Förenta staterna producerar mer än 70 miljoner ton organiskt avfall varje år. Medan källminskning och utfodring av hungriga är nödvändiga prioriteringar för att minska onödigt matavfall, är organiskt avfall många och sträcker sig till icke-ätbara källor, inklusive boskapsgödsel, jordbruksavfall, avloppsvatten och oätligt matavfall. När detta avfall hanteras felaktigt utgör de en betydande risk för miljön och folkhälsan. Patogener, kemikalier, antibiotika och näringsämnen som finns i avfall kan förorena yt-och grundvatten genom avrinning eller genom utlakning i jordar. Överskott av näringsämnen orsakar algblomningar, skadar vilda djur och infekterar dricksvatten. Dricksvatten med höga nivåer av nitrater är kopplat till hypertyreoidism och blå-baby syndrom. Kommunala vattenföretag behandlar dricksvatten för att avlägsna nitrater, men det är dyrt att göra det.

organiskt avfall genererar också stora mängder metan när de sönderdelas. Metan är en kraftfull växthusgas som fångar värme i atmosfären mer effektivt än koldioxid. Med tanke på lika stora mängder metan och koldioxid absorberar metan 86 gånger mer värme på 20 år än koldioxid. För att minska utsläppen av växthusgaser och risken för föroreningar i vattenvägar kan organiskt avfall avlägsnas och användas för att producera biogas, en förnybar energikälla. Vid förskjutning av fossila bränslen skapar biogas ytterligare utsläppsminskningar, vilket ibland resulterar i koldioxidnegativa system. Trots de många potentiella fördelarna med organiskt avfallsutnyttjande, inklusive miljöskydd, investeringar och skapande av arbetstillfällen, har USA för närvarande bara 2 200 operativa biogassystem, vilket motsvarar mindre än 20 procent av den totala potentialen.

Inledning

vad är biogas?

Biogas produceras efter att organiska material (växt-och animaliska produkter) bryts ner av bakterier i en syrefri miljö, en process som kallas anaerob matsmältning. Biogas system använder anaerob matsmältning för att återvinna dessa organiska material och förvandla dem till biogas, som innehåller både energi (gas) och värdefulla jordprodukter (vätskor och fasta ämnen).

Figur 1: anaerob rötningsprocess (grafisk av Sara Tanigawa, EESI).

anaerob matsmältning förekommer redan i naturen, deponier och vissa boskapsgödselhanteringssystem, men kan optimeras, kontrolleras och innehålla med hjälp av en anaerob kokare. Biogas innehåller cirka 50-70 procent metan, 30-40 procent koldioxid och spårmängder av andra gaser. Det flytande och fasta digererade materialet, kallat digestate, används ofta som en jordändring.

Figur 2: operativa biogassystem i kontinentala USA (med tillstånd: American Biogas Council)

vissa organiska avfall är svårare att bryta ner i en kokare än andra. Matavfall, fetter, oljor och fetter är det enklaste organiska avfallet att bryta ner, medan boskapsavfall tenderar att vara det svåraste. Blandning av flera avfall i samma kokare, kallad samsmältning, kan bidra till att öka biogasutbytet. Varmare rötätare, som vanligtvis hålls mellan 30 och 38 grader Celsius (86-100 Fahrenheit), kan också hjälpa avfall att bryta ner snabbare.

Efter att biogas har fångats kan den producera värme och el för användning i motorer, mikroturbiner och bränsleceller. Biogas kan också uppgraderas till biometan, även kallad förnybar naturgas eller RNG, och injiceras i naturgasledningar eller användas som fordonsbränsle.

Förenta staterna har för närvarande 2 200 verksamma biogassystem i alla 50 stater och har potential att lägga till över 13 500 nya system.

fördelarna med biogas

lagrad biogas kan ge en ren, förnybar och pålitlig källa till baslastkraft i stället för kol eller naturgas. Baslastkraft produceras konsekvent för att möta minsta effektbehov; förnybar baslastkraft kan komplettera mer intermittenta förnybara energikällor. I likhet med naturgas kan biogas också användas som en källa till toppkraft som snabbt kan rampas upp. Användning av lagrad biogas begränsar mängden metan som släpps ut i atmosfären och minskar beroendet av fossila bränslen. Minskningen av metanutsläpp som härrör från att utnyttja all potentiell biogas i USA skulle vara lika med de årliga utsläppen från 800 000 till 11 miljoner personbilar. Baserat på en bedömning av avfall till hjul minskar komprimerad naturgas från biogas växthusgasutsläppen med upp till 91 procent i förhållande till petroleumbensin.

