Los Estados Unidos producen más de 70 millones de toneladas de residuos orgánicos cada año. Si bien la reducción de las fuentes y la alimentación de los hambrientos son prioridades necesarias para reducir el desperdicio innecesario de alimentos, los desechos orgánicos son numerosos y se extienden a fuentes no comestibles, incluidos el estiércol del ganado, los desechos agrícolas, las aguas residuales y los desechos de alimentos no comestibles. Cuando estos desechos se gestionan de manera inadecuada, suponen un riesgo significativo para el medio ambiente y la salud pública. Los patógenos, los productos químicos, los antibióticos y los nutrientes presentes en los desechos pueden contaminar las aguas superficiales y subterráneas a través de la escorrentía o la lixiviación en el suelo. El exceso de nutrientes causa floraciones de algas, daña la vida silvestre e infecta el agua potable. El agua potable con altos niveles de nitratos está relacionada con el hipertiroidismo y el síndrome del bebé azul. Los servicios municipales de agua tratan el agua potable para eliminar los nitratos, pero es costoso hacerlo.

Los desechos orgánicos también generan grandes cantidades de metano a medida que se descomponen. El metano es un poderoso gas de efecto invernadero que atrapa el calor en la atmósfera de manera más eficiente que el dióxido de carbono. Con cantidades iguales de metano y dióxido de carbono, el metano absorberá 86 veces más calor en 20 años que el dióxido de carbono. Para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y el riesgo de contaminación de las vías fluviales, los residuos orgánicos pueden eliminarse y utilizarse para producir biogás, una fuente de energía renovable. Al desplazar a los combustibles fósiles, el biogás crea nuevas reducciones de emisiones, lo que a veces resulta en sistemas con emisiones negativas de carbono. A pesar de los numerosos beneficios potenciales de la utilización de desechos orgánicos, incluida la protección del medio ambiente, la inversión y la creación de empleo, los Estados Unidos actualmente solo tienen 2.200 sistemas de biogás en funcionamiento, lo que representa menos del 20 por ciento del potencial total.

Introducción

¿Qué es el biogás?

El biogás se produce después de que los materiales orgánicos (productos vegetales y animales) son degradados por bacterias en un ambiente libre de oxígeno, un proceso llamado digestión anaeróbica. Los sistemas de biogás utilizan la digestión anaeróbica para reciclar estos materiales orgánicos, convirtiéndolos en biogás, que contiene energía (gas) y productos valiosos del suelo (líquidos y sólidos).

Figura 1: Proceso de digestión anaeróbica (Gráfico de Sara Tanigawa, EESI).

La digestión anaeróbica ya se produce en la naturaleza, los vertederos y algunos sistemas de manejo de estiércol de ganado, pero se puede optimizar, controlar y contener utilizando un digestor anaeróbico. El biogás contiene aproximadamente 50-70 por ciento de metano, 30-40 por ciento de dióxido de carbono y trazas de otros gases. El material digerido líquido y sólido, llamado digestato, se usa con frecuencia como enmienda del suelo.

Figura 2: Sistemas operativos de biogás en los Estados Unidos continentales (Cortesía: American Biogas Council)

Algunos desechos orgánicos son más difíciles de descomponer en un digestor que otros. Los desechos de alimentos, grasas, aceites y grasas son los desechos orgánicos más fáciles de descomponer, mientras que los desechos de ganado tienden a ser los más difíciles. Mezclar varios desechos en el mismo digestor, lo que se conoce como co-digestión, puede ayudar a aumentar el rendimiento del biogás. Los digestores más cálidos, que normalmente se mantienen entre 30 y 38 grados Celsius (86-100 Fahrenheit), también pueden ayudar a que los desechos se descompongan más rápidamente.

Después de capturar biogás, puede producir calor y electricidad para su uso en motores, microturbinas y pilas de combustible. El biogás también se puede convertir en biometano, también llamado gas natural renovable, e inyectarse en tuberías de gas natural o usarse como combustible para vehículos.

Los Estados Unidos tienen actualmente 2.200 sistemas de biogás en funcionamiento en los 50 estados, y tienen el potencial de agregar más de 13.500 sistemas nuevos.

