Die Vereinigten Staaten produzieren jedes Jahr mehr als 70 Millionen Tonnen organischen Abfalls. Während die Reduzierung der Quellen und die Ernährung der Hungrigen notwendige Prioritäten für die Reduzierung unnötiger Lebensmittelabfälle sind, gibt es zahlreiche organische Abfälle, die sich auf nicht essbare Quellen erstrecken, darunter Viehdung, landwirtschaftliche Abfälle, Abwasser und ungenießbare Lebensmittelabfälle. Wenn diese Abfälle unsachgemäß bewirtschaftet werden, stellen sie ein erhebliches Risiko für die Umwelt und die öffentliche Gesundheit dar. Krankheitserreger, Chemikalien, Antibiotika und Nährstoffe in Abfällen können Oberflächen- und Grundwasser durch Abfluss oder durch Auswaschung in Böden kontaminieren. Überschüssige Nährstoffe verursachen Algenblüten, schädigen Wildtiere und infizieren das Trinkwasser. Trinkwasser mit hohem Nitratgehalt ist mit Hyperthyreose und Blue-Baby-Syndrom verbunden. Kommunale Wasserversorger behandeln Trinkwasser, um Nitrate zu entfernen, aber es ist teuer, dies zu tun.

Organische Abfälle erzeugen auch große Mengen an Methan, wenn sie sich zersetzen. Methan ist ein starkes Treibhausgas, das Wärme in der Atmosphäre effizienter speichert als Kohlendioxid. Bei gleichen Mengen an Methan und Kohlendioxid absorbiert Methan in 20 Jahren 86-mal mehr Wärme als Kohlendioxid. Um die Treibhausgasemissionen und das Verschmutzungsrisiko der Wasserstraßen zu verringern, können organische Abfälle entfernt und zur Herstellung von Biogas, einer erneuerbaren Energiequelle, verwendet werden. Bei der Verdrängung fossiler Brennstoffe führt Biogas zu weiteren Emissionsreduktionen, die manchmal zu kohlenstoffnegativen Systemen führen. Trotz der zahlreichen potenziellen Vorteile der Nutzung organischer Abfälle, einschließlich Umweltschutz, Investitionen und Schaffung von Arbeitsplätzen, verfügen die Vereinigten Staaten derzeit nur über 2.200 betriebene Biogasanlagen, was weniger als 20 Prozent des Gesamtpotenzials entspricht.

Einleitung

Was ist Biogas?

Biogas entsteht, nachdem organische Materialien (pflanzliche und tierische Produkte) in einer sauerstofffreien Umgebung von Bakterien abgebaut werden, ein Prozess, der als anaerobe Vergärung bezeichnet wird. Biogasanlagen nutzen die anaerobe Vergärung, um diese organischen Materialien zu recyceln und in Biogas umzuwandeln, das sowohl Energie (Gas) als auch wertvolle Bodenprodukte (Flüssigkeiten und Feststoffe) enthält.

Abbildung 1: Anaerober Vergärungsprozess (Grafik von Sara Tanigawa, EESI).

Die anaerobe Vergärung findet bereits in der Natur, auf Deponien und in einigen Güllemanagementsystemen für Nutztiere statt, kann jedoch mit einem anaeroben Fermenter optimiert, kontrolliert und eingedämmt werden. Biogas enthält etwa 50-70 Prozent Methan, 30-40 Prozent Kohlendioxid und Spuren anderer Gase. Das flüssige und feste verdaute Material, Gärrest genannt, wird häufig als Bodenverbesserung verwendet.

Abbildung 2: Betriebsbereite Biogasanlagen in den kontinentalen Vereinigten Staaten (Mit freundlicher Genehmigung des American Biogas Council)

Einige organische Abfälle sind in einem Fermenter schwieriger zu zerlegen als andere. Lebensmittelabfälle, Fette, Öle und Fette sind die am einfachsten zu abbauenden organischen Abfälle, während tierische Abfälle am schwierigsten sind. Das Mischen mehrerer Abfälle im selben Fermenter, die so genannte Co-Vergärung, kann dazu beitragen, die Biogaserträge zu steigern. Wärmere Fermenter, die normalerweise zwischen 30 und 38 Grad Celsius (86-100 Fahrenheit) gehalten werden, können auch dazu beitragen, dass Abfälle schneller abgebaut werden.

