Spojené Státy produkuje více než 70 milionů tun organického odpadu každý rok. Zatímco snížení source a krmení hladové jsou nezbytné priority pro snižování zbytečné plýtvání potravinami, organické odpady jsou četné a rozšířit na non-jedlé zdrojů, včetně statkových hnojiv, zemědělství, odpady, odpadní vody a odpady, nepoživatelné jídlo. Pokud jsou tyto odpady nesprávně nakládány, představují významné riziko pro životní prostředí a veřejné zdraví. Patogeny, chemikálie, antibiotika a živiny přítomné v odpadech mohou kontaminovat povrchové a podzemní vody odtokem nebo vyluhováním do půdy. Přebytečné živiny způsobují květy řas, poškozují divokou zvěř a infikují pitnou vodu. Pitná voda s vysokým obsahem dusičnanů je spojena s hypertyreózou a syndromem modrého dítěte. Obecní vodovody zpracovávají pitnou vodu k odstranění dusičnanů,ale je to nákladné.

organické odpady také vytvářejí velké množství metanu, když se rozkládají. Metan je silný skleníkový plyn, který zachycuje teplo v atmosféře účinněji než oxid uhličitý. Vzhledem ke stejnému množství metanu a oxidu uhličitého absorbuje metan za 20 let 86krát více tepla než oxid uhličitý. Za účelem snížení emisí skleníkových plynů a rizika znečištění vodních cest lze organický odpad odstranit a použít k výrobě bioplynu, obnovitelného zdroje energie. Při přemísťování fosilních paliv vytváří bioplyn další snížení emisí, což někdy vede k uhlíkovým negativním systémům. I přes četné potenciální přínosy ekologické využívání odpadů, včetně ochrany životního prostředí, investice a vytváření pracovních míst, Spojené Státy v současné době pouze 2 200 provozní bioplynové systémy, které představují méně než 20 procent z celkového potenciálu.

Úvod

co je bioplyn?

Bioplyn se vyrábí po organických materiálů (rostlinných a živočišných výrobků) jsou v členění podle bakterií v prostředí bez kyslíku, proces zvaný anaerobní digesce. Bioplynové systémy používají anaerobní trávení k recyklaci těchto organických materiálů a přeměňují je na bioplyn, který obsahuje jak energii (plyn), tak cenné půdní produkty (kapaliny a pevné látky).

Obrázek 1: proces Anaerobní digesce (Grafické Sara Tanigawa, EESI).

Anaerobní digesce již vyskytuje v přírodě, na skládkách, a některé statkových hnojiv systémy řízení, ale mohou být optimalizovány, kontrolovat a udržovat pomocí anaerobní vyhnívací nádrži. Bioplyn obsahuje zhruba 50-70 procent metanu, 30-40 procent oxidu uhličitého a stopové množství dalších plynů. Kapalný a pevný strávený materiál, nazývaný digestát, se často používá jako změna půdy.

Obrázek 2: Provozní bioplynové systémy v kontinentální Spojené Státy (s Laskavým svolením: American Bioplynu Rady)

Některé organické odpady jsou více obtížné prolomit ve fermentoru než ostatní. Potravinový odpad, tuky, oleje, a tuky jsou nejjednodušší organické odpady rozebrat, zatímco živočišné odpady bývá nejtěžší. Míchání více odpadů ve stejném digestoři, označované jako společné trávení, může pomoci zvýšit výnosy bioplynu. Teplejší digestory, obvykle udržované mezi 30 až 38 stupni Celsia (86-100 Fahrenheita), mohou také pomoci odpadům rychleji se rozkládat.

po zachycení bioplynu může produkovat teplo a elektřinu pro použití v motorech, mikroturbinách a palivových článcích. Bioplyn lze také upgradovat na biometan, nazývaný také obnovitelný zemní plyn nebo RNG, a vstřikovat do potrubí na zemní plyn nebo použít jako palivo pro vozidla.

