az Egyesült Államok évente több mint 70 millió tonna szerves hulladékot termel. Míg a forrás csökkenését, illetve etetés az éhes szükséges prioritások csökkenti a felesleges élelmiszer-hulladék szerves hulladékok számos terjed ki a nem ehető források, beleértve a szerves trágya, mezőgazdasági hulladék, szennyvíz, valamint ehetetlen élelmiszer-hulladékok. Ha ezeket a hulladékokat nem megfelelően kezelik, jelentős kockázatot jelentenek a környezetre és a közegészségügyre. A hulladékokban jelen lévő kórokozók, vegyi anyagok, antibiotikumok és tápanyagok szennyezhetik a felszíni és a talajvizet a lefolyás vagy a talajba való kimosódás révén. A felesleges tápanyagok algavirágzást okoznak, károsítják az élővilágot, és megfertőzik az ivóvizet. A magas nitrátszintű ivóvíz a hyperthyreosishoz és a kékbaba-szindrómához kapcsolódik. Az önkormányzati víziközművek ivóvizet kezelnek a nitrátok eltávolítására,de ez költséges.

a szerves hulladékok is nagy mennyiségű metánt termelnek, amikor bomlanak. A metán egy erős üvegházhatású gáz, amely hatékonyabban csapdába ejti a hőt a légkörben, mint a szén-dioxid. Az azonos mennyiségű metán és szén-dioxid miatt a metán 20 év alatt 86-szor több hőt szív fel, mint a szén-dioxid. Az üvegházhatást okozó gázok kibocsátásának és a vízi utak szennyezésének kockázatának csökkentése érdekében a szerves hulladékot el lehet távolítani és fel lehet használni a megújuló energiaforrásként szolgáló biogáz előállítására. A fosszilis tüzelőanyagok kiszorításakor a biogáz további kibocsátáscsökkentést eredményez, ami néha szén-dioxid-negatív rendszereket eredményez. Annak ellenére, hogy számos potenciális előnyeit, szerves hulladékok hasznosítása, beleértve a környezetvédelmi beruházás, munkahelyteremtés, az Egyesült Államok jelenleg csak 2,200 működő biogáz rendszerek, ami kevesebb, mint 20 százaléka a teljes potenciálját.

Bevezetés

mi a biogáz?

a biogázt azután állítják elő, hogy a szerves anyagokat (növényi és állati termékeket)baktériumok bontják le oxigénmentes környezetben, az anaerob emésztésnek nevezett folyamat. A biogázrendszerek anaerob emésztést alkalmaznak ezen szerves anyagok újrahasznosítására, biogázzá alakítva őket, amely mind energiát (gázt), mind értékes talajtermékeket (folyadékokat és szilárd anyagokat) tartalmaz.

1.ábra: anaerob emésztési folyamat (Sara Tanigawa, EESI grafikája).

az anaerob emésztés már előfordul a természetben, a hulladéklerakókban és néhány állattartó trágya-kezelő rendszerben, de optimalizálható, ellenőrizhető és anaerob digészter segítségével tárolható. A biogáz nagyjából 50-70 százalékos metánt, 30-40 százalékos szén-dioxidot és nyomokban más gázokat tartalmaz. A folyékony és szilárd emésztett anyagot, az úgynevezett digestate-t gyakran használják talajmódosításként.

2.ábra: operatív biogázrendszerek az Egyesült Államok kontinentális részén (udvariasság: American Biogas Council)

egyes szerves hulladékokat nehezebb lebontani egy digesterben, mint másokat. Az élelmiszer-hulladék, zsírok, olajok és zsírok a legkönnyebben lebontható szerves hulladékok, míg az állati hulladék általában a legnehezebb. Több hulladék keverése ugyanabban a digesterben, amelyet együtt emésztésnek neveznek, hozzájárulhat a biogáz-hozamok növeléséhez. A melegebb, jellemzően 30-38 Celsius-fok között (86-100 Fahrenheit) tartott ásók szintén segíthetnek a hulladékok gyorsabb lebontásában.

a biogáz elfogása után képes hőt és villamos energiát termelni motorokban, mikroturbinekben és üzemanyagcellákban történő felhasználásra. A biogázt biometánra is lehet fejleszteni, más néven megújuló földgázra vagy RNG-re, földgázvezetékekbe injektálni vagy járműüzemanyagként használni.

az Egyesült Államokban jelenleg 2200 működő biogázrendszer működik mind az 50 államban, és több mint 13 500 új rendszert képes hozzáadni.