Los beneficios del biogás

El biogás almacenado puede proporcionar una fuente de energía de carga básica limpia, renovable y confiable en lugar del carbón o el gas natural. La energía de carga base se produce de forma consistente para satisfacer las demandas de energía mínimas; la energía de carga básica renovable puede complementar las energías renovables más intermitentes. Al igual que el gas natural, el biogás también se puede utilizar como fuente de energía máxima que se puede aumentar rápidamente. El uso de biogás almacenado limita la cantidad de metano liberado a la atmósfera y reduce la dependencia de los combustibles fósiles. La reducción de las emisiones de metano derivadas de la extracción de todo el biogás potencial en los Estados Unidos sería igual a las emisiones anuales de 800.000 a 11 millones de vehículos de pasajeros. Sobre la base de una evaluación de residuos a ruedas, el gas natural comprimido derivado del biogás reduce las emisiones de gases de efecto invernadero hasta en un 91 por ciento en comparación con la gasolina de petróleo.

La ciudad de Nueva York gasta aproximadamente 4 400 millones cada año para transportar 14 millones de toneladas de desechos a incineradores y vertederos. Desviar esos desechos a la digestión anaeróbica convertiría un costo en una oportunidad, generando ingresos de la producción de energía y coproductos.

Fuente: New York Times, 2 de junio de 2017

Además de los beneficios climáticos, la digestión anaeróbica puede reducir los costos asociados con la remediación de desechos y beneficiar a las economías locales. La construcción de los 13,500 sistemas de biogás potenciales en los Estados Unidos podría agregar más de 335,000 empleos temporales de construcción y 23,000 empleos permanentes. La digestión anaeróbica también reduce los olores, los patógenos y el riesgo de contaminación del agua por los desechos del ganado. El digestato, el material que queda después del proceso de digestión, se puede usar o vender como fertilizante, lo que reduce la necesidad de fertilizantes químicos. El digestato también puede proporcionar ingresos adicionales cuando se vende como lecho de ganado o enmiendas del suelo.

Materias primas de biogás

Desperdicio de alimentos

Alrededor del 30 por ciento del suministro mundial de alimentos se pierde o desperdicia cada año. Solo en 2010, los Estados Unidos produjeron aproximadamente 133 mil millones de libras (66,5 millones de toneladas) de desechos de alimentos, principalmente de los sectores de alimentos residenciales y comerciales. Para abordar este desperdicio, la Jerarquía de Recuperación de Alimentos de la EPA prioriza primero la reducción de la fuente, luego el uso de alimentos adicionales para abordar el hambre; la alimentación animal o la producción de energía son una prioridad menor. Los alimentos deben enviarse a vertederos como último recurso. Desafortunadamente, los desechos de alimentos constituyen el 21 por ciento de los vertederos de los Estados Unidos, y solo el 5 por ciento de los desechos de alimentos se reciclan para mejorar el suelo o fertilizar. La mayoría de estos residuos se envían a vertederos, donde producen metano a medida que se descomponen. Si bien los vertederos pueden capturar el biogás resultante, el vertido de desechos orgánicos no ofrece la oportunidad de reciclar los nutrientes del material orgánico de origen. En 2015, la EPA y el USDA establecieron metas para reducir la cantidad de residuos de alimentos enviados a los vertederos en un 50 por ciento para 2030. Pero incluso si se cumple este objetivo, habrá exceso de alimentos que deberán reciclarse. El potencial energético es significativo. Por ejemplo, con 100 toneladas de desperdicio de alimentos al día, la digestión anaeróbica puede generar suficiente energía para alimentar de 800 a 1,400 hogares cada año. La grasa, el aceite y la grasa recolectados de la industria de servicios de alimentos también se pueden agregar a un digestor anaeróbico para aumentar la producción de biogás.

