Stany Zjednoczone produkują ponad 70 milionów ton odpadów organicznych rocznie. Podczas gdy redukcja źródeł i karmienie głodnych są niezbędnymi priorytetami dla zmniejszenia niepotrzebnych odpadów żywnościowych, odpady organiczne są liczne i obejmują źródła niejadalne, w tym obornik zwierzęcy, Odpady rolnicze, ścieki i niejadalne odpady żywnościowe. Niewłaściwe gospodarowanie tymi odpadami stanowi poważne zagrożenie dla środowiska i zdrowia publicznego. Patogeny, chemikalia, antybiotyki i składniki odżywcze obecne w odpadach mogą zanieczyszczać wody powierzchniowe i gruntowe poprzez Spływ lub wymywanie do gleby. Nadmiar składników odżywczych powoduje zakwity glonów, szkodzi dzikim zwierzętom i infekuje wodę pitną. Picie wody z wysokim poziomem azotanów jest związane z nadczynnością tarczycy i zespołem blue-baby. Miejskie Zakłady wodociągowe uzdatniają wodę pitną w celu usunięcia azotanów, ale jest to kosztowne.

odpady organiczne również wytwarzają duże ilości metanu w miarę ich rozkładu. Metan jest potężnym gazem cieplarnianym, który skuteczniej zatrzymuje ciepło w atmosferze niż dwutlenek węgla. Biorąc pod uwagę równe ilości metanu i dwutlenku węgla, metan pochłonie 86 razy więcej ciepła w ciągu 20 lat niż dwutlenek węgla. Aby zmniejszyć emisję gazów cieplarnianych i ryzyko zanieczyszczenia dróg wodnych, odpady organiczne mogą być usuwane i wykorzystywane do produkcji biogazu, odnawialnego źródła energii. Zastępując paliwa kopalne, biogaz powoduje dalszą redukcję emisji, co czasami skutkuje ujemnymi emisjami dwutlenku węgla. Pomimo licznych potencjalnych korzyści z wykorzystania odpadów organicznych, w tym ochrony środowiska, inwestycji i tworzenia miejsc pracy, STANY zjednoczone mają obecnie tylko 2200 działających systemów biogazu, co stanowi mniej niż 20 procent całkowitego potencjału.

wprowadzenie

czym jest biogaz?

Biogaz powstaje po rozbiciu materiałów organicznych (produktów roślinnych i zwierzęcych) przez bakterie w środowisku beztlenowym, w procesie zwanym fermentacją beztlenową. Systemy biogazu wykorzystują fermentację beztlenową do recyklingu tych materiałów organicznych, przekształcając je w biogaz, który zawiera zarówno energię (gaz), jak i cenne produkty glebowe (ciecze i ciała stałe).

Rysunek 1: proces fermentacji beztlenowej (grafika: Sara Tanigawa, EESI).

fermentacja beztlenowa występuje już w przyrodzie, składowiskach odpadów i niektórych systemach zarządzania gnojowicą zwierzęcą, ale może być zoptymalizowana, kontrolowana i zamknięta za pomocą fermentora beztlenowego. Biogaz zawiera około 50-70 procent metanu, 30-40 procent dwutlenku węgla i śladowe ilości innych gazów. Płynny i stały trawiony materiał, zwany pofermentowanym, jest często używany jako zmiana gleby.

Rysunek 2: eksploatacyjne systemy biogazu w kontynentalnych Stanach Zjednoczonych (dzięki uprzejmości: American Biogas Council)

niektóre odpady organiczne są trudniejsze do rozbicia w komorze fermentacyjnej niż inne. Odpady żywnościowe, tłuszcze, oleje i smary są najłatwiejszymi odpadami organicznymi do rozbicia, podczas gdy odpady zwierzęce wydają się być najtrudniejsze. Mieszanie wielu odpadów w tej samej komorze fermentacyjnej, zwane współwystępowaniem, może pomóc zwiększyć wydajność biogazu. Cieplejsze Komory fermentacyjne, zwykle utrzymywane w zakresie od 30 do 38 stopni Celsjusza (86-100 Fahrenheita), mogą również pomóc w szybszym rozkładaniu odpadów.

