Economic and environmental evaluation of biofuel production process in sugar industry in the European Union

Abstract

With the Common Agricultural Policy (CAP) and the sugar reform, European Commission has encouraged reduction of domestic sugar production in less competitive member countries. After that Greek sugar quota is reduced by 50%, while the Hellenic Sugar Industry (HSI) has chosen to reduce sugar production by 160 thousand tons by converting two of the five sugar factories in ethanol plants. On this track, this study aims to answer the question, whether the conversion of sugar factory to an ethanol production plant is economically viable and environmentally favorable, considering the existing facilities and equipment of sugar plant and farming practice of the surrounding area under current agricultural and environmental policy constraints. A partial equilibrium micro-economic model of regional supply in the arable farming system of Thessaly was coupled to industrial processing sub-models of bio-ethanol production from beets and grains. The partial equilibrium agricultural sector modelling and engineering approaches, applied to the industrial model, are jointly exploited to determine the appropriate technical configuration, size of bio-ethanol plant and also raw material supply. Thus industry aims at maximizing profits whereas the most efficient farmers will provide beet and grain at the lowest possible prices. The environmental performance of bio-fuel production is assessed for life cycle. Results show that the average cost ranges between 800 and 1000 euros per tonne of ethanol. The feedstock cost has a positive slope amounting almost at 50% of total cost for small plants but this element increases to 60% for highest capacity (120000t) plant. Given this reason, various changes in agricultural policy have a significant impact on the cost of ethanol. Agricultural policies for decoupling subsidies from production are in favor of cultivation in biomass for energy purposes. On the other hand, the increase in subsidy for cotton introduced in 2009 makes it more competitive and therefore the opportunity cost of land for energy crops has increases resulted in an increasing ethanol costs about 50 euros per ton, and shifts the minimum cost plant capacity point from 50 thousand tons to 25 thousand tons. The environmental benefit of emissions reduction varies depending on the range limits considered for life cycle analysis. When indirect land use change has taking into account, environmental outcome improves and reducing costs per unit of emission reduction. This ranges from 100 to 250 euros per ton and vary depending on the technical characteristics and capacity of the conversion plant.

Η μεταρρύθμιση της Κοινής Ευρωπαϊκής Αγροτικής Πολιτικής (ΚΑΠ) ενθάρρυνε τη μείωση της παραγόμενης ποσότητας ζάχαρης στις λιγότερο ανταγωνιστικές χώρες μέλη. Η ποσόστωση για την Ελλάδα μειώθηκε στο 50%, ενώ η Ελληνική Βιομηχανία Ζάχαρης επέλεξε να μειώσει την παραγωγή κατά 160 χιλ. τόνους με τη μετατροπή δύο εκ των πέντε συνολικά εργοστασίων παραγωγής ζάχαρης σε μονάδες παραγωγής αιθανόλης. Η διατριβή αυτή επιχείρησε να απαντήσει το ερώτημα αν η μετατροπή σε μονάδα παραγωγής βιοαιθανόλης είναι οικονομικά βιώσιμη και περιβαλλοντικά ενδιαφέρουσα, μελετώντας την κατάσταση τόσο στο βιομηχανικό στάδιο όσο και στο γεωργικό τομέα. Μικρο-οικονομικό υπόδειγμα μερικής ισορροπίας της περιφερειακής προσφοράς από την αροτραία γεωργία της Θεσσαλίας κατασκευάστηκε σε συνδυασμό με τη βιομηχανική μεταποίηση και παραγωγή βιοαιθανόλης από τεύτλα και τα δημητριακά. Τα επιμέρους υποδείγματα συναρθρώθηκαν σε ενιαία μορφή για να προσδιοριστεί η καλύτερη τεχνική και η βέλτιστη δυναμικότητα της μονάδας παραγωγής, και ταυτόχρονα το είδος και οι ποσότητες πρώτης ύλης. Η βιομηχανία επιδιώκει τη μεγιστοποίηση του κέρδους και την παραγωγή με το ελάχιστο κόστος, δηλαδή τη βέλτιστη οργάνωση της παραγωγής και την προμήθεια πρώτης ύλης στην χαμηλότερη δυνατή τιμή, ενώ οι γεωργοί να μεγιστοποιήσουν το εισόδημα τους. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το μέσο κόστος κυμαίνεται μεταξύ 800 και 1000 ευρώ ανά τόνο αιθανόλης. Το κόστος της πρώτης ύλης ανέρχεται σχεδόν στο 50% του συνολικού κόστους και αυξάνεται σε 60% για μεγάλη δυναμικότητα (120000t). Έτσι επιμέρους αλλαγές στην αγροτική πολιτική έχουν σημαντική επίπτωση στο κόστος της αιθανόλης. Συγκεκριμένα, η αποσύνδεση των επιδοτήσεων από την παραγωγή λειτουργεί υπέρ της καλλιέργειας σε βιομάζα για ενεργειακούς σκοπούς. Αντίθετα, η αύξηση της δεσμευμένης ενίσχυσης στο βαμβάκι που εφαρμόστηκε το 2009 καθιστώντας το πιο ανταγωνιστικό συνεπώς αυξάνει το κόστος ευκαιρίας της γης που έχει αποτέλεσμα την αύξηση του κόστους αιθανόλης κατά περίπου 50 ευρώ τον τόνο και μετατοπίζει το σημείο ελάχιστου κόστους από τη δυναμικότητα εργοστασίου 50 χιλ. τόνων σε 25 χιλ. τόνους. Το περιβαλλοντικό όφελος από τη μείωση των εκπομπών διοξειδίου διαφοροποιείται ανάλογα με το εύρος των ορίων του συστήματος στο οποίο βασίζεται η ανάλυση κύκλου ζωής. Όταν ληφθούν υπόψη οι έμμεσες αλλαγές χρήσεων γης τα περιβαλλοντικά αποτελέσματα βελτιώνονται και μειώνεται το κόστος ανά μονάδα μείωσης εκπομπών. Αυτό κυμαίνεται από 100 έως 250 ευρώ και διαφοροποιείται ανάλογα με τα τεχνικά χαρακτηριστικά και τη δυναμικότητα του εργοστασίου μετατροπής.