Spojené státy mají v současné době 2 200 provozovaných bioplynových systémů ve všech 50 státech a mají potenciál přidat více než 13 500 nových systémů.

výhody bioplynu

skladovaný bioplyn může poskytnout čistý, obnovitelný a spolehlivý zdroj energie základního zatížení místo uhlí nebo zemního plynu. Baseload power je důsledně vyráběn tak, aby splňoval minimální nároky na výkon; obnovitelná základní energie může doplňovat přerušovanější obnovitelné zdroje. Podobně jako zemní plyn lze bioplyn použít také jako zdroj špičkového výkonu,který lze rychle zvýšit. Pomocí uložených bioplynu omezuje množství metanu uvolněného do atmosféry a snižuje závislost na fosilních palivech. Snížení emisí metanu získané z klepnutím veškerý potenciál bioplynu ve Spojených Státech, se bude rovnat roční emise 800 000 až 11 milionů osobních vozidel. Založené na odpadu-k-kola posouzení, stlačený zemní plyn pocházející z bioplynu snižuje emise skleníkových plynů až o 91 procent oproti ropný benzín.

New York City vynakládá ročně zhruba 400 milionů dolarů na přepravu 14 milionů tun odpadu do spaloven a skládek. Přesměrování, které odpad k anaerobní digesci by zase náklady na příležitost, generování příjmů z výroby energie a vedlejších produktů.

zdroj: New York Times, 2. Června 2017

kromě přínosů pro klima může anaerobní trávení snížit náklady spojené s sanací odpadu a také prospět místním ekonomikám. Vybudování 13 500 potenciálních bioplynových systémů ve Spojených státech by mohlo přidat více než 335 000 dočasných stavebních pracovních míst a 23 000 stálých pracovních míst. Anaerobní trávení také snižuje pachy, patogeny a riziko znečištění vody z živočišného odpadu. Digestát, materiál zbývající po procesu trávení, lze použít nebo prodat jako hnojivo, což snižuje potřebu chemických hnojiv. Digestát také může poskytnout dodatečné příjmy, pokud se prodává jako podestýlka pro hospodářská zvířata nebo změny půdy.

bioplynové suroviny

potravinový odpad

přibližně 30 procent celosvětové zásoby potravin je každoročně ztraceno nebo promarněno. Jen v roce 2010 vyprodukovaly Spojené státy zhruba 133 miliard liber (66,5 milionu tun) potravinového odpadu, především z rezidenčního a komerčního potravinářského sektoru. K řešení tohoto odpadu, EPA Jídlo Obnovení Hierarchie upřednostňuje zdroj snížení první, pak pomocí extra jídlo pro řešení hladu; krmiv nebo výroba energie jsou nižší prioritu. Potraviny by měly být posílány na skládky jako poslední možnost. Bohužel potravinový odpad tvoří 21 procent skládek v USA, přičemž pouze 5 procent potravinového odpadu je recyklováno do půdního zlepšovače nebo hnojiva. Většina tohoto odpadu je posílána na skládky, kde produkuje metan, když se rozkládá. Zatímco skládky mohou zachytit výsledný bioplyn, skládkování organických odpadů neposkytuje žádnou příležitost k recyklaci živin ze zdrojového organického materiálu. V roce 2015 si EPA a USDA stanovily cíle snížit do roku 2030 množství potravinového odpadu zasílaného na skládky o 50 procent. Ale i když je tento cíl splněn, bude nadbytečné jídlo, které bude třeba recyklovat. Energetický potenciál je významný. Jako jediný příklad, se 100 tunami potravinového odpadu denně, anaerobní trávení může generovat dostatek energie k napájení 800 až 1400 domácností každý rok. Tuk, olej a tuk shromážděné z potravinářského průmyslu mohou být také přidány do anaerobního digestoru, aby se zvýšila produkce bioplynu.

skládkový plyn

skládky jsou třetím největším zdrojem emisí metanu souvisejících s člověkem ve Spojených státech. Skládky obsahují stejné anaerobní bakterie přítomny ve fermentoru, které rozkládají organické materiály na výrobu bioplynu, v tomto případě skládkového plynu (LFG). Místo toho, aby LFG unikl do atmosféry, může být shromažďován a používán jako energie. V současné době projekty LFG po celých Spojených státech generují asi 17 miliard kilowatthodin elektřiny a každý rok dodávají 98 miliard kubických stop LFG do plynovodů zemního plynu nebo přímo koncovým uživatelům. Pro srovnání, průměrný americký domov v roce 2015 spotřeboval asi 10 812 kilowatthodin elektřiny ročně.