Po wychwyceniu biogazu może wytwarzać ciepło i energię elektryczną do wykorzystania w silnikach, mikroturbinach i ogniwach paliwowych. Biogaz można również przekształcić w biometan, zwany również odnawialnym gazem ziemnym lub RNG, i wtryskiwać do rurociągów gazu ziemnego lub wykorzystywać jako paliwo samochodowe.

Stany Zjednoczone mają obecnie 2200 działających systemów biogazu we wszystkich 50 stanach i mogą dodać ponad 13 500 nowych systemów.

korzyści płynące z biogazu

składowany biogaz może zapewnić czyste, odnawialne i niezawodne źródło zasilania podstawowego zamiast węgla lub gazu ziemnego. Moc obciążenia podstawowego jest konsekwentnie wytwarzana, aby spełnić minimalne zapotrzebowanie na moc; odnawialne źródła energii mogą uzupełniać więcej odnawialnych źródeł energii. Podobnie jak w przypadku gazu ziemnego, biogaz może być również wykorzystywany jako źródło mocy szczytowej, którą można szybko zwiększyć. Wykorzystanie magazynowanego biogazu ogranicza ilość metanu uwalnianego do atmosfery i zmniejsza zależność od paliw kopalnych. Redukcja emisji metanu pochodzącego z wydobycia całego potencjalnego biogazu w Stanach Zjednoczonych byłaby równa rocznej emisji 800 000 do 11 milionów pojazdów pasażerskich. W oparciu o ocenę odpadów na koła, sprężony gaz ziemny pochodzący z biogazu zmniejsza emisję gazów cieplarnianych nawet o 91 procent w stosunku do benzyny ropopochodnej.

Nowy Jork wydaje rocznie około 400 milionów dolarów na transport 14 milionów ton odpadów do spalarni i składowisk odpadów. Przekierowanie odpadów na fermentację beztlenową zamieniłoby koszt w szansę, generując przychody z produkcji energii i produktów równoległych.

źródło: New York Times, czerwiec 2, 2017

oprócz korzyści klimatycznych, fermentacja beztlenowa może obniżyć koszty związane z rekultywacją odpadów, a także przynieść korzyści lokalnym gospodarkom. Budowa 13 500 potencjalnych systemów biogazu w Stanach Zjednoczonych może dodać ponad 335 000 tymczasowych miejsc pracy w budownictwie i 23 000 stałych miejsc pracy. Fermentacja beztlenowa zmniejsza również zapachy, patogeny i ryzyko zanieczyszczenia wody przez odpady zwierzęce. Pofermentat, materiał pozostały po procesie trawienia, może być używany lub sprzedawany jako nawóz, zmniejszając zapotrzebowanie na nawozy chemiczne. Pofermentat może również zapewnić dodatkowe dochody, gdy jest sprzedawany jako ściółka dla zwierząt gospodarskich lub zmiany gleby.

