Производство биогаза из навоза: как получить биогаз в домашних условиях

Содержание

Из навоза — биогаз, из биогаза


Предприниматель Серик Кажиев из Карасуского района Костанайской области в 2009 году привез в Казахстан оборудование по переработке коровьего навоза в газ метан, из которого затем образуется электроэнергия.

60 ПРОЦЕНТОВ НАВОЗА — ГАЗ

— Технология получения биогаза в Европе применяется в течение 30 лет. Там в основном используют свиной навоз. Это первая в Казахстане установка по получению биогаза, — говорит предприниматель Серик Кажиев.

Кажиев рассказывает, что на установку оборудования было потрачено полтора года. Привезти этот аппарат было инициативой его компании. Эта мысль пришла в 2008 году по время выставки в Германии.

— У нас есть около пяти тысяч крупного рогатого скота. Одна корова ежегодно оставляет до девяти тонн навоза. В год нам требуется 16 тысяч тонн навоза. Смешивая навоз с водой, закладываем его в два ферментатора в установке. Пока мы получаем только газ метан. 60 процентов навоза — это газ. Есть два импортных двигателя, которые работают за счет газа, затем при помощи двух генераторов превращаем его в электроэнергию, — говорит Серик Кажиев.

По словам Кажиева, цена установки, привезенной из Украины, — 400 миллионов тенге. Он говорит, что в стране есть и другие установки по производству биогаза, однако все они самодельные и небольшие.

Аппарат, который сейчас производит газ из навоза, работает не в полную мощность.

— Когда привезли аппарат, никто не знал, с какими проблемами придется столкнуться. Нет разрешения на самостоятельное получение энергии. Говорят, то один документ нужен, то другой, так и тянется всё, — говорит Кажиев.

Работник животноводческой фермы. Иллюстративное фото.
У аппарата, который запустили в этом году, по словам Кажиева, мощность ежегодной выработки электроэнергии составляет три миллиона 752 киловатт, чего достаточно, чтобы обеспечить электроэнергией саму компанию да еще несколько поселков. Компании предпринимателя ежегодно требуется один миллион 200 тысяч киловатт. При получении разрешения на производство электроэнергии оставшуюся часть энергии можно продавать энергетическим компаниям, делится своими планами предприниматель.

Он считает свой аппарат экологически и экономически выгодным и надеется, что в ближайшие несколько месяцев будет решен вопрос, связанный с техническими проблемами.

ГОРОДУ — ПРИРОДНЫЙ ГАЗ, ГЛУБИНКАМ — БИОГАЗ

По словам эколога Мусагали Дуамбекова, получение газа посредством установки по производству биогаза — выгодное дело, однако фермеры этим не занимаются.

— Может быть, электроэнергия для них дешевле, чем переход на такие технологии. Поэтому в стране технология использования биогаза развивается не интенсивно. Только некоторая часть фермеров поддерживает эти начинания, — говорит эколог.

Мусагали Дуамбеков считает, что сам процесс установки такого оборудования требует больших затрат. Он сравнивает газ метан, получаемый при помощи установки по производству биогаза, и природный газ:

Мусагали Дуамбеков, лидер экологического движения.
— У обычного используемого в быту газа чистота и коэффициент горения высокий. Однако его сложно довезти до хозяйств, расположенных в степи. Поэтому в больших городах будет выгоднее использовать голубое топливо, в отдаленных районах — технологию биогаза. Однако фермеры, занятые другими проблемами, не обращают на это внимания. Я не слышал, чтобы министерство сельского хозяйства выделило средства на технологию биогаза. По-моему, для развития этой сферы должны быть определенные предложения со стороны министерства.

По словам эколога, установки биогаза могут производить газ и электроэнергию, необходимые только для одного хозяйства.

Некоторые компании по продаже аппаратов биогаза привозят их из Китая, некоторые предлагают украинские аппараты.

МИНИСТЕРСТВО ТОЖЕ ЗАНЯТО НАВОЗОМ

По словам Марата Калиаскарова, заместителя генерального директора Казахского научно-исследовательского института по механизации и электрификации сельского хозяйства, разговоры об установках биогаза в Казахстане ведутся с 1990-х годов.

— Исследования в этом направлении во всем мире ведутся издавна. В Индии, Китае, Америке хорошо поставлено дело по быстрому использованию навоза, накапливающегося в большом количестве, — говорит Марат Калиаскаров.

По его словам, правительство, министерство сельского хозяйства, государственная компания «КазАгроИнновация» уделяют достаточное внимание этой сфере, ведется работа по 42 бюджетным планам.

Индийские женщины несут на голове высушенный коровий навоз. Иллюстративное фото.
— Работа была начата в прошлой трехлетке. Возле сооружений с крупным рогатым скотом, установив биореакторы в пять кубов, предназначенные для переработки навоза, мы провели ряд исследований. Теперь в планах стоит увеличение объемов этих биореакторов, — говорит Марат Калиаскаров.

Специалист говорит, что биореакторы, которые выпускаются сейчас, предназначены для исследовательских работ и поэтому их цена еще не определена, но она будет дешевле, чем на импортные установки.

По словам Марата Калиаскарова, сейчас казахстанские фермеры проявляют интерес к биореакторам, только необходимо предварительно проводить хорошую разъяснительную работу в селах.

Представитель научно-исследовательского института говорит, что не знает о проблеме костанайского предпринимателя Серика Кажиева, однако, если это необходимо, обещает оказать помощь.

По словам сотрудника пресс-службы министерства сельского хозяйства, в их ведомстве также не в курсе проблем бизнесмена Серика Кажиева из Костанайской области.

Получение биогаза из навоза

В последнее время анаэробное сбраживание навоза животных считается перспективным способом получения биогаза из навоза (посредством процесса анаэробного сбраживания). Технология анаэробного сбраживания рассматривается как метод не только для решения экологических проблем, но и для содействия производству энергии и решению экономических и социальных проблем.

В последние годы животноводческие фермы производят большое количество навоза, что создает серьезную нагрузку на окружающую среду. Поэтому очень важно найти эффективные методы обработки навоза животных. В настоящее время анаэробное сбраживание, которое, как доказано, является оптимальным процессом для обработки отходов сельского хозяйства и животноводства, предлагает множество преимуществ, таких как снижение загрязнения окружающей среды и выбросов парниковых газов.

Навоз животных может быть полезным ресурсом для производства возобновляемой энергии и источником богатых питательными веществами сельскохозяйственных удобрений. Кроме того, с социально-экономической точки зрения биогаз не только обеспечивает экологические выгоды, но и имеет низкую стоимость сырья.

Получение биогаза из навоза роизводится в процессе анаэробного сбраживания несколькими видами микроорганизмов в четыре основных этапа, а именно: гидролиз, ацидогенез, ацетогенез и метаногенез. Анаэробное сбраживание твердых биологических отходов включает в себя биологическое преобразование растворимых, растворенных органических веществ в биогаз, спирты, летучие жирные кислоты и богатые азотом органические остатки.

На стабильность процесса анаэробного сбраживания большое влияние оказывает состав используемого сырья в биореакторе. В качестве исходного сырья в анаэробном варочном котле для производства биогаза могут использоваться различные виды субстратов, включая навоз животных (36%), отходы агропромышленного комплекса (30%) и твердые бытовые отходы (34%).

Животный навоз богат разнообразными питательными веществами, необходимыми для роста бактерий. Было признано, что использование одного только навоза животных не может представлять собой наиболее эффективный способ производства биогаза из-за его низкого отношения углерода и азота.

Животноводческий навоз содержит высокое содержание азота, например: свежий козий навоз (1,01%), куриный помет (1,03%), молочный навоз (0,35%) и свиной навоз (0,24%).

По данным издания Mid-West Plan Service, соотношение углерода/азота (C/N) для свиного навоза составляет около 6 — 8, что слишком мало для анаэробного варочного котла. В этом случае для получения биогаза из навоза рекомендуется использовать навоз животных при совместном сбраживании с растительными остатками, с целью поддержания сбалансированного соотношения C/N, ускорять рост бактерий и снижать риск ингибирования и подкисления аммиака.

Наиболее важной проблемой биоразлагаемых отходов является то, что они богаты липидами, целлюлозой и белками. Многие исследовательские работы показали, что объединение различных органических отходов для анаэробного процесса совместного сбраживания приводит к лучшей сбалансированности субстрата, что приводит к значительному увеличению производства биогаза. Значительное увеличение производства биогаза в процессе переваривания происходит за счет объединения богатых углеродом сельскохозяйственных отходов со свиным навозом.

Органическая смесь, которая обеспечивает субстрат для процесса анаэробного сбраживания, может содержать широкий спектр источников органического углерода, начиная от сырого осадка сточных вод и заканчивая бытовыми отходами, или материалом биомассы, таким как растения и отходы сельскохозяйственных культур.

Получение биогаза из навоза в процессе анаэробного сбраживания дает множество преимуществ, таких как альтернативное топливо, высококачественные удобрения, электричество, тепло, переработка отходов, сокращение выбросов парниковых газов и охрана окружающей среды.

Не все виды сырья пригодны для производства биогаза, и в некоторых случаях производство биогаза может быть невыгодным. Для оценки пригодности и рентабельности биогазового сырья необходим надежный способ характеризации и анализа сырья.

Результаты и обсуждение

Для оценки пригодности и рентабельности получения биогаза из навоза был проведен мониторинг следующих параметров:  рН, TSS, растворимые белки, редуцирующие сахара, влажность и зола.

Оптимальный уровень pH для метаногенеза составляет около 7,0, а для гидролиза и ацидогенеза — от 5,5 до 6,5. Значение pH является ключевым фактором, влияющим на эффективность производства метана, и было доказано, что оптимальный диапазон pH для получения максимального выхода биогаза при анаэробном сбраживании составляет 6,5-7,5.

Во время процесса анаэробного сбраживания незначительное снижение содержания TSS наблюдалось для свиного навоза с 1,26 до 0,71% и для коровьего навоза с 1,17 до 0,23%, что можно объяснить наличием в растворимой фракции легко разлагаемых соединений.

 Решения для активной дегазации полигонов ТБО

Биогаз из навоза: технология производства, переработка

Многие фермерские хозяйства сталкиваются с проблемой утилизации навоза, требующей немалых затрат. Чтобы обернуть это в свою пользу, нужно использовать навоз для получения биогаза. Современные технологии позволят получить и использовать в качестве топлива биогаз из навоза.

Как из органики образуется биогаз

Биогаз не имеет цвета и запаха, это летучее вещество на 70 % состоит из метана. Если сравнивать его с природным газом, то качественные показатели биогаза очень близки.

Одним из главных преимуществ является хорошая теплотворная способность. Выделение тепла 1 куб. м биогаза равно количеству выделяемого тепла при сгорании 1,5 кг угля.

Благодаря анаэробным бактериям, которые способствуют разложению органического сырья, и получается биогаз. Этим сырьем могут быть отходы крупного рогатого скота, свиней, птиц, растений.

Самое высокое содержание метана в курином помете в сочетании с травой и листьями. На втором месте свиной навоз с органическими добавками, тройку замыкает куриный помет и бумажная масса.

Чтобы активировать процесс, создаются благоприятные условия для жизнедеятельности бактерий. Такие условия должны быть приближены к естественным, как в желудке животного, где нет кислорода и тепло.

Создав такие условия, можно превратить навозную массу в ценное удобрение и экологическое топливо.

Получить биогаз можно с помощью герметичного редактора, куда не будет поступать воздух. В таких условиях навозная масса будет бродить и разлагаться на метан, углекислый газ и другие газообразные вещества.

Биогаз из навоза можно получить с помощью герметичного редактора

Образовавшийся в результате газ поднимается к верху установки, после чего его выкачивают. Внизу остается органическое удобрение высокого качества со всеми ценными веществами, но без патогенных микроорганизмов.

Немаловажный фактор при получении биогаза – соблюдение определенного температурного режима. Активация бактерий, которые принимают участие в процессе, происходит при температуре не ниже +30° С.

В навозе имеются мезофильные и термофильные бактерии. Для жизнедеятельности мезофильных бактерий требуется температура от +30° до +40° С. Чтобы поддерживать размножение термофильных бактерий, температура должна быть от +50° до +60° С.

Состав смеси и тип установки являются главными определяющими времени переработки сырья. При использовании установки первого типа, процесс длится от 12 до 30 суток.

В данном случае вырабатывается 2 л биотоплива на 1 л полезной площади реактора. Второй тип установки более дорогостоящий, но при его использовании выработка конечного продукта происходит в течение 72 часов и превышает по количеству в 2 раза.

Хотя термофильные установки намного эффективнее, но для поддержания высокой температуры в реакторе потребуются большие расходы. Из-за этого, большая часть фермеров предпочитают мезофильную установку.

Плюсы и сфера применения биогаза

Биогаз из навоза является перспективным источником возобновляемой энергии. Просматривается экологическая, экономическая и энергетическая выгода.

В Российской Федерации биогазовые установки пока не нашли массового применения, в то время как европейские страны с каждым годом все больше развивают эту отрасль.

Выделяют главные преимущества:

  • эффективная и экологическая сырьевая переработка;
  • предотвращение эрозии почвы;
  • получение на выходе полезных веществ, которые пригодятся в сельском хозяйстве;
  • доступность сырья в сельской местности;
  • беспрерывное пополнение сырьевой базы;
  • получение дополнительного источника энергии.

На фермерских угодьях всегда остро стоит вопрос об утилизации отходов. Больше всего этот вопрос волнует у тех, кто имеет большое хозяйство.

Ни одна установка по утилизации мусора не может превзойти биогазовую. Такая установка не просто утилизирует мусор, но и использует его для получения чистого и высокоэффективного удобрения, производит биологическое топливо и энергию.

Наибольшей популярностью биогазовые установки пользуются среди жителей сельской местности. Также их можно использовать и в городе.

Работа устройства для получения биогаза

Основной принцип работы установки по производству биогаза – брожение. В результате полученный биогаз, используется, как и природный. К примеру, с его помощью можно обогреть помещение или выработать электроэнергию.

Таким газом можно заправить автомобиль, естественно, сначала его потребуется сжать.

Сам процесс выработки биогаза в биогазовой установке происходит в несколько этапов. На первом этапе загружается сырье. Для обеспечения максимальной эффективности, придерживаются определенной влажности сырья. Наилучший вариант – использование функции добавления воды.

После загрузки сырья в емкость, из расчета 1 к 8 к сырьевой базе добавляют воду и включают насос, с помощью которого все тщательно перемешивается и становится однородным.

Процесс выработки биогаза из навоза

Далее сырьевая масса, попадает в биореактор, при этом, продолжая перемешиваться. Перемешивание автоматически отключится после полной выгрузки сырья из емкости.

Однородная, смешанная с водой биомасса, попадает в биореактор через открывающийся технологический люк. Такой же герметичный люк имеется и в верхней части биореактора. На нем расположены приборы, отслеживающие уровень биомассы, измеряющие давление биогаза и осуществляющие его отбор.

Чтобы не случился разрыв емкости, специальный компресс автоматически может включаться или выключаться при повышении давления. Также компрессор способствует откачке газа из биореактора в газгольдер.

Биореактор также оснащен нагревательным элементом, который поддерживает нужную для брожения температуру.

Затем биомасса попадает во вторую часть биореактора, где проходит химическая реакция. Все процессы происходят с постоянным перемешиванием биомассы, что исключает возможность образования плавающей корки, которая препятствует выходу биогаза. После того как биомасса окончательно перебродила, она попадает в выгрузочный сектор, где отделяется жидкое удобрение и остатки газа.

Как достичь максимальной эффективности биогенератора

Чтобы добиться максимальной эффективности работы биогенератора, брожение органической смеси должно быть равномерным. Субстрат должен постоянно двигаться, так удастся получить максимум газа.