Gas de vertedero

Los vertederos son la tercera fuente más grande de emisiones de metano relacionadas con el hombre en los Estados Unidos. Los vertederos contienen las mismas bacterias anaerobias presentes en un digestor que descomponen los materiales orgánicos para producir biogás, en este caso el gas de vertedero (LFG). En lugar de permitir que el LFG escape a la atmósfera, se puede recolectar y usar como energía. Actualmente, los proyectos de LFG en todo Estados Unidos generan alrededor de 17 mil millones de kilovatios-hora de electricidad y entregan 98 mil millones de pies cúbicos de LFG a tuberías de gas natural o directamente a los usuarios finales cada año. Como referencia, el hogar promedio de los Estados Unidos en 2015 usó aproximadamente 10,812 kilovatios-hora de electricidad por año.

Residuos de ganado

Figura 3: Número actual de sistemas de biogás operativos y potenciales en los Estados Unidos por materia prima. EPA

Una vaca lechera de 1,000 libras produce un promedio de 80 libras de estiércol cada día. Este estiércol a menudo se almacena en tanques de almacenamiento antes de ser aplicado a los campos. El estiércol no solo produce metano a medida que se descompone, sino que también puede contribuir al exceso de nutrientes en las vías fluviales. En 2015, el manejo del estiércol del ganado contribuyó con aproximadamente el 10 por ciento de todas las emisiones de metano en los Estados Unidos, pero solo el 3 por ciento de los desechos del ganado se reciclan con digestores anaeróbicos. Cuando se utiliza estiércol de ganado para producir biogás, la digestión anaeróbica puede reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, reducir los olores y reducir hasta el 99 por ciento de los patógenos del estiércol. La EPA estima que existe el potencial de 8.241 sistemas de biogás para ganado, que en conjunto podrían generar más de 13 millones de megavatios-hora de energía cada año.

Tratamiento de aguas residuales

Muchas plantas de tratamiento de aguas residuales (EDAR) ya tienen digestores anaeróbicos en el sitio para tratar lodos de aguas residuales, los sólidos se separan durante el proceso de tratamiento. Sin embargo, muchas EDAR no tienen el equipo necesario para utilizar el biogás que producen y, en su lugar, lo queman. De las 1.269 plantas de tratamiento de aguas residuales que utilizan un digestor anaeróbico, solo alrededor de 860 utilizan su biogás. Si todas las instalaciones que actualmente utilizan digestión anaeróbica—que tratan más de 5 millones de galones al día—instalaran una instalación de recuperación de energía, Estados Unidos podría reducir las emisiones anuales de dióxido de carbono en 2,3 millones de toneladas métricas, equivalentes a las emisiones anuales de 430.000 vehículos de pasajeros.

Residuos de cultivos

Los residuos de cultivos pueden incluir tallos, paja y recortes de plantas. Algunos residuos se dejan en el campo para retener el contenido orgánico y la humedad del suelo, así como para evitar la erosión. Sin embargo, los mayores rendimientos de los cultivos han aumentado las cantidades de residuos y la eliminación de una parte de estos puede ser sostenible. Las tasas de cosecha sostenible varían según el cultivo, el tipo de suelo y los factores climáticos. Teniendo en cuenta las tasas de cosecha sostenibles, el Departamento de Energía de los Estados Unidos estima que actualmente hay alrededor de 104 millones de toneladas de residuos de cultivos disponibles a un precio de 60 dólares por tonelada seca. Por lo general, los residuos de cultivos se digieren conjuntamente con otros residuos orgánicos porque su alto contenido de lignina hace que sean difíciles de descomponer.

Usos finales de biogás

Biogás crudo y digestato

Con poco o ningún procesamiento, el biogás se puede quemar in situ para calentar edificios y calderas de energía o incluso el propio digestor. El biogás se puede utilizar para operaciones de producción combinada de calor y electricidad (cogeneración), o el biogás se puede convertir simplemente en electricidad mediante un motor de combustión, una pila de combustible o una turbina de gas, y la electricidad resultante se utiliza in situ o se vende a la red eléctrica.

El digestato es el material sólido o líquido rico en nutrientes que queda después del proceso de digestión; contiene todos los nutrientes reciclados que estaban presentes en el material orgánico original, pero en una forma más fácilmente disponible para la construcción de plantas y suelos. La composición y el contenido de nutrientes del digestato dependerán de la materia prima añadida al digestor. El digestato líquido se puede aplicar fácilmente por pulverización a las granjas como fertilizante, lo que reduce la necesidad de comprar fertilizantes sintéticos. El digestato sólido se puede utilizar como lecho de ganado o compostado con un procesamiento mínimo. Recientemente, la industria del biogás ha tomado medidas para crear un programa de certificación de digestato, para garantizar la seguridad y el control de calidad del digestato.