biogazowe surowce

marnotrawstwo żywności

co roku traci się lub marnuje około 30% światowej podaży żywności. Tylko w 2010 r. Stany Zjednoczone wyprodukowały około 133 mld funtów (66,5 mln ton) odpadów żywnościowych, głównie z sektora mieszkaniowego i komercyjnego. Aby rozwiązać ten problem, hierarchia odzysku żywności EPA najpierw priorytetyzuje redukcję źródeł, a następnie wykorzystuje dodatkową żywność w celu rozwiązania problemu głodu; pasza dla zwierząt lub produkcja energii są niższym priorytetem. Żywność powinna być wysyłana na wysypiska śmieci w ostateczności. Niestety, odpady żywnościowe stanowią 21 procent składowisk w USA, a tylko 5 procent odpadów żywnościowych jest przetwarzanych w polepszacz gleby lub nawóz. Większość tych odpadów jest wysyłana na składowiska, gdzie wytwarza Metan, gdy się rozkłada. Podczas gdy składowiska mogą wychwytywać powstający biogaz,składowanie odpadów organicznych nie daje możliwości recyklingu składników odżywczych z materiału organicznego pochodzenia. W 2015 r. EPA i USDA wyznaczyły cele, aby do 2030 r.zmniejszyć o 50 procent ilość odpadów żywnościowych wysyłanych na składowiska. Ale nawet jeśli ten cel zostanie osiągnięty, pojawi się nadmiar żywności, która będzie musiała zostać poddana recyklingowi. Potencjał energetyczny jest znaczny. Jako jeden z przykładów, przy 100 ton odpadów żywnościowych dziennie, fermentacja beztlenowa może generować wystarczającą ilość energii do zasilania domów 800 do 1,400 każdego roku. Tłuszcz, olej i tłuszcz zebrany w przemyśle spożywczym można również dodać do komory fermentacyjnej beztlenowej w celu zwiększenia produkcji biogazu.

Gaz wysypiskowy

składowiska są trzecim co do wielkości źródłem emisji metanu związanego z człowiekiem w Stanach Zjednoczonych. Składowiska odpadów zawierają te same bakterie beztlenowe obecne w komorze fermentacyjnej, które rozkładają materiały organiczne w celu produkcji biogazu, w tym przypadku gazu wysypiskowego (LFG). Zamiast pozwolić LFG na ucieczkę do atmosfery, może być gromadzona i wykorzystywana jako energia. Obecnie projekty LFG w całych Stanach Zjednoczonych generują około 17 miliardów kilowatogodzin energii elektrycznej i dostarczają 98 miliardów stóp sześciennych LFG do rurociągów gazu ziemnego lub bezpośrednio do użytkowników końcowych każdego roku. Dla porównania, przeciętny dom w USA w 2015 r. zużywał około 10 812 kilowatogodzin energii elektrycznej rocznie.

odpady zwierzęce

Rysunek 3: Aktualna liczba działających i potencjalnych systemów biogazu w Stanach Zjednoczonych według surowców. EPA

1000-kilogramowa krowa mleczna produkuje średnio 80 funtów obornika dziennie. Obornik ten jest często przechowywany w zbiornikach, zanim zostanie zastosowany na polach. Obornik nie tylko wytwarza Metan, gdy się rozkłada, ale może również przyczyniać się do nadmiaru składników odżywczych w drogach wodnych. W 2015 zarządzanie odchodami zwierzęcymi przyczyniło się do około 10 procent wszystkich emisji metanu w Stanach Zjednoczonych, ale tylko 3 procent odpadów zwierzęcych jest poddawanych recyklingowi przez fermentatory beztlenowe. Gdy do produkcji biogazu wykorzystywany jest obornik zwierzęcy, fermentacja beztlenowa może zmniejszyć emisję gazów cieplarnianych, zmniejszyć zapachy i zmniejszyć do 99 procent patogenów gnojowicy. EPA szacuje, że istnieje potencjał 8241 systemów biogazu dla zwierząt gospodarskich, które mogą razem generować ponad 13 milionów megawatogodzin energii rocznie.

Oczyszczanie ścieków

wiele oczyszczalni ścieków (oczyszczalni ścieków) ma już na miejscu Komory fermentacyjne beztlenowe do oczyszczania osadów ściekowych, części stałych oddzielonych podczas procesu oczyszczania. Jednak wiele oczyszczalni ścieków nie ma sprzętu do wykorzystania produkowanego przez siebie biogazu, a zamiast tego je spalają. Spośród 1269 oczyszczalni ścieków wykorzystujących fermentor beztlenowy tylko około 860 wykorzystuje biogaz. Gdyby wszystkie zakłady, które obecnie wykorzystują fermentację beztlenową-traktując ponad 5 milionów galonów każdego dnia-miały zainstalować zakład odzyskiwania energii, Stany Zjednoczone mogłyby zmniejszyć roczną emisję dwutlenku węgla o 2.3 milionów ton metrycznych-równą rocznej emisji z pojazdów pasażerskich 430,000.