Благодаря мешалкам погружного или наклонного вида, которые оборудованы электроприводом, обеспечивается постоянное перемешивание биомассы. Эти мешалки расположены вверху или сбоку типового реактора.

В кустарных установках используется механическое устройство перемешивания по типу бытового миксера. Он может быть ручным или работать от электропривода.

Самое главное условие для эффективной добычи биогаза – соблюдение температурного режима. Обогрев может осуществляться:

  • с помощью автоматизированных систем подогрева. Они используются в стационарных установках. Если температура в реакторе падает ниже заданной, система автоматически включается. При достижении нужной температуры система самостоятельно отключается;
  • с помощью газовых котлов – осуществляется прямой нагрев с использованием электроотопительных приборов или встроенных нагревательных элементов.

Слой стекловаты может стать отличным каркасом для реактора. Для теплоизоляции также подойдут пенополистирол. Эти материалы помогут уменьшить потери тепла.

Биогазовая установка

Перед тем, как начать делать биогазовую установку, следует провести расчеты. Когда скота не много, то лучше отдать предпочтение самой простой установке. Ее не так уж сложно сделать собственными руками.

Для крупного сельскохозяйственного объекта подойдет промышленная автоматизированная биогазовая установка. Чтобы ее сделать, нужно привлечь специалистов для разработки проекта и монтажа установки.

На сегодняшний день существует много компаний, предлагающих готовый вариант биогазовой установки, или разработку индивидуального проекта. Некоторые в целях экономии объединяются, покупая одну установку на несколько хозяйств.

Перед постройкой даже небольшой биогазовой установки потребуется собрать документацию:

  • технологическая схема;
  • пройти пожарную и газовую инспекцию;
  • разрешение от санэпидемстанции;
  • план размещения оборудования и вентиляции.

При желании и возможностях, можно соорудить оборудование для производства биогаза самостоятельно. В качестве основы подойдет устройство, выпущенное промышленностью.

Строительство сооружения для добычи биогаза под землей

В домашних условиях можно соорудить простейшую установку для добычи биогаза, минимизируя при этом затраты. Самый подходящий вариант – подземная установка.

Строительство сооружения для добычи биогаза из навоза под землей

Для начала нужно вырыть яму, чтобы залить ее основание и стены применяют армированный керамзитобетон. Затем необходимо вывести входной и выходной проход с противоположных сторон камеры. Чтобы производить подачу биомассы и откачку отработанной массы, в проходы вставляются наклонные трубы.

Выходную наклонную трубу располагают практически у дна бункера. Для откачки отходов производится монтаж конца этой трубы в компенсирующую емкость. Эта емкость должна быть прямоугольной формы, а диаметр самой трубы 70 мм.

Труба диаметром 25-35 см, с помощью которой осуществляется подача субстрата, монтируется в 50 см от дна. Ее верхняя часть входит в отсек, где осуществляется прием сырья.

Не стоит забывать и о герметичности реактора. Во избежание попадания воздуха, производится битумная гидроизоляция.

Для изготовления верхней части бункера (газгольдера) используют металлические листы или кровельное железо. Обычно, газгольдер купольной или конусной формы.

В завершении, не будет лишним осуществить кирпичную кладку установки. Далее производится обивка стальной сеткой и штукатурка.

Верхушку газгольдера можно оборудовать герметичным люком. Затем вывести газоотводную трубу, которая проходит через гидрозатвор. Далее производится установка клапана, с помощью которого осуществляется сброс давления.

Дренажная система (принцип барботажа) устанавливается для перемешивания биомассы. Для ее оборудования потребуется закрепить пластиковые трубы в вертикальном положении. Верхний край этих труб должен находиться выше слоя субстрата. Затем в трубах нужно сделать много дырок.

Из-за давления газ будет опускаться и подниматься. Благодаря подъему газа вверх, пузырьками газа будет осуществляться перемешивание биомассы.

При нежелании самостоятельно делать бетонную конструкцию, можно приобрести готовую из поливинилхлорида. Далее необходимо позаботиться об обеспечении теплоизоляции установки. Самый подходящий для этих целей материал – пенополистирол.

Днище ямы (10 см) заливается армированным бетоном. При объеме реактора менее чем 3*3 м, допускается использование ПВХ резервуаров.

При желании, можно сделать и эффективно использовать устройство для производства биогаза из навоза. В сети можно найти подробные инструкции изготовления таких устройств. Также немалой популярностью пользуются видеоролики на видеохостингах.

Там наглядно показаны этапы производства биогаза из навоза.

Хотя на государственном уровне добыча газа из органического сырья пока не нашла широкого использования, все же, среди простых фермеров с каждым годом появляется все больше поклонников устройств для получения биогаза.

Возможно уже спустя несколько лет, производство биогаза выйдет на новый уровень и заинтересует большую аудиторию граждан. Благодаря переработке навоза в биогаз можно не только получать полезные удобрения и заправить автомобиль, но и построить выгодный бизнес, без вреда для экологии.

Нефтяные ресурсы не бесконечны, а значит, в будущем люди, так или иначе, обратят свое внимание на добычу биогаза и придут к тому, чтобы сделать такое производство массовым.

Производство биогаза из навоза

Одна из задач, которую приходится решать в сельском хозяйстве — утилизация навоза и растительных отходов. И это довольно серьезная проблема, которая требует постоянного внимания. На утилизацию уходят не только время и силы, но и приличные суммы. Сегодня есть, как минимум, один способ, позволяющий эту головную боль превратить в статью дохода: переработка навоза в биогаз. В основе технологии лежит природный процесс разложения навоза и растительных остатков за счет содержащихся в них бактерий. Вся задача в создании особых условий для наиболее полного разложения. Эти условия — отсутствие доступа кислорода и оптимальная температура (40-50 o C).

Все знают, как чаще всего утилизируют навоз: складывают в кучи, потом, после ферментации, вывозят на поля. В этом случае образовавшийся газ выделяется в атмосферу, туда же улетает и 40% содержащегося в исходном веществе азота и большая часть фосфора. Получающееся в результате удобрение далеко не идеально.

Как можно организовать переработку навоза в биогаз

Для получения биогаза необходимо чтобы процесс разложения навоза проходил без доступа кислорода, в закрытом объеме. В этом случае и азот, и фосфор остаются в остаточном продукте, а газ скопится в верхней части емкости, откуда его легко выкачать. Получаются два источника прибыли: непосредственно газ и эффективное удобрение. Причем удобрение высшего качества и безопасное на 99%: большая часть болезнетворных микроорганизмов и яйца гельминтов погибают, содержащиеся в навозе семена сорных трав теряют всхожесть. Существуют даже линии по расфасовке этого остатка.

Второе обязательное условие процесса переработки навоза в биогаз — это поддержание оптимальной температуры. Содержащиеся в биомассе бактерии, при низких температурах малоактивны. Они начинают действовать при температуре среды от +30 o C. Причем в навозе содержатся бактерии двух типов:

  • мезофильные — они размножаются при температуре от +30 o C до +40 o C;
  • термофильные — для их активного роста необходима температура от +50 o C до +60 o C.

Сравнительная таблица затрат и эффективности мезофильного и термофильного разложения навоза. Как видите, денег нужно на старте в три-четрые раза больше, но на выходе получаете больше в десять раз

Термофильные установки с температурой от +43 o C до +52 o C являются наиболее эффективными: в них навоз обрабатывается 3 дня, на выходе с 1 литра полезной площади биореактора получается до 4,5 литров биогаза (это максимальный выход). Но на поддержание температуры в +50 o C требуются значительные расходы энергии, что не в каждом климате рентабельно. Потому чаще биогазовые установки работают на мезофильных температурах. В этом случае время переработки может составлять 12-30 дней, выход — примерно 2 литра биогаза на 1 литр объема биореактора.

Состав газа меняется в зависимости от сырья и условий переработки, но примерно он следующий: метан — 50-70%, двуокись углерода — 30-50%, а также содержится небольшое количество сероводорода (менее 1%) и совсем небольшой количество аммиака, водорода и соединений азота. В зависимости от конструкции установки в биогазе могут содержаться в значительном количестве пары воды, что потребует их осушения (в противном случае он просто не будет гореть). Как выглядит промышленная установка продемонстрировано в видео.

Это можно сказать целый завод по выработке газа. Но для частного подворья или небольшой фермы такие объемы ни к чему. Простейшую биогазовую установку легко сделать своими руками. Но вот вопрос: «Куда дальше направлять биогаз?» Теплота сгорания получаемого в результате газа от 5340 ккал/м3 до 6230 ккал/м3 (6,21 — 7,24 кВт.ч/м3). Потому его можно подавать на газовый котел для выработки тепла (отопление и горячая вода), или на установку по выработке электричества, на газовую печку и т.д. Вот как использует навоз от своей перепелиной фермы Владимир Рашин — конструктор биогазовой установки.

Получается, что имея хоть какое-то более-менее приличное количество скота и птицы, можно самому полностью обеспечить потребности своего хозяйства в тепле, газе и электричестве. А если установить на автомобили газовые установки, то и топливом для автопарка. Учитывая, что доля энергоносителей в себестоимости продукции 70-80% вы сможете только на биореакторе сэкономить, а потом и заработать множество денег. Ниже приведен скриншот экономического расчета рентабельности биогазовой установки для небольшого хозяйства (по состоянию на сентябрь 2014). Хозяйство мелким не назовешь, но и не крупное однозначно. Просим прощения за терминологию — это авторский стиль.

Это примерный расклад требуемых затрат и возможных доходов Схемы самодельных биогазовых установок

Схемы самодельных биогазовых установок

Простейшая схема биогазовой установки — это герметичная емкость — биореактор, в который сливается подготовленная жижа. Соответственно есть люк загрузки навоза и люк выгрузки переработанного сырья.

Простейшая схема биогазовой установки без «наворотов»

Емкость заполняется субстратом не полностью: 10-15% объема должно оставаться свободным для сбора газа. В крышку бака встраивается труба для отведения газа. Так как в полученном газе содержится довольно большое количество водяных паров, гореть в таком виде он не будет. Потому необходимо его для осушения пропустить через гидрозатвор. В этом нехитром устройстве большая часть водяного пара сконденсируется, и газ уже будет хорошо гореть. Потом газ желательно очистить от негорючего сероводорода и только потом его можно подавать в газгольдер — емкость для сбора газа. А оттуда уже можно разводить к потребителям: подавать на котел или газовую печь. Как сделать фильтры для биогазовой установки своими руками смотрите в видео.

Большие промышленные установки размещают на поверхности. И это, в принципе, понятно — слишком велики объемы земельных работ. Но в небольших хозяйствах чашу бункера закапывают в землю. Это во-первых, позволяет снизить затраты на поддержание требуемой температуры, а во-вторых, на частном подворье и так достаточно всяких устройств.

Емкость можно взять готовую, или в вырытом котловане сделать из кирпича, бетона и т.д. Но придется в этом случае позаботиться о герметичности и непроходимости воздуха: процесс анаэробный — без доступа воздуха, потому необходимо создать непроницаемую для кислорода прослойку. Сооружение получается многослойным и изготовление такого бункера длительный и затратный процесс. Потому дешевле и проще закопать готовую емкость. Раньше это обязательно были металлические бочки, часто из нержавейки. Сегодня с появлением на рынке емкостей из ПВХ можно использовать их. Они химически нейтральны, имеют низкую теплопроводность, длительный срок эксплуатации, и стоят в разы дешевле нержавеек.

Биореактор не обязательно закапывать. Это очень неплохой вариант, и обслуживать его удобно. Но зимой придется еще дополнительные меры по утеплению принимать. А газ отводится в специальные мешки-газгольдеры

Но описанная выше биогазовая установка будет иметь малую производительность. Для активизации процесса переработки необходимо активное перемешивание массы, находящейся в бункере. В противном случае на поверхности или в толще субстрата образуется корка, которая замедляет процесс разложения, газа на выходе получается меньше. Перемешивание проводится любым доступным способом. Например, таким, как продемонстрировано в видео. Привод при этом можно сделать любой.

Есть еще один способ перемешивания слоев, но немеханический — барбитация: вырабатываемый газ под давлением подают в нижнюю часть емкости с навозом. Поднимаясь вверх, пузырьки газа будут разбивать корку. Так как подается все тот же биогаз, то никаких изменений условий переработки не будет. Также этот газ нельзя считать расходом — он снова попадет в газгольдер.

Как говорилось выше, для хорошей производительности необходима повышенная температура. Чтобы не особенно тратиться на поддержание этой температуры необходимо позаботиться об утеплении. Какого типа теплоизолятор выбирать, конечно, дело ваше, но сегодня самый оптимальный — пенополистирол. Он не боится воды, не поражается грибками и грызунами, имеет длительный срок эксплуатации и отличные показатели по теплоизоляции.

Для увеличения температуры субстрата подойдет любая технология обогрева. Важно добиться требуемой температуры. От этого зависит эффективность установки

Формы биореактора могут быть разные, но чаще всего встречается цилиндрическая. Она неидеальна с точки зрения сложности перемешивания субстрата, но используется чаще, потому что у людей накоплен большой опыт построения подобных емкостей. А если такой цилиндр разделить перегородкой, то можно использовать их как два отдельных резервуара, в которых процесс смещен по времени. При этом в перегородку можно встроить нагревательный элемент, таким образом решив проблему поддержания температуры сразу в двух камерах.

Если обычный цилиндр разделить вертикальной перегородкой, получить можно две камеры для переработки

В самом простом варианте самодельные биогазовые установки — это прямоугольной формы яма, стенки которой сделаны из бетона, а для герметичности обработаны слоем стеклопластика и полиэфирной смолы. Такая емкость снабжается крышкой. Она крайне неудобна в эксплуатации: трудно реализуется и подогрев, перемешивание и отведение сбродившей массы, добиться полной переработки и высокой эффективности невозможно.

Биогазовая установка своими руками: чертежи установки траншейного типа

Чуть лучше обстоит дело с траншейными биогазовыми установками переработки навоза. Они имеют скошенные края, что облегчает загрузку свежего навоза. Если сделать дно под уклоном, то в одну сторону самотеком будет смещаться сбродившая масса и отбирать ее будет проще. В таких установках нужно предусмотреть теплоизоляцию не только стен, но и крышки. Подобная биогазовая установка своими руками реализуется несложно. Но полной переработки и максимального количества газа в ней не добиться. Даже при условии подогрева.

С основными техническими вопросами разбирались, и вы теперь знаете несколько способов того, как построить установку для получения биогаза из навоза. Остались технологические нюансы.

Что можно перерабатывать и как добиться хороших результатов

В навозе любого животного имеются необходимые для его переработки организмы. Было обнаружено, что в процессе сбраживания и в выработке газа участвует более тысячи различных микроорганизмов. Важнейшую роль при этом играют метанобразующие. Также считается, что все эти микроорганизмы в оптимальных пропорциях находятся в навозе КРС. Во всяком случае, при переработке этого вида отходов в сочетании с растительной массой, выделяется самое большое количество биогаза. В таблице приведены усредненные данные по наиболее распространенным видам сельскохозяйственных отходов. Примите во внимание, что такое количество газа на выходе можно получить при идеальных условиях.

Количество биогаза, которое можно получить из различного сырья

Для хорошей продуктивности необходимо поддерживать определенную влажность субстрата: 85-90%. Но воду при этом нужно использовать не содержащую посторонних химических веществ. Негативно на процессы влияют растворители, антибиотики, моющие средства и т.д. Также для нормального протекания процесса в жиже не должны содержаться крупные фрагменты. Максимальные размеры фрагментов: 1*2 см, лучше более мелкие. Потому если вы планируете добавлять растительные ингредиенты, то необходимо их измельчать.

