Statele Unite produc peste 70 de milioane de tone de deșeuri organice în fiecare an. În timp ce reducerea surselor și hrănirea celor flămânzi sunt priorități necesare pentru reducerea deșeurilor alimentare inutile, deșeurile organice sunt numeroase și se extind la surse necomestibile, inclusiv gunoi de grajd, deșeuri agricole, ape uzate și deșeuri alimentare necomestibile. Atunci când aceste deșeuri sunt gestionate necorespunzător, ele prezintă un risc semnificativ pentru mediu și sănătatea publică. Agenții patogeni, substanțele chimice, antibioticele și substanțele nutritive prezente în deșeuri pot contamina apele de suprafață și subterane prin scurgere sau prin levigare în soluri. Excesul de nutrienți provoacă flori de alge, dăunează faunei sălbatice și infectează apa potabilă. Apa potabilă cu niveluri ridicate de nitrați este legată de hipertiroidism și sindromul blue-baby. Utilitățile municipale de apă tratează apa potabilă pentru a elimina nitrații, dar este costisitor să faceți acest lucru.

deșeurile organice generează, de asemenea, cantități mari de metan pe măsură ce se descompun. Metanul este un gaz puternic cu efect de seră care captează căldura în atmosferă mai eficient decât dioxidul de carbon. Având în vedere cantități egale de metan și dioxid de carbon, metanul va absorbi de 86 de ori mai multă căldură în 20 de ani decât dioxidul de carbon. Pentru a reduce emisiile de gaze cu efect de seră și riscul de poluare a căilor navigabile, deșeurile organice pot fi îndepărtate și utilizate pentru a produce biogaz, o sursă regenerabilă de energie. La deplasarea combustibililor fosili, biogazul creează reduceri suplimentare ale emisiilor, rezultând uneori sisteme negative de carbon. În ciuda numeroaselor beneficii potențiale ale utilizării deșeurilor organice, inclusiv protecția mediului, investiții și crearea de locuri de muncă, Statele Unite au în prezent doar 2.200 de sisteme de biogaz operaționale, reprezentând mai puțin de 20% din potențialul total.

Introducere

ce este biogazul?

biogazul este produs după ce materialele organice (produse vegetale și animale) sunt descompuse de bacterii într-un mediu fără oxigen, un proces numit digestie anaerobă. Sistemele de biogaz folosesc digestia anaerobă pentru a recicla aceste materiale organice, transformându-le în biogaz, care conține atât energie (gaz), cât și produse valoroase din sol (lichide și solide).

Figura 1: Procesul de digestie anaerobă (Grafic de Sara Tanigawa, EESI).

digestia anaerobă are loc deja în natură, în depozitele de deșeuri și în unele sisteme de gestionare a gunoiului de grajd, dar poate fi optimizată, controlată și conținută folosind un digestor anaerob. Biogazul conține aproximativ 50-70% metan, 30-40% dioxid de carbon și urme de alte gaze. Materialul digerat lichid și solid, numit digestat, este frecvent utilizat ca amendament al solului.

Figura 2: sisteme operaționale de biogaz în Statele Unite continentale (prin amabilitatea: American biogaz Council)

unele deșeuri organice sunt mai dificil de descompus într-un digestor decât altele. Deșeurile alimentare, grăsimile, uleiurile și grăsimile sunt cele mai ușoare deșeuri organice de descompus, în timp ce deșeurile de animale tind să fie cele mai dificile. Amestecarea mai multor deșeuri în același digestor, denumit co-digestie, poate ajuta la creșterea randamentelor de biogaz. Digestoarele mai calde, păstrate de obicei între 30 și 38 de grade Celsius (86-100 Fahrenheit), pot ajuta, de asemenea, deșeurile să se descompună mai repede.

după ce biogazul este capturat, poate produce căldură și electricitate pentru a fi utilizate în motoare, microturbine și celule de combustibil. Biogazul poate fi, de asemenea, modernizat în biometan, numit și gaz natural regenerabil sau RNG, și injectat în conductele de gaze naturale sau utilizat ca combustibil pentru vehicule.Statele Unite au în prezent 2.200 de sisteme de biogaz care funcționează în toate cele 50 de state și au potențialul de a adăuga peste 13.500 de sisteme noi.