resztki pożniwne

mogą obejmować łodygi, słomę i okrawki roślinne. Niektóre pozostałości są pozostawiane na polu, aby zachować zawartość organiczną i wilgoć w glebie, a także zapobiegać erozji. Jednak wyższe plony spowodowały zwiększenie ilości pozostałości, a usunięcie części z nich może być zrównoważone. Zrównoważone wskaźniki zbiorów różnią się w zależności od uprawianej uprawy, rodzaju gleby i czynników klimatycznych. Biorąc pod uwagę zrównoważone wskaźniki zbiorów, Departament Energii Stanów Zjednoczonych szacuje, że obecnie dostępnych jest około 104 milionów ton resztek pożniwnych w cenie 60 USD za suchą tonę. Resztki pożniwne są zwykle trawione razem z innymi odpadami organicznymi, ponieważ ich wysoka zawartość ligniny utrudnia ich rozkład.

zastosowania końcowe biogazu

Biogaz surowy i Pofermentowany

biogaz może być spalany na miejscu w celu ogrzania budynków i kotłów energetycznych, a nawet samej komory fermentacyjnej. Biogaz może być wykorzystywany do kogeneracji ciepła i energii (CHP) lub może być po prostu przekształcony w energię elektryczną za pomocą silnika spalinowego, ogniwa paliwowego lub turbiny gazowej, a uzyskana energia elektryczna jest wykorzystywana na miejscu lub sprzedawana do sieci elektrycznej.

Digestat jest bogatym w składniki odżywcze materiałem stałym lub płynnym pozostałym po procesie trawienia; zawiera wszystkie składniki odżywcze pochodzące z recyklingu, które były obecne w oryginalnym materiale organicznym, ale w formie łatwiej dostępnej dla roślin i gleby. Skład i zawartość składników odżywczych w fermentacie zależą od surowca dodanego do fermentatora. Płynny pofermentat można łatwo rozpylać w gospodarstwach jako nawóz, zmniejszając potrzebę zakupu nawozów syntetycznych. Stały pofermentat może być stosowany jako ściółka dla zwierząt gospodarskich lub kompostowany przy minimalnej obróbce. W ostatnim czasie branża Biogazowa podjęła kroki w celu stworzenia programu certyfikacji pofermentacji, aby zapewnić bezpieczeństwo i kontrolę jakości pofermentacji.

dzięki systemom biogazowym mleczarnie, gospodarstwa rolne i Przemysł mogą obniżyć koszty operacyjne, wykorzystując własne odpady organiczne do zasilania urządzeń i budynków. Fair Oaks Dairy w Indianie produkuje 1,2 miliona stóp sześciennych biogazu dziennie z obornika od 9000 krów mlecznych. Część biogazu jest modernizowana na CNG i wykorzystywana do zasilania przyczep dostarczających mleko do zakładów przetwórczych Fair Oaks, co zmniejsza zużycie oleju napędowego o 1,5 miliona galonów rocznie.

źródło: EPA.

odnawialny gaz ziemny

odnawialny gaz ziemny (RNG), lub biometan, to biogaz, który został rafinowany w celu usunięcia dwutlenku węgla, pary wodnej i innych gazów śladowych, tak aby spełniał normy przemysłu gazowego. RNG może być wtryskiwany do istniejącej sieci gazowej (w tym rurociągów) i stosowany zamiennie z konwencjonalnym gazem ziemnym. Gaz ziemny (konwencjonalny i odnawialny) dostarcza 26 procent energii elektrycznej w USA, a 40 procent gazu ziemnego jest wykorzystywane do produkcji energii elektrycznej. Pozostała część gazu ziemnego wykorzystywana jest do celów komercyjnych (ogrzewanie i gotowanie) oraz przemysłowych. RNG może zastąpić nawet 10 procent gazu ziemnego używanego w Stanach Zjednoczonych.