Важно для нормальной переработки в субстрате поддерживать оптимальный уровень рН: в пределах 6,7-7,6. Обычно среда имеет нормальную кислотность, и лишь изредка кислотообразующие бактерии развиваются быстрее метанобразующих. Тогда среда становится кислой, выработка газа снижается. Для достижения оптимального значения в субстрат добавляют обычную известь или соду.

В таблице указаны составы, повышающие количество выделяющегося газа

Теперь немного о времени, которое необходимо на переработку навоза. Вообще время зависит от созданных условий, но первый газ может начать поступать уже на третьи сутки после начала сбраживания. Наиболее активно газообразование происходит при разложении навоза на 30-33%. Чтобы можно было ориентироваться по времени, скажем, что через две недели субстрат разлагается на 20-25%. То есть, оптимально переработка должна продолжаться месяц. В этом случае и удобрение получается наиболее качественным.

Расчет объема бункера для переработки

Для небольших хозяйств оптимальной является установка постоянного действия — это когда свежий навоз поступает небольшими порциями ежедневно и такими же порциями удаляется. Для того чтобы процесс не нарушался доля ежесуточной загрузки не должна превышать 5% от перерабатываемого объема.

Самодельные установки по переработке навоза в биогаз — не вершина совершенства, но достаточно эффективны

Исходя из этого, вы легко определите требуемый объем резервуара для самодельной биогазовой установки. Вам нужно суточный объем навоза с вашего хозяйства (уже в разведенном состоянии с влажностью 85-90%) умножить на 20 (это для мезофильных температур, для термофильных придется умножать на 30). К полученной цифре нужно добавить еще 15-20% — свободное пространство для сбора биогаза под куполом. Основной параметр вы знаете. Все дальнейшие расходы и параметры системы зависят от того, какая схема биогазовой установки выбрана для реализации и как вы все будете делать. Вполне можно обойтись подручными материалами, а можно заказать установку «под ключ». Заводские разработки обойдется от 1,5 млн. евро, установки от «Кулибиных» будут дешевле.

Юридическое оформление

Согласовывать установку придется с СЭС, газовой инспекцией и пожарниками. Вам понадобятся:

  • Технологическая схема установки.
  • План размещения оборудования и составляющих с привязкой самой установки, местом установки теплового агрегата, места прокладки трубопроводов и энергомагистралей, подключения насоса. На схеме должны быть обозначены громоотвод и подъездные пути.
  • Если установка будет находиться в помещении, то необходим также будет план вентиляции, которая будет обеспечивать не менее чем восьмикратный обмен всего воздуха в помещении.

Как видим, без бюрократии и тут не обойтись.

Имея источник энергии им грех не воспользоваться

Напоследок немного о производительности установки. В среднем за сутки биогазовая установка выдает объем газа в два раза превышающий полезный объем резервуара. То есть, 40 м 3 навозной жижи дадут в сутки 80 м 3 газа. Примерно 30% уйдет на обеспечение самого процесса (главная статья расходов — подогрев). Т.е. на выходе вы получите 56 м 3 биогаза в день. Для покрытия потребностей семьи из трех человек и на отопление среднего по размерам дома требуется по статистике 10 м 3 . В чистом остатке у вас 46 м 3 в день. И это при небольшой установке.

Итоги

Вложив некоторое количество средств в устройство биогазовой установки (своими руками или под ключ), вы не только обеспечите собственные нужды и потребности в тепле и газе, но и сможете продавать газ, а также получающиеся в результате переработки высококачественные удобрения.

Для того чтобы утилизировать навоз необходимо не только специально отведенное место, но и немало средств. Если частники всецело используют его на своих огородах в больших количествах, то аграрные хозяйства уже давно начали перерабатывать ценное сырье в биогаз. Процесс, как оказывается, доступен каждому. О технологии получения и производства далее наша статья.

Что представляет собой био газ

По своей сущности данный газ относится к экологически чистым источникам топлива. Его характеристики таковы, что он достаточно похож на природный газ, который добывается промышленными компаниями. Масштабы этого ресурса огромны.

Биогаз можно считать альтернативным топливом, поскольку для его выработки требуются отходы жизнедеятельности животных, которых достаточно в сельском хозяйстве. В результате качественной переработки получается бесцветный газ, не имеющий характерного запаха и содержащий в своем составе около 70% метана.

Можно ли получить биогаз из навоза

Непременно можно. И выполнить это достаточно просто. Прежде всего, нужно оборудовать специально отведенное место и оснастить его необходимым резервуаром. Но следует помнить, что для переработки понадобится немало биомассы. Для справки, 1 тонна навоза способна превратится в 100 куб. м необходимого топлива.

Каким же способом добывают биогаз:

  • Промышленные масштабы выработки топлива подразумевают наличие специального биореактора. В нем при участии анаэробных бактерий происходит процесс переработки сырья. В биомассе происходит брожение и это продолжается определенное время. Важно не допускать попадание чистого воздуха. Длительность данной стадии напрямую зависит от того, сколько биомассы было помещено в реактор.
  • Когда данная стадия находится на пике, происходит непрерывное выделение газовой массы. Она состоит из: метана – 60% и более, углекислого газа – 35% и 5% других веществ. Часто специалисты данной области находят частицы сероводорода в составе данной смеси.
  • При непрерывной выработке газа, он все время отводится из биореактора на очистку.
  • Процесс переработки останавливается и биогаз начинают применять по его прямому назначению, производят очистку установки. Из нее извлекают отходы, которые в дальнейшем направляются на удобрение полей.

Схема биогазового реактора

Этапы получения и переработки отходов

Биотопливо можно выработать на даче или прямо у себя на участке. Для этого выбираем максимально просторное и безопасное место для постройки конструкции. Затем нужно построить специальную емкость из бетона. При правильном ее обустройстве и отсутствия трещин, она будет служить самым настоящим реактором.

Перед тем, как начинать строительство, необходимо учесть, что отработанный навоз должен беспрепятственно извлекаться после переработки. Выход прост – заранее подготовить специальное отверстие, возможно с трубой. Его необходимо оборудовать так, чтобы была соблюдена полная герметичность всей конструкции. Она будет эффективна, только если газы не будут испаряться.

Выбор размера резервуара зависит от того, сколько навоза ежедневно появляется в хозяйстве. Будь то обычный двор с небольшим количеством скота или полноценная ферма в любом случае биореактор нужно заполнять не более чем на две трети от его полного объема. Только так процесс брожения будет протекать надлежащим образом.

  1. Можно использовать специальные нагревательные элементы, которые устанавливаются под емкость.
  2. Подключить небольшой змеевик к центральной системе отопления и завести его под резервуар.
  3. Можно обогревать реактор напрямую с помощью мощных отопительных приборов электрического типа.

Варианты установок для получения топлива

Каждый из типов оборудования рассчитан на применение в определенной местности. На выбор влияют, как правило, погодные условия. Если климат теплый – можно обойтись недорогой, упрощенной установкой. При суровых условиях понадобятся дополнительные механизмы.

Схема получения биогаза в условиях сельского хозяйства

Основные виды:

  1. Установка, рассчитанная на ручную загрузку, в которой нет функции перемешивания и подогрева. Одна из самых простых и распространенных вариаций. Может использоваться и в домашних условиях. Переработка навоза – до 200 кг в сутки.
  2. Оборудование с ручной загрузкой и возможностью перемешивания биомассы. Более эффективное оснащение при столь же небольшой стоимости.
  3. Обновленная система, предусматривающая ручную загрузку, подогрев навоза и его перемешивание. Более дорогостоящий вариант оснащения с реактором, подогреваемым специальным котлом. Он работает на постоянно вырабатывающемся биогазе. По карману промышленным фирмам.
  4. Установка, в которую входит – пневматический механизм перемешивания массы, подогрев, газгольдер и ручная загрузка.
  5. Полностью автоматизированный набор для сельскохозяйственных и животноводческих фирм. Дорогая и максимально продуктивная.

Принцип работы оборудования

Задействование всего оборудования происходит следующим образом:

  • Загружаются отходы;
  • Плотно закрывается резервуар;
  • Начинается нагрев массы;
  • Выделяется газовая смесь;
  • Биогаз очищается и отводится для дальнейшего применения.

Простую установку для реактора можно построить самостоятельно

Схема самодельной установки

Сделать всю перерабатывающую конструкцию достаточно просто. Необходимо сделать:

  1. Реактор, исходя из объема навоза;
  2. Специальную подставку под реактор, где будут обираться отходы;
  3. Клапан;
  4. Трубку для отвода биогаза;
  5. Нагревающий механизм.

Как применяют топливо в хозяйстве

С помощью данного типа топлива, которое будет постоянно производиться на участке, можно полноценно отапливать дом и некоторые другие сооружения. Если скота много, уточный объем навоза позволит производить достаточно «бесплатного» экологически чистого газа для отопления даже двухэтажного здания.

Второй способ использования – расходование углекислого газа. Это просто сделать с помощью воды.

Каждый частник, который держит хозяйство, может обзавестись продуктивным оборудованием для выработки биогаза. К тому же, его можно спроектировать самому. Нужно учитывать климатические условия и объемы сырья. В результате выгода использования данного топлива будет весьма ощутимой.

Технология это не новая. Она начала развиваться еще в 18 веке, когда Ян Гельмонт – химик – обнаружил, что навоз выделяет газы, которые способны к воспламенению.

Его исследования продолжил Алессандро Вольта и Хэмфри Деви, которые нашли в газовой смеси метан. В конце 19 века в Англии биогаз из навоза использовали в уличных фонарях. В середина 20 столетия были обнаружены бактерии, которые производят метан и его предшественников.

Дело в том, что в навозе поочередно работают три группы микроорганизмов, которые питаются продуктами жизнедеятельности предыдущих бактерий. Первыми начинают работу ацетогенные бактерии, которые растворяют углеводы, белки и жиры в навозной жиже.

Далее происходит гидролизное окисление под действием гетероацетогенных микроорганизмов, в результате чего появляются вещества, которые являются питательной средой для метанобразующих бактерий.

После переработки анаэробными микроорганизмами питательного запаса образуется метан, вода и диоксид углерода. Из-за наличия воды биогаз на данной стадии не способен гореть – ему нужна очистка, поэтому его пропускают через очистные сооружения.

Газ, полученный в результате разложения навозной биомассы, является аналогом природного газа. Он почти в 2 раза легче воздуха, поэтому всегда поднимается вверх. Этим объясняется технология производства искусственным методом: вверху оставляют свободное пространство, чтобы вещество могло выделяться и накапливаться, откуда его потом выкачивают насосами для использования в собственных нуждах.

Метан сильно влияет на возникновение парникового эффекта – гораздо больше, чем углекислый газ – в 21 раз. Поэтому, технология переработки навоза – не только экономичный, но и экологичный способ утилизации отходов животноводства.

Биометан используют для следующих потребностей:

  • приготовления пищи;
  • в двигателях внутреннего сгорания автомобилей;
  • для отопления частного дома.

Биогаз выделяет большое количество тепла. 1 кубический метр равноценен сгоранию 1,5 кг каменного угля.

Как получают биометан

Получить его можно не только из навоза, но и водорослей, растительной массы, жира и других животных отходов, остатков переработки сырья рыбных цехов. В зависимости от качества исходного материала, его энергетической емкости, зависит конечный выход газовой смеси.

Минимально получают от 50 кубометров газа с тонны навоза крупного рогатого скота. Максимально – 1 300 кубометров после переработки животного жира. Содержание метана при этом – до 90%.

Один из видов биологического газа – свалочный. Он образуется при разложении мусора на загородных свалках. На Западе уже есть оборудование, которое перерабатывает отходы населения и превращает их в топливо. Как вид бизнеса – это неограниченные ресурсы.

Под его сырьевую базу попадают:

  • пищевая промышленность;
  • животноводство;
  • птицеводство;
  • рыбный промысел и перерабатывающие комбинаты;
  • молокозаводы;
  • производство алкогольных и слабоалкогольных напитков.

Любая промышленность вынуждена утилизировать свои отходы – это дорого и нерентабельно. В домашних условиях при помощи небольшой самодельной установки можно решить сразу несколько проблем: бесплатное отопление дома, удобрение земельного участка высококачественным питательным веществом, оставшимся от переработки навоза, освобождение места и отсутствие запахов.

Технология получения биологического топлива

Все бактерии, которые принимают участие в образовании биогаза, являются анаэробными, то есть кислород для жизнедеятельности им не нужен. Для этого сооружают полностью герметичные емкости для брожения, отводные трубы которых также не пропускают воздух извне.

После заливки в резервуар сырьевой жидкости и повышения температуры до нужной величины бактерии начинают работу. Начинает выделяться метан, который поднимается с поверхности навозной жижи. Он направляется в специальные подушки или резервуары, после чего фильтруется и попадает в газовые баллоны.

Отработанная бактериями жидкость скапливается на дне, откуда ее периодически откачивают и также отправляют на хранение. После этого в резервуар закачивают новую порцию навоза.

Температурный режим функционирования бактерий

Для переработки навоза в биогаз необходимо создать подходящие условия для работы бактерий. некоторые из них активизируются при температуре выше 30 градусов – мезофильные. При этом процесс идет медленнее и первую продукцию можно получить через 2 недели.

Термофильные бактерии работают при температуре от 50 до 70 градусов. Сроки получения биогаза из навоза сокращаются до 3 дней. При этом отходы представляют собой ферментированный шлам, который используют на полях в качестве удобрения для сельскохозяйственных культур. В шламе отсутствуют патогенные микроорганизмы, гельминты и сорняки, так как они погибают при воздействии высоких температур.

Есть особый вид термофильных бактерий, которые способны выжить в среде, нагретой до 90 градусов. Их добавляют в сырье, чтобы ускорить процесс брожения.

Понижение температуры ведет к снижению активности термофильных или мезофильных бактерий. В частных хозяйствах чаще используют мезофиллы, так как для них не нужно специально подогревать жидкость и производство газа обходится дешевле. Впоследствии, когда будет получена первая партия газа, его можно использовать для подогрева реактора с термофильными микроорганизмами.

Как подготовить сырье для заливки в реактор

Для производства биогаза из навоза не нужно специально подсаживать микроорганизмы в жидкость, потому что они уже находятся в экскрементах животных. Нужно лишь поддерживать температурный режим и вовремя подливать новый раствор навоза. Его необходимо правильно готовить.

Влажность раствора должна быть 90% (консистенция жидкой сметаны), поэтому сухие виды экскрементов для начала заливаются водой – кроличий помет, конский, овечий, козий. Свиной навоз в чистом виде не нуждается в разбавлении, так как содержит много мочи.

Следующий этап – разбить твердые частицы навоза. Чем мельче будет фракция, тем лучше бактерии переработают смесь и тем больше газа получится на выходе. Для этого в установках применяют мешалку, постоянно работающую. Она снижает риск образования твердой корки на поверхности жидкости.

Для производства биогаза подходят те виды навоза, которые имеют самую высокую кислотность. Их еще называют холодными – свиной и коровий. Снижение кислотности приостанавливает деятельность микроорганизмов, поэтому необходимо следить в начале, сколько времени необходимо, чтобы они полностью переработали объем резервуара. Затем долить следующую дозу.

Технология очистки газа

При переработке навоза в биогаз получается:

  • 30% углекислого газа;
  • 1% примесей сероводорода и других летучих соединений.

Чтобы биогаз стал пригодным для использования в хозяйстве, его необходимо очистить от примесей. Чтобы удалить сероводород применяют специальные фильтры. Дело в том, что летучие сероводородные соединения, растворяясь в воде, образуют кислоту. Она способствует появлению ржавчины на стенках труб или резервуара, если они изготовлены из металла.

Высокое содержание углекислоты также требует очистки, но этот процесс более трудоемкий. В домашних условиях самым простым и дешевым способом очистки биогаза от примесей является вода. Процесс происходит в 2 этапа:

  • Полученный газ сжимается под давлением 9 – 11 атмосфер.
  • Подается в резервуар с водой, где примеси растворяются в жидкости.