Nachdem Biogas aufgefangen wurde, kann es Wärme und Strom für Motoren, Mikroturbinen und Brennstoffzellen produzieren. Biogas kann auch zu Biomethan, auch erneuerbares Erdgas oder RNG genannt, aufgewertet und in Erdgasleitungen eingespeist oder als Fahrzeugkraftstoff verwendet werden.Die Vereinigten Staaten verfügen derzeit über 2.200 in Betrieb befindliche Biogasanlagen in allen 50 Bundesstaaten und haben das Potenzial, über 13.500 neue Systeme hinzuzufügen.

Die Vorteile von Biogas

Gespeichertes Biogas kann anstelle von Kohle oder Erdgas eine saubere, erneuerbare und zuverlässige Quelle für Grundlaststrom darstellen. Grundlaststrom wird konstant erzeugt, um den minimalen Strombedarf zu decken; erneuerbare Grundlaststrom kann mehr intermittierende erneuerbare Energien ergänzen. Ähnlich wie Erdgas kann auch Biogas als Spitzenleistungsquelle genutzt werden, die schnell hochgefahren werden kann. Die Verwendung von gespeichertem Biogas begrenzt die Menge an Methan, die in die Atmosphäre freigesetzt wird, und verringert die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen. Die Reduzierung der Methanemissionen durch die Erschließung des gesamten potenziellen Biogases in den Vereinigten Staaten entspräche den jährlichen Emissionen von 800.000 bis 11 Millionen Personenkraftwagen. Basierend auf einer Waste-to-Wheels-Bewertung reduziert komprimiertes Erdgas aus Biogas die Treibhausgasemissionen um bis zu 91 Prozent im Vergleich zu Erdölbenzin.New York City gibt jedes Jahr rund 400 Millionen US-Dollar aus, um 14 Millionen Tonnen Abfall zu Verbrennungsanlagen und Deponien zu transportieren. Die Umleitung dieser Abfälle zur anaeroben Vergärung würde Kosten in eine Chance verwandeln und Einnahmen aus der Energieerzeugung und Nebenprodukten generieren.

Quelle: New York Times, 2. Juni 2017

Zusätzlich zu den Klimavorteilen kann die anaerobe Vergärung die mit der Abfallsanierung verbundenen Kosten senken und der lokalen Wirtschaft zugute kommen. Der Bau der 13.500 potenziellen Biogasanlagen in den Vereinigten Staaten könnte über 335.000 temporäre Baustellen und 23.000 dauerhafte Arbeitsplätze schaffen. Die anaerobe Vergärung reduziert auch Gerüche, Krankheitserreger und das Risiko einer Wasserverschmutzung durch tierische Abfälle. Gärreste, das nach dem Vergärungsprozess verbleibende Material, können als Dünger verwendet oder verkauft werden, wodurch der Bedarf an chemischen Düngemitteln verringert wird. Gärreste können auch zusätzliche Einnahmen erzielen, wenn sie als Viehstreu oder Bodenverbesserungsmittel verkauft werden.