Živočišné Odpady

Obrázek 3: Aktuální počet provozních a potenciál bioplynu systémy ve Spojených Státech výběrem vstupní suroviny. EPA

1000 liber dojnice produkuje v průměru 80 liber hnoje každý den. Tento hnůj je často uložen v zásobnících před aplikací na pole. Nejen, že hnůj produkuje metan, jak se rozkládá, může přispívat k přebytku živin ve vodních cestách. V roce 2015, statkových hnojiv řízení přispěl asi 10 procent všech emisí metanu ve Spojených Státech, ale pouze 3% živočišné odpady recyklovány anaerobních vyhnívacích nádržích. Když se k výrobě bioplynu používá hnůj hospodářských zvířat, anaerobní trávení může snížit emise skleníkových plynů, snížit pachy a snížit až 99 procent patogenů hnoje. EPA odhaduje, tam je potenciál pro 8,241 hospodářských zvířat bioplynové systémy, které by mohly společně vytvořit více než 13 milionů megawatthodin energie ročně.

čištění Odpadních vod

Mnoho čistíren odpadních vod (ČOV) již na místě anaerobních vyhnívacích nádržích k léčbě odpadních vod, pevných látek odděleny v průběhu zpracování. Nicméně, mnoho ČOV nemají zařízení na využití bioplynu, které produkují, a odlesk místo. Z 1,269 odpadních vod pomocí anaerobní, pouze kolem 860 jejich použití bioplynu. Pokud jsou všechny zařízení, které v současné době používají anaerobní digesce—léčení více než 5 milionů galonů každý den—byly nainstalovat energetické využití odpadů, Spojených Státech by mohla snížit roční emise oxidu uhličitého o 2,3 milionů tun—rovná roční emise z 430,000 osobních vozidel.

zbytky plodin

zbytky plodin mohou zahrnovat stonky, slámu a ořezy rostlin. Některé zbytky jsou ponechány na poli, aby se zachoval organický obsah a vlhkost půdy a zabránilo se erozi. Vyšší výnosy plodin však zvýšily množství reziduí a jejich odstranění může být udržitelné. Míra udržitelné sklizně se liší v závislosti na pěstované plodině, typu půdy a klimatických faktorech. S přihlédnutím udržitelné sklizně sazby, AMERICKÉ Ministerstvo Energetiky odhaduje, že jsou v současné době asi 104 milionů tun zbytků plodin k dispozici za cenu $60 za tunu suché. Zbytky plodin jsou obvykle tráveny společně s jiným organickým odpadem, protože jejich vysoký obsah ligninu ztěžuje jejich odbourávání.

Bioplyn konečné Použití

Surového Bioplynu a Digestátu

S malý k žádné zpracování, bioplyn může být spálen na místě k vytápění budov a napájení kotlů, nebo dokonce fermentoru sám. Bioplyn může být použit pro kombinovanou výrobu tepla a elektřiny (CHP), operace, nebo z bioplynu může být jednoduše otočil na elektrickou energii s pomocí spalovacího motoru, palivové články, nebo plynové turbíny, s výsledné elektrické energie používá v místě či prodáván do elektrické sítě.

digestát je pevný nebo kapalný materiál bohatý na živiny zbývající po procesu trávení; obsahuje všechny recyklované živiny, které byly přítomny v původním organickém materiálu, ale ve formě snadněji dostupné pro rostliny a stavbu půdy. Složení a obsah živin v digestátu bude záviset na vstupní surovině přidané do digestoru. Tekutý digestát lze snadno aplikovat na farmy jako hnojivo, což snižuje potřebu nákupu syntetických hnojiv. Pevný digestát lze použít jako podestýlku pro hospodářská zvířata nebo kompostovat s minimálním zpracováním. V poslední době, bioplyn průmysl učinila kroky k vytvoření digestátu certifikační program, aby byla zajištěna bezpečnost a kontrolu kvality digestátu.

díky bioplynovým systémům mohou mlékárny, farmy a průmysl snížit provozní náklady pomocí vlastních organických odpadů k napájení svých zařízení a budov. Fair Oaks Dairy v Indianě produkuje 1,2 milionu kubických stop bioplynu každý den s hnojem od 9000 dojnic. Část bioplynu je modernizována na CNG a používá se k pohonu přívěsů dodávajících mléko do zpracovatelských závodů Fair Oaks, což snižuje jejich spotřebu motorové nafty o 1,5 milionu galonů ročně.

zdroj: EPA.