В промышленных масштабах для очистки применяют известь или активированный уголь, а также специальные фильтры.

Как уменьшить содержание влаги

Самостоятельно избавиться от примесей воды в газе можно несколькими способами. Один из них – принцип самогонного аппарата. По холодной трубе газ направляется вверх. Жидкость при этом конденсируется и стекает вниз. Для этого трубу проводят под землей, где температура естественным образом снижается. По мере подъема, температура также поднимается, и осушенный газ попадает в хранилище.

Второй вариант – гидрозатвор. После выхода газ поступает в емкость с водой и там очищается от примесей. Такой метод называется одноэтапным, когда с помощью воды биогаз чистят сразу от всех летучих веществ и влаги.

Принцип гидрозатвора

Какие установки применяют для получения биогаза

Если установку планируется разместить вблизи фермы, то лучшим вариантом будет разборная конструкция, которую легко перевезти в другое место. Основной элемент установки – биореактор, в который заливается сырье и происходит процесс брожения. На крупных предприятиях используют цистерны объемом 50 кубических метров.

В частных хозяйствах строят подземные резервуары в качестве биореактора. Их выкладывают из кирпича в подготовленную яму и обмазывают цементом. Бетон повышает степень безопасности конструкции и препятствует попаданию воздуха. Объем зависит от того, сколько сырья в день получают с домашних животных.

Поверхностные системы также популярны в домашних условиях. При желании установку можно разобрать и перенести в другое место, в отличие от стационарного подземного реактора. В качестве цистерны используют пластиковые, металлические или поливинилхлоридные бочки.

По типу управления имеются:

  • автоматические станции, в которых долив и откачка отработанного сырья осуществляется без участия человека;
  • механические, где весь процесс контролируется вручную.

В домашних условиях рекомендуется использовать электрические измельчители навоза, а также мешалки, которые будут контролировать процесс образования корки.

С помощью насоса можно облегчить освобождение резервуара, в который попадают отходы после брожения. Некоторые народные умельцы применяют насосы для откачки газа из подушек (например, автомобильных камер) в очистное сооружение.

Схема самодельной установки для получения биогаза из навоза

Перед сооружением биогазовой установки на своем участке необходимо ознакомиться с потенциальной опасностью, которая может взорвать реактор. Главное условие – отсутствие кислорода.

Метан – это взрывоопасный газ и он способен воспламеняться, но для этого его необходимо нагреть выше 500 градусов. Если биогаз смешается с воздухом, возникнет избыточное давление, которое разорвет реактор. Бетонный может треснуть и будет не пригоден для дальнейшего использования.

Видео: Биогаз из птичьего помета

Чтобы давление не сорвало крышку, применяют противовес, защитную прокладку между крышкой и резервуаром. Емкость заполняют не до конца – должно оставаться как минимум 10% объема для выхода газа. Лучше – 20%.

Итак, чтобы сделать у себя на участке биореактор со всеми приспособлениями, необходимо:

  • Удачно выбрать место, чтобы оно находилось подальше от жилья (мало ли что).
  • Рассчитать предположительное количество навоза, которое ежедневно выдают животные. Как считать – читать ниже.
  • Определиться, где проложить загрузочную и отгрузочную трубу, а также трубу для конденсации влаги в полученном газе.
  • Определиться с местом расположения резервуара для отходов (по умолчанию удобрения).
  • Вырыть котлован, исходя из расчетов количества сырья.
  • Выбрать емкость, которая будет служить резервуаром для навоза и установить ее в котлован. Если планируется бетонный реактор, тогда дно котлована заливается бетоном, стенки выкладываются кирпичом и штукатурятся бетонным раствором. После этого необходимо дать время просохнуть.
  • Стыковки между реактором и трубами также герметизируются на этапе закладки резервуара.
  • Обустроить люк для осмотра реактора. Между ним ставится герметичная прокладка.

Если климат холодный, то перед бетонированием или установкой пластикового резервуара продумывают способы его обогрева. Это могут быть нагревательные приборы или лента, используемая в технологии «теплый пол».

В конце работ проверить реактор на герметичность.

Расчет количества газа

Из одной тонны навоза можно получить примерно 100 кубических метров газа. Вопрос – сколько помета дают домашние животные в сутки:

  • курица – 165 г в сутки;
  • корова – 35 кг;

Умножить эти показатели на количество голов и получится суточная доза экскрементов, подлежащих переработке.

Больше газа получают от коров и свиней. Если добавить в смесь такие энергетически мощные растения как кукуруза, свекольная ботва, просо, то количество биогаза увеличится. Большой потенциал у болотных растений и водорослей.

Самый высокий – у отходов мясоперабатывающих комбинатов. Если такие хозяйства есть поблизости, то можно скооперироваться и установить один реактор на всех. Сроки окупаемости биореактора 1 – 2 года.

Отходы биомассы после получения газа

После переработки навоза в реакторе побочным продуктом является биошлам. При анаэробной переработке отходов бактерии растворяют около 30% органического вещества. Остальное выделяется в неизменном виде.

Жидкая субстанция также является побочным продуктом метанового брожения и также используется в сельском хозяйстве для корневых подкормок.

Углекислый газ – ненужная фракция, которую производители биогаза стремятся удалить. Но если растворить ее в воде, то эта жидкость также может приносить пользу.

Полное использование продуктов биогазовой установки

Чтобы полностью утилизировать продукты, получаемые после переработки навоза, необходимо содержать теплицу. Во-первых – органическое удобрение можно использовать для круглогодичного выращивания овощей, урожайность которых будет стабильной.

Во-вторых – углекислый газ используется как подкормка – корневая или внекорневая, а его на выходе получается около 30%. Растения поглощают углекислоту из воздуха и при этом лучше растут и набирают зеленую массу. Если проконсультироваться со специалистами данной области, то они помогут установить оборудование, которое переводит углекислый газ из жидкой формы в летучее вещество.

Видео: Биогаз за 2 дня

Дело в том, что для содержания животноводческой фермы полученных энергоресурсов может быть много, особенно летом, когда не нужен подогрев коровника или свинарника.

Поэтому рекомендуется заняться еще одним прибыльным видом деятельности – экологически чистая теплица. Остатки продукции можно хранить в охлаждаемых помещениях – за счет все той же энергии. Холодильное или любое другое оборудование может работать на электричестве, которое вырабатывает газовая аккумуляторная батарея.

Использование в качестве удобрения

Кроме выработки газа биореактор полезен тем, что отходы используются в качестве ценного удобрения, которое сохраняет почти весь азот и фосфаты. При внесении в почву навоза 30 – 40% азота безвозвратно теряется.

Чтобы уменьшить потери азотных веществ, в грунт вносят свежие экскременты, но тогда выделяющийся метан повреждает корневую систему растений. После переработки навоза метан идет на собственные нужды, а все питательные вещества сохраняются.

Калий и фосфор после ферментации переходят в хелатную форму, которая усваивается растениями на 90%. Если смотреть в общем, то 1 тонна ферментированного навоза способна заменить 70 – 80 тонн обычных животных экскрементов.

Анаэробная переработка сохраняет весь имеющийся в навозе азот, переводя его в аммонийную форму, что на 20% увеличивает урожаи любых культур.

Такое вещество не опасно для корневой системы и может вноситься за 2 недели до высадки культур в открытый грунт, чтобы органика успела переработаться на этот раз почвенными аэробными микроорганизмами.

Перед использованием биоудобрение разводят водой в соотношении 1:60. Для этого подходит как сухая , так и жидкая фракция, которая после сбраживания также поступает в резервуар для отработанного сырья.

На гектар нужно от 700 до 1 000 кг/л неразбавленного удобрения. Учитывая, что с одного кубического метра площади реактора в день получается до 40 кг удобрений, то за месяц можно обеспечить не только свой участок, но и соседский, продавая органику.

Какие питательные вещества можно получить после отработки навоза

Основная ценность ферментированного навоза как удобрения – в наличии гуминовых кислот, которые как оболочка сохраняют ионы калия и фосфора. Окисляясь на воздухе при длительном хранении, микроэлементы утрачивают свои полезные качества, но при анаэробной переработке, наоборот, приобретают.

Гуматы положительно влияют на физико-химический состав грунта. В результате внесения органики, даже самые тяжелые почвы становятся более проницаемыми для влаги. Вдобавок, органические вещества являются пищей почвенных бактерий. Они дальше перерабатывают остатки, которые «недоели» анаэробы и выделяют гуминовые кислоты. В результате этого процесса растения получают питательные вещества, которые полностью усваивают.

Кроме основных – азота, калия и фосфора – в составе биоудобрения есть микроэлементы. Но их количество зависит от исходного сырья – растительного или животного происхождения.

Способы хранения шлама

Лучше всего хранить ферментированный навоз в сухом виде. Так его удобнее фасовать и транспортировать. Сухое вещество меньше теряет полезных свойств и его можно хранить в закрытом виде. Хотя в течение года такое удобрение вообще не портится, но дальше его нужно закрыть в мешок или емкость.

Жидкие формы необходимо сохранять в закрытых емкостях с плотно закручивающейся крышкой, чтобы не выветривался азот.

Основная проблема производителей биоудобрений – сбыт в зимнее время, когда растения находятся в состоянии покоя. На мировом рынке стоимость удобрений такого качества колеблется в пределах 130$ за тонну. Если наладить линию по расфасовке концентратов, то окупить свой реактор можно в течение двух лет.

Понравилась статья? Поделись с друзьями:

Здравия, дорогие читатели! Я — создатель проекта «Удобрения.NET». Рад видеть каждого из вас на его страницах. Надеюсь, информация из статьи была полезна. Всегда открыт для общения — замечания, предложения, что ещё хотите видеть на сайте, и даже критику, можно написать мне ВКонтакте, Instagram или Facebook (круглые иконки ниже). Всем мира и счастья! 🙂

Вам также будет интересно почитать:

Сырье для биогаза | Биогаз в России. Биогазовые установки. Компания Биокомплекс

Сырье для биогазовых установок

Поскольку технологии в настоящее время стремительно шагнули вперед, сырьем для получения биогаза могут стать самые различные отходы органического происхождения. Показатели выхода биогаза из различных видов органического сырья приведены ниже.

Таблица 1. Выход биогаза из органического сырья

Категория сырья Выход биогаза (м3) из 1 тонны базового сырья
Коровий навоз 39-51
Навоз КРС, перемешанный с соломой 70
Свиной навоз 51-87
Овечий навоз 70
Птичий помет 46-93
Жировая ткань 1290
Отходы с мясобойни 240-510
ТБО 180-200
Фекалии и сточные воды 70
Послеспиртовая барда 45-95
Биологические отходы производства сахара 115
Силос 210-410
Картофельная ботва 280-490
Свекольный жом 29-41
Свекольная ботва 75-200
Овощные отходы 330-500
Зерно 390-490
Трава 290-490
Глицерин 390-595
Пивная дробина 39-59
Отходы, полученные в процессе уборки ржи 165
Лен и конопля 360
Овсяная солома 310
Клевер 430-490
Молочная сыворотка 50
Кукурузный силос 250
Мука, хлеб 539
Рыбные отходы 300

 

Навоз КРС

Во всем мире к числу наиболее популярных относят биогазовые установки, предусматривающие использование в качестве базового сырья коровьего навоза. Содержание одной головы КРС позволяет обеспечить в год 6,6–35 т жидкого навоза. Этот объем сырья может быть переработан в 257–1785 м3 биогаза. По параметру теплоты сгорания указанные показатели соответствуют: 193–1339 кубометрам природного газа, 157–1089 кг бензина, 185–1285 кг мазута, 380–2642 кг дров.

Одним из ключевых преимуществ использования коровьего навоза в целях выработки биогаза является наличие в ЖКТ крупного рогатого скота колоний бактерий, вырабатывающих метан. Это означает, что отсутствует необходимость дополнительного внесения микроорганизмов в субстрат, а следовательно, потребность в дополнительных инвестициях. Вместе с тем однородная структура навоза делает возможным применение данного типа сырья в устройствах непрерывного цикла. Производство биогаза будет еще более эффективным при добавлении в ферментируемую биомассу мочи КРС.

Навоз свиней и овец

В отличие от КРС, животные этих групп содержатся в помещениях без бетонных полов, поэтому процессы производства биогаза здесь несколько осложняются. Использование навоза свиней и овец в устройствах непрерывного цикла невозможно, допускается лишь его дозированная загрузка. Вместе с сырьевой массой данного типа в биореакторы нередко попадают растительные отходы, что может существенно увеличить период ее обработки.

Птичий помет

В целях эффективного применения птичьего помета для получения биогаза рекомендуется оснащать птичьи клетки насестами, поскольку это позволит обеспечить сбор помета в больших объемах. Для получения значительных объемов биогаза следует перемешивать птичий помет с коровьей навозной жижей, что исключит излишнее выделение аммиака из субстрата. Особенностью применения птичьего помета при производстве биогаза является необходимость введения 2-стадийной технологии с использованием реактора гидролиза. Это требуется в целях осуществления контроля над уровнем кислотности, в противном случае бактерии в субстрате могут погибнуть.

Фекалии

Для эффективной переработки фекалий требуется минимизировать объем воды, приходящийся на один санитарный прибор: единовременно он не может превышать 1 л.

С помощью научных исследований последних лет удалось установить, что в биогаз, в случае использования для его производства фекалий, наряду с ключевыми элементами (в частности, метаном) переходит множество опасных соединений, способствующих загрязнению окружающей среды. Например, во время метанового брожения подобного сырья при высоких температурных режимах на станциях биоочистки стоков практически во всех пробах газовой фазы обнаружено около 90 µg/м3 мышьяка, 80 µg/м3 сурьмы, по 10 µg/м3 ртути, 500 µg/м3 теллура, 900 µg/м3 олова, 700 µg/м3 свинца. Упомянутые элементы представлены тетра- и диметилированными соединениями, свойственными процессам автолиза. Выявленные показатели серьезно превышают ПДК указанных элементов, что свидетельствует о необходимости более обстоятельного подхода к проблеме переработки фекалий в биогаз.

Энергетические растительные культуры

Подавляющее большинство зеленых растений обеспечивает исключительно высокий выход биогаза. Множество европейских биогазовых установок функционируют на кукурузном силосе. Это вполне оправданно, поскольку кукурузный силос, полученный с 1 га, позволяет выработать 7800–9100 м3 биогаза, что соответствует: 5850–6825 м3 природного газа, 4758–5551 кг бензина, 5616–6552 кг мазута, 11544–13468 кг дров.

Около 290–490 м3 биогаза дает тонна различных трав, при этом особенно высоким выходом отличается клевер: 430–490м3. Тонна качественного сырья картофельной ботвы также способна обеспечить до 490 м3, тонна свекольной ботвы – от 75 до 200 м3, тонна отходов, полученных в процессе уборки ржи, — 165 м3, тонна льна и конопли – 360 м3, тонна овсяной соломы — 310 м3 .

Следует отметить, что в случае целенаправленного выращивания энергетических культур для производства биогаза существует необходимость инвестирования денежных средств в их посев и уборку. Этим подобные культуры существенно отличаются от иных источников сырья для биореакторов. Необходимости в удобрении подобных культур нет. Что касается отходов овощеводства и производства зерновых культур, то их переработка в биогаз имеет исключительно высокую экономическую эффективность.

«Свалочный газ»

Из тонны сухих ТБО может быть получено до 200 м3 биогаза, свыше 50% объема которого составляет метан. По активности выбросов метана «свалочные полигоны» намного превосходят любые другие источники. Использование ТБО в производстве биогаза не только позволит получить существенный экономический эффект, но и сократит поступление загрязняющих соединений в атмосферу.