Con los sistemas de biogás, las lecherías, las granjas y la industria pueden reducir los costos operativos utilizando sus propios desechos orgánicos para alimentar sus equipos y edificios. Fair Oaks Dairy en Indiana produce 1.2 millones de pies cúbicos de biogás cada día con estiércol de 9,000 vacas lecheras. Parte del biogás se actualiza a GNC y se utiliza para alimentar remolques que entregan leche a las plantas de procesamiento de Fair Oaks, reduciendo su uso de combustible diesel en 1,5 millones de galones por año.Fuente: EPA.

Gas natural renovable

El gas natural renovable (RNG), o biometano, es biogás que se ha refinado para eliminar el dióxido de carbono, el vapor de agua y otros gases traza para que cumpla con los estándares de la industria del gas natural. El gas natural renovable puede inyectarse en la red de gas natural existente (incluidas las tuberías) y utilizarse indistintamente con el gas natural convencional. El gas natural (convencional y renovable) proporciona el 26 por ciento de la electricidad de los Estados Unidos, y el 40 por ciento del gas natural se utiliza para producir electricidad. El resto del gas natural se utiliza para fines comerciales (calefacción y cocina) y para fines industriales. El gas natural renovable tiene el potencial de reemplazar hasta el 10 por ciento del gas natural utilizado en los Estados Unidos.

Gas Natural Comprimido y Gas Natural Licuado

Al igual que el gas natural convencional, el gas natural renovable se puede utilizar como combustible para vehículos después de convertirlo en gas natural comprimido (GNC) o gas natural licuado (GNL). La economía de combustible de los vehículos propulsados por GNC es comparable a la de los vehículos de gasolina convencionales y se puede usar en vehículos ligeros a pesados. El GNL no es tan utilizado como el GNC porque es costoso de producir y almacenar, aunque su mayor densidad lo convierte en un mejor combustible para vehículos pesados que viajan largas distancias. Para aprovechar al máximo las inversiones en infraestructura de carga, el GNC y el GNL son los más adecuados para los vehículos de flota que regresan a una base para repostar. El Laboratorio Nacional de Energía Renovable estima que el gas natural renovable podría reemplazar el cinco por ciento del gas natural utilizado para producir electricidad y el 56 por ciento del gas natural utilizado para producir combustible vehicular.

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
* a partir de julio de 2017

El Estándar de Combustibles Renovables (RFS) fue creado por el Congreso como parte de la Ley de Política Energética de 2005. El RFS requiere la mezcla de combustibles renovables en el suministro de combustible para el transporte en los Estados Unidos. Actualmente, alrededor del 10 por ciento del suministro de gasolina proviene de combustibles renovables, principalmente etanol. El RFS establece los volúmenes de combustible para una variedad de categorías de combustible: diésel basado en biomasa, biocombustible avanzado, biocombustible celulósico y combustible renovable en su conjunto. Cada categoría tiene una reducción mínima requerida de gases de efecto invernadero.

El biogás aprobado por la EPA como materia prima celulósica calificada bajo la RFS en 2014. Los biocombustibles celulósicos deben consumir un 60 por ciento menos de gases de efecto invernadero que la gasolina. En la actualidad, la mayoría de los volúmenes de combustible celulósico se satisfacen mediante el uso de gas natural reactivo como combustible para vehículos. El cumplimiento de los RFS se rastrea a través de números de identificación renovables (RINs) que se pueden comercializar, y los RINS para biocombustibles celulósicos pueden ganar a los productores de RNG 4 40/MMBtu (a partir de septiembre de 2017). Según los productores de biogás, el RFS se ha convertido en un importante motor de inversión en la industria.

Como parte de la aprobación del biogás, la EPA actualizó el RFS para permitir que la electricidad derivada del biogás utilizada como combustible para vehículos califique para RINs, o «e-RINs».»Sin embargo, a partir de 2017, la EPA no ha aprobado ninguna solicitud de los productores para comenzar a generar e-RIN, a pesar de que la producción de biogás ya supera la demanda actual de electricidad para el transporte.