beneficiile biogazului

biogazul stocat poate oferi o sursă curată, regenerabilă și fiabilă de energie de bază în locul cărbunelui sau gazelor naturale. Puterea de încărcare de bază este produsă în mod constant pentru a satisface cerințele minime de putere; energia regenerabilă de bază poate completa mai multe surse regenerabile intermitente. Similar cu gazul natural, biogazul poate fi, de asemenea, utilizat ca sursă de putere de vârf care poate fi accelerată rapid. Utilizarea biogazului stocat limitează cantitatea de metan eliberată în atmosferă și reduce dependența de combustibilii fosili. Reducerea emisiilor de metan derivate din exploatarea întregului potențial biogaz din Statele Unite ar fi egală cu emisiile anuale de 800.000 până la 11 milioane de vehicule de pasageri. Pe baza unei evaluări a deșeurilor pe roți, gazul natural comprimat derivat din biogaz reduce emisiile de gaze cu efect de seră cu până la 91% față de benzina din petrol.New York City cheltuiește aproximativ 400 de milioane de dolari în fiecare an pentru a transporta 14 milioane de tone de deșeuri către incineratoare și depozite de deșeuri. Redirecționarea acestor deșeuri către digestia anaerobă ar transforma un cost într-o oportunitate, generând venituri din producția de energie și coproduse.

Sursa: New York Times, 2 iunie 2017

în plus față de beneficiile climatice, digestia anaerobă poate reduce costurile asociate cu remedierea deșeurilor, precum și în beneficiul economiilor locale. Construirea celor 13.500 de sisteme potențiale de biogaz din Statele Unite ar putea adăuga peste 335.000 de locuri de muncă temporare în construcții și 23.000 de locuri de muncă permanente. Digestia anaerobă reduce, de asemenea, mirosurile, agenții patogeni și riscul de poluare a apei din deșeurile de animale. Digestatul, materialul rămas după procesul de digestie, poate fi utilizat sau vândut ca îngrășământ, reducând nevoia de îngrășăminte chimice. Digestatul poate oferi, de asemenea, venituri suplimentare atunci când este vândut ca așternut pentru animale sau modificări ale solului.

materii prime pentru biogaz

deșeuri alimentare

aproximativ 30% din aprovizionarea globală cu alimente este pierdută sau irosită în fiecare an. Numai în 2010, Statele Unite au produs aproximativ 133 miliarde de lire sterline (66,5 milioane de tone) de deșeuri alimentare, în principal din sectoarele alimentare rezidențiale și comerciale. Pentru a aborda aceste deșeuri, ierarhia de recuperare a alimentelor a EPA prioritizează mai întâi reducerea sursei, apoi utilizarea alimentelor suplimentare pentru a aborda foamea; hrana pentru animale sau producția de energie sunt o prioritate mai mică. Alimentele ar trebui trimise la depozitele de deșeuri ca ultimă soluție. Din păcate, deșeurile alimentare reprezintă 21% din depozitele de deșeuri din SUA, doar 5% din deșeurile alimentare fiind reciclate în ameliorator de sol sau îngrășământ. Majoritatea acestor deșeuri sunt trimise la depozitele de deșeuri, unde produce metan pe măsură ce se descompune. În timp ce depozitele de deșeuri pot capta biogazul rezultat, depozitarea deșeurilor organice nu oferă nicio oportunitate de reciclare a nutrienților din materialul organic sursă. În 2015, EPA și USDA au stabilit obiective pentru a reduce cantitatea de deșeuri alimentare trimise la depozitele de deșeuri cu 50% până în 2030. Dar chiar dacă acest obiectiv este îndeplinit, vor exista alimente în exces care vor trebui reciclate. Potențialul energetic este semnificativ. Ca doar un exemplu, cu 100 de tone de deșeuri alimentare pe zi, digestia anaerobă poate genera suficientă energie pentru a alimenta 800 până la 1.400 de case în fiecare an. Grăsimea, uleiul și grăsimea colectate din industria serviciilor alimentare pot fi, de asemenea, adăugate la un digestor anaerob pentru a crește producția de biogaz.

gaz de depozit

depozitele de deșeuri sunt a treia cea mai mare sursă de emisii de metan legate de om în Statele Unite. Depozitele de deșeuri conțin aceleași bacterii anaerobe prezente într-un digestor care descompun materialele organice pentru a produce biogaz, în acest caz gaz de depozit (LFG). În loc să permită LFG să scape în atmosferă, acesta poate fi colectat și utilizat ca energie. În prezent, proiectele LFG din Statele Unite generează aproximativ 17 miliarde de kilowați-oră de energie electrică și livrează 98 de miliarde de metri cubi de LFG către conductele de gaze naturale sau direct către utilizatorii finali în fiecare an. Pentru referință, casa medie din SUA în 2015 a folosit aproximativ 10.812 kilowați-oră de energie electrică pe an.