sprężony gaz ziemny i skroplony gaz ziemny

podobnie jak konwencjonalny gaz ziemny, RNG może być stosowany jako paliwo samochodowe po przekształceniu w sprężony gaz ziemny (CNG) lub skroplony gaz ziemny (LNG). Zużycie paliwa w pojazdach napędzanych sprężonym gazem ziemnym jest porównywalne do zużycia paliwa w konwencjonalnych pojazdach benzynowych i może być stosowane w pojazdach lekkich i ciężkich. LNG nie jest tak szeroko stosowany jak CNG, ponieważ jest drogi zarówno w produkcji, jak i przechowywaniu, chociaż jego większa gęstość sprawia, że LNG jest lepszym paliwem dla pojazdów ciężarowych o dużej ładowności, które podróżują na duże odległości. Aby w pełni wykorzystać inwestycje w infrastrukturę paliwową, CNG i LNG najlepiej nadają się do pojazdów flotowych, które wracają do bazy do tankowania. Krajowe laboratorium energii odnawialnej szacuje RNG może zastąpić pięć procent gazu ziemnego wykorzystywanego do produkcji energii elektrycznej i 56 procent gazu ziemnego wykorzystywanego do produkcji paliwa samochodowego.

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
* Stan na Lipiec 2017

standard paliw odnawialnych (RFS) został stworzony przez Kongres w ramach ustawy o polityce energetycznej z 2005 roku. RFS wymaga mieszania paliw odnawialnych z dostawą paliwa transportowego w USA. Obecnie około 10 procent dostaw benzyny pochodzi z paliw odnawialnych, głównie etanolu. RFS ustala ilości paliwa dla różnych kategorii paliw: olej napędowy na bazie biomasy, zaawansowane biopaliwo, biopaliwo celulozowe i paliwo odnawialne jako całość. Każda kategoria ma wymaganą minimalną redukcję gazów cieplarnianych.

EPA zatwierdziła biogaz jako kwalifikujący się surowiec celulozowy w ramach RFS w 2014 r. Biopaliwa celulozowe muszą być o 60 procent mniej zużywające gaz cieplarniany niż benzyna. Obecnie większość ilości paliwa jest zaspokajana poprzez wykorzystanie RNG jako paliwa samochodowego. Zgodność z RFS jest śledzona za pomocą odnawialnych numerów IDENTYFIKACYJNYCH (RINs), które mogą być przedmiotem obrotu, a RINs dla biopaliw celulozowych może zarobić producenci RNG $40/MMBtu (stan na Wrzesień 2017). Według producentów biogazu RFS stał się ważnym motorem inwestycji w przemyśle.

w ramach zatwierdzenia biogazu EPA zaktualizowała RFS, aby umożliwić kwalifikowanie energii elektrycznej pochodzącej z biogazu wykorzystywanej jako paliwo samochodowe do płuczek, lub „e-płuczek.”Jednak od 2017 r. EPA nie zatwierdziła żadnych wniosków producentów o rozpoczęcie produkcji E-Rin, mimo że produkcja biogazu już przekracza obecne zapotrzebowanie na energię elektryczną w transporcie.

ustawa rolna

programy pod tytułem energetycznym „Farm Bill” (IX) mają kluczowe znaczenie dla rozwoju branży biogazowej. Zgodnie z Ustawą rolną z 2014 r.program bioenergii dla zaawansowanych biopaliw USDA zapewnia płatności producentom w celu promowania produkcji zaawansowanych biopaliw rafinowanych ze źródeł innych niż skrobia kukurydziana. Program otrzymuje obecnie 15 milionów dolarów rocznie w ramach obowiązkowego finansowania, a 20 milionów dolarów dostępnych rocznie w ramach uznaniowego finansowania do 2018 roku.

dzięki ponad 500 000 $dotacji i pożyczek, Pennwood Farms było w stanie zainstalować fermentator beztlenowy w 2011 roku. Pościel wykonana z pofermentowanego materiału pozwala zaoszczędzić około 60 000 USD rocznie na kosztach ściółki, a odpady z 600 krów mlecznych w gospodarstwie wytwarzają więcej niż wystarczającą ilość energii elektrycznej, aby zaspokoić potrzeby na miejscu.