a biogáz előnyei

a tárolt biogáz tiszta, megújuló és megbízható energiaforrást biztosít a szén vagy földgáz helyett. Baseload teljesítmény következetesen elő, hogy megfeleljen a minimális teljesítményigény; a megújuló alapenergia több időszakos megújuló energiát is kiegészíthet. A földgázhoz hasonlóan a biogáz is felhasználható csúcsteljesítmény forrásaként, amely gyorsan felgyorsítható. A tárolt biogáz használata korlátozza a légkörbe kibocsátott metán mennyiségét, és csökkenti a fosszilis tüzelőanyagoktól való függőséget. Az Egyesült Államokban az összes lehetséges biogáz kiaknázásából származó metánkibocsátás csökkentése megegyezik a 800 000-11 millió személygépkocsi éves kibocsátásával. A hulladék-kerekek értékelése alapján a biogázból származó sűrített földgáz akár 91 százalékkal csökkenti az üvegházhatású gázok kibocsátását a kőolajbenzinhez képest.

New York City évente nagyjából 400 millió dollárt költ arra, hogy 14 millió tonna hulladékot szállítson hulladékégetőkbe és hulladéklerakókba. Ha a hulladékot anaerob emésztésre terelnék, akkor a költségből lehetőség nyílna, amely az energiatermelésből és a társtermékekből származó bevételt eredményezné.

Forrás: New York Times, 2017. június 2.

az éghajlati előnyök mellett az anaerob emésztés csökkentheti a hulladék-kármentesítéssel kapcsolatos költségeket,valamint a helyi gazdaságok előnyeit. Az Egyesült Államokban a 13 500 potenciális biogáz-rendszer kiépítése több mint 335 000 ideiglenes és 23 000 állandó munkahelyet teremthet. Az anaerob emésztés csökkenti a szagokat, a kórokozókat, valamint az állati hulladékból származó vízszennyezés kockázatát. A Digestate, az emésztési folyamat után fennmaradó anyag műtrágyaként használható vagy értékesíthető, csökkentve a műtrágyák szükségességét. A Digestate további bevételt is nyújthat, ha állattenyésztési ágyneműként vagy talajmódosításként értékesítik.

Biogáz alapanyagok

élelmiszerhulladék

a globális élelmiszerellátás mintegy 30 százaléka évente elveszik vagy elpazarolódik. Csak 2010-ben az Egyesült Államok mintegy 133 milliárd font (66,5 millió tonna) élelmiszer-hulladékot termelt, elsősorban a lakossági és kereskedelmi élelmiszeriparból. E hulladék kezelése érdekében az EPA Élelmiszer-helyreállítási hierarchiája először rangsorolja a forráscsökkentést, majd extra ételt használ az éhség kezelésére; az állati takarmány vagy az energiatermelés alacsonyabb prioritást élvez. Az ételt végső megoldásként a hulladéklerakókba kell küldeni. Sajnos az élelmiszer-hulladék az amerikai hulladéklerakók 21% – át teszi ki, az élelmiszer-hulladéknak csak 5% – át újrahasznosítják talajjavító vagy műtrágya. A hulladék nagy részét hulladéklerakókba küldik, ahol metánt termel, amikor lebomlik. Míg a hulladéklerakók elfoghatják a keletkező biogázt, a szerves hulladékok lerakása nem nyújt lehetőséget a tápanyagok újrahasznosítására a forrás szerves anyagból. 2015-ben az EPA és az USDA célokat tűzött ki arra, hogy 2030-ra 50 százalékkal csökkentsék a hulladéklerakókba küldött élelmiszer-hulladék mennyiségét. De még akkor is, ha ez a cél teljesül, felesleges élelmiszer lesz, amelyet újra kell hasznosítani. Az energiapotenciál jelentős. Mint csak egy példa, a napi 100 tonna élelmiszer-hulladékkal az anaerob emésztés elegendő energiát generálhat ahhoz, hogy évente 800-1400 otthont tápláljon. Az élelmiszeriparból begyűjtött zsír, olaj és zsír is hozzáadható egy anaerob digeszterhez a biogáztermelés növelése érdekében.

hulladéklerakó gáz

a hulladéklerakók az emberi eredetű metánkibocsátás harmadik legnagyobb forrása az Egyesült Államokban. A hulladéklerakók ugyanazokat az anaerob baktériumokat tartalmazzák, amelyek egy emésztőben vannak jelen, amelyek lebontják a biogáz előállításához szükséges szerves anyagokat, ebben az esetben a hulladéklerakó gázt (LFG). Ahelyett, hogy lehetővé tenné az LFG számára, hogy a légkörbe meneküljön, összegyűjthető és energiaként használható. Jelenleg az LFG projektek az Egyesült Államokban mintegy 17 milliárd kilowattóra villamos energiát termelnek, és évente 98 milliárd köbméter LFG-t szállítanak földgázvezetékekbe vagy közvetlenül a végfelhasználóknak. Referenciaként az átlagos amerikai otthon 2015-ben évente körülbelül 10,812 kilowattóra villamos energiát használt.

