У процесі євроінтеграції Україна поступово адаптує своє законодавство до acquis ЄС, зокрема в енергетичній сфері. Впровадження біокомпонентів у моторне паливо відповідає курсу ЄС на зменшення викидів парникових газів та перехід до більш сталих і відновлюваних джерел енергії. Та чи справді біопаливо не має екологічних ризиків? І наскільки ефективно Україна впроваджує європейські підходи в цій сфері?
Оксигенати у бензинах
Основним модифікуючим фактором у складі бензинів із поліпшеними екологічними властивостями є введення кисневмісних сполук (оксигенатів). Їх додавання дає змогу знизити викиди оксиду вуглецю та підвищити детонаційну стійкість бензинів. Спирти – переважно метанол і етанол – отримали значну увагу як альтернативне пальне. Це ніби крок уперед у боротьбі за чистіше повітря. Проте головним їх недоліком є утворення альдегідів під час згорання, особливо при холодному запуску: метанол переважно утворює формальдегід, а етанол – ацетальдегід. Думаємо, сьогодні ці слова не на слуху.
Результати досліджень
Етанол в бензинах
Дослідження демонструють, що використання спиртів і їхніх сумішей із нафтопродуктами в дизельних двигунах зменшує викиди потенційно канцерогенних сажових частинок. Для сумішей бензину з етанолом понад E30 було зафіксовано зниження маси та кількості частинок PM на 30-45%.
Серед усіх оксигенатів етанол знайшов найширше застосування у світі. Етанол, подібно до метанолу, може розкладатися під час згорання з утворенням ацетальдегіду у вихлопних газах. Динамічні дослідження використання газоголю (10% етанолу в бензині) в автотранспорті показали середнє зменшення викидів вуглеводнів на 5%, зменшення викидів CO на 13% та збільшення викидів NOх на 5% (Health Effects Institute, 1996). Ті ж дослідження виявили зменшення викидів токсичних речовин – бензолу та 1,3‐бутадієну – на 12% та 6% відповідно, тоді як викиди ацетальдегіду зросли на 159%.
Інше дослідження показало, що збільшення концентрації етанолу з 5% до 10% подвоює викиди ацетальдегіду. У випадку Е50 викиди ацетальдегіду в 4,5 раза перевищують викиди Е5. При повному переході на чистий етанол викиди ацетальдегіду зростають у 35-44 рази порівняно зі звичайним бензином. Також додавання 50% етанолу до бензину призводить до збільшення викидів формальдегіду на 30-50%.
Хоча атмосферна реакційна здатність етанолу значно нижча, ніж у бензину, не було виявлено суттєвих змін у загальній фотохімічній активності (MIR) вихлопних газів від газоголю, враховуючи вищу реакційність ацетальдегіду. Випаровування вуглеводнів також зростало при додаванні етанолу до пального: добові викиди (diurnal) зросли на 30%, а викиди під час «гарячого простою» (hot soak) – на 50%.
Польові дослідження в Бразилії, де використовували суміші з 20-30% етанолу у бензині без каталітичних нейтралізаторів, виявили підвищені рівні ацетальдегіду та формальдегіду в атмосфері. Дослідження в Альбукерке (Нью-Мексико) також показали підвищені рівні альдегідів, хоча й менші, ніж у Бразилії, при використанні сумішей Е10 у автомобілях із каталізаторами. Оцінки використання Е10 у Канаді передбачають зростання озону на 0,4-1,6%, формальдегіду – на 1-5%, ацетальдегіду – на ≈2,7%, PAN – на 2,9-4,5% та зменшення CO на ≈15%.
Важливо, що альдегіди є фотохімічно активними та можуть призводити до утворення вторинних забруднювачів, таких як озон, пероксид водню, органічні кислоти (наприклад, мурашина та оцтова) та пероксиацетилнітрат (PAN). Останній може транспортувати NO2 на великі відстані, впливаючи на регіональне утворення озону. Альдегіди можуть впливати на клімат як парникові гази, а утворені аерозолі – як розсіювачі світла. Розчинені в аерозолях альдегіди також поглинають інфрачервоне випромінювання, сприяючи місцевому нагріванню атмосфери.
Метанол в дизелі
Ми вже з’ясували, що підвищення частки спиртів у паливі збільшує викиди альдегідів. Тепер розглянемо, як зростання концентрації метанолу в дизельному пальному впливає на роботу двигуна та утворення інших забруднювачів.