Biogas-Rohstoffe

Lebensmittelabfälle

Rund 30 Prozent der weltweiten Nahrungsmittelversorgung gehen jedes Jahr verloren oder werden verschwendet. Allein im Jahr 2010 produzierten die Vereinigten Staaten rund 133 Milliarden Pfund (66,5 Millionen Tonnen) Lebensmittelabfälle, hauptsächlich aus dem privaten und gewerblichen Lebensmittelsektor. Um diesen Abfall anzugehen, priorisiert die Hierarchie der Lebensmittelrückgewinnung der EPA zuerst die Reduzierung der Quelle und dann die Verwendung zusätzlicher Lebensmittel zur Bekämpfung des Hungers. Lebensmittel sollten als letztes Mittel auf Deponien entsorgt werden. Leider machen Lebensmittelabfälle 21 Prozent der US-Deponien aus, wobei nur 5 Prozent der Lebensmittelabfälle zu Bodenverbesserungsmitteln oder Düngemitteln recycelt werden. Der größte Teil dieser Abfälle wird auf Deponien entsorgt, wo beim Abbau Methan entsteht. Während Deponien das resultierende Biogas auffangen können, bietet die Deponierung organischer Abfälle keine Möglichkeit, die Nährstoffe aus dem organischen Ausgangsmaterial zu recyceln. Im Jahr 2015 haben sich EPA und USDA zum Ziel gesetzt, die Menge an Lebensmittelabfällen, die auf Deponien landen, bis 2030 um 50 Prozent zu reduzieren. Aber selbst wenn dieses Ziel erreicht wird, gibt es überschüssige Lebensmittel, die recycelt werden müssen. Das Energiepotenzial ist signifikant. Zum Beispiel kann die anaerobe Vergärung mit 100 Tonnen Lebensmittelabfällen pro Tag genug Energie erzeugen, um jedes Jahr 800 bis 1.400 Haushalte mit Strom zu versorgen. Fett, Öl und Fett aus der Lebensmittelindustrie können auch einem anaeroben Fermenter zugesetzt werden, um die Biogasproduktion zu erhöhen.

Deponiegas

Deponien sind die drittgrößte Quelle für menschenbezogene Methanemissionen in den Vereinigten Staaten. Deponien enthalten die gleichen anaeroben Bakterien, die in einem Fermenter vorhanden sind, der organische Materialien abbaut, um Biogas zu erzeugen, in diesem Fall Deponiegas (LFG). Anstatt LFG in die Atmosphäre entweichen zu lassen, kann es gesammelt und als Energie verwendet werden. Derzeit erzeugen LFG-Projekte in den Vereinigten Staaten etwa 17 Milliarden Kilowattstunden Strom und liefern jedes Jahr 98 Milliarden Kubikfuß LFG an Erdgaspipelines oder direkt an Endverbraucher. Als Referenz verwendete das durchschnittliche US-Haus im Jahr 2015 etwa 10.812 Kilowattstunden Strom pro Jahr.

Tierische Abfälle

Abbildung 3: Aktuelle Anzahl der betrieblichen und potenziellen Biogasanlagen in den USA nach Rohstoffen. EPA

Eine 1.000 Pfund schwere Milchkuh produziert durchschnittlich 80 Pfund Gülle pro Tag. Dieser Dünger wird oft in Fäkalientanks gelagert, bevor er auf Felder ausgebracht wird. Der Mist produziert nicht nur Methan, wenn er sich zersetzt, sondern kann auch zu überschüssigen Nährstoffen in Wasserstraßen beitragen. Im Jahr 2015 trug die Viehmistwirtschaft etwa 10 Prozent aller Methanemissionen in den Vereinigten Staaten bei, doch nur 3 Prozent der Viehabfälle werden von anaeroben Fermentern recycelt. Wenn Viehdung zur Herstellung von Biogas verwendet wird, kann die anaerobe Vergärung die Treibhausgasemissionen reduzieren, Gerüche reduzieren und bis zu 99 Prozent der Krankheitserreger in Gülle reduzieren. Die EPA schätzt das Potenzial für 8.241 Biogasanlagen für Nutztiere, die zusammen über 13 Millionen Megawattstunden Energie pro Jahr erzeugen könnten.

Abwasserbehandlung

Viele Kläranlagen (WWTP) verfügen bereits über anaerobe Fermenter vor Ort, um Klärschlamm, die während des Behandlungsprozesses abgetrennten Feststoffe, zu behandeln. Viele Kläranlagen verfügen jedoch nicht über die Ausrüstung, um das von ihnen produzierte Biogas zu nutzen, und fackeln es stattdessen ab. Von den 1.269 Kläranlagen mit anaerobem Fermenter nutzen nur rund 860 ihr Biogas. Wenn alle Anlagen, die derzeit anaerobe Vergärung verwenden – die Behandlung von über 5 Millionen Gallonen pro Tag — eine Energierückgewinnungsanlage installieren würden, könnten die Vereinigten Staaten die jährlichen Kohlendioxidemissionen um 2,3 Millionen Tonnen reduzieren — das entspricht den jährlichen Emissionen von 430.000 Personenkraftwagen.