deșeuri de animale

Figura 3: Numărul actual de sisteme operaționale și potențiale de biogaz din Statele Unite pe materii prime. EPA

o vacă de lapte de 1.000 de kilograme produce în medie 80 de kilograme de gunoi de grajd în fiecare zi. Acest gunoi de grajd este adesea depozitat în rezervoare înainte de a fi aplicat pe câmpuri. Nu numai că gunoiul de grajd produce metan pe măsură ce se descompune, ci poate contribui la excesul de nutrienți în căile navigabile. În 2015, gestionarea gunoiului de grajd a contribuit cu aproximativ 10% din toate emisiile de metan din Statele Unite, totuși doar 3% din deșeurile de animale sunt reciclate de digestori anaerobi. Atunci când gunoiul de grajd este utilizat pentru a produce biogaz, digestia anaerobă poate reduce emisiile de gaze cu efect de seră, reduce mirosurile și reduce până la 99% din agenții patogeni ai gunoiului de grajd. EPA estimează că există potențialul pentru 8.241 de sisteme de biogaz pentru animale, care ar putea genera împreună peste 13 milioane de megawați-oră de energie în fiecare an.

tratarea apelor uzate

multe stații de tratare a apelor uzate (WWTP) au deja digestoare anaerobe la fața locului pentru tratarea nămolului de epurare, solidele separate în timpul procesului de tratare. Cu toate acestea, multe stații de epurare nu au echipamentul pentru a utiliza biogazul pe care îl produc și, în schimb, îl aprind. Dintre cele 1.269 de stații de epurare a apelor uzate care utilizează un digestor anaerob, doar aproximativ 860 își folosesc biogazul. Dacă toate instalațiile care utilizează în prezent digestia anaerobă—tratând peste 5 milioane de galoane în fiecare zi—ar instala o instalație de recuperare a energiei, Statele Unite ar putea reduce emisiile anuale de dioxid de carbon cu 2,3 milioane de tone metrice—egale cu emisiile anuale de la 430.000 de vehicule de pasageri.

reziduurile de culturi

reziduurile de culturi pot include tulpini, paie și garnituri de plante. Unele reziduuri sunt lăsate pe teren pentru a păstra conținutul organic și umiditatea solului, precum și pentru a preveni eroziunea. Cu toate acestea, randamentele mai mari ale culturilor au crescut cantitățile de reziduuri și eliminarea unei părți din acestea poate fi durabilă. Ratele de recoltare durabile variază în funcție de cultura cultivată, tipul de sol și factorii climatici. Ținând cont de ratele de recoltare durabile, Departamentul Energiei din SUA estimează că există în prezent aproximativ 104 milioane de tone de reziduuri de culturi disponibile la un preț de 60 USD pe tonă uscată. Reziduurile de culturi sunt de obicei Co-digerate cu alte deșeuri organice, deoarece conținutul ridicat de lignină le face dificil de descompus.

utilizarea finală a biogazului

biogazul brut și Digestatul

cu puțin sau deloc prelucrare, biogazul poate fi ars la fața locului pentru a încălzi clădirile și cazanele electrice sau chiar digestorul în sine. Biogazul poate fi utilizat pentru operațiuni combinate de căldură și energie (CHP) sau biogazul poate fi pur și simplu transformat în energie electrică folosind un motor cu combustie, celulă de combustibil sau turbină cu gaz, electricitatea rezultată fiind utilizată la fața locului sau vândută pe rețeaua electrică.