Obnovitelné zdroje Zemního Plynu

Obnovitelné zdroje zemního plynu (RNG), nebo biometan, je bioplyn, který byl zdokonalen pro odstraňování oxidu uhličitého, vodní páry a dalších stopových plynů tak, aby splňoval zemní plyn průmyslové standardy. RNG může být vstřikován do stávající sítě zemního plynu (včetně potrubí) a používán zaměnitelně s konvenčním zemním plynem. Zemní plyn (konvenční a obnovitelné) poskytuje 26 procent elektřiny v USA a 40 procent zemního plynu se používá k výrobě elektřiny. Zbytek zemního plynu se používá pro komerční účely (vytápění a vaření) a pro průmyslové účely. RNG má potenciál nahradit až 10 procent zemního plynu používaného ve Spojených státech.

Stlačený Zemní Plyn a Zkapalněný Zemní Plyn

stejně Jako konvenční zemní plyn, RNG, může být použit jako palivo pro vozidla, poté je převeden na stlačený zemní plyn (CNG) nebo zkapalněný zemní plyn (LNG). Spotřeba paliva vozidel poháněných CNG je srovnatelná s konvenčními benzínovými vozidly a může být použita v lehkých až těžkých vozidlech. LNG není tak široce používán jako CNG, protože to je drahé jak vyrábět a skladovat, i když jeho vyšší hustotu dělá LNG lepší paliva pro těžká nákladní vozidla, která cestují na dlouhé vzdálenosti. Aby co nejvíce z investice do čerpacích stanic, CNG a LNG se nejlépe hodí pro flotilu vozidel, která se vrátit na základnu pro doplnění paliva. Národní laboratoř obnovitelné energie odhaduje, že RNG by mohla nahradit pět procent zemního plynu použitého k výrobě elektřiny a 56 procent zemního plynu použitého k výrobě paliva pro vozidla.

Federal Policies Supporting the Biogas Industry

The Renewable Fuel Standard

Production of cellulosic biofuel (in gallons) by fuel type
	Ethanol	Renewable CNG	Renewable LNG
2015	2,181,096	81,490,266	58,368,879
2016	3,805,246	116,582,508	71,974,041
2017*	3,536,721	56,916,606	34,224,820
* od července 2017

Norma pro Obnovitelná Paliva (RFS) vytvořil Kongresu jako součást Aktu Zásad Energii roku 2005. RFS vyžaduje smíchání obnovitelných paliv do dodávky paliva pro dopravu v USA. V současné době je asi 10 procent dodávek benzínu zajištěno obnovitelným palivem, především ethanolem. RFS nastavuje objemy paliva pro různé kategorie paliv: nafta na bázi biomasy, pokročilé biopalivo, celulózové biopalivo a obnovitelné palivo jako celek. Každá kategorie má požadované minimální snížení skleníkových plynů.

EPA schválila bioplyn jako kvalifikovanou celulózovou surovinu v rámci RFS v roce 2014. Celulózová biopaliva musí být o 60 procent méně náročná na skleníkové plyny než benzín. V současné době je většina celulózových objemů paliva splněna použitím RNG jako paliva pro vozidla. Dodržování RFS je sledováno prostřednictvím obnovitelných identifikačních čísel (RINs), se kterými lze obchodovat, a RINs pro celulózová biopaliva mohou získat producenty RNG $ 40 /MMBtu (od září 2017). Podle výrobců bioplynu se RFS stal důležitým hnacím motorem investic do průmyslu.