Качественные характеристики сырья для получения биогаза

Показатели, характеризующие выход биогаза и концентрацию в нем метана, зависят в том числе от влажности базового сырья. Рекомендуется поддерживать ее на уровне 91% в летний период и 86% в зимний.

Осуществить получение максимальных объемов биогаза из ферментируемых масс можно, обеспечив достаточно высокую активность микроорганизмов. Реализовать эту задачу можно лишь при необходимой вязкости субстрата. Процессы метанового брожения замедляются, если в сырье присутствуют сухие, крупные и твердые элементы. Кроме того, при наличии таких элементов наблюдается образование корки, приводящей к расслоению субстрата и прекращению выхода биогаза. Чтобы исключить подобные явления, перед загрузкой сырьевой массы в биореакторы ее измельчают и осторожно перемешивают.

Оптимальными значениями pH сырья являются параметры, находящиеся в диапазоне 6,6–8,5. Практическая реализация увеличения рН до необходимого уровня обеспечивается посредством дозированного введения в субстрат состава, изготовленного из измельченного мрамора.

В целях обеспечения максимального выхода биогаза большинство различных типов сырья допускается смешивать с другими видами посредством кавитационной переработки субстрата. При этом достигаются оптимальные соотношения углекислого газа и азота: в обрабатываемой биомассе они должны обеспечиваться в пропорции 16 к 10.

Таким образом, при выборе сырья для биогазовых установок имеет смысл уделить его качественным характеристикам самое пристальное внимание.

готовое оборудование и самодельная установка

Фермерским хозяйствам нелегко утилизировать навоз. Образуется его с излишком, много средств приходится тратить на вывоз и утилизацию. В небольших частных хозяйствах навоз активно используют в качестве бесплатного и эффективного удобрения. Оказывается, есть и иной способ полезного использования данного сырья, позволяющий получить природный газ.

Многие хозяйства уже сегодня занимаются производством биогаза из навоза, используя экологичную технологию, позволяющую получать ценный продукт. Биометан из навоза ценен хорошим качеством, потому применяется во многих странах.

Что такое биогаз

Биогаз из навоза – это экологически чистое топливо. По характеристикам он близок к природному газу, который извлекается из недр земли промышленным путем.

Биогаз может составить альтернативу обычному топливу, ведь изготавливается он из отходов жизнедеятельности животных и птиц, которых в избытке можно найти в любом сельском хозяйстве. При правильной обработке сырья можно получить бесцветный биогаз без характерного запаха, в котором содержится не менее 70 % метана.

Биогаз имеет хорошие характеристики. Один кубический метр такого топлива из навоза выпускает столько же тепла, что и полтора кг каменного угля.

Преимущества процесса

Переработкой навоза для получения биогаза занимались еще в советское время. На сегодняшний день многие страны занимаются данным видом промышленности, так как это выгодно, легко и не представляет опасности для окружающей среды.

Такой альтернативный биогаз не нуждается в трудоемком добывании сырья для производства, процесс его создания относительно дешев, а в окружающую среду не выделяются токсические вещества.

Конечно же, навоз можно использовать просто в качестве удобрения, если в хозяйстве всего несколько коров. Гораздо сложнее приходится крупным фермерам с сотнями голов скота, ведь каждый год им приходится избавляться от нескольких тонн навоза.

Чтобы навоз стал качественным удобрением, его необходимо хранить, соблюдая температурный режим. Но это требует лишних расходов, потому большинство фермеров просто собирают его в определенное место, а потом вывозят на пашни.

При неправильном хранении навоз теряет почти половину находящихся в нем азотистых соединений и большую часть фосфора, потому его показатели становятся гораздо хуже. В атмосферу же непрерывно из навоза выделяется газ метан, что ухудшает экологическую ситуацию.

Новейшие технологии получения биометана позволяют перерабатывать сырье таким образом, что полученный биогаз не имеет токсического эффекта для окружающей среды. Биогаз выделяет при сгорании невероятное количество энергии, а нагретый навоз после его использования становится очень ценным анаэробным удобрением.

Технология получения биогаза

Изготовление биогаза возможно при помощи бактерий, для жизнедеятельности которых не нужен кислород. Потому для производства биогаза необходимо соорудить герметичные емкости, в которых будет происходить брожение сырья. Трубы для отвода сконструированы в емкостях таким образом, что воздух из внешней среды не способен просочиться внутрь.

Сначала резервуар наполняют жидким сырьем и повышают температуру до необходимой отметки, чтобы мироорганизмы начали работать. Метан поднимается вверх из жидкого навоза, накапливается в специальных резервуарах, в которых проходит этап фильтрации. Дальше его собирают в газовые баллоны. Использованные массы навоза накапливаются на дне емкостей, откуда периодически их вынимают и хранят в других местах. После откачивания отработанной жидкости в резервуар подается новый навоз.

Температурный режим функционирования бактерий

Метан может выделяться из навоза только при создании для него подходящего температурного режима. Навоз содержит в себе разные бактерии, которые активизируются и выделяют биогаз при разных температурах и с разной скоростью:

  • Мезофильные бактерии. Начинают работать, если температура окружающей среды становится выше 30 градусов. Вырабатывается биогаз очень медленно – продукцию можно будет собрать спустя полмесяца.
  • Термофильные бактерии. Для их активации требуется температура, равная 50-65 градусам. Биогаз можно будет собрать уже через три дня. Особую ценность представляет шлам – отходы навоза после сильного нагрева. Это полезное удобрение и, главное, безвредное – любые гельминты, семена сорняков, патогенные микроорганизмы уничтожаются при нагревании.
  • Встречается и другой вид термофильных бактерий, выживающих при нагревании до температуры в 90 градусов. Их дополнительно включают в навоз, чтобы брожение происходило быстрее.

При понижении температуры все типы бактерий становятся менее активными. В небольшом хозяйстве обычно пользуются мезофиллами, ведь в таком случае дополнительного нагрева не требуется. Дальше первичный биогаз можно использовать для искусственного нагрева навоза и активации термофильных бактерий.

Минус хранения сырья в том, что оно не должно подвергаться скачкам температур. Потому в зимнее время необходимо позаботиться о теплом помещении для складирования навоза.

Подготовка сырья для заливки в реактор

Как правило, дополнительно обогащать навоз микроорганизмами нет необходимости, так как они уже содержатся в нем. Все, что необходимо делать – это правильно подготовить навозный раствор, следить за температурой и вовремя менять сырье в биореакторе.

Влажность сырья должна составлять не менее 90 % (по консистенции как жидкая сметана). Потому перед использованием сухой помет (коз, овец, коней, кроликов) смешивают с водой. Навоз свиньи разводить нет необходимости из-за высокого содержания в нем мочи.

Также важно, чтобы навоз был однородным, без твердых частиц. От мелкости фракций зависит количество образуемого на выходе биогаза. По этой причине внутри оборудования устанавливается постоянно работающая мешалка, уничтожающая твердую корку на поверхности сырья и мешающая выделению метана.

Лучше всего для процесса подойдут отходы с высокой кислотностью (навоз свиней и коров). При снижении показателя кислотности бактерии замедляют свою работу, потому важно в первые разы выяснить, за какое время происходит полная переработка одной порции навозного раствора, и лишь потом заливать его заново.

Технология очистки газа

Получаемый продукт содержит около семидесяти процентов метана, один процент примесей (сероводородных и некоторых летучих элементов) и чуть менее тридцати процентов углекислого газа.

Использовать его как топливо можно только после очищения от примесей. Сероводородные соединения убирают при помощи специальных фильтров. Это необходимо делать по той причине, что такое вещество, образуя с водой кислоту, ускоряет процессы коррозии металлов, труб, резервуара и всей биогазовой установки, если она металлическая.

Углекислый газ также необходимо убрать из топлива, но это требует немало времени:

  • В первую очередь биогаз сжимают при сильном давлении.
  • В емкость направляют воду, в которой примесь растворится.

Если биогаз производится в огромных масштабах, то очистку производят известью, активированным углем и специальными фильтрами.

Уменьшение содержания влаги

На данном этапе очистку сырья проводят разными способами.

Первый способ похож на работу самогонного аппарата. Биогаз направляют вверх по холодным трубкам. Вода переходит в конденсат и стекает по трубке вниз, в то время как метан направляется в резервуар для дальнейшего хранения.

Другой способ – использование гидрозатвора. Полученный биогаз смешивают с водой, где остаются все примеси. Такой способ требует меньше времени на очистку, так как вода избавляет и от лишней жидкости, и от ненужных элементов.

Установки для получения биогаза

Для изготовления установки недалеко от фермерских хозяйств, наилучшим образом подходит конструкция, которую впоследствии легко будет разобрать и перенести на другую территорию. Главное оборудование всей установки – это биореактор – емкость для заливки навоза и его брожения. Большие предприятия пользуются цистернами в 50 кубометров.

Небольшие частные хозяйства вместо цистерн используют резервуар под землей. Он выкладывается кирпичом в вырытой яме. Для герметичности и прочности все закрепляют цементной массой. Объем зависит от количества образующегося ежедневно навоза.

Для наземной установки могут применять цистерны из пластика, металла или поливинилхлорида.

Установки могут быть как автоматизированными (в них весь процесс происходит без участия человека), так и механическими (откачивать, доливать сырье, забирать биогаз, следить за давлением и температурой необходимо самостоятельно).

В небольшом хозяйстве желательно пользоваться электрическими насосами, мешалками, измельчителями, которые предотвратят появление корок на поверхности навоза и очистки сооружения от отходов.

Советы по самодельному изготовлению

Самое важное правило – отсутствие кислорода в реакторе. При его наличии может произойти взрыв.

Для того чтобы крышку реактора не сорвало высоким давлением, необходимы противовесы, защитные прокладки между резервуарами и крышками.

Резервуар никогда не должен быть абсолютно полон. Желательно пятую часть его объема оставлять незаполненной.

На участке перед установкой оборудование необходимо:

  • правильно выбрать место (желательно, как можно дальше от жилого дома)
  • рассчитать ежедневные объемы образуемого навоза
  • выбрать местоположение для труб (отгрузочных, погрузочных, конденсирующих влагу)
  • найти место для отходов навоза
  • выкопать котлован
  • приобрести емкость для резервуара и закрепить ее на дне котлована
  • загерметизировать все места стыков
  • сконструировать люк для осмотра реактора (между люком и реактором обязательно поставить прокладку)

Если установка происходит в холодном климате, то обязательно стоит продумать способы её нагрева.

Завершающим этапом постройки считается проверка оборудования на герметичность.

Расчет количества газа

В среднем, тонна навоза обеспечит владельца сотней кубометров биогаза. Для того чтобы рассчитать количество получаемого биогаза, необходимо умножить ежедневную массу навоза с каждого скота на количество животных.

Естественно, разные животные и птицы дают разное количество навоза:

  • птицы (в первую очередь, куры) – 150-170 г в день
  • корова — 34-36 кг
  • коза – 900 – 1100 г
  • лошадь – 14-16 кг
  • овца – 900 – 1100 г
  • свинья – 4-6 кг

Навоз свиней и коров дает большее количество топлива. Количество выделяемого биогаза можно увеличить, если добавить в смесь просо, ботву свеклы, болотные растения, водоросли или кукурузу (наличие хлорофилла в биомассе улучшает выделение метана).

Отходы биомассы после получения газа

Образуемый после нагревания навоза шлам применяют повсеместно в сельском хозяйстве в виде удобрений.

Образуемый углекислый газ обычно стремятся очистить, но при растворении его в воде получается полезная жидкость.

Полное использование продуктов биогазовой установки

При рациональном использовании навоза, отходов после образования биогаза может не быть вовсе. К примеру, углекислый газ применяют в качестве подкормки для овощных культур.

Шлам также используют для подкорневой подкормки.

Потому при наличии небольшой установки по производству биогаза будет полезно установить и биотеплицу, которая за счет удобрений и полученной энергии может работать круглый год.

готовое оборудование и самодельная установка

Что такое биометан

Газ, полученный в результате разложения навозной биомассы, является аналогом природного газа. Он почти в 2 раза легче воздуха, поэтому всегда поднимается вверх. Этим объясняется технология производства искусственным методом: вверху оставляют свободное пространство, чтобы вещество могло выделяться и накапливаться, откуда его потом выкачивают насосами для использования в собственных нуждах.

Метан сильно влияет на возникновение парникового эффекта – гораздо больше, чем углекислый газ – в 21 раз. Поэтому, технология переработки навоза – не только экономичный, но и экологичный способ утилизации отходов животноводства.

Биометан используют для следующих потребностей:

  • приготовления пищи;
  • в двигателях внутреннего сгорания автомобилей;
  • для отопления частного дома.

Биогаз выделяет большое количество тепла. 1 кубический метр равноценен сгоранию 1,5 кг каменного угля.

Экология

Производство биогаза позволяет предотвратить выбросы метана в атмосферу. Переработанный навоз применяется в качестве удобрения в сельском хозяйстве. Это позволяет снизить применение химических удобрений, сокращается нагрузка на грунтовые воды.

Метан оказывает влияние на парниковый эффект в 21 раз более сильное, чем СО2, и находится в атмосфере 12 лет. Захват метана — лучший краткосрочный способ предотвращения глобального потепления.

Как получают биометан

Получить его можно не только из навоза, но и водорослей, растительной массы, жира и других животных отходов, остатков переработки сырья рыбных цехов. В зависимости от качества исходного материала, его энергетической емкости, зависит конечный выход газовой смеси.

Минимально получают от 50 кубометров газа с тонны навоза крупного рогатого скота. Максимально – 1 300 кубометров после переработки животного жира. Содержание метана при этом – до 90%.

Один из видов биологического газа – свалочный. Он образуется при разложении мусора на загородных свалках. На Западе уже есть оборудование, которое перерабатывает отходы населения и превращает их в топливо. Как вид бизнеса – это неограниченные ресурсы.

Под его сырьевую базу попадают:

  • пищевая промышленность;
  • животноводство;
  • птицеводство;
  • рыбный промысел и перерабатывающие комбинаты;
  • молокозаводы;
  • производство алкогольных и слабоалкогольных напитков.

Любая промышленность вынуждена утилизировать свои отходы – это дорого и нерентабельно. В домашних условиях при помощи небольшой самодельной установки можно решить сразу несколько проблем: бесплатное отопление дома, удобрение земельного участка высококачественным питательным веществом, оставшимся от переработки навоза, освобождение места и отсутствие запахов.

Где используется биогаз?

Биогаз может быть произведен с различными типами органического вещества, и, следовательно, существует несколько типов моделей для биогазовых реакторов. Некоторые промышленные системы предназначены для очистки: городских сточных вод, промышленных сточных вод, твердых бытовых отходов и сельскохозяйственных отходов.

Небольшие системы обычно используются для переработки отходов животных. И новые системы семейного размера предназначены для переваривания пищевых отходов.

Полученный биогаз можно использовать несколькими способами, включая: газ, электричество, тепло и транспортное топливо.

Например, в Швеции сотни автомобилей и автобусов работают на очищенном биогазе. Биогаз в Швеции производится в основном из очистных сооружений и свалок.

Другим примером разнообразного использования биогаза является завод по производству молочных продуктов. Один из крупнейших производителей сыра в Великобритании строит анаэробную установку, которая будет перерабатывать остатки молочных продуктов и превращать в биометан для газовой сети.

Свойства биогаза

Таблица. Основные характеристики биогаза

Запас энергии в 1 м3 биогаза 6-6,5 кВтч
Теплотворная способность 6000-7500 ккал /м3
Плотность биогаза 1,16-1,27 кг / м3
Температура возгорания 650-750 С
Давление биогаза в реакторе 0,05 атм.
Давление биогаза перед потребителем Поднимается до требуемого
Мокрый способ получения биогаза

«Мокрый» способ переработки в биогаз органических отходов из возобновляемого сырья получил самое широкое распространение. Он отлично подходит для сырья с высоким содержанием влаги. При «мокром» способе сырье разбавляется до влажности 90% и перекачивается в биореакторы насосами. Реакторы герметично закрыты и работают без доступа кислорода.