źródło: USDA

program Rural Energy For America (REAP) zapewnia dotacje i gwarancje kredytowe dla producentów rolnych i małych przedsiębiorstw wiejskich w celu promowania produkcji energii odnawialnej i poprawy efektywności energetycznej. Program ma obowiązkowe finansowanie w wysokości 50 milionów dolarów rocznie do 2018 roku i 100 milionów dolarów dostępnych w funduszach uznaniowych.

Inicjatywa na rzecz badań i rozwoju biomasy jest wspólnym programem między USDA i DOE. Dzięki obowiązkowemu finansowaniu w wysokości 3 milionów USD w roku podatkowym 2017 i uznaniowemu finansowaniu w wysokości 20 milionów USD w roku podatkowym 2018, Rada ds. badań i rozwoju w sprawie biomasy przyznaje granty, kontrakty i pomoc finansową dla projektów stymulujących badania i rozwój biopaliw i produktów pochodzenia biologicznego. Jednak programy te konsekwentnie odnotowywały redukcje finansowania poprzez proces przyznawania środków.

inne programy Agencji

AgSTAR to wspólny program między EPA, USDA i DOE. Program promuje wykorzystanie fermentatorów beztlenowych w gospodarstwach hodowlanych w celu zmniejszenia emisji metanu z odpadów zwierzęcych. Program AgSTAR wspiera planowanie i realizację projektów fermentacji beztlenowej, a także obejmuje partnerów państwowych i pozarządowych.

EPA ’ s Landfill Methane Outreach Program (Lmop) zachęca przemysł odpadów do odzyskiwania i wykorzystywania biogazu wytwarzanego z odpadów organicznych na składowiskach. LMOP tworzy partnerstwa ze społecznościami, zakładami użyteczności publicznej,właścicielami składowisk odpadów i innymi zainteresowanymi stronami, aby zapewnić pomoc techniczną i szukać finansowania projektów biogazu na wysypiskach.

wnioski

systemy biogazowe przekształcają koszty gospodarowania odpadami w szansę uzyskania przychodów dla amerykańskich gospodarstw rolnych, mleczarni i przemysłu. Przekształcanie odpadów w energię elektryczną, ciepło lub paliwo samochodowe zapewnia odnawialne źródło energii, które może zmniejszyć zależność od importu zagranicznej ropy naftowej, zmniejszyć emisję gazów cieplarnianych, poprawić jakość środowiska i zwiększyć lokalne miejsca pracy. Systemy biogazu zapewniają również możliwość recyklingu składników odżywczych w dostawach żywności, zmniejszając zapotrzebowanie zarówno na nawozy petrochemiczne, jak i wydobywcze.

systemy biogazu To rozwiązanie do zarządzania odpadami, które rozwiązuje wiele problemów i przynosi wiele korzyści, w tym strumienie przychodów. Stany Zjednoczone mają obecnie potencjał, aby dodać 13 500 nowych systemów biogazu, zapewniając ponad 335 000 miejsc pracy w budownictwie i 23 000 stałych miejsc pracy. Aby jednak w pełni wykorzystać swój potencjał, branża potrzebuje spójnego wsparcia politycznego. Niezawodne finansowanie programów Farm Bill Energy title i silny Standard paliw odnawialnych zachęcają do inwestycji i innowacji w branży biogazu. Jeśli Stany Zjednoczone zamierzają zdywersyfikować swoje dostawy paliwa i podjąć działania przeciwko zmianom klimatycznym, powinny zdecydowanie rozważyć wiele korzyści płynących z biogazu.