Jako součást schválení bioplynu, EPA aktualizováno RFS aby bioplyn-odvozené elektřiny používá jako palivo pro vozidla se kvalifikovat pro RINs, nebo „e-RINs.“Od roku 2017 však EPA neschválila žádné žádosti výrobců o zahájení výroby elektronických oplachů, přestože výroba bioplynu již převyšuje současnou poptávku po přepravě elektřiny.

program Farm Bill

pod názvem Farm Bill Energy (IX) byl rozhodující pro růst v bioplynovém průmyslu. Podle zemědělského zákona z roku 2014 poskytuje bioenergetický Program USDA pro pokročilá biopaliva platby producentům na podporu výroby pokročilých biopaliv rafinovaných z jiných zdrojů než kukuřičného škrobu. Program v současné době dostává 15 milionů dolarů ročně v povinném financování s 20 miliony dolarů ročně v diskrečním financování do roku 2018.

s pomocí více než $500,000 v grantech a půjčkách REAP, Pennwood Farms byl schopen nainstalovat anaerobní digestor v 2011. Lůžkoviny vyrobené z digestátu šetří farmě asi 60 000 dolarů ročně v nákladech na lůžkoviny a odpad z 600 dojnic farmy produkuje více než dost elektřiny, aby uspokojil potřeby na místě.

zdroj: USDA

program Rural Energy for America (REAP) poskytuje granty a úvěrové záruky zemědělským producentům a malým podnikům na venkově na podporu výroby obnovitelné energie a zlepšení energetické účinnosti. Program má povinné financování 50 milionů dolarů ročně do roku 2018 a 100 milionů dolarů je k dispozici v diskrečních fondech.

iniciativa pro výzkum a vývoj biomasy je společný program mezi USDA a DOE. S $3 miliony v povinné financování prostřednictvím fiskální rok 2017 a 20 milionů $v diskreční financování prostřednictvím fiskálního roku 2018, Biomasy, Výzkum a Vývoj Rada uděluje granty, smlouvy, a finanční pomoc na projekty, které stimulují výzkum a vývoj biopaliv a bio-založené produkty. Tyto programy však trvale zaznamenaly snížení financování prostřednictvím procesu přidělování prostředků.

Ostatní agenturní programy

AgSTAR je společný program mezi EPA, USDA a DOE. Program podporuje používání anaerobních digestorů na chovech hospodářských zvířat ke snížení emisí metanu ze zvířecího odpadu. Program AgSTAR podporuje plánování a realizaci projektů anaerobního digestoru a zahrnuje státní a nevládní partnery.

EPA Skládkách Metan, Terénní Program (LMOP) vybízí odpadu průmyslu, obnovit a využívat bioplyn vznikající z organického odpadu na skládkách. LMOP formy partnerství s komunitami, utilit, majitelé skládek, a další zainteresované strany, aby poskytly technickou pomoc a hledat financování pro skládkového bioplynu projektů.

Závěr

Bioplyn systémy zase náklady na nakládání s odpady do příjmů příležitost pro Americké farmy, mlékárny, a průmyslová odvětví. Převedení odpadu do elektřiny, tepla nebo paliva vozidla poskytuje obnovitelný zdroj energie, který může snížit závislost na zahraniční ropě dovozu, snížení emisí skleníkových plynů, zlepšení kvality životního prostředí, a zvýšit místní zaměstnanost. Bioplynové systémy také poskytují příležitost k recyklaci živin v zásobování potravinami, což snižuje potřebu petrochemických i těžených hnojiv.

bioplynové systémy jsou řešením nakládání s odpady, které řeší více problémů a vytváří více výhod, včetně toků příjmů. Spojené státy mají v současné době potenciál přidat 13 500 nových bioplynových systémů, které poskytují více než 335 000 stavebních pracovních míst a 23 000 stálých pracovních míst. Aby však průmysl dosáhl svého plného potenciálu, potřebuje důslednou politickou podporu. Spolehlivé financování programů Farm Bill energy title a silný Standard obnovitelných paliv podporují investice a inovace v bioplynovém průmyslu. Pokud Spojené státy hodlají diverzifikovat své dodávky paliva a podniknout kroky proti změně klimatu, měly by důrazně zvážit mnoho výhod bioplynu.