haszonállat-hulladék

3.ábra: az Egyesült Államokban a táptalajon működő és potenciális biogázrendszerek jelenlegi száma. EPA

egy 1000 font súlyú tejelő tehén naponta átlagosan 80 font trágyát termel. Ezt a trágyát gyakran tárolótartályokban tárolják, mielőtt a mezőkre alkalmazzák. Nemcsak a trágya termel metánt, ahogy bomlik, hanem hozzájárulhat a felesleges tápanyagokhoz a vízi utakon. 2015-ben az állattenyésztési trágya kezelése az Egyesült Államokban az összes metánkibocsátás mintegy 10% – át tette ki, ám az állati hulladéknak csak 3% – át újrahasznosítják anaerob digeszterek. Amikor az állati trágyát biogáz előállítására használják, az anaerob emésztés csökkentheti az üvegházhatást okozó gázok kibocsátását, csökkentheti a szagokat, és csökkentheti a trágya kórokozóinak akár 99% – át. Az EPA becslése szerint 8,241 állati biogáz-rendszer lehetséges, amelyek együttesen több mint 13 millió megawattóra energiát termelhetnek évente.

szennyvíztisztítás

sok szennyvíztisztító telep (WWTP) már rendelkezik helyszíni anaerob digeszterrel a szennyvíziszap kezelésére, a szilárd anyagok elkülönülnek a kezelési folyamat során. Sok WWTP azonban nem rendelkezik az általuk előállított biogáz használatához szükséges felszereléssel, hanem inkább fellángolja azt. Az anaerob digesztert használó 1269 szennyvíztisztító telep közül csak körülbelül 860 használja biogázát. Ha a lehetőség, hogy jelenleg használja az anaerob rothasztás—kezel több mint 5 millió gallon naponta—az volt, hogy telepíteni egy energia hasznosító létesítmény, az Egyesült Államok lehetne csökkenteni az éves szén-dioxid-kibocsátás, amelyet 2,3 millió tonna—megegyezik az éves kibocsátás a 430,000 személyszállító járművek.

növénymaradványok

a növénymaradványok lehetnek szárak, szalma és növényi vágások. A talaj szerves tartalmának és nedvességtartalmának megőrzése, valamint az erózió megelőzése érdekében néhány maradék marad a területen. A magasabb terméshozamok azonban megnövelték a maradványok mennyiségét, és ezek egy részének eltávolítása fenntartható lehet. A fenntartható betakarítási arányok a termesztett növénytől, a talaj típusától és az éghajlati tényezőktől függően változnak. A fenntartható betakarítási arányokat figyelembe véve az amerikai Energiaügyi Minisztérium becslése szerint jelenleg mintegy 104 millió tonna növényi maradék áll rendelkezésre, száraz tonnánként 60 dollár áron. A növényi maradványokat általában más szerves hulladékokkal együtt emésztik, mivel magas lignintartalmuk miatt nehéz lebontani őket.

Biogáz végfelhasználás

nyers biogáz és Digestate

alig vagy egyáltalán nem feldolgozható, a biogáz a helyszínen elégethető épületek és erő kazánok, vagy akár maga az ásó fűtésére. A biogáz felhasználható kombinált hő-és villamosenergia – (CHP) műveletekhez, vagy a biogáz egyszerűen belső égésű motor, üzemanyagcella vagy gázturbina segítségével villamos energiává alakítható, a keletkező villamos energiát pedig a helyszínen használják vagy értékesítik az elektromos hálózatra.

A Digestate a tápanyagban gazdag szilárd vagy folyékony anyag, amely az emésztési folyamat után marad; minden olyan újrahasznosított tápanyagot tartalmaz, amely az eredeti szerves anyagban jelen volt, de a növények és a talajépítés számára könnyebben hozzáférhető formában. A digestate összetétele és tápanyagtartalma az emésztőanyaghoz hozzáadott alapanyagtól függ. A folyékony digestate könnyen permetezhető-műtrágyaként alkalmazható a gazdaságokra, csökkentve a szintetikus műtrágyák beszerzésének szükségességét. A szilárd digestate állati ágyneműként vagy minimális feldolgozással komposztálható. A közelmúltban a biogázipar lépéseket tett egy digestate tanúsítási program létrehozása érdekében, hogy biztosítsa a digestate biztonságát és minőségellenőrzését.