У одному із досліджень до дизпального додавали метанол у об’ємних пропорціях 5% - 10% - 15% з метою зменшення негативного впливу дизельних двигунів на довкілля. Суміші дизельного пального з метанолом у різних пропорціях випробовувалися на одноциліндровому дизельному двигуні з безпосереднім упорскуванням. Згідно з результатами випробувань, додавання метанолу до дизпального спричиняє максимальне зниження крутного моменту двигуна на 13,07%. З іншого боку, результати дослідження вихлопних газів показують зменшення вмісту CO та CO2 на 38,4 % та 5,04 % відповідно. Водночас підвищення температури вихлопних газів на 3,66 % спричиняє збільшення викидів NOх на 17,1 %. Також спостерігається істотне зменшення димності вихлопу на 39,37 % порівняно зі звичайним дизпальним.
Інше дослідження показало, що зі зростанням вмісту метанолу у паливі до 10%, 20%, 30% та 40% тиск у циліндрі збільшувався на 0,89%, 1,48%, 2,29% та 3,17% відповідно. Водночас потужність зменшувалась на 3,76%, 6,74%, 11,35% та 15,45%, крутний момент також зменшувався на ті ж значення. Питома ефективна витрата пального зросла на 3,77%, 6,92%, 12,33% та 17,61% відповідно. Крім того, викиди оксиду вуглецю зменшилися на 21,32%, 39,04%, 49,81% та 56,59% відповідно, а викиди сажі – на 0,25%, 8,69%, 16,81% та 25,28%.
У ще одному експерементальному дослідженні вказують, що метанол є перспективною добавкою до дизельного пального в межах від 7% до 21%, при цьому найкраща продуктивність двигуна спостерігалася за співвідношення 14%.
У межах цього дослідження аналіз відпрацьованих газів показав значне зменшення викидів CO, CO2 і СН зі збільшенням частки метанолу. Таке скорочення пояснюється високим вмістом кисню в метанолі, що сприяє повнішому згорянню пального. Крім того, високий вміст кисню в метанолі сприяє окисненню CO до менш токсичної сполуки – CO2. Високий вміст кисню також частково відповідає за зменшення викидів твердих часток (PM). Іншими чинниками зниження PM є розбавлення сірчаних сполук, наявних у дизельному паливі, а також важких вуглеводнів, що сприяють утворенню твердих часток.
З іншого боку, збільшення вмісту метанолу в паливній суміші призводить до зростання викидів оксидів азоту (NOx), головним чином через підвищення температури згоряння та надлишок кисню, що сприяють термічному утворенню NOx. Як зазначено в науковій літературі, знизити рівень цих викидів можна шляхом модифікації роботи двигуна.
Висновки
Можна підсумувати, що використання оксигенатів у паливі – це не «чарівна пігулка» для довкілля, а компроміс між зменшенням одних забруднювачів і збільшенням інших. Етанол і метанол справді здатні знижувати викиди CO, твердих часток і певних токсичних вуглеводнів, але водночас призводять до підвищення рівнів альдегідів та NOx, що мають власні шкідливі наслідки. Не треба плекати ілюзій про беззаперечну безпечність та екологічність біопалива – кожна технологія має як свої переваги, так і ризики, й потребує виваженого підходу.
Практика ЄС
З моменту введення Директиви про відновлювані джерела енергії (2009/28/ЄС) частка відновлюваних джерел енергії в енергоспоживанні ЄС зросла з 12,5% у 2010 р. до 24,5% у 2023‐му. За даними Євростату, Швеція мала найвищу частку відновлюваних джерел енергії у своєму споживанні (66,4%), випереджаючи Фінляндію (50,8%) та Данію (44,9%).
Директивою 2009/28/ЄС передбачено, що «кожна держава-член робить усе можливе для того, щоб частка енергії, видобутої з відновлюваних джерел, у всіх видах транспорту станом на 2020 р. дорівнювала щонайменше 10% від її кінцевого споживання енергії в транспортному секторі». У цілях цієї частини застосовуються такі положення:
- (a) лише бензин, дизельне пальне та біопаливо, що споживаються автомобільним та залізничним транспортом, а також електроенергія враховуються для обчислення знаменника, тобто загальної кількості енергії, спожитої в транспортному секторі в цілях першого абзацу;
- (b) всі типи виробленої з відновлюваних джерел енергії, що споживаються всіма видами транспорту, враховуються для обчислення чисельника, тобто кількості видобутої з віднов‐ люваних джерел енергії, спожитої в транспортному секторі в цілях першого абзацу (ч. 4 ст. 3).
