Gli Stati Uniti producono più di 70 milioni di tonnellate di rifiuti organici ogni anno. Mentre la riduzione delle fonti e l’alimentazione degli affamati sono priorità necessarie per ridurre gli sprechi alimentari inutili, i rifiuti organici sono numerosi e si estendono a fonti non commestibili, tra cui letame di bestiame, rifiuti agricoli, acque reflue e rifiuti alimentari non commestibili. Quando questi rifiuti sono gestiti in modo improprio, rappresentano un rischio significativo per l’ambiente e la salute pubblica. Agenti patogeni, prodotti chimici, antibiotici e sostanze nutritive presenti nei rifiuti possono contaminare le acque superficiali e sotterranee attraverso il deflusso o la lisciviazione nei terreni. I nutrienti in eccesso causano fioriture algali, danneggiano la fauna selvatica e infettano l’acqua potabile. L’acqua potabile con alti livelli di nitrati è legata all’ipertiroidismo e alla sindrome del blue-baby. Le utenze idriche municipali trattano l’acqua potabile per rimuovere i nitrati, ma è costoso farlo.

I rifiuti organici generano anche grandi quantità di metano mentre si decompongono. Il metano è un potente gas serra che intrappola il calore nell’atmosfera in modo più efficiente rispetto all’anidride carbonica. Date uguali quantità di metano e anidride carbonica, il metano assorbirà 86 volte più calore in 20 anni rispetto all’anidride carbonica. Per ridurre le emissioni di gas serra e il rischio di inquinamento delle vie navigabili, i rifiuti organici possono essere rimossi e utilizzati per produrre biogas, una fonte di energia rinnovabile. Quando si spostano i combustibili fossili, il biogas crea ulteriori riduzioni delle emissioni, a volte con conseguente sistemi negativi al carbonio. Nonostante i numerosi potenziali benefici dell’utilizzo dei rifiuti organici, tra cui la protezione dell’ambiente, gli investimenti e la creazione di posti di lavoro, gli Stati Uniti hanno attualmente solo 2.200 sistemi di biogas operativi, che rappresentano meno del 20% del potenziale totale.

Introduzione

Che cos’è il biogas?

Il biogas viene prodotto dopo che i materiali organici (prodotti vegetali e animali) vengono scomposti dai batteri in un ambiente privo di ossigeno, un processo chiamato digestione anaerobica. I sistemi di biogas utilizzano la digestione anaerobica per riciclare questi materiali organici, trasformandoli in biogas, che contiene sia energia (gas), sia preziosi prodotti del suolo (liquidi e solidi).

Figura 1: Processo di digestione anaerobica (Grafica di Sara Tanigawa, EESI).

La digestione anaerobica si verifica già in natura, nelle discariche e in alcuni sistemi di gestione del letame di bestiame, ma può essere ottimizzata, controllata e contenuta utilizzando un digestore anaerobico. Il biogas contiene circa il 50-70% di metano, il 30-40% di anidride carbonica e tracce di altri gas. Il materiale digerito liquido e solido, chiamato digestato, è usato frequentemente come emendamento del suolo.

Figura 2: Sistemi operativi di biogas negli Stati Uniti continentali (Courtesy: American Biogas Council)

Alcuni rifiuti organici sono più difficili da abbattere in un digestore rispetto ad altri. Rifiuti alimentari, grassi, oli e grassi sono i rifiuti organici più facili da abbattere, mentre i rifiuti di bestiame tendono ad essere i più difficili. La miscelazione di più rifiuti nello stesso digestore, denominato co-digestione, può contribuire ad aumentare le rese di biogas. I digestori più caldi, in genere mantenuti tra 30 e 38 gradi Celsius (86-100 Fahrenheit), possono anche aiutare i rifiuti a rompersi più rapidamente.

Dopo la cattura del biogas, può produrre calore ed elettricità per l’uso in motori, microturbine e celle a combustibile. Il biogas può anche essere trasformato in biometano, chiamato anche gas naturale rinnovabile o RNG, e iniettato in gasdotti naturali o utilizzato come carburante per veicoli.

Gli Stati Uniti hanno attualmente 2.200 sistemi operativi di biogas in tutti i 50 stati e hanno il potenziale per aggiungere oltre 13.500 nuovi sistemi.