Digestatul este materialul solid sau lichid bogat în nutrienți rămas după procesul de digestie; conține toți nutrienții reciclați care au fost prezenți în materialul organic original, dar într-o formă mai ușor disponibilă pentru plante și construirea solului. Compoziția și conținutul de nutrienți al digestatului vor depinde de materia primă adăugată la digestor. Digestatul lichid poate fi aplicat cu ușurință prin pulverizare fermelor ca îngrășământ, reducând necesitatea achiziționării de îngrășăminte sintetice. Digestatul Solid poate fi utilizat ca așternut pentru animale sau compostat cu o prelucrare minimă. Recent, industria biogazului a luat măsuri pentru a crea un program de certificare a digestatului, pentru a asigura siguranța și controlul calității digestatului.

cu sistemele de biogaz, fabricile de produse lactate, fermele și industria pot reduce costurile operaționale folosind propriile deșeuri organice pentru a-și alimenta echipamentele și clădirile. Fair Oaks Dairy din Indiana produce 1,2 milioane de metri cubi de biogaz în fiecare zi cu gunoi de grajd de la 9.000 de vaci de lapte. O parte din biogaz este modernizată la GNC și utilizată pentru alimentarea remorcilor care livrează lapte către fabricile de prelucrare Fair Oaks, reducând utilizarea lor de motorină cu 1,5 milioane de galoane pe an.

Sursa: EPA.

gaz natural regenerabil

gaz natural regenerabil (RNG), sau biometan, este biogaz care a fost rafinat pentru a elimina dioxidul de carbon, vaporii de apă și alte urme de gaze, astfel încât să îndeplinească standardele industriei gazelor naturale. RNG poate fi injectat în rețeaua existentă de gaze naturale (inclusiv conducte) și utilizat interschimbabil cu gazul natural convențional. Gazul natural (convențional și regenerabil) furnizează 26% din electricitatea SUA, iar 40% din gazul natural este utilizat pentru a produce electricitate. Restul gazelor naturale este utilizat în scopuri comerciale (încălzire și gătit) și pentru cele industriale. RNG are potențialul de a înlocui până la 10% din gazele naturale utilizate în Statele Unite.

gaz natural comprimat și gaz natural lichefiat

la fel ca gazul natural convențional, RNG poate fi utilizat ca combustibil pentru vehicul după ce este transformat în gaz natural comprimat (GNC) sau gaz natural lichefiat (GNL). Economia de combustibil a vehiculelor alimentate cu GNC este comparabilă cu cea a vehiculelor convenționale pe benzină și poate fi utilizată la vehiculele ușoare până la cele grele. GNL nu este la fel de utilizat ca GNC, deoarece este scump atât pentru producție, cât și pentru depozitare, deși densitatea sa mai mare face ca GNL să fie un combustibil mai bun pentru vehiculele grele care parcurg distanțe lungi. Pentru a profita la maximum de investițiile în infrastructura de alimentare, GNC și GNL sunt cele mai potrivite pentru vehiculele flotei care se întorc la o bază pentru realimentare. Laboratorul Național de energie regenerabilă estimează că RNG ar putea înlocui cinci la sută din gazul natural utilizat pentru a produce electricitate și 56 la sută din gazul natural utilizat pentru a produce combustibil pentru vehicule.

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
* din iulie 2017

standardul privind combustibilul regenerabil (RFS) a fost creat de Congres ca parte a legii privind politica energetică din 2005. RFS necesită amestecarea combustibililor regenerabili în aprovizionarea cu combustibil pentru transport din SUA. În prezent, aproximativ 10% din aprovizionarea cu benzină este asigurată de combustibil regenerabil, în principal etanol. RFS stabilește volumele de combustibil pentru o varietate de categorii de combustibil: motorină pe bază de biomasă, biocombustibil avansat, biocombustibil celulozic și combustibil regenerabil în ansamblu. Fiecare categorie are o reducere minimă necesară a gazelor cu efect de seră.EPA a aprobat biogazul ca materie primă celulozică eligibilă în cadrul RFS în 2014. Biocombustibilii celulozici trebuie să fie cu 60% mai puțin cu gaze cu efect de seră decât benzina. În prezent, majoritatea volumelor de combustibil celulozic sunt îndeplinite prin utilizarea RNG ca combustibil pentru vehicule. Conformitatea cu RFS este urmărită prin numere de identificare regenerabile (Rin) care pot fi tranzacționate, iar Rin-urile pentru biocombustibili celulozici pot câștiga producătorilor de RNG 40 USD/MMBtu (din septembrie 2017). Potrivit producătorilor de biogaz, RFS a devenit un factor important al investițiilor în industrie.ca parte a aprobării biogazului, EPA a actualizat RFS pentru a permite electricității derivate din biogaz utilizate ca combustibil pentru vehicule să se califice pentru RINs sau „e-RINs”.”Cu toate acestea, începând cu 2017, EPA nu a aprobat nicio cerere a producătorilor de a începe să genereze e-RINs, în ciuda faptului că producția de biogaz depășește deja cererea actuală de energie electrică pentru transport.