В процессе непрерывной работы свежее сырье подается порциями из предварительного резервуара в нижнюю часть реактора. Порциями же отводится перебродившая масса. В утепленном предварительном резервуаре и реакторе происходит подогрев биомассы и перемешивание. Материал всех ёмкостей и реакторов — сталь с покрытием или железобетон. В реакторе поддерживается наиболее благоприятная мезофильная температура для бактерий 37-40 С. Перемешивание происходит периодически. Периодические остановки необходимы для того чтобы масса успела расслоиться и с перебродившей массой не происходил слив свежего сырья.

Интерактивная схема работы биогазовой станции по «мокрому способу»

Сухой способ получения биогаза

Ещё недавно биогазовые технологии были сосредоточены лишь на «мокрой ферментации». Новая система сухой ферментации позволяет производить биогаз из твердых отходов, загрязненных неорганическими включениями. Это означает, что можно перерабатывать в биогаз даже обычный городской мусор. При этом не требуется разбавление субстрата до состояния прокачки. Сухой способ ферментации позволяет сбраживать субстраты с 50% влажностью. Отходы загружаются в ферментатор и сбраживаются без доступа кислорода.

Постоянная подача бактериального сырья происходит при помощи рециркуляции перебродившего жидкого фильтрата, который распыляется над органическими отходами в реакторе. В процессе не происходит перемешивания, перекачки либо переворачивания субстрата, также свежее сырье не подается. Излишки фильтрата собираются через дренажную систему в емкость, а затем распыляются над биомассой в реакторе. Сбраживание происходит в благоприятном мезофильном режиме в диапазоне 34-37°C. Для этого стены и пол реактора имеют подогрев.

Cхема работы биогазовой станции по «сухому способу»

Сырьё для получения биогаза
Субстрат Выход м3/т
Навоз КРС (природный 85-88% вл.) 54
Навоз КРС самосплавный (95% вл.) 22
Навоз свинной природный (85% вл.) 62
Навоз свинной самосплавный (95% вл.) 25
Птичий помет клеточный (75% вл.) 103
Птичий помет подстилочный (60% вл.) 90
Силос кукурузный 180
Свежая трава 200
Молочная сыворотка, 94% вл. 22
Зерно, мука, хлеб 538
Фруктовый и овощной жом ( 80% вл.) 108
Свекольный жом (78% вл.) 119
Меласса 633
Барда зерновая ( 93% вл.) 40
Барда меласная ( 90% вл.) 50
Пивная дробина (82% вл.) 99
Мезга кукурузная (80% вл.) 85
Мезга картофельная (91% вл.) 32
Жир (чистый, 0% вл.) 1300
Жир из жироловок (жировая пульпа) 250
Отходы бойни (только кровь, каныга, мягкие ткани) 300
Корнеплодные овощи 100
Технический глицерин 500
Рыбные отходы 300
Твердые бытовые отходы 100
Улучшающие добавки

Улучшающие добавки для сырья — это смесь из энзимов (ферментов), пробиотиков и микроэлементов, улучшающих деятельность микроорганизмов, осуществляющих брожение.

Использование добавки позволяет увеличить выход биогаза от 20 до 40% без изменений конструкции биогазовой станции. Кроме того, добавка облегчает работу оператора за счёт стабилизации процесса; она также повышает содержание метана в биогазе. За счет добавки извлекается весь биогаз в реакторе основного брожения без этапа дображивания.

Таким образом, можно строить биогазовые станции в 2 раза дешевле, либо извлекать из сырья дополнительно энергию. Добавка используется на многих биогазовых станциях в Германии и дает гарантированное увеличение выхода биогаза. Есть станции, где достигнут выход биогаза 260 м3 / тонны силоса или 45% рост выхода биогаза.

Расход составляет 1-2 кг / сутки для биогазовой станции электрической мощностью 1 МВт (24000 кВтч электроэнергии в сутки).

Преимущества и недостатки биогаза

Во всем мире интерес к возобновляемым источникам энергии набирает обороты. Производство биогаза неуклонно растет, так как все больше людей создают биогазовые установки для производства биогаза. Чтобы получить более полное представление о том, для чего нужен биогаз, мы создали этот список, объясняющий преимущества и недостатки биогаза.

Условия для выработки газа

Процесс образования биогаза происходит за счет жизнедеятельности разного рода бактерий, которые содержатся в самих отходах. Но для того чтобы они активно «работали» необходимо им создать определенные условия: влажность и температуру. Для их создания строятся биогазовая установка. Это комплекс устройств, основа которого — биореактор, в котором и происходит разложение отходов, который сопровождается газообразованием.

Организация цикла переработки навоза и растительных отходов в биогаз

Различают три режима переработки навоза в биогаз:

  • Психофильный режим. Температура в биогазовой установке от +5°C до +20°C. При таких условиях процесс разложения идет медленно,газа образуется намного, его качество низкое.
  • Мезофильный. На этот режим установка выходит при температуре от +30°C до +40°C. В этом случае активно размножаются мезофильные бактерии. Газа при этом образуется больше, процесс переработки занимает меньше времени — от 10 до 20 дней.
  • Термофильный. Эти бактерии размножаются при температуре от +50°C. Процесс идет быстрее всего (3-5 дней), выход газа — самый большой (при идеальных условиях с 1 кг завоза можно получить до 4,5 литров газа). Большинство справочных таблиц по выходу газа от переработки даны именно для этого режима, так что при использовании других режимов стоит делать корректировку в меньшую сторону.

Сложнее всего в биогазовых установках реализуется термофильный режим. Тут требуется качественная теплоизоляция биогазовой установки, подогрев и система контроля за температурой. Зато на выходе получаем максимальное количество биогаза. Еще одна особенность термофильной переработки — невозможность дозагрузки. Остальные два режима — психофильный и мезофильный — позволяют ежедневно добавлять свежую порцию подготовленного сырья. Но, при термофильном режиме, малый срок переработки позволяет разделить биореактор на зоны, в которых будет перерабатываться своя доля сырья с разными сроками загрузки.

Схема биогазовой установки

Основа биогазовой установки — биореактор или бункер. В нем происходит процесс брожения, в нем же скапливается полученный газ. Также есть бункер загрузки и выгрузки, выработанный газ выводится через вставленную в верхнюю часть трубу. Далее идет система доработки газа — ее очистка и повышение давления в газопроводе до рабочего.

Схема установки для переработки навоза в биогаз

Для мезофильных и термофильных режимов необходима также система подогрева биореактора — для выхода на требуемые режимы. Для этого обычно используются газовые котлы, работающие на произведенном топливе. От него система трубопроводов идет в биореактор. Обычно это полимерные трубы, так как они лучше всего переносят нахождение в агрессивной среде.

Еще биогазовая установка нуждается в системе для перемешивания субстанции. При брожении вверху образуется твердая корка, тяжелые частицы оседают вниз. Все это вместе ухудшает процесс газообразования. Для поддержания однородного состояния перерабатываемой массы и необходимы мешалки. Они могут быть механическими и даже ручными. Могут запускаться по таймеру или вручную. Все зависит от того, как сделана биогазовая установка. Автоматизированная система более дорога при монтаже, но требует минимума внимания при эксплуатации.

Простейшая биогазовая установка из пластиковой бочки

Биогазовая установка по типу расположения может быть:

  • Надземной.
  • Полузаглубленной.
  • Заглубленной.

Более затратны в установке заглубленные — требуется большой объем земельных работ. Но при эксплуатации в наших условиях они лучше — проще организовать утепление, меньше расходы на подогрев.

Что можно перерабатывать

Биогазовая установка по сути всеядна — перерабатываться может любая органика. Подходит любой навоз и моча, растительные остатки. Негативно влияют на процесс моющие вещества, антибиотики, химия. Их поступление желательно минимизировать, так как они убивают флору, которая занимается переработкой.

Сколько можно получить биогаза из различных отходов

Идеальным считается навоз КРС, так как в нем содержатся микроорганизмы в большом количестве. Если в хозяйстве нет коров, при загрузке биореактора желательно добавить некоторую часть помета, для заселения субстрата требуемой микрофлорой. Растительные остатки предварительно измельчаются, разводятся с водой. В биореакторе смешиваются растительное сырье и экскременты. Такая «заправка» перерабатывается дольше, но на выходе при правильном режиме, имеем наибольший выход продукта.

Определение местоположения

Чтобы минимизировать затраты на организацию процесса, имеет смысл расположить биогазовую установку неподалеку от источника отходов — возле построек, где содержится птица или животные. Разработать конструкцию желательно так, чтобы загрузка происходила самотеком. Из коровника или свинарника можно проложить под уклоном трубопровод, по которому навоз будет самотеком поступать в бункер. Это существенно облегчает задачу по обслуживанию реактора, да и уборку навоза тоже.

Наиболее целесообразно расположить биогазовую установку так, чтобы отходы с фермы могли поступать самотеком

Обычно строения с животными находятся на некотором отдалении от жилого дома. Потому выработанный газ нужно будет передавать к потребителям. Но протянуть одну газовую трубу дешевле и проще, чем организовывать линию по транспортировке и загрузке навоза.

Биореактор

К емкости для переработки навоза предъявляются довольно жесткие требования:

  • Она должна быть непроницаемой для воды и газов. Водонепроницаемость должна действовать в обе стороны: жидкость из биореактора не должна загрязнять почву, а подземные воды не должны изменять состояние сбраживаемой массы.
  • Биореактор должен обладать высокой прочностью. Он должен выдерживать массу полужидкого субстрата, давление газа внутри емкости, действующее снаружи давление грунта. В общем, при строительстве биореактора необходимо уделить особое внимание его прочности.

Все эти требования по строительству биогазовой установки должны выполняться, так как они обеспечивают безопасность и создают нормальные условия для переработки навоза в биогаз.

Загрузка и выгрузка

Люки загрузки и разгрузки ведут непосредственно в емкость биореактора. Для того чтобы субстрат равномерно распределялся по всей площади, делают их в противоположных концах емкости.

Схема биогазового реактора без пологрева

При заглубленном способе установки биогазовой установки, загрузочные и разгрузочные трубы подходят к корпусу под острым углом. Причем нижний конец трубы должен находится ниже уровня жидкости в реакторе. Таким образом исключается попадание воздуха в емкость. Также на трубах ставят поворотные или отсечные задвижки, которые в нормальном положении закрыты. Открываются они только на время загрузки или выгрузки.

Так как в навозе могут содержаться крупные фрагменты (элементы подстилки, стебли травы и т.д.), трубы малого диаметра будут часто забиваться. Потому для загрузки-выгрузки они должны быть диаметром 20-30 см. Монтировать их необходимо до начала работ по утеплению биогазовой установки, но после того, как емкость установлена на место.

Формы биореакторов и варианты расположения люков загрузки и разгрузки

Наиболее удобный режим работы биогазовой установки — с регулярной загрузкой и выгрузкой субстрата. Данная операция может проводится раз в сутки или раз в двое суток. Навоз и другие компоненты предварительно собираются в накопительной емкости, где доводятся до требуемого состояний — измельчаются, при необходимости увлажняются и перемешиваются. Для удобства в данной емкости может быть механическая мешалка. Подготовленный субстрат выливается в приемный люк. Если расположить приемную емкость на солнце, субстрат будет предварительно нагреваться, что уменьшит затраты на поддержание требуемой температуры.

Глубину установки приемного бункера желательно рассчитать так, чтобы отходы стекали в него самотеком. То же касается выгрузки в биореактор. Лучший случай, если подготовленный субстрат будет двигаться самотеком. А отгораживать его на время подготовки будет заслонка.

Биогазовая установка с мешалкой и подогревом

Для обеспечения герметичности биогазовой установки, люки на приемном бункере и в зоне выгрузки должны иметь герметизирующий резиновый уплотнитель. Чем меньше будет в емкости воздуха, тем чище будет газ на выходе.

Система для сбора и отвода биогаза

Трубу для отведения газа монтируют на верхней поверхности резервуара. Другой ее конец отпускают в герметичную емкость, наполненную водой. Ее называют гидрозатвором. Вторая труба, расположенная над поверхностью жидкости, принимает очищенный газ. На выходе устанавливают отсечный кран, обычно рекомендуют шаровое устройство.

Для избавления биогаза от примесей используют разные способы. Углекислый газ можно устранить, если засыпать в гидрозатвор гашеную известь, однако ее придется периодически менять. Сероводород удаляют с помощью емкостей-фильтров, заполненных металлической стружкой, ее замена — старые металлические мочалки. Газ, проходя через металл, лишается сероводорода, скапливается в верхней части емкости, затем следует дальше через другую трубу.

Сушат газ с помощью установки в газопроводе дополнительных гидрозатворов для устранения конденсата. Минус способа — необходимость время от времени сливать воду, иначе газопровод может быть заблокирован. Другой вариант — емкость с силикагелем. В этом случае тоже потребуется его периодическое осушение: например, прогревание при помощи СВЧ-печи.

Для передачи газа используют или газовые трубы из ППР или ПНД, или металлические гальванизированные. При любой работе с газовым оборудованием проверка стыков мыльной пеной обязательна. Трубопровод собирают из труб и фитингов одного диаметра.

Варианты для перемешивания

Самый простой способ перемешать биомассу — сделать механическую мешалку. Если мускульной силы для большой емкости недостаточно, то устройство снабжают электродвигателем, который включается в работу таймером.

Другой вариант — использование произведенного газа. Чтобы устроить такую мешалку, на выходе из резервуара монтируют тройник. Благодаря новому ответвлению часть газа отправляется обратно, а выходит через небольшие отверстия, проделанные в трубе, опущенной в биомассу. Газ, «сделавший свое дело», не расходуется напрасно: потом он отправляется в газгольдер.

Последний способ — применение фекальных насосов, которые забирают субстрат снизу, а потом выливают сверху. Недостаток у этой идеи один — зависимость от электроэнергии.

Подогрев, теплоизоляция

Нагревание емкости обязательно, так как сравнительный холод любят только бактерии-психрофилы, а сам процесс затянется как минимум на 30 дней, однако нередко требуется даже больший срок. В теплое время года предварительный подогрев субстанции, хорошая теплоизоляция и жаркая погода могут обеспечить почти идеальные условия, однако зимой они недостижимы.

Есть один, самый рациональный, способ получить благоприятную температуру. Это использования котла: электрического, работающего на жидком, твердом топливе, или на полученном газе. Максимальная температура воды — 60°. Более высокие значения спровоцируют налипание частиц субстрата на трубы.

Для подогрева массы могут быть использованы обычные радиаторы, трубы, согнутые в змеевик, сварные элементы. Лучший материал для них — полипропилен или металлопластик. Возможно использование гофрированных труб из нержавеющей стали: они удобны для укладки, зато на них охотно налипают частички биоматериала.

Чтобы бороться с потенциальным притяжением частиц, их рекомендуют располагать в зоне мешалки, но так, чтобы устройство их не задевало. В нижней части емкости устраивать систему обогрева нерационально из недостаточного ее эффекта, поэтому лучше располагать батареи на стенках.

Водяной обогрев биореактора может быть как наружным, так и внутренним. Первый способ требует большего расхода тепла, однако мешалки помехой не станут. Второй метод не дает возможности регулярного обслуживания и ремонта, поэтому при его обустройстве всем соединениям нужно уделить максимум внимания.

Утепление начинается с котлована: в него насыпают слой песка, затем укладывают слой теплоизоляции — глины, которую смешивают с керамзитом, соломой, шлаком. Можно каждый материал укладывать послойно отдельно. Подготовленную поверхность выравнивают, потом устанавливают резервуар.