I vantaggi del biogas

Il biogas immagazzinato può fornire una fonte di energia pulita, rinnovabile e affidabile al posto del carbone o del gas naturale. Il potere del carico di base è prodotto costantemente per soddisfare le richieste minime di potere; l’energia del carico di base rinnovabile può integrare più energie rinnovabili intermittenti. Simile al gas naturale, il biogas può anche essere utilizzato come fonte di potenza di picco che può essere rapidamente aumentata. L’utilizzo di biogas immagazzinato limita la quantità di metano rilasciato nell’atmosfera e riduce la dipendenza dai combustibili fossili. La riduzione delle emissioni di metano derivanti dalla captazione di tutto il potenziale biogas negli Stati Uniti sarebbe pari alle emissioni annue da 800.000 a 11 milioni di veicoli passeggeri. Sulla base di una valutazione waste-to-wheels, il gas naturale compresso derivato dal biogas riduce le emissioni di gas serra fino al 91% rispetto alla benzina di petrolio.

New York spende circa million 400 milioni ogni anno per trasportare 14 milioni di tonnellate di rifiuti in inceneritori e discariche. Deviare quei rifiuti alla digestione anaerobica trasformerebbe un costo in un’opportunità, generando entrate dalla produzione di energia e dai co-prodotti.

Sorgente: New York Times, June 2, 2017

Oltre ai benefici climatici, la digestione anaerobica può ridurre i costi associati alla bonifica dei rifiuti e avvantaggiare le economie locali. Costruire i 13.500 potenziali sistemi di biogas negli Stati Uniti potrebbe aggiungere oltre 335.000 posti di lavoro temporanei di costruzione e 23.000 posti di lavoro permanenti. La digestione anaerobica riduce anche gli odori, gli agenti patogeni e il rischio di inquinamento delle acque da rifiuti di bestiame. Il digestato, il materiale rimasto dopo il processo di digestione, può essere utilizzato o venduto come fertilizzante, riducendo la necessità di fertilizzanti chimici. Il digestato può anche fornire entrate aggiuntive quando viene venduto come lettiera per bestiame o emendamenti al suolo.

Materie prime di biogas

Rifiuti alimentari

Ogni anno circa il 30% dell’approvvigionamento alimentare globale viene perso o sprecato. Nel solo 2010, gli Stati Uniti hanno prodotto circa 133 miliardi di sterline (66,5 milioni di tonnellate) di rifiuti alimentari, principalmente dal settore alimentare residenziale e commerciale. Per affrontare questi rifiuti, la gerarchia di recupero alimentare dell’EPA dà priorità prima alla riduzione delle fonti, quindi all’utilizzo di cibo extra per affrontare la fame; l’alimentazione animale o la produzione di energia sono una priorità inferiore. Il cibo dovrebbe essere inviato in discarica come ultima risorsa. Sfortunatamente, i rifiuti alimentari costituiscono il 21% delle discariche statunitensi, con solo il 5% dei rifiuti alimentari riciclati in ammendanti o fertilizzanti. La maggior parte di questi rifiuti viene inviata alle discariche, dove produce metano mentre si rompe. Mentre le discariche possono catturare il biogas risultante, lo smaltimento in discarica dei rifiuti organici non offre alcuna opportunità di riciclare i nutrienti dal materiale organico di origine. Nel 2015, l’EPA e l’USDA hanno fissato obiettivi per ridurre la quantità di rifiuti alimentari inviati alle discariche del 50% entro il 2030. Ma anche se questo obiettivo è raggiunto, ci sarà cibo in eccesso che dovrà essere riciclato. Il potenziale energetico è significativo. Come solo un esempio, con 100 tonnellate di rifiuti alimentari al giorno, la digestione anaerobica può generare energia sufficiente per alimentare da 800 a 1.400 case ogni anno. Grasso, olio e grasso raccolti dall’industria alimentare possono anche essere aggiunti a un digestore anaerobico per aumentare la produzione di biogas.

Gas di discarica

Le discariche sono la terza più grande fonte di emissioni di metano legate all’uomo negli Stati Uniti. Le discariche contengono gli stessi batteri anaerobici presenti in un digestore che abbattono i materiali organici per produrre biogas, in questo caso gas di discarica (LFG). Invece di permettere a LFG di fuggire nell’atmosfera, può essere raccolto e usato come energia. Attualmente, i progetti LFG in tutti gli Stati Uniti generano circa 17 miliardi di kilowattora di elettricità e consegnano 98 miliardi di piedi cubi di LFG ai gasdotti o direttamente agli utenti finali ogni anno. Per riferimento, la casa media degli Stati Uniti nel 2015 ha utilizzato circa 10.812 kilowattora di elettricità all’anno.