proiectul de lege agricole

programe sub Farm Bill energie Titlul (IX) au fost cruciale pentru creșterea în industria de biogaz. Conform Legii agricole din 2014, Programul de Bioenergie al USDA pentru biocombustibili avansați oferă plăți producătorilor pentru a promova producția de biocombustibili avansați rafinați din alte surse decât amidonul de porumb. Programul primește în prezent 15 milioane de dolari pe an în finanțare obligatorie, cu 20 de milioane de dolari disponibile pe an în finanțare discreționară până în 2018.cu ajutorul a peste 500.000 de dolari în subvenții și împrumuturi REAP, Pennwood Farms a reușit să instaleze un digestor anaerob în 2011. Așternutul făcut din digestat economisește fermei aproximativ 60.000 de dolari pe an în costurile de așternut, iar deșeurile de la cele 600 de vaci de lapte ale fermei produc mai mult decât suficientă energie electrică pentru a satisface nevoile la fața locului.

Sursa: Programul energie rurală pentru America (REAP) oferă subvenții și garanții de împrumut producătorilor agricoli și întreprinderilor mici din mediul rural pentru a promova producția de energie regenerabilă și îmbunătățirea eficienței energetice. Programul are finanțare obligatorie de 50 de milioane de dolari pe an până în 2018 și 100 de milioane de dolari disponibile în fonduri discreționare.

inițiativa de cercetare și dezvoltare în domeniul biomasei este un program comun între USDA și DOE. Cu 3 milioane de dolari în finanțare obligatorie prin anul fiscal 2017 și 20 de milioane de dolari în finanțare discreționară prin anul fiscal 2018, Consiliul pentru cercetare și dezvoltare în domeniul biomasei acordă subvenții, contracte și asistență financiară proiectelor care stimulează cercetarea și dezvoltarea biocombustibililor și a produselor bio. Cu toate acestea, aceste programe au înregistrat în mod constant reduceri ale finanțării prin procesul de credite.

alte programe de agenție

AgSTAR este un program comun între EPA, USDA și DOE. Programul promovează utilizarea digestoarelor anaerobe în fermele de animale pentru a reduce emisiile de metan din deșeurile animale. Programul AgSTAR sprijină planificarea și implementarea proiectelor de digestor anaerob și include parteneri de stat și neguvernamentali.

programul EPA de mobilizare a metanului la depozitele de deșeuri (LMOP) încurajează industria deșeurilor să recupereze și să utilizeze biogazul generat din deșeurile organice în depozitele de deșeuri. LMOP formează parteneriate cu comunități, utilități, proprietari de depozite de deșeuri și alte părți interesate pentru a oferi asistență tehnică și a căuta finanțare pentru proiectele de biogaz pentru depozitele de deșeuri.

concluzie

sistemele de biogaz transformă costul gestionării deșeurilor într-o oportunitate de venituri pentru fermele, fabricile de produse lactate și industriile din America. Transformarea deșeurilor în electricitate, căldură sau combustibil pentru vehicule oferă o sursă regenerabilă de energie care poate reduce dependența de importurile străine de petrol, reduce emisiile de gaze cu efect de seră, îmbunătățește calitatea mediului și crește locurile de muncă locale. Sistemele de biogaz oferă, de asemenea, o oportunitate de reciclare a nutrienților în aprovizionarea cu alimente, reducând necesitatea atât a îngrășămintelor petrochimice, cât și a îngrășămintelor minate.

sistemele de biogaz sunt o soluție de gestionare a deșeurilor care rezolvă mai multe probleme și creează beneficii multiple, inclusiv fluxuri de venituri. Statele Unite au în prezent potențialul de a adăuga 13.500 de noi sisteme de biogaz, oferind peste 335.000 de locuri de muncă în construcții și 23.000 de locuri de muncă permanente. Cu toate acestea, pentru a-și atinge întregul potențial, industria are nevoie de un sprijin politic consecvent. Finanțarea fiabilă a programelor Farm Bill energy title și un standard puternic de combustibil regenerabil încurajează investițiile și inovația în industria biogazului. Dacă Statele Unite intenționează să-și diversifice aprovizionarea cu combustibil și să ia măsuri împotriva schimbărilor climatice, ar trebui să ia în considerare cu tărie numeroasele beneficii ale biogazului.