Ernterückstände

Ernterückstände können Stiele, Stroh und Pflanzenbestandteile umfassen. Einige Rückstände verbleiben auf dem Feld, um den organischen Gehalt und die Feuchtigkeit des Bodens zu erhalten und Erosion zu verhindern. Höhere Ernteerträge haben jedoch die Menge an Rückständen erhöht, und die Entfernung eines Teils davon kann nachhaltig sein. Nachhaltige Ernteraten variieren je nach Kultur, Bodentyp und Klimafaktoren. Unter Berücksichtigung nachhaltiger Ernteraten schätzt das US-Energieministerium, dass derzeit rund 104 Millionen Tonnen Ernterückstände zu einem Preis von 60 US-Dollar pro Trockentonne verfügbar sind. Ernterückstände werden in der Regel zusammen mit anderen organischen Abfällen verdaut, da sie aufgrund ihres hohen Ligningehalts nur schwer abgebaut werden können.

Endverwendung von Biogas

Rohbiogas und Gärreste

Mit wenig bis gar keiner Verarbeitung kann Biogas vor Ort verbrannt werden, um Gebäude zu heizen und Kessel oder sogar den Fermenter selbst zu betreiben. Biogas kann für den Kraft-Wärme-Kopplungs-Betrieb (KWK) genutzt werden, oder Biogas kann einfach mit einem Verbrennungsmotor, einer Brennstoffzelle oder einer Gasturbine in Strom umgewandelt werden, wobei der resultierende Strom vor Ort verwendet oder an das Stromnetz verkauft wird.

Gärrest ist das nährstoffreiche feste oder flüssige Material, das nach dem Verdauungsprozess verbleibt; es enthält alle recycelten Nährstoffe, die im ursprünglichen organischen Material vorhanden waren, aber in einer Form, die für Pflanzen und Bodenbildung leichter verfügbar ist. Die Zusammensetzung und der Nährstoffgehalt des Gärrestes hängen von dem dem Fermenter zugesetzten Ausgangsmaterial ab. Flüssiger Gärrest kann leicht als Dünger auf landwirtschaftliche Betriebe gesprüht werden, wodurch der Kauf synthetischer Düngemittel reduziert wird. Fester Gärrest kann als Viehstreu verwendet oder mit minimaler Verarbeitung kompostiert werden. Vor kurzem hat die Biogasindustrie Schritte unternommen, um ein Gärrestzertifizierungsprogramm zu erstellen, um die Sicherheit und Qualitätskontrolle von Gärresten zu gewährleisten.

Mit Biogasanlagen können Molkereien, landwirtschaftliche Betriebe und die Industrie die Betriebskosten senken, indem sie ihre eigenen organischen Abfälle für die Stromversorgung ihrer Geräte und Gebäude verwenden. Fair Oaks Dairy in Indiana produziert täglich 1,2 Millionen Kubikfuß Biogas mit Gülle von 9.000 Milchkühen. Ein Teil des Biogases wird zu CNG aufgewertet und zum Antrieb von Anhängern verwendet, die Milch an Fair Oaks-Verarbeitungsbetriebe liefern, wodurch der Einsatz von Dieselkraftstoff um 1,5 Millionen Gallonen pro Jahr reduziert wird.

Quelle: EPA.

Erneuerbares Erdgas

Erneuerbares Erdgas (RNG) oder Biomethan ist Biogas, das raffiniert wurde, um Kohlendioxid, Wasserdampf und andere Spurengase zu entfernen, so dass es den Standards der Erdgasindustrie entspricht. RNG kann in das bestehende Erdgasnetz (einschließlich Pipelines) eingespeist und austauschbar mit herkömmlichem Erdgas verwendet werden. Erdgas (konventionell und erneuerbar) liefert 26 Prozent des US-Stroms, und 40 Prozent des Erdgases werden zur Stromerzeugung verwendet. Der Rest des Erdgases wird für kommerzielle Zwecke (Heizen und Kochen) und für industrielle Zwecke verwendet. RNG hat das Potenzial, bis zu 10 Prozent des in den USA verwendeten Erdgases zu ersetzen.