Rifiuti di bestiame

Figura 3: Numero attuale di sistemi operativi e potenziali di biogas negli Stati Uniti per materia prima. EPA

Una mucca da latte da 1.000 libbre produce una media di 80 libbre di concime ogni giorno. Questo letame viene spesso immagazzinato in serbatoi di contenimento prima di essere applicato ai campi. Non solo il letame produce metano mentre si decompone, può contribuire a nutrienti in eccesso nei corsi d’acqua. Nel 2015, la gestione del letame di bestiame ha contribuito a circa il 10% di tutte le emissioni di metano negli Stati Uniti, ma solo il 3% dei rifiuti di bestiame viene riciclato da digestori anaerobici. Quando il letame di bestiame viene utilizzato per produrre biogas, la digestione anaerobica può ridurre le emissioni di gas serra, ridurre gli odori e ridurre fino al 99% dei patogeni del letame. L’EPA stima che ci sia il potenziale per 8.241 sistemi di biogas per bestiame, che potrebbero generare insieme oltre 13 milioni di megawattora di energia ogni anno.

Trattamento delle acque reflue

Molti impianti di trattamento delle acque reflue (WWTP) dispongono già di digestori anaerobici in loco per il trattamento dei fanghi di depurazione, i solidi separati durante il processo di trattamento. Tuttavia, molti WWTP non hanno le attrezzature per utilizzare il biogas che producono, e flare invece. Dei 1.269 impianti di trattamento delle acque reflue che utilizzano un digestore anaerobico, solo circa 860 utilizzano il loro biogas. Se tutte le strutture che attualmente utilizzano la digestione anaerobica-trattando oltre 5 milioni di galloni ogni giorno – dovessero installare un impianto di recupero energetico, gli Stati Uniti potrebbero ridurre le emissioni annuali di anidride carbonica di 2,3 milioni di tonnellate metriche—pari alle emissioni annuali di 430.000 veicoli passeggeri.

Residui colturali

I residui colturali possono includere steli, paglia e passamanerie vegetali. Alcuni residui sono lasciati sul campo per trattenere il contenuto organico del suolo e l’umidità, nonché prevenire l’erosione. Tuttavia, rese più elevate delle colture hanno aumentato la quantità di residui e la rimozione di una parte di questi può essere sostenibile. I tassi di raccolta sostenibili variano a seconda della coltura coltivata, del tipo di terreno e dei fattori climatici. Tenendo conto dei tassi di raccolta sostenibili, il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti stima che ci siano attualmente circa 104 milioni di tonnellate di residui di colture disponibili ad un prezzo di $60 per tonnellata secca. I residui delle colture sono di solito co-digeriti con altri rifiuti organici perché il loro alto contenuto di lignina li rende difficili da abbattere.

Usi finali del biogas

Biogas e digestato grezzi

Con poca o nessuna lavorazione, il biogas può essere bruciato in loco per riscaldare edifici e caldaie elettriche o anche il digestore stesso. Il biogas può essere utilizzato per le operazioni di cogenerazione (cogenerazione), oppure il biogas può essere semplicemente trasformato in elettricità utilizzando un motore a combustione, una cella a combustibile o una turbina a gas, con l’elettricità risultante utilizzata in loco o venduta sulla rete elettrica.

Il digestato è il materiale solido o liquido ricco di sostanze nutritive che rimane dopo il processo di digestione; contiene tutti i nutrienti riciclati che erano presenti nel materiale organico originale, ma in una forma più facilmente disponibile per le piante e la costruzione del suolo. La composizione e il contenuto di nutrienti del digestato dipenderanno dalla materia prima aggiunta al digestore. Il digestato liquido può essere facilmente applicato a spruzzo alle aziende agricole come fertilizzante, riducendo la necessità di acquistare fertilizzanti sintetici. Il digestato solido può essere utilizzato come lettiera per bestiame o compostato con una lavorazione minima. Recentemente, l’industria del biogas ha adottato misure per creare un programma di certificazione del digestato, per garantire la sicurezza e il controllo della qualità del digestato.