New York City spenderar ungefär 400 miljoner dollar varje år för att transportera 14 miljoner ton avfall till förbränningsanläggningar och deponier. Att avleda avfallet till anaerob matsmältning skulle göra en kostnad till en möjlighet, vilket genererar intäkter från energiproduktion och samprodukter.

källa: New York Times, juni 2, 2017

förutom klimatfördelar kan anaerob matsmältning sänka kostnaderna för avfallshantering samt gynna lokala ekonomier. Att bygga de 13 500 potentiella biogassystemen i USA kan ge över 335 000 tillfälliga byggjobb och 23 000 permanenta jobb. Anaerob matsmältning minskar också lukt, patogener och risken för vattenförorening från boskapsavfall. Digestate, materialet som återstår efter matsmältningsprocessen, kan användas eller säljas som gödningsmedel, vilket minskar behovet av kemiska gödningsmedel. Digestate kan också ge ytterligare intäkter när de säljs som boskap sängkläder eller jord ändringar.

Biogasråvaror

matavfall

cirka 30 procent av den globala livsmedelsförsörjningen går förlorad eller slösas bort varje år. Enbart under 2010 producerade USA ungefär 133 miljarder pund (66,5 miljoner ton) matavfall, främst från bostads-och kommersiella livsmedelssektorer. För att ta itu med detta avfall prioriterar EPA: s Matåtervinningshierarki källreduktion först och använder sedan extra mat för att hantera hunger; djurfoder eller energiproduktion är en lägre prioritet. Mat ska skickas till deponier som en sista utväg. Tyvärr utgör matavfall 21 procent av amerikanska deponier, med endast 5 procent av matavfallet återvinns till jordförbättrare eller gödningsmedel. Det mesta av detta avfall skickas till deponier, där det producerar metan när det bryts ner. Även om deponier kan fånga upp den resulterande biogasen, ger deponering av organiskt avfall ingen möjlighet att återvinna näringsämnena från källans organiska material. År 2015 satte EPA och USDA mål att minska mängden matavfall som skickades till deponier med 50 procent fram till 2030. Men även om detta mål är uppfyllt kommer det att finnas överflödig mat som måste återvinnas. Energipotentialen är betydande. Som bara ett exempel, med 100 ton matavfall per dag, kan anaerob matsmältning generera tillräckligt med energi för att driva 800 till 1400 hem varje år. Fett, olja och fett som samlas in från livsmedelsindustrin kan också tillsättas till en anaerob kokare för att öka biogasproduktionen.

Deponigas

deponier är den tredje största källan till humanrelaterade metanutsläpp i USA. Deponier innehåller samma anaeroba bakterier som finns i en kokare som bryter ner organiska material för att producera biogas, i detta fall deponigas (LFG). Istället för att låta LFG fly ut i atmosfären kan den samlas in och användas som energi. För närvarande genererar LFG-projekt i hela USA cirka 17 miljarder kilowattimmar el och levererar 98 miljarder kubikfot LFG till naturgasledningar eller direkt till slutanvändare varje år. Som referens använde det genomsnittliga amerikanska hemmet 2015 cirka 10 812 kilowattimmar el per år.

Boskapsavfall

Figur 3: nuvarande antal operativa och potentiella biogassystem i USA efter råvara. EPA

en 1000 pund mjölkko producerar i genomsnitt 80 pund gödsel varje dag. Denna gödsel lagras ofta i hålltankar innan den appliceras på fält. Gödseln producerar inte bara metan när den sönderdelas, det kan bidra till överskott av näringsämnen i vattenvägar. År 2015 bidrog boskapsgödselhantering med cirka 10 procent av alla metanutsläpp i USA, men endast 3 procent av boskapsavfallet återvinns av anaeroba rötare. När boskapsgödsel används för att producera biogas kan anaerob matsmältning minska växthusgasutsläppen, minska lukt och minska upp till 99 procent av gödselpatogenerna. EPA uppskattar att det finns potential för 8 241 biogassystem för boskap, vilket tillsammans kan generera över 13 miljoner megawattimmar energi varje år.

avloppsrening

många avloppsreningsverk (WWTP) har redan anaeroba rötare på plats för att behandla avloppsslam, de fasta ämnena separerade under behandlingsprocessen. Men många WWTP har inte utrustningen att använda biogas de producerar, och blossar den istället. Av de 1 269 avloppsreningsverk som använder en anaerob kokare använder endast cirka 860 sin biogas. Om alla anläggningar som för närvarande använder anaerob matsmältning—som behandlar över 5 miljoner gallon varje dag—skulle installera en energiåtervinningsanläggning, skulle Usa kunna minska årliga koldioxidutsläpp med 2,3 miljoner ton—lika med de årliga utsläppen från 430 000 personbilar.