Los programas de Farm Bill

bajo el Título de Energía de Farm Bill (IX) han sido cruciales para el crecimiento de la industria del biogás. Bajo el Proyecto de Ley Agrícola de 2014, el Programa de Bioenergía para Biocombustibles Avanzados del USDA proporciona pagos a los productores para promover la producción de biocombustibles avanzados refinados a partir de fuentes distintas del almidón de maíz. El programa actualmente recibe 1 15 millones por año en fondos obligatorios con 2 20 millones disponibles por año en fondos discrecionales hasta 2018.Con la ayuda de más de 5 500,000 en subvenciones y préstamos de REAP, Pennwood Farms pudo instalar un digestor anaeróbico en 2011. La ropa de cama hecha de digestato ahorra a la granja alrededor de 6 60,000 al año en costos de ropa de cama, y los desechos de las 600 vacas lecheras de la granja producen electricidad más que suficiente para satisfacer las necesidades en el lugar.

Fuente: USDA

El Programa de Energía Rural para América (REAP) proporciona subvenciones y garantías de préstamos a productores agrícolas y pequeñas empresas rurales para promover la producción de energía renovable y mejoras en la eficiencia energética. El programa tiene un financiamiento obligatorio de 5 50 millones por año hasta 2018, y available 100 millones disponibles en fondos discrecionales.

La Iniciativa de Investigación y Desarrollo de Biomasa es un programa conjunto entre el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos y el Departamento de Energía. Con $3 millones en financiamiento obligatorio hasta el año fiscal 2017 y 2 20 millones en financiamiento discrecional hasta el año fiscal 2018, la Junta de Investigación y Desarrollo de Biomasa otorga subvenciones, contratos y asistencia financiera a proyectos que estimulan la investigación y el desarrollo de biocombustibles y productos de base biológica. Sin embargo, estos programas han visto reducciones constantes en los fondos a través del proceso de asignaciones.

Otros programas de Agencias

AgSTAR es un programa conjunto entre la EPA, el USDA y el DOE. El programa promueve el uso de digestores anaeróbicos en granjas ganaderas para reducir las emisiones de metano de los desechos animales. El programa AgSTAR apoya la planificación e implementación de proyectos de digestores anaeróbicos, e incluye socios estatales y no gubernamentales.

El Programa de Divulgación de Metano de Vertederos de la EPA (LMOP, por sus siglas en inglés) alienta a la industria de residuos a recuperar y utilizar biogás generado a partir de residuos orgánicos en vertederos. LMOP forma asociaciones con comunidades, empresas de servicios públicos, propietarios de vertederos y otras partes interesadas para proporcionar asistencia técnica y buscar financiación para proyectos de biogás en vertederos.

Conclusión

Los sistemas de biogás convierten el costo de la gestión de residuos en una oportunidad de ingresos para las granjas, lecherías e industrias de Estados Unidos. La conversión de residuos en electricidad, calor o combustible para vehículos proporciona una fuente de energía renovable que puede reducir la dependencia de las importaciones de petróleo extranjeras, reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, mejorar la calidad ambiental y aumentar los empleos locales. Los sistemas de biogás también brindan la oportunidad de reciclar nutrientes en el suministro de alimentos, reduciendo la necesidad de fertilizantes petroquímicos y mineros.

Los sistemas de biogás son una solución de gestión de residuos que resuelve múltiples problemas y genera múltiples beneficios, incluidas fuentes de ingresos. En la actualidad, los Estados Unidos tienen el potencial de agregar 13.500 nuevos sistemas de biogás, proporcionando más de 335.000 empleos de construcción y 23.000 empleos permanentes. Sin embargo, para alcanzar todo su potencial, la industria necesita un apoyo normativo coherente. La financiación confiable de los programas de título de energía de la Factura Agrícola y un sólido Estándar de Combustible Renovable fomentan la inversión y la innovación en la industria del biogás. Si Estados Unidos tiene la intención de diversificar su suministro de combustible y tomar medidas contra el cambio climático, debe considerar seriamente los muchos beneficios del biogás.