками та технічними характеристиками відповідає рівню кращих світових зразків, а за ціною в 2,5—3 рази дешевше. Впровадження новітніх технологій біоенергоконверсії сприяє створенню нових робочих місць (переважно в сільській місцевості), розвитку місцевої економіки, приводить до значного екологічного ефекту (за рахунок зниження викидів парникових газів, а також викидів сірки).
Для стрімкого розвитку біоенергоконверсії в агропромисловій галузі сьогодні доцільно стати на шлях реалізації інноваційних проектів, які можна відповідним чином забезпечити сучасним обладнанням, що виготовляють наші машинобудівні заводи.
Я. Блюм, академік НАН України, доктор біологічних наук, професор;
О. Старинець, завідувач секретаріату Комітету Верховної Ради України з питань аграрної політики та земельних відносин, народний депутат ІІІ скликання;
Г. Заболотний, голова Вінницької обласної ради, професор.
На знімку: Модель новітнього агропромислового виробництва.