skörderester

skörderester kan inkludera stjälkar, halm och växtbeslag. Vissa rester finns kvar på fältet för att behålla markens organiska innehåll och fukt samt förhindra erosion. Högre skördar har dock ökat mängden rester och att ta bort en del av dessa kan vara hållbart. Hållbara skördehastigheter varierar beroende på odlad gröda, jordtyp och klimatfaktorer. Med hänsyn till hållbara skördehastigheter uppskattar US Department of Energy att det för närvarande finns cirka 104 miljoner ton skörderester tillgängliga till ett pris av $60 per torrt ton. Skörderester smälts vanligtvis ihop med annat organiskt avfall eftersom deras höga lignininnehåll gör dem svåra att bryta ner.

Biogas End Uses

rå Biogas och Digestate

med liten eller ingen bearbetning kan biogas brännas på plats för att värma byggnader och kraftpannor eller till och med själva kokaren. Biogas kan användas för kraftvärmeverk, eller biogas kan helt enkelt omvandlas till el med hjälp av en förbränningsmotor, bränslecell eller gasturbin, med den resulterande elen som används på plats eller säljs på elnätet.

Digestat är det näringsrika fasta eller flytande materialet som återstår efter matsmältningsprocessen; den innehåller alla återvunna näringsämnen som fanns i det ursprungliga organiska materialet men i en form som är lättare tillgänglig för växter och markbyggnad. Sammansättningen och näringsinnehållet i digestaten beror på råmaterialet som läggs till kokaren. Flytande digestat kan enkelt sprayas på gårdar som gödningsmedel, vilket minskar behovet av att köpa syntetiska gödningsmedel. Fast digestate kan användas som boskap sängkläder eller komposteras med minimal bearbetning. Nyligen har biogasindustrin vidtagit åtgärder för att skapa ett digestate certifieringsprogram, för att säkerställa säkerhet och kvalitetskontroll av digestate.

med biogasystem kan mejerier, gårdar och industri minska driftskostnaderna med sitt eget organiska avfall för att driva sin utrustning och byggnader. Fair Oaks Dairy i Indiana producerar 1,2 miljoner kubikfot biogas varje dag med gödsel från 9 000 mjölkkor. En del av biogasen uppgraderas till CNG och används för att driva släpvagnar som levererar mjölk till Fair Oaks-bearbetningsanläggningar, vilket minskar användningen av dieselbränsle med 1,5 miljoner liter per år.

källa: EPA.

förnybar Naturgas

förnybar naturgas (RNG), eller biometan, är biogas som har raffinerats för att avlägsna koldioxid, vattenånga och andra spårgaser så att den uppfyller naturgasindustrins standarder. RNG kan injiceras i det befintliga naturgasnätet (inklusive rörledningar) och användas omväxlande med konventionell naturgas. Naturgas (konventionell och förnybar) ger 26 procent av USA: s el och 40 procent av naturgas används för att producera el. Återstoden av naturgas används för kommersiella ändamål (uppvärmning och matlagning) och för industriella. RNG har potential att ersätta upp till 10 procent av den naturgas som används i USA.

komprimerad naturgas och flytande naturgas

liksom konventionell naturgas kan RNG användas som fordonsbränsle efter att den omvandlats till komprimerad naturgas (CNG) eller flytande naturgas (LNG). Bränsleekonomin för CNG-drivna fordon är jämförbar med den för konventionella bensinfordon och kan användas i lätta till tunga fordon. LNG används inte lika mycket som CNG eftersom det är dyrt att både producera och lagra, även om dess högre densitet gör LNG till ett bättre bränsle för tunga fordon som reser långa sträckor. För att få ut det mesta av investeringarna i bränsleinfrastruktur är CNG och LNG bäst lämpade för flottfordon som återgår till en bas för tankning. National Renewable Energy Laboratory uppskattar att RNG kan ersätta fem procent av naturgasen som används för att producera el och 56 procent av naturgasen som används för att producera fordonsbränsle.

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
* från och med juli 2017

förnybar bränslestandard (RFS) skapades av kongressen som en del av 2005 års energipolitiska lag. RFS kräver blandning av förnybara bränslen i USA: s transportbränsleförsörjning. För närvarande tillhandahålls cirka 10 procent av bensinförsörjningen av förnybart bränsle, främst etanol. RFS ställer in bränslevolymer för olika bränslekategorier: biomassabaserad diesel, avancerat biobränsle, cellulosabiobränsle och förnybart bränsle som helhet. Varje kategori har en nödvändig minsta minskning av växthusgaser.