Komprimiertes Erdgas und verflüssigtes Erdgas

Wie herkömmliches Erdgas kann RNG als Fahrzeugkraftstoff verwendet werden, nachdem es in komprimiertes Erdgas (CNG) oder verflüssigtes Erdgas (LNG) umgewandelt wurde. Der Kraftstoffverbrauch von CNG-betriebenen Fahrzeugen ist vergleichbar mit dem von herkömmlichen Benzinfahrzeugen und kann in leichten bis schweren Nutzfahrzeugen eingesetzt werden. LNG ist nicht so weit verbreitet wie CNG, da es sowohl in der Herstellung als auch in der Lagerung teuer ist, obwohl seine höhere Dichte LNG zu einem besseren Kraftstoff für schwere Nutzfahrzeuge macht, die lange Strecken zurücklegen. Um die Investitionen in die Betankungsinfrastruktur optimal zu nutzen, eignen sich CNG und LNG am besten für Flottenfahrzeuge, die zum Betanken zu einer Basis zurückkehren. Das National Renewable Energy Laboratory schätzt, dass RNG fünf Prozent des zur Stromerzeugung verwendeten Erdgases und 56 Prozent des zur Herstellung von Fahrzeugkraftstoff verwendeten Erdgases ersetzen könnte.

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
* Stand Juli 2017

Der Renewable Fuel Standard (RFS) wurde vom Kongress im Rahmen des Energy Policy Act von 2005 geschaffen. Die RFS erfordert die Beimischung erneuerbarer Brennstoffe in die US-Transportkraftstoffversorgung. Derzeit werden etwa 10 Prozent der Benzinversorgung durch erneuerbare Brennstoffe, hauptsächlich Ethanol, bereitgestellt. Das RFS legt die Kraftstoffmengen für eine Vielzahl von Kraftstoffkategorien fest: Dieselkraftstoff auf Biomassebasis, fortschrittlicher Biokraftstoff, Zellulose-Biokraftstoff und erneuerbarer Kraftstoff als Ganzes. Jede Kategorie hat eine erforderliche Mindestreduzierung der Treibhausgase.

EPA genehmigte Biogas als qualifizierendes Zellulose-Ausgangsmaterial im Rahmen der RFS im Jahr 2014. Zellulose-Biokraftstoffe müssen 60 Prozent weniger treibhausgasintensiv sein als Benzin. Derzeit werden die meisten Zellulose-Kraftstoffmengen durch die Verwendung von RNG als Fahrzeugkraftstoff gedeckt. Die Einhaltung der RFS wird durch erneuerbare Identifikationsnummern (RINs) verfolgt, die gehandelt werden können, und RINs für Zellulose-Biokraftstoffe können RNG-Produzenten 40 USD / MMBtu einbringen (Stand September 2017). Laut Biogasproduzenten ist das RFS zu einem wichtigen Investitionstreiber in der Branche geworden.

Im Rahmen der Genehmigung von Biogas hat die EPA das RFS aktualisiert, damit aus Biogas gewonnener Strom, der als Fahrzeugkraftstoff verwendet wird, für RINs oder „E-RINs“ qualifiziert werden kann.“ Ab 2017 hat die EPA jedoch keine Produzentenanfragen mehr genehmigt, um mit der Erzeugung von E-RINs zu beginnen, obwohl die Biogasproduktion bereits den aktuellen Transportstrombedarf übersteigt.

The Farm Bill

Die Programme im Rahmen des Energietitels (IX) des Farm Bill waren entscheidend für das Wachstum der Biogasindustrie. Im Rahmen des Farm Bill von 2014 gewährt das Bioenergieprogramm des USDA für fortschrittliche Biokraftstoffe Zahlungen an die Erzeuger, um die Produktion fortschrittlicher Biokraftstoffe zu fördern, die aus anderen Quellen als Maisstärke raffiniert werden. Das Programm erhält derzeit eine obligatorische Finanzierung in Höhe von 15 Millionen US-Dollar pro Jahr und eine diskretionäre Finanzierung in Höhe von 20 Millionen US-Dollar pro Jahr bis 2018.