biogázrendszerekkel, tejüzemekkel, gazdaságokkal és iparral saját szerves hulladékaik felhasználásával csökkenthetik a működési költségeket berendezéseik és épületeik energiaellátására. Az indianai Fair Oaks Dairy 1,2 millió köbméter biogázt termel naponta 9000 tejelő tehén trágyájával. A biogáz egy részét CNG-re fejlesztik, és pótkocsik táplálására használják, amelyek tejet szállítanak a Fair Oaks feldolgozó üzemekbe, évi 1,5 millió gallonnal csökkentve a dízelüzemanyag használatát.

forrás: EPA.

megújuló földgáz

megújuló földgáz (RNG) vagy biometán olyan biogáz, amelyet a szén-dioxid, a vízgőz és más nyomgázok eltávolítására finomítottak annak érdekében, hogy megfeleljen a földgázipari szabványoknak. Az RNG-t be lehet fecskendezni a meglévő földgázhálózatba (beleértve a csővezetékeket is), és felcserélhető a hagyományos földgázzal. A földgáz (hagyományos és megújuló) biztosítja az amerikai villamos energia 26 százalékát, a földgáz 40 százalékát pedig villamos energia előállítására használják. A fennmaradó földgázt kereskedelmi célokra (fűtés és szakács), valamint ipari célokra használják. Az RNG képes helyettesíteni az Egyesült Államokban használt földgáz akár 10 százalékát.

sűrített földgáz és cseppfolyósított földgáz

a hagyományos földgázhoz hasonlóan az RNG járműüzemanyagként is használható, miután sűrített földgázt (CNG) vagy cseppfolyósított földgázt (LNG) alakítanak át. A CNG-meghajtású járművek üzemanyag-takarékossága összehasonlítható a hagyományos benzinüzemű járművekével, és könnyű – nehéz tehergépjárművekben is használható. Az LNG-t nem olyan széles körben használják, mint a CNG-t, mert drága mind a gyártás, mind a tárolás, bár nagyobb sűrűsége miatt az LNG jobb üzemanyag a nagy távolságra közlekedő nehéz tehergépjárművek számára. Hogy a legtöbb beruházások táplálja infrastruktúra, CNG-s LNG legalkalmasabbak flotta, járművek vissza a bázisra a tankolás. A Nemzeti megújuló energia laboratórium becslése szerint az RNG a villamos energia előállításához felhasznált földgáz öt százalékát, a járműüzemanyag előállításához használt földgáz 56 százalékát helyettesítheti.

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
* 2017 júliusától

a megújuló üzemanyag szabványt (RFS) a kongresszus a 2005-ös energiapolitikai törvény részeként hozta létre. Az RFS megköveteli a megújuló üzemanyagok keverését az amerikai közlekedési üzemanyag-ellátásba. Jelenleg a benzinellátás mintegy 10% – át megújuló üzemanyag, elsősorban etanol biztosítja. Az RFS az üzemanyag-mennyiségeket különféle üzemanyag-kategóriákhoz állítja be: biomassza alapú dízel, fejlett bioüzemanyag, cellulózos bioüzemanyag, valamint a megújuló üzemanyag egésze. Minden kategóriának minimálisan csökkentenie kell az üvegházhatású gázokat.

az EPA 2014-ben jóváhagyta a biogázt az RFS keretében minősített cellulóz alapanyagként. A cellulóz bioüzemanyagoknak 60 százalékkal kevésbé üvegházhatású gázigényesnek kell lenniük, mint a benzinnek. Jelenleg a cellulózüzemanyag-mennyiségek nagy részét az RNG járműüzemanyagként történő felhasználásával teljesítik. Az RFS-nek való megfelelés nyomon követhető a megújuló azonosító számokon (RINs) keresztül, amelyek kereskedhetnek, a cellulóz bioüzemanyagok RINs-je pedig RNG-gyártókat kereshet $40/MMBtu (2017 szeptemberétől). A biogázgyártók szerint az RFS az iparágba történő beruházások fontos hajtóerejévé vált.

a biogáz jóváhagyásának részeként az EPA frissítette az RFS-t annak érdekében, hogy a járműüzemanyagként használt biogázból származó villamos energia megfelelhessen a RINs-nek vagy az “e-RINs” – nek.”2017-től azonban az EPA nem hagyott jóvá egyetlen termelői kérelmet sem az e-RINs előállításának megkezdésére, annak ellenére, hogy a biogáz-termelés már meghaladja a jelenlegi szállítási villamosenergia-keresletet.