Стенки биореактора утепляют по-разному. Самый элементарный вариант — обмазка глиной, смешанной с соломой, в несколько слоев. Подходящие современные теплоизоляционные материалы — газоблоки низкой плотности, экструдированный пенополистирол, пенополиуретан, вспененное стекло (бой, крошка).

Проектирование биогазовых установок — этап, который нужно серьезно обдумать и идеально выполнить. Поэтому только помощь специалиста даст возможность получить идеально работающую систему. Малейшая ошибка в этом случае, наоборот, приведет к небольшой эффективности оборудования.

Следующее видео расскажет о том, как получить «свой» газ:

Чем греть и где расположить

Для получения лучших результатов используют подогрев. Наиболее рациональный — водяной подогрев от котла. Работать котел может на электричестве, твердом или жидком топливе, также можно запустить его на вырабатываемом биогазе. Максимальная температура, до которой требуется греть воду — +60°C. Более горячие трубы могут вызвать налипание на поверхность частиц, что приведет к снижению эффективности обогрева.

Можно использовать и прямой подогрев — вставить ТЭНы, но во-первых, сложно организовать перемешивание, во-вторых, на поверхности будет налипать субстрат, снижая теплоотдачу, ТЭНы будут быстро перегорать

Обогреваться биогазовая установка может с использованием стандартных радиаторов отопления, просто трубами, закрученными в змеевик, сварными регистрами. Трубы использовать лучше полимерные — металлопластиковые или полипропиленовые. Подходят также трубы из гофрированной нержавейки, их проще укладывать, особенно в цилиндрических вертикальных биореакторах, но гофрированная поверхность провоцирует налипание осадка, что не очень хорошо для теплоотдачи.

Чтобы снизить возможность осаждения частиц на греющих элементах, их располагают в зоне мешалки. Только при этом надо все спроектировать так, чтобы мешалка не могла задеть трубы. Часто кажется, что лучше нагреватели расположить снизу, но практика показала, что из-за осадка на дне такой обогрев неэффективен. Так что более рационально располагать нагреватели на стенках метатэнка биогазовой установки.

Способы водяного обогрева

По способу расположения труб обогрев может быть наружным или внутренним. При внутреннем расположении обогрев эффективен, но ремонт и обслуживание нагревателей невозможны без останова и откачки системы. Потому подбору материалов и качеству выполнения соединений уделяют особое внимание.

Обогрев повышает производительность биогазовой установки и сокращает сроки переработки сырья

При наружном расположении обогревателей, требуется больше тепла (затраты на подогрев содержимого биогазовой установки намного выше), так как много тепла уходит на обогрев стенок. Зато система всегда доступна для ремонта, а прогрев более равномерный, так как греется среда от стенок. Еще один плюс такого решения — мешалки не могут повредить систему обогрева.

Чем утеплять

На дно котлована насыпается сначала выравнивающий слой песка, затем теплоизоляционный слой. Это может быть глина, перемешанная с соломой и керамзитом, шлаком. Все эти компоненты можно смешать, можно насыпать отдельными слоями. Их выравнивают в горизонт, устанавливают емкость биогазовой установки.

Бока биореактора можно утеплять современными материалами или классическими дедовскими методами. Из дедовских методов — обмазка глиной с соломой. Наносится в несколько слоев.

Для утепления биореакторов используют современные материалы

Из современных материалов можно использовать экструдированный пенополистирол высокой плотности, газобетонные блоки малой плотности, вспененный пенополиуретан. Наиболее технологичен в данном случае пенополиуретан (ППУ), но услуги по его нанесению недешевы. Зато получается бесшовная теплоизоляция, которая минимизирует затраты на обогрев. Есть еще один теплоизоляционный материал — вспененное стекло. В плитах он очень дорог, но его бой или крошка стоит совсем немного, а по характеристикам он почти идеален: не впитывает влагу, не боится замерзания, хорошо переносит статические нагрузки, имеет низкую теплопроводность.

Инструкция по самостоятельному строительству

Если нет опыта в сборке сложных систем, имеет смысл подобрать в сети или разработать самый простой чертеж биогазовой установки для частного дома.

Чем проще конструкция, тем она надежнее и долговечнее. Позже, когда появятся навыки строительства и обращения с системой, можно будет переделать оборудование или смонтировать дополнительную установку.


В дорогих конструкциях промышленного производства предусмотрены системы перемешивания биомассы, автоматического подогрева, очистки газа и т.д. Бытовое оборудование не так сложно. Лучше собрать простую установку, а потом добавить элементы, в которых возникнет необходимость

При расчете объема ферментатора стоит ориентироваться на 5 м.куб. Такая установка позволяет получить количество газа, необходимое для обогрева частного дома площадью 50 м.кв., если в качестве источника тепла используют газовый котел или печь.

Это усредненный показатель, т.к. калорийность биогаза обычно не выше 6000 ккал/м.куб.

Чтобы процесс ферментации протекал более-менее стабильно, нужно добиться правильного температурного режима. Для этого биореактор устанавливают в земляной яме или заранее продумывают надежную теплоизоляцию. Постоянный подогрев субстрата можно обеспечить, если под основание ферментатора подвести трубу водяного отопления

Строительство биогазовой установки можно разделить на несколько этапов.

Этап 1 – подготовка ямы под биореактор

Практически вся биогазовая установка находится под землей, поэтому многое зависит от того, как была вырыта и отделана яма. Есть несколько вариантов укрепления стенок и герметизации ямы – пластик, бетон, полимерные кольца.

Оптимальное решение – покупка готовых полимерных колец с глухим дном. Они обойдутся дороже подручных материалов, зато не потребуется дополнительная герметизация. Полимеры чувствительны к механическим нагрузкам, зато не боятся влаги и химически агрессивных веществ. Они не подлежат ремонту, но при необходимости их легко будет заменить.

От подготовки стен и днища биореактора зависит интенсивность брожения субстрата и выход газа, поэтому яму тщательно укрепляют, утепляют и герметизируют. Это самый сложный и трудоемкий этап работ

Этап 2 – обустройство газового дренажа

Покупка и монтаж специальных мешалок для биогазовых установок – дорогое удовольствие. Систему можно удешевить, обустроив газовый дренаж. Он представляет собой вертикально установленные полимерные канализационные трубы, в которых проделано множество отверстий.

При расчете длины труб дренажа следует ориентироваться на запланированную глубину заполнения биореактора. Верхние части труб должны быть выше этого уровня.

Для газового дренажа можно выбрать металлические или полимерные трубы. Первые прочнее, а вторые устойчивее к химическим воздействиям. Лучше отдать предпочтение полимерам, т.к. металл быстро проржавеет и сгниет

В готовый биореактор можно сразу загрузить субстрат. Его накрывают пленкой, чтобы выделяющийся в процессе ферментации газ находился под небольшим давлением. Когда будет готов купол, это обеспечит нормальную подачу биометана по отводящей трубе.

Этап 3 – монтаж купола и труб

Завершающий этап сборки простейшей биогазовой установки – это монтаж купольной верхней части. В самой высокой точке купола устанавливают газоотводящую трубу и протягивают ее к газгольдеру, без которого не обойтись.

Емкость биореактора закрывают плотной крышкой. Чтобы предотвратить смешивание биометана с воздухом, обустраивают гидрозатвор. Также он служит для очистки газа. Нужно предусмотреть спусковой клапан, который сработает, если давление в ферментаторе будет слишком высоким.

Более подробно отом, как сделать биогаз из навоза читайте  в этом материале.

Свободное пространство биореактора в какой-то мере выполняет функции хранилища газа, однако этого недостаточно для безопасной работы установки. Газ должен потребляться постоянно, иначе возможен взрыв от избыточного давления под куполом

Выводы и полезное видео по теме

Хотя в сборке и обустройстве биогазового оборудования нет ничего сложного, нужно быть предельно внимательным к деталям. Ошибки недопустимы, т.к. могут привести к взрывам и разрушениям. Предлагаем видеоинструкции, которые помогут разобраться в устройстве установок, правильно их собрать и дополнить полезными приспособлениями для более удобного использования биогаза.

В видеоролике рассказано, как устроена и работает стандартная биогазовая установка:

Видеоинструкция по сборке биогазовой установки из бочки:

Описание процесса изготовления мешалок для субстрата:

Подробное описание работы самодельного газового хранилища:

Какой бы простой ни была биогазовая установка, выбранная для частного дома, не стоит на ней экономить. Если есть возможность, лучше купить разборный биореактор промышленного производства.

Если нет – изготовить из качественных и устойчивых материалов: полимеров, бетона или нержавеющей стали. Это позволит создать по-настоящему надежную и безопасную систему газоснабжения дома.

Источники

  • https://udobreniya.net/biogaz-iz-navoza/
  • https://www.altsyn.com/1_articles/7/chto-takoe-biogaz
  • https://travart.ru/biogaz
  • http://kineziolog.su/content/biogaz
  • https://stroychik.ru/raznoe/proizvodstvo-biogaza
  • https://dom-i-remont.info/posts/gazosnabzhenie/ustrojstvo-preimushhestva-i-nedostatki-proektirovanie-biogazovyh-ustanovok/
  • https://sovet-ingenera.com/eco-energy/bio-fuel/biogazovaya-ustanovka-svoimi-rukami.html

[свернуть]

Биогаз из навоза

Терминология образования биогаза

Анаэробный : жизнедеятельность в безвоздушной среде.

Анаэробные бактерии : микробы, метаболизм которых требует отсутствия свободного кислорода.

Анаэробное расщепление : бактериальное переваривание органического материала в отсутствие свободного озигена.

Биогаз : газообразный продукт анаробного сбраживания, который в основном состоит из метана и диоксида углерода.

Британская тепловая единица (Btu) : единица энергии, определяемая как количество тепла, необходимое для повышения температуры 1 фунта воды на 1 ° F.

Отношение углерода к азоту (C / N) : отношение углерода к азоту в органических материалах. Анаэробные бактерии производят больше всего биогаза при скармливании органических материалов с соотношением C / N, совместимым с их метаболическими потребностями.

Варочный котел : герметичный резервуар или контейнер, в котором контролируются биологические требования анаэробного сбраживания для ускорения сбраживания и оптимизации производства биогаза.

Стоки : частично сброженный жидкий навоз или навозная жижа, которые выходят из метантенка.

Джоуль (Дж) : метрическая единица измерения энергии. Одна британская тепловая единица равна 1055 джоулей. Поскольку джоуль — очень маленькая единица, его также называют килоджоулями (кДж), тысячей джоулей или мегаджоулями (МДж), миллионом джоулей.

Скорость загрузки : количество летучих твердых веществ, подаваемых в варочный котел за день.

Навоз : фекалии и моча животных, отходы корма, подстилка и противоскользящие материалы из коровника и двора.

Мезофильные : бактерии, которые размножаются в диапазоне температур около 95 ° F (35 ° C).

Метан : горючий газ, образующийся в результате анаэробного сбраживания, также основной компонент природного газа.

Время удерживания : среднее время, в течение которого пульпа остается в варочном котле.

Шлам : отделенные твердые частицы навоза, оседающие на дно варочного котла.

Суспензия : смесь навоза и воды, обработанная в варочном котле.

Термофильные : бактерии, которые наиболее активны в диапазоне температур от 120 ° F до 140 ° F (49 ° C-60 ° C).

Летучие кислоты : промежуточный материал, производимый в варочном котле кислотообразующими бактериями и используемый метанообразующими бактериями.

Летучие твердые вещества : органические компоненты навоза.

Введение

Навоз может быть альтернативным источником энергии для животноводов. Анаэробный варочный котел частично преобразует навоз в энергию в виде биогаза, который содержит метан.

В 1974 году, в ответ на общественный интерес к производству биогаза в качестве альтернативы энергии, министерство сельского хозяйства Пенсильвании профинансировало проект в штате Пенсильвания по разработке анаэробного варочного котла для использования на фермах. Целью исследования было определение технических требований и экономической целесообразности производства биогаза на ферме. Кафедра сельскохозяйственной инженерии в сотрудничестве с кафедрами молочной науки и сантехники построила и протестировала анаэробный варочный котел объемом 100 м ( 3 ) в одном из молочных коровников университета.Университет штата Пенсильвания решил изучить производство биогаза на молочных фермах, потому что:

  • навоз легко собирается на молочных фермах, где обычно содержатся коровы.
  • биогаз наиболее эффективен при использовании непосредственно для отопления, а
  • молочные фермы пользуются круглогодичным спросом. для горячей воды.

При разложении органических материалов в теплой безвоздушной среде выделяется биогаз. В природе этот процесс происходит спонтанно; болотный газ и биогаз практически одинаковы. Производство биогаза можно ускорить, запечатав органический материал внутри нагретого герметичного резервуара, называемого варочным котлом.

Хамфри Дэви провел первые лабораторные эксперименты по анаэробному сбраживанию навоза с получением метана в 1808 году. С тех пор анаэробное сбраживание использовалось в основном для обработки городских отходов. В 1895 году биогаз с завода по переработке отходов в Эксетере, Англия, был собран и использован для освещения близлежащих улиц. Во время Второй мировой войны немцы, которым не хватало топлива, построили около 30 варочных котлов, которые использовали часть биогаза для заправки сельскохозяйственных тракторов. В последние годы небольшие недорогие варочные котлы в Индии и Китае производят биогаз для приготовления пищи и привода электрогенераторов.Пионеры, такие как Р. Б. Сингх в Индии, популяризировали анаэробное сбраживание и убедили других признать потенциал производства биогаза и его применение в качестве топлива.

При определенных условиях производство биогаза сейчас рентабельно. Он станет еще более привлекательным для животноводов по мере роста цен на обычное топливо и когда массовое производство снижает стоимость компонентов системы варочного котла.

В Пенсильвании дойные коровы дают около 5 голов.5 миллионов тонн вторичного навоза ежегодно. Учитывая производительность метантенка штата Пенсильвания, чистую суточную выработку биогаза в 40 кубических футов (1,2 м 3 ) на корову, молочные фермеры Пенсильвании могут производить 5 миллиардов кубических футов (143 триллиона м 3 ) биогаза на одну корову. год. Этого «количества навоза» достаточно, чтобы обеспечить около 20 процентов всей энергии, используемой на молочных фермах Пенсильвании.

Мы должны больше узнать о биологии анаэробного сбраживания, чтобы понять динамику системы варочного котла Пенсильванского университета.

Процесс анаэробного сбраживания

В варочном котле бактерии разлагают органические материалы в отсутствие воздуха с выделением метана и диоксида углерода. Этот процесс показан на рисунке 1. Кислотообразующие бактерии разрушают или разжижают летучие твердые вещества, превращая их в простые жирные кислоты. Затем метанообразующие бактерии превращают эти летучие кислоты в метан и диоксид углерода. Эти бактерии чувствительны к изменениям в окружающей их среде. Быстрое разложение и эффективное производство биогаза происходит в ограниченном диапазоне температур и зависит от состава сырья.


Рис. 1. Разложение навоза в анэробном варочном котле.

Температура

Оптимальная добыча газа происходит в двух диапазонах температур. Мезофильные бактерии процветают при температуре около 95 ° F (35 ° C), а термофильные бактерии — в диапазоне от 120 ° F до 140 ° F (49 ° C-60 ° C). На рис. 2 показано, что производство газа снижается, когда бактерии подвергаются воздействию температур за пределами этих диапазонов. Хотя термофильные бактерии производят несколько больше газа, часто газ не стоит энергии, необходимой для повышения температуры варочного котла с 95 ° F (35 ° C) до 120 ° F (49 ° C).

Сырье

Состав навоза варьируется в зависимости от кормового рациона и различных методов хозяйствования. Количество навоза, которое можно собрать, также будет различным. Это зависит от типа, веса и количества животных, рациона питания и степени содержания. Например, если бы весь навоз можно было собрать с молочной коровы весом 1500 фунтов (680 кг), фермер мог бы собирать около 125 фунтов (57 кг) в день.