Mit Hilfe von über 500.000 US-Dollar an REAP-Zuschüssen und -Darlehen konnte Pennwood Farms 2011 einen anaeroben Fermenter installieren. Einstreu aus Gärresten spart der Farm jährlich etwa 60.000 US-Dollar an Einstreukosten, und Abfälle von den 600 Milchkühen der Farm produzieren mehr als genug Strom, um den Bedarf vor Ort zu decken.

Quelle: Das Rural Energy for America Program (REAP) bietet Zuschüsse und Darlehensgarantien für landwirtschaftliche Erzeuger und ländliche Kleinunternehmen, um die Produktion erneuerbarer Energien und die Verbesserung der Energieeffizienz zu fördern. Das Programm verfügt über eine obligatorische Finanzierung von 50 Millionen US-Dollar pro Jahr bis 2018 und 100 Millionen US-Dollar in diskretionären Fonds.Die Biomass Research and Development Initiative ist ein gemeinsames Programm von USDA und DOE. Mit einer obligatorischen Finanzierung in Höhe von 3 Millionen US-Dollar bis zum Geschäftsjahr 2017 und einer Ermessensfinanzierung in Höhe von 20 Millionen US-Dollar bis zum Geschäftsjahr 2018 vergibt das Biomass Research and Development Board Zuschüsse, Verträge und finanzielle Unterstützung für Projekte, die die Forschung und Entwicklung von Biokraftstoffen und biobasierten Produkten anregen. Diese Programme haben jedoch durchweg Kürzungen bei der Finanzierung durch den Bewilligungsprozess erfahren.

Andere Agenturprogramme

AgSTAR ist ein gemeinsames Programm von EPA, USDA und DOE. Das Programm fördert den Einsatz von anaeroben Fermentern in Tierhaltungsbetrieben, um die Methanemissionen aus tierischen Abfällen zu reduzieren. Das AgSTAR-Programm unterstützt die Planung und Umsetzung von anaeroben Fermenterprojekten und umfasst staatliche und nichtstaatliche Partner.

Das Landfill Methane Outreach Program (LMOP) der EPA ermutigt die Abfallwirtschaft, Biogas aus organischen Abfällen auf Deponien zurückzugewinnen und zu nutzen. LMOP bildet Partnerschaften mit Gemeinden, Versorgungsunternehmen, Deponiebesitzern und anderen Interessengruppen, um technische Unterstützung zu leisten und eine Finanzierung für Deponiegogasprojekte zu suchen.

Fazit

Biogasanlagen machen die Kosten der Abfallwirtschaft zu einer Umsatzchance für Amerikas Farmen, Molkereien und Industrien. Die Umwandlung von Abfällen in Strom, Wärme oder Fahrzeugkraftstoff bietet eine erneuerbare Energiequelle, die die Abhängigkeit von ausländischen Ölimporten verringern, Treibhausgasemissionen reduzieren, die Umweltqualität verbessern und lokale Arbeitsplätze schaffen kann. Biogasanlagen bieten auch die Möglichkeit, Nährstoffe in der Lebensmittelversorgung zu recyceln, wodurch der Bedarf an petrochemischen und abgebauten Düngemitteln reduziert wird.

Biogasanlagen sind eine Abfallwirtschaftslösung, die mehrere Probleme löst und mehrere Vorteile schafft, einschließlich Einnahmequellen. Die Vereinigten Staaten haben derzeit das Potenzial, 13.500 neue Biogasanlagen hinzuzufügen, die über 335.000 Baustellen und 23.000 dauerhafte Arbeitsplätze bieten. Um ihr volles Potenzial auszuschöpfen, braucht die Branche jedoch konsequente politische Unterstützung. Eine zuverlässige Finanzierung der Farm Bill Energy Title-Programme und ein starker Standard für erneuerbare Brennstoffe fördern Investitionen und Innovationen in der Biogasindustrie. Wenn die Vereinigten Staaten beabsichtigen, ihre Brennstoffversorgung zu diversifizieren und Maßnahmen gegen den Klimawandel zu ergreifen, sollten sie die vielen Vorteile von Biogas stark berücksichtigen.