За змістом зазначених приписів йдеться про частку енергії, видобутої з відновлюваних джерел, у загальному обсязі пального, спожитого автомобільним транспортом, представленого бензинами, дизельним пальним та біопаливом. При цьому Директива 2009/28/ЄС не встановлює жодних обмежень щодо надання на ринку видів пального, отриманого виключно з нафтової сировини.
Згідно з Європейською зеленою угодою відновлювані джерела енергії є основою переходу до чистої енергії. Вони мають низьку вартість і виробляються всередині ЄС, що зменшує залежність Європи від зовнішніх постачальників. Саме тому рівень амбіцій ЄС щодо збільшення частки відновлюваних джерел енергії в енергетичному балансі та заходи, необхідні для досягнення цієї мети, регулярно переглядаються.
Директива 2018/2001/ЄС з метою впровадження використання відновлюваної енергії в транспортний сектор передбачає встановлення кожною державою-членом зобов’язання для постачальників пального забезпечити, щоб частка відновлюваної енергії в кінцевому споживанні енергії в транспортному секторі становила щонайменше 14% до 2030 р.
З огляду на необхідність прискорення переходу ЄС на чисту енергію у 2023 р. було переглянуто Директиву про відновлювані джерела енергії 2018/2001/ЄС (RED II).
Директива ЄС про внесення змін 2023/2413 (RED III) набрала чинності 20 листопада 2023 р. Вона встановлює загальну ціль щодо використання відновлюваних джерел енергії на рівні не менше 42,5% до 2030 р., яка є обов’язковою на рівні ЄС, але Союз прагне досягти 45%.
З турботою про землі
У п. 80 преамбули Директиви 2018/2001/ЄС визначено, що для підготовки до переходу на передові види біопалива та мінімізації загального прямого й непрямого впливу змін у землекористуванні доцільно обмежити кількість біопалива та біорідин, вироблених із зернових та інших багатих на крохмаль культур, цукрових і олійних культур, яку можна зарахувати до досягнення цілей, встановлених у цій Директиві, без обмеження загальної можливості використання таких видів біопалива і біорідин.
Виробництво сільськогосподарської сировини для біопалива, біорідин і біомасового палива, а також стимули, передбачені цією Директивою для сприяння їх використанню, не повинні призводити до заохочення знищення біорізноманітних земель (п. 96).
Сільськогосподарську сировину для виробництва біопалива, біорідин та палива з біомаси слід вирощувати із застосуванням практик, що відповідають вимогам захисту якості ґрунту та вмісту органічного вуглецю в ґрунті (п. 100).
Таким чином ЄС не лише стимулює використання біопалива, а й передбачає норми про збереження ґрунтів і екосистем.
Що робить Україна?
Законом України № 3769-IX від 04.06.2024 (далі – Закон) була запроваджена норма про нормативно визначену обов’язкову частку вмісту рідкого біопалива (біокомпонентів) в обсягах бензинів автомобільних у розмірі не менш як 5% (об’ємних), за абсолютної похибки визначення ±1%.
Водночас обрахунок вказаного показника здійснюється лише щодо бензинів автомобільних, що відпускаються з місць виробництва пального, місць оптової торгівлі пальним та місць роздрібної торгівлі пальним, що не повною мірою відповідає Директиві 2009/28/ЄС. Натомість Директивою 2009/28/ЄС визначається структура транспортного палива, представлена окремо бензином, дизельним пальним та різновидами біопалива. Отже, з прийняттям цього Закону законодавство України у сфері альтернативних видів палива стало наближене до acquis ЄС, зокрема Директиви 2009/28/ЄС, лише частково.
Крім того, Комітет з питань інтеграції України до Європейського Союзу ще на стадії розгляду проєкту Закону зробив висновок, вказавши, що проєкт Закону за своєю метою не суперечить міжнародно-правовим зобов’язанням України, але водночас потребує суттєвого доопрацювання з урахуванням положень Директиви 2009/28/ЄС. Зауважимо, що «не суперечити» ще не означає «відповідати». Таким чином, імплементації положень Директиви 2009/28/ЄС, як це було зазначено у пояснювальній записці до проєкту Закону, так і не відбулося.