Con i sistemi di biogas, caseifici, aziende agricole e l’industria possono ridurre i costi operativi utilizzando i propri rifiuti organici per alimentare le loro attrezzature e gli edifici. Fair Oaks Dairy in Indiana produce 1,2 milioni di piedi cubi di biogas ogni giorno con letame da 9.000 vacche da latte. Parte del biogas viene aggiornato a CNG e utilizzato per alimentare i rimorchi che consegnano latte agli impianti di lavorazione di Fair Oaks, riducendo il loro uso di gasolio di 1,5 milioni di galloni all’anno.

Fonte: EPA.

Gas naturale rinnovabile

Il gas naturale rinnovabile (RNG), o biometano, è il biogas che è stato raffinato per rimuovere anidride carbonica, vapore acqueo e altri gas in traccia in modo che soddisfi gli standard del settore del gas naturale. RNG può essere iniettato nella rete di gas naturale esistente (compresi i gasdotti) e utilizzato in modo intercambiabile con il gas naturale convenzionale. Il gas naturale (convenzionale e rinnovabile) fornisce il 26% dell’elettricità degli Stati Uniti e il 40% del gas naturale viene utilizzato per produrre elettricità. Il resto del gas naturale viene utilizzato per scopi commerciali (riscaldamento e cottura) e per quelli industriali. RNG ha il potenziale per sostituire fino al 10 per cento del gas naturale utilizzato negli Stati Uniti.

Gas naturale compresso e gas naturale liquefatto

Come il gas naturale convenzionale, l’RNG può essere utilizzato come carburante per veicoli dopo essere stato convertito in gas naturale compresso (GNC) o gas naturale liquefatto (GNL). Il risparmio di carburante dei veicoli alimentati a metano è paragonabile a quello dei veicoli a benzina convenzionali e può essere utilizzato in veicoli leggeri e pesanti. Il GNL non è così ampiamente utilizzato come il GNC perché è costoso da produrre e immagazzinare, anche se la sua maggiore densità rende il GNL un carburante migliore per i veicoli pesanti che percorrono lunghe distanze. Per sfruttare al meglio gli investimenti nelle infrastrutture di rifornimento, GNC e GNL sono più adatti per i veicoli della flotta che tornano a una base per il rifornimento di carburante. Il National Renewable Energy Laboratory stima RNG potrebbe sostituire il cinque per cento del gas naturale utilizzato per produrre energia elettrica e il 56 per cento del gas naturale utilizzato per produrre carburante per veicoli.

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
* luglio 2017

Il Renewable Fuel Standard (RFS) è stato creato dal Congresso come parte del 2005 Energy Policy Act. La RFS richiede la miscelazione di combustibili rinnovabili nella fornitura di carburante per il trasporto negli Stati Uniti. Attualmente circa il 10 per cento della fornitura di benzina è fornito da combustibile rinnovabile, principalmente etanolo. L’RFS imposta i volumi di carburante per una varietà di categorie di carburante: diesel a base di biomassa, biocarburante avanzato, biocarburante cellulosico e combustibile rinnovabile nel suo complesso. Ogni categoria ha una riduzione minima richiesta di gas serra.

EPA ha approvato il biogas come materia prima cellulosica di qualificazione nell’ambito del RFS nel 2014. I biocarburanti cellulosici devono essere il 60% in meno ad alta intensità di gas serra rispetto alla benzina. Attualmente, la maggior parte dei volumi di carburante cellulosico viene soddisfatta attraverso l’uso di RNG come carburante per veicoli. La conformità con il RFS è monitorata attraverso numeri di identificazione rinnovabili (RINs) che possono essere scambiati, e RINs per biocarburanti cellulosici possono guadagnare produttori di RNG $40/MMBtu (a partire da settembre 2017). Secondo i produttori di biogas, il RFS è diventato un importante motore di investimenti nel settore.

Come parte dell’approvazione del biogas, l’EPA ha aggiornato il RFS per consentire all’elettricità derivata dal biogas utilizzata come carburante per veicoli di qualificarsi per RINS, o “e-RINs.”Tuttavia, a partire da 2017, l’EPA non ha approvato alcuna richiesta del produttore di iniziare a generare e-RINs, nonostante la produzione di biogas superi già l’attuale domanda di energia elettrica per il trasporto.