A mezőgazdasági számla

a mezőgazdasági számla Energiacíme (IX) szerinti programok kulcsfontosságúak voltak a biogázipar növekedéséhez. A 2014. évi mezőgazdasági törvényjavaslat értelmében az USDA fejlett bioüzemanyagokra vonatkozó Bioenergia-programja kifizetéseket nyújt a termelőknek a kukoricakeményítőn kívüli forrásokból finomított fejlett bioüzemanyagok termelésének előmozdítása érdekében. A program jelenleg évente 15 millió dollárt kap kötelező finanszírozásban, évente 20 millió dollárral, diszkrecionális finanszírozásban 2018-ig.

Több mint 500 000 dollárnyi vissza nem térítendő támogatás és kölcsön segítségével a Pennwood Farms 2011-ben anaerob digesztert tudott telepíteni. A digestate-ből készült ágynemű évente mintegy 60 000 dollárt takarít meg a gazdaságban az ágynemű költségeiben, a gazdaság 600 tejelő tehenéből származó hulladék pedig több mint elegendő villamos energiát termel a helyszíni igények kielégítéséhez.

Forrás: USDA

a Rural Energy for America Program (Rural Energy for America Program) támogatást és hitelgaranciát nyújt a mezőgazdasági termelőknek és a vidéki kisvállalkozásoknak a megújuló energiatermelés és az energiahatékonyság javítása érdekében. A program 2018-ig évi 50 millió dollár kötelező finanszírozással rendelkezik, 100 millió dollár pedig diszkrecionális alapokban áll rendelkezésre.

a biomassza kutatás-fejlesztési kezdeményezés az USDA és a DOE közös programja. A 2017-es pénzügyi évre 3 millió dollár kötelező finanszírozással, a 2018-as pénzügyi évre pedig 20 millió dollár diszkrecionális finanszírozással a biomassza-kutatási és Fejlesztési Tanács támogatásokat, szerződéseket és pénzügyi támogatást ítél oda a bioüzemanyagok és bioalapú termékek kutatását és fejlesztését ösztönző projekteknek. Ezek a programok azonban következetesen csökkentették a finanszírozást az előirányzatok folyamatán keresztül.

Egyéb ügynökségi programok

az AgSTAR az EPA, az USDA és a DOE közös programja. A program elősegíti az anaerob digeszterek használatát az állattenyésztő gazdaságokban az állati hulladékból származó metánkibocsátás csökkentése érdekében. Az AgSTAR program támogatja az anaerob digester projektek tervezését és végrehajtását, valamint állami és nem kormányzati partnereket is magában foglal.

Az EPA hulladéklerakó metán információs programja (Lmop) arra ösztönzi a hulladékipart, hogy hasznosítsa és használja a hulladéklerakókban keletkező szerves hulladékból származó biogázt. Az LMOP partnerségeket alakít ki a közösségekkel, a közművekkel, a hulladéklerakók tulajdonosaival és más érdekelt felekkel, hogy technikai segítséget nyújtsanak, és finanszírozást kérjenek a hulladéklerakó biogáz projektekhez.

következtetés

a Biogázrendszerek a hulladékgazdálkodás költségeit bevételi lehetőséggé alakítják az amerikai gazdaságok, tejüzemek és iparágak számára. A hulladék villamos energiává, hővé vagy járműüzemanyaggá történő átalakítása megújuló energiaforrást biztosít, amely csökkentheti a külföldi olajimporttól való függést, csökkentheti az üvegházhatást okozó gázok kibocsátását, javíthatja a környezeti minőséget és növelheti a helyi munkahelyeket. A biogázrendszerek lehetőséget nyújtanak a tápanyagok újrahasznosítására az élelmiszer-ellátásban, csökkentve mind a petrolkémiai, mind a bányászott műtrágyák szükségességét.

a biogáz rendszerek olyan Hulladékkezelési megoldások, amelyek több problémát oldanak meg, és több előnnyel járnak, beleértve a bevételi forrásokat is. Az Egyesült Államok jelenleg 13.500 új biogáz-rendszert képes felvenni, amelyek több mint 335.000 építési és 23.000 állandó munkahelyet biztosítanak. A teljes potenciál elérése érdekében azonban az iparágnak következetes politikai támogatásra van szüksége. A mezőgazdasági számlák energiacímprogramjainak megbízható finanszírozása és a megújuló üzemanyagokra vonatkozó erős szabvány ösztönzi a biogázipar beruházásait és innovációját. Ha az Egyesült Államok diverzifikálni kívánja üzemanyag-ellátását, és lépéseket kíván tenni az éghajlatváltozás ellen, akkor határozottan mérlegelnie kell a biogáz számos előnyét.