Запровадження обов’язкової норми додавання біоетанолу до бензинів супроводжувалося численними заявами та очікуваннями щодо стимулювання розвитку української агропереробної промисловості. Проте сподівання самі по собі не породжують бажаних наслідків. Зміна структури експорту – з переважно сировинної на продукцію з доданою вартістю – не станеться автоматично лише через обов’язкову наявність 5% біоетанолу у пальному.
До того ж не варто розраховувати на те, що ЄС самостійно зацікавлений у розвитку української біоенергетики. Євросоюз послідовно розбудовує власну модель сталого розвитку, орієнтовану на внутрішні виробничі ланцюги, і жорстко контролює екологічні критерії. Україна ж, у нинішньому вигляді, розглядається насамперед як джерело дешевої сировини. Тому розвиток біоенергетики у нас не може ґрунтуватися лише на зовнішньому попиті чи очікуваннях експорту в ЄС.
Орієнтація виключно на збільшення вирощування кукурудзи для виробництва спирту є хибною і може призвести до ще більшого виснаження ґрунтів, монокультуризації агровиробництва та залежності від нестабільних світових ринків.
Загальновідомо, що актуальною проблемою сьогодення залишається відновлення родючості ґрунтів. Спостерігається зниження екологічної стійкості аграрних ландшафтів, надмірне розорювання угідь, порушення оптимальної структури посівних площ та недостатнє внесення як органічних, так і мінеральних добрив. Це призводить до дегуміфікації ґрунтів. Крім того, високий рівень розораності сільськогосподарських земель і нехтування ґрунтозахисними заходами сприяють активізації ерозійних процесів. У результаті в останні роки спостерігається суттєве зниження як природної, так і економічної родючості земель.
З огляду на показову завзятість держави в євроінтеграційних амбіціях та нестримне прагнення влади відповідати європейським стандартам стратегічно важливо зосередитися не на нарощуванні експорту сировини, а на створенні біотехнологічних кластерів, розвитку науково-дослідної бази та впровадженні сучасних технологій переробки сільськогосподарських залишків і нехарчової біомаси – зокрема соломи, деревних відходів, органічного сміття – у, як приклад, біоетанол другого покоління.
Саме державна підтримка, завзятість та інвестиції в інфраструктуру, інновації, логістику, людський капітал і нормативну базу дадуть змогу перетворити біоенергетику на один із драйверів сталого економічного зростання. Інакше Україна так і залишиться лише постачальником дешевого зерна та олії, споживачем імпортного біопалива, виготовленого з іноземних біокомпонентів, і не зможе скористатися перевагами глобального переходу до відновлюваних джерел енергії.
Використані наукові праці:
1. Gaffney, J. S. (2009). The impacts of combustion emissions on air quality and climate: From coal to biofuels and beyond. Atmospheric Environment, 43(1), 23-36. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2008.09.016
2. Bielaczyc, P. (2012). GC-MS/FID analysis of aldehyde and hydrocarbon emissions from exhaust gases of a spark ignition engine fueled with differ‐ ent ethanol-gasoline blends. Combustion Engines, (149), 2-9. https://doi.org/10.19206/CE-117038
3. Magnusson, R., Nilsson, C., & Andersson, B. (2002). Emissions of aldehydes and ketones from a two-stroke engine using ethanol and ethanol-blended gasoline as fuel. Environmental Science & Technology, 36(8), 1656-1664. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/es010262g
4. Berber, A. (2019). The effect of diesel-methanol blends with volumetric proportions on the performance and emissions of a diesel engine. Mechanics of Fluids and Gases, 25(5). https://doi.org/10.5755/j01.mech.25.5.22954
5. Zhang, L., Huang, Z., Zhang, W., Liu, B., Wang, X., & Zhou, H. (2021). Effects of different mixture ratios of methanol–diesel on the performance enhancement and emission reduction for a diesel engine. Processes, 9(8), 1366. https://doi.org/10.3390/pr9081366
6. Husseina, H. Q., Alalwan, H. A., Malik, M. M., & Mohammed, M. F. (2023). Identifying the impact of methanol–diesel fuel on the environment using a four-stroke CI engine. Journal of Applied Engineering Science, 21(1), 188–193. https://doi.org/10.5937/jaes0-39809
Стаття підготовлена та написана для липневого випуску журналу «НафтоРинок», з доповненнями.