I programmi Farm Bill

sotto il titolo Energetico di Farm Bill (IX) sono stati cruciali per la crescita nel settore del biogas. Nell’ambito del Farm Bill 2014, il programma di bioenergia dell’USDA per i biocarburanti avanzati fornisce pagamenti ai produttori per promuovere la produzione di biocarburanti avanzati raffinati da fonti diverse dall’amido di mais. Il programma attualmente riceve funding 15 milioni all’anno in finanziamenti obbligatori con million 20 milioni disponibili all’anno in finanziamenti discrezionali fino al 2018.

Con l’aiuto di oltre $500.000 in sovvenzioni e prestiti REAP, Pennwood Farms è stata in grado di installare un digestore anaerobico nel 2011. La biancheria da letto a base di digestato fa risparmiare all’azienda circa $60.000 all’anno in costi di biancheria da letto e gli scarti delle 600 mucche da latte dell’azienda producono più che sufficiente elettricità per soddisfare le esigenze in loco.

Sorgente: USDA

Il programma Rural Energy for America (REAP) fornisce sovvenzioni e garanzie di prestito ai produttori agricoli e alle piccole imprese rurali per promuovere la produzione di energia rinnovabile e il miglioramento dell’efficienza energetica. Il programma ha un finanziamento obbligatorio di million 50 milioni all’anno fino al 2018 e available 100 milioni disponibili in fondi discrezionali.

L’iniziativa di ricerca e sviluppo della biomassa è un programma congiunto tra l’USDA e il DOE. Con funding 3 milioni in finanziamenti obbligatori attraverso l’anno fiscale 2017 e million 20 milioni in finanziamenti discrezionali attraverso l’anno fiscale 2018, il Biomass Research and Development Board assegna sovvenzioni, contratti e assistenza finanziaria a progetti che stimolano la ricerca e lo sviluppo di biocarburanti e prodotti a base biologica. Tuttavia, questi programmi hanno visto costantemente riduzioni dei finanziamenti attraverso il processo di stanziamenti.

Altri programmi di agenzia

AgSTAR è un programma congiunto tra EPA, USDA e DOE. Il programma promuove l’uso di digestori anaerobici negli allevamenti per ridurre le emissioni di metano dai rifiuti animali. Il programma AgSTAR supporta la pianificazione e l’implementazione di progetti di digestori anaerobici e include partner statali e non governativi.

Il programma LMOP (Landfill Methane Outreach Program) dell’EPA incoraggia l’industria dei rifiuti a recuperare e utilizzare il biogas generato dai rifiuti organici nelle discariche. LMOP forma partnership con comunità, utility, proprietari di discariche e altre parti interessate per fornire assistenza tecnica e cercare finanziamenti per progetti di biogas in discarica.

Conclusione

I sistemi di biogas trasformano il costo della gestione dei rifiuti in un’opportunità di guadagno per le aziende agricole, i caseifici e le industrie americane. La conversione dei rifiuti in elettricità, calore o carburante per veicoli fornisce una fonte di energia rinnovabile in grado di ridurre la dipendenza dalle importazioni estere di petrolio, ridurre le emissioni di gas serra, migliorare la qualità ambientale e aumentare i posti di lavoro locali. I sistemi di biogas offrono anche l’opportunità di riciclare i nutrienti nell’approvvigionamento alimentare, riducendo la necessità di fertilizzanti sia petrolchimici che estratti.

I sistemi di biogas sono una soluzione di gestione dei rifiuti che risolve molteplici problemi e crea molteplici vantaggi, inclusi i flussi di entrate. Gli Stati Uniti hanno attualmente il potenziale per aggiungere 13.500 nuovi sistemi di biogas, fornendo oltre 335.000 lavori di costruzione e 23.000 posti di lavoro permanenti. Tuttavia, per raggiungere il suo pieno potenziale, l’industria ha bisogno di un sostegno politico coerente. Un finanziamento affidabile dei programmi Farm Bill energy title e un forte standard di combustibili rinnovabili incoraggiano gli investimenti e l’innovazione nel settore del biogas. Se gli Stati Uniti intendono diversificare la propria offerta di carburante e agire contro i cambiamenti climatici, dovrebbero considerare con forza i numerosi benefici del biogas.