EPA godkände biogas som ett kvalificerat cellulosaråvara under RFS 2014. Cellulosabiobränslen måste vara 60 procent mindre växthusgasintensiva än bensin. För närvarande uppnås de flesta cellulosabränslevolymerna genom användning av RNG som fordonsbränsle. Överensstämmelse med RFS spåras genom förnybara identifikationsnummer (RINs) som kan handlas, och RINs för cellulosabiobränslen kan tjäna RNG-producenter $40/MMBtu (från och med September 2017). Enligt biogasproducenter har RFS blivit en viktig drivkraft för investeringar i branschen.

som en del av godkännandet av biogas uppdaterade EPA RFS för att tillåta biogas-härledd el som används som fordonsbränsle för att kvalificera sig för RINs, eller ”e-RINs.”Men från och med 2017 har EPA inte godkänt några producentförfrågningar om att börja generera e-RINs, trots att biogasproduktionen redan överstiger dagens transportbehov.

Gårdsräkningen

program under Gårdsräkningens Energititel (IX) har varit avgörande för tillväxten inom biogasindustrin. Enligt 2014 års Jordbruksräkning ger USDA: s Bioenergiprogram för avancerade biobränslen betalningar till producenter för att främja produktionen av avancerade biobränslen raffinerade från andra källor än majsstärkelse. Programmet mottar för närvarande $15 miljoner per år i obligatorisk finansiering med $20 miljoner tillgängliga per år i diskretionär finansiering genom 2018.

med hjälp av över $500,000 i SKÖRDEBIDRAG och lån kunde Pennwood Farms installera en anaerob kokare under 2011. Sängkläder gjorda av digestate sparar gården cirka 60 000 dollar per år i sängkostnader, och avfall från gårdens 600 mjölkkor producerar mer än tillräckligt med el för att möta behoven på plats.

källa: USDA

programmet Rural Energy for America (REAP) ger bidrag och lånegarantier till jordbruksproducenter och små företag på landsbygden för att främja förnybar energiproduktion och energieffektivitetsförbättringar. Programmet har obligatorisk finansiering på 50 miljoner dollar per år fram till 2018 och 100 miljoner dollar tillgängliga i diskretionära medel.

biomassa Research and Development Initiative är ett gemensamt program mellan USDA och DOE. Med 3 miljoner dollar i obligatorisk finansiering genom räkenskapsåret 2017 och 20 miljoner dollar i diskretionär finansiering genom räkenskapsåret 2018 beviljar biomassa Research and Development Board bidrag, kontrakt och ekonomiskt stöd till projekt som stimulerar forskning och utveckling av biobränslen och biobaserade produkter. Dessa program har emellertid konsekvent sett minskningar av finansieringen genom anslagsprocessen.

andra Byråprogram

AgSTAR är ett gemensamt program mellan EPA, USDA och DOE. Programmet främjar användningen av anaeroba rötare på boskapsgårdar för att minska metanutsläppen från djuravfall. AgSTAR-programmet stöder planering och genomförande av anaeroba kokareprojekt och inkluderar statliga och icke-statliga partners.

EPA: s deponi metan Outreach Program (LMOP) uppmuntrar avfallsindustrin att återvinna och använda biogas som genereras från organiskt avfall i deponier. LMOP bildar partnerskap med samhällen, verktyg, deponiägare och andra intressenter för att ge tekniskt stöd och söka finansiering för deponibiogasprojekt.

slutsats

Biogas system gör kostnaden för avfallshantering till en intäktsmöjlighet för Amerikas gårdar, mejerier och industrier. Omvandling av avfall till el, värme eller fordonsbränsle ger en förnybar energikälla som kan minska beroendet av utländsk oljeimport, minska utsläppen av växthusgaser, förbättra miljökvaliteten och öka lokala jobb. Biogas system ger också en möjlighet att återvinna näringsämnen i livsmedelsförsörjningen, vilket minskar behovet av både petrokemiska och minerade gödselmedel.

Biogas system är en avfallshanteringslösning som löser flera problem och skapar flera fördelar, inklusive intäktsströmmar. USA har för närvarande potential att lägga till 13 500 nya biogassystem, vilket ger över 335 000 byggjobb och 23 000 permanenta jobb. Men för att nå sin fulla potential behöver branschen konsekvent politiskt stöd. Tillförlitlig finansiering av Farm Bill energy title-program och en stark förnybar Bränslestandard uppmuntrar investeringar och innovation i biogasindustrin. Om USA avser att diversifiera sin bränsleförsörjning och vidta åtgärder mot klimatförändringar, bör det starkt överväga de många fördelarna med biogas.