Варочный котел может перерабатывать другие сельскохозяйственные отходы, такие как сточные воды молочных цехов, солому, кукурузную шелуху, траву и листья, с навозом молочных коров или вместо него.В варочных котлах используются говяжий, свиной и птичий навоз, хотя варочные котлы для птичьего помета требуют дальнейших исследований. Независимо от используемого материала, производство газа протекает наиболее эффективно, когда сырье, подаваемое в варочный котел, имеет определенный pH и отношение углерода к азоту (C / N).

Бактерии размножаются в суспензии с pH около 7,0. Следовательно, если входящая суспензия имеет pH в этом диапазоне, сбраживание должно проходить гладко. В нормальных условиях процесс пищеварения самостоятельно уравновешивает избыточную кислотность или щелочность.

Углерод является основным химическим элементом навоза, и бактерии переваривают углерод с выделением биогаза. Однако для того, чтобы получать энергию из углерода, бактериям необходимо, чтобы в сырье присутствовал азот. Отношение углерода к азоту в сырье имеет решающее значение для эффективного пищеварения. Высокое отношение C / N означает, что азот будет исчерпан до того, как уголь переваривается. И наоборот, низкое соотношение C / N или слишком большое количество азота по отношению к углероду приводит к высоким концентрациям аммония, которые могут стать токсичными для анаэробных бактерий.

Можно регулировать соотношение C / N в варочном котле, добавляя материал для дополнения материала, уже находящегося в варочном котле. Например, опилки с высоким соотношением C / N можно добавлять в птичий помет с низким соотношением C / N. Соотношение C / N в навозе молочных коров немного ниже, чем требуется для бактерий.

Анаэробная система варочного котла

Конструкция системы варочного котла зависит от индивидуальных потребностей фермы; он должен быть адаптирован к топографии фермы, существующему сельскохозяйственному оборудованию, жилью и системам управления.Однако в каждом случае следует учитывать некоторые аспекты конструкции системы варочного котла.


Рисунок 2. Влияние температуры на дебит газа. (Roediger,
H. Die anaerobe alkalische Schlammfaulung. Wasser-Abwasser , H.1, Verlag R. Oldenbourg, Muchen u. Wien. 1967.)

Конструкция системы варочного котла

Основные компоненты варочного котла размером с ферму система представляет собой систему обработки навозной жижи, включая зону приготовления навозной жижи, насос для навоза или другой метод загрузки и резервуар для сточных вод; одну или несколько камер варочного котла; и корпус для нагревательного, агитационного и гидравлического оборудования.Для наилучшей производительности эти компоненты должны:

  • быть расположены так, чтобы минимизировать тепловые потери,
  • обеспечивать простой путь потока материала через систему,
  • быть максимально автоматизированными, а
  • быть доступными для обслуживания и ремонта.

При проектировании системы варочного котла очень важно соблюдать государственные и местные постановления по безопасности. Биогаз горючий и поэтому опасен. Он может задохнуться, а при смешивании с воздухом в концентрации от 6 до 15 процентов газ становится взрывоопасным.

Все материалы, контактирующие с навозом или биогазом, должны быть устойчивыми к коррозии. Например, ПВХ-пластик использовался для труб для перекачки жидкого навоза в варочном котле Пенсильванского университета. В проекте должны быть предусмотрены альтернативные методы перемещения жидкого навоза или биогаза через систему. Забитая труба может привести к утечке жидкого навоза из варочного котла. Все трубы и газопроводы должны быть достаточно большими, чтобы обеспечить доступ для чистящих устройств.

Стоимость системы варочного котла

В таблице 1 перечислены основные компоненты и оценочная стоимость системы варочного котла Пенсильвании.Эти затраты отражают уровень цен 1975 года и использование методов сельскохозяйственного строительства.

901 901 901 901 Исходные стоимость
Таблица 1. Смета затрат на основные компоненты 100-кубового анаэробного варочного котла Penn State.
Фундамент (включая корпус шнека для ила) 2,500 долл. США
Метантенк (включая изоляцию) 4,600
Хранилище сточных вод 1,900
Газовый насос 700
Котел 600
Гидравлический насос для навоза (включая гидроагрегат) 4,900
Расходные материалы и рабочая сила (оценочные) 3,300 3,300 $ 20,000

Система варочного котла Penn State — это прототип, который был построен с испытательным оборудованием, которое не понадобится фермерам.Фермер, планирующий строительство варочного котла такого размера, может рассчитывать на инвестирование от 18 000 до 30 000 долларов, в зависимости от местных цен, рабочей силы, которую фермер вносит, и выбора компонентов, включенных в систему.

Варочный котел

Типы варочного котла

Варочный котел можно загружать жидким навозом непрерывно или порциями. Варочный котел периодической загрузки заполняют до отказа, герметизируют до тех пор, пока он не произведет весь биогаз, который он может, опорожняют и снова заполняют. Производство газа неравномерно, поскольку бактериальное расщепление начинается медленно, достигает пика, а затем уменьшается по мере потребления летучих твердых веществ.Эту проблему можно решить, подключив серию варочных котлов с периодической загрузкой, которые загружались в разное время, так что надежное количество биогаза доступно ежедневно. Этот метод эффективно использует навоз, но менее эффективен с точки зрения площади варочного котла.

Варочный котел Penn State загружается непрерывно; то есть свежая суспензия добавляется в варочный котел ежедневно. Производство газа стабильно, потому что у бактерий всегда есть свежий запас летучих твердых веществ для переваривания. Варочный котел с непрерывной загрузкой эффективно использует дорогостоящее пространство варочного котла, хотя он может не производить столько газа на фунт (килограмм) навоза.

Конструкция варочного котла

Две основные конструкции варочного котла с непрерывной загрузкой показаны на рис. 3. Варочный котел с поршневым потоком представляет собой горизонтальный цилиндр, установленный в траншее. Жидкий раствор проходит через систему по прямому пути; поступающая суспензия проталкивает материал через варочный котел. Эта конструкция обычно изготавливается из гибких материалов, которые недороги, но не долговечны, если не защищены от непогоды.


Рисунок 3. Конструкции варочных котлов непрерывного действия.(Stoner, Производство вашей собственной энергии, , стр. 163.)

Варочный котел Penn State представляет собой вертикальный двухкамерный реактор, показанный на рисунке 4. Варочный котел имеет жесткие стенки, оборудование для перемешивания и минимальную площадь потери тепла.


Рис. 4. Поперечное сечение варочного котла Penn State.

Строительство варочного котла

Варочный котел Пенсильванского университета был построен из бетонных силосных панелей для образования резервуара высотой 16 футов (4,8 м) и диаметром 20 футов (6 м). Стальные арматурные обручи были закреплены с внешней стороны варочного котла.В железобетонный фундамент и пол встроен шнек для удаления шлама. Для системы отопления 188 футов (57 м) стальной трубы ¾ дюйма (2 см) были залиты в панели, составляющие среднюю стену, чтобы обеспечить поверхность теплообмена 72 квадратных фута (6,5 м 3 ).

Крыша варочного котла служит местом сбора и хранения газа и может хранить биогаз, произведенный за 6 часов. Плавающая крыша не зависит от резервуара; его нижний край погружен в суспензию, а его вес поддерживается давлением газа внутри.Это сохраняет анаэробные условия в варочном котле, позволяя крыше подниматься и опускаться в зависимости от добычи и использования газа. Плавающая крыша была построена из конструкции крыши бункера из оцинкованной стали диаметром 18 футов (5,4 м) и секции стены высотой 40 дюймов (1 м).

Чтобы уменьшить потери тепла, две трети варочного котла построено под землей. Варочный котел изолировали изнутри с помощью 4 дюймов (10 см) пенополистирола, оштукатуренного примерно 1 дюймом (2,5 см) гунита. Крыша была утеплена 3 дюймами (7,5 см).5 см) пенополиуретана, а армированный нейлоном лист Hypalon обеспечивает газовое уплотнение.

Размер варочного котла

Фермер, планирующий построить систему варочного котла, аналогичную системе штата Пенсильвания, с 14-дневным сроком хранения, должен обеспечить 30 кубических футов (0,9 м) 3 объема варочного котла на каждые 1500 фунтов (680 кг) лактирующая дойная корова. Если фермер собирает навоз от сухостойных коров и ремонтного поголовья, необходимо добавить 15 кубических футов (0,45 м 3 ) на каждые 1000 фунтов (455 кг) веса животного.

Система подачи жидкого навоза

Эффективная система подачи жидкого навоза имеет решающее значение для бесперебойной работы системы варочного котла. С навозом трудно обращаться, и варочный котел на 100 коров перерабатывает 6,25 тонны (5,6 мг) навоза каждый день. Путь потока пульпы через варочный котел Пенсильванского университета показан на рис. 5.


Рис. 5. Путь пульпы через варочный котел Пенсильванского университета.

Система загрузки жидкого навоза

Очистители желобов доставляют навоз из коровника в зону приготовления навозной жижи.Навоз попадает в бункер насоса с достаточным количеством воды, чтобы снизить содержание твердых частиц примерно с 15 до 13 процентов. Навоз необходимо разбавлять, чтобы предотвратить засорение труб и насосов, а также облегчить перемешивание в варочном котле. Однако лучшая система — это та, которая требует наименьшего разбавления; добавленная вода тратит впустую пространство варочного котла и тепло.

В 1975 году система загрузки навозной жижи состояла из центробежного насоса для навоза с электрическим приводом, который перекачивал навозную жижу в приподнятый резервуар, откуда он самотеком выгружался в метантенк.Эта система была заменена гидроцилиндром, который нагнетает навоз прямо в варочный котел. Он был способен обрабатывать более 13 процентов твердых частиц, крупных частиц и длинных волокон без засорения. Испытания будут проводиться с использованием метода прямой гравитационной подачи, для которого не потребуется насос.

Скорость загрузки

Скорость загрузки — это вес летучих твердых веществ, ежедневно подаваемых в варочный котел. Концентрация летучих твердых частиц в варочном котле определяет скорость производства газа.Например, варочный котел, загруженный 4 весовыми единицами летучих твердых веществ, будет производить вдвое больше газа, чем тот же варочный котел, загруженный только 2 единицами.

Результаты испытаний с тремя различными скоростями загрузки показаны в таблице 2. Эти результаты показывают, что высокие скорости загрузки сопровождаются высоким суточным выходом газа на единицу объема варочного котла. Это приводит к большей рентабельности капитальных затрат на строительство. С учетом капитальных затрат, связанных с размером, высокая скорость загрузки позволит использовать реактор меньшего размера и снизить эксплуатационные расходы для стада данного размера.Высокая скорость загрузки означает уменьшение количества летучих твердых веществ, что приводит к низкому производству газа на единицу летучих твердых веществ. Показанные скорости загрузки и соответствующее время удерживания обеспечивают достаточное время разложения для стабилизации сточных вод.

Таблица 2. Сводные данные об испытаниях производительности варочного котла Penn State емкостью 100 кубических метров.
Летучие твердые частицы, подаваемые в варочный котел Время удерживания
Эквив.
коров
Общее производство газа
фунтов.в сутки кг в сутки суток число футов 3 газ /
корова-
сутки
м 3 газ /
корова-
сутки
футов 3 газ / фут 3 метантенк /
сутки
м 3 газ / м 3 метантенк /
сутки
футов 3 / сутки м 3 / сутки футов 3 газ / фунт. VS / сутки м 3 газа / кг VS / сутки
763 346 35 50 47.3 1,34 0,7 0,67 2,365 67 3,1 ,19
1,221 554 21 8061 21 8061 1,2 4560 129 3,7 ,23
2,270 1030 11 150 47,5 1,35 2,0 2,02 9017.130 202 3,1 ,20

Время удерживания

Объем пульпы в варочном котле остается постоянным; входящий шлам вытесняет равное количество обработанного шлама из варочного котла каждый раз, когда варочный котел загружается. Поскольку объем постоянный, то время удерживания определяется долей объема жидкости варочного котла, заменяемой каждый день. Например, если суспензия, составляющая одну десятую объема жидкости варочного котла, добавляется ежедневно, среднее время удерживания суспензии варочного котла составляет 10 дней.

Короткое время удерживания не дает бактериям достаточно времени для переваривания навоза, а длительное время удерживания не дает достаточно свежей суспензии, чтобы способствовать росту бактерий и высокой скорости газообразования.

Сточные воды

Сточные воды через переливную трубу попадают в крытую навозную яму. Содержание органических веществ в переработанном навозе снижается и стабилизируется, так что сточные воды представляют собой гомогенизированную жидкость почти без воды, которая не привлекает грызунов или мух.

Лишь небольшой процент навоза фактически превращается в биогаз. Навоз молочных коров состоит примерно на 85 процентов из воды и на 15 процентов из твердых веществ. Из этих твердых веществ около 91 процента являются летучими, а варочный котел Пенсильванского университета преобразует от 20 до 30 процентов летучих твердых веществ в биогаз. Молочная корова производит около 7,7 кг летучих твердых веществ в день, четверть которых превращается в биогаз. Следовательно, анаэробный варочный котел — это система для обработки навоза, а не для удаления навоза.

Стоки из метантенка — это ресурс; он содержит почти весь азот, который был в неочищенном навозе.Стоки — отличное удобрение, потому что азот в сточных водах легче усваивается растениями, чем азот сырого навоза. Ежедневный сток из варочного котла на 100 коров содержит около 55 фунтов (24 кг) азота.

Стоки наиболее совместимы с системой обработки жидкого навоза. Однако воду можно удалить из сточных вод и повторно использовать в варочном котле в качестве разбавляющей воды. Осадок можно использовать для подстилки или мульчи; он проходит испытания на кормление поголовьем.

Удаление шлама

Шлам, который скапливается на дне резервуара метантенка, необходимо регулярно удалять, поскольку накопление шлама уменьшает активное пространство метантенка. Шлам удаляется из варочного котла Пенсильванского университета через заслонки для ила, встроенные в дно варочного котла. Эти заслонки, расположенные на обеих ступенях варочного котла, управляются гидравлическими клапанами. Когда заслонки открываются, ил поступает в канал шнека, а шнек транспортирует ил в яму для хранения.

Система обогрева жидкого навоза

Система обогрева должна быть спроектирована так, чтобы выдерживать самые холодные погодные условия, ожидаемые в данной местности. Стандартный газовый котел, работающий на биогазе, поддерживал температуру в варочном котле Penn State на уровне 95 ° F (35 ° C) в течение всего года. Электрический насос циркулировал горячую воду по трубам, расположенным чуть ниже поверхности средней стенки первой ступени варочного котла. Такой способ нагрева оказался удовлетворительным. Если температура поверхности нагрева слишком высока, более 150 ° F (77 ° C), суспензия прикипит к поверхности нагрева.Это не было доказательством этого в варочном котле штата Пенсильвания. За исключением запуска, варочный котел использует производимый биогаз в качестве топлива для своей отопительной системы, которая потребляет примерно 30 процентов биогаза, производимого ежегодно.

Система перемешивания суспензии

Перемешивание суспензии в варочном котле способствует процессу сбраживания, поддерживая равномерную температуру и распределение бактерий и летучих твердых веществ в суспензии. Это также сводит к минимуму образование осадка и предотвращает образование корки на поверхности навозной жижи, которая препятствует выбросу биогаза.Вакуумный насос с электрическим приводом, который используется в доильных установках, забирает биогаз из хранилища под крышей и нагнетает его в нижнюю часть обеих ступеней варочного котла. Таким образом, рециркуляция биогаза обеспечивает перемешивание.

Другие методы перемешивания включают насосы для рециркуляции суспензии и механические лопасти. Однако механические компоненты, подверженные воздействию суспензии, могут подвергаться коррозии, и их трудно обслуживать или ремонтировать без нарушения пищеварения путем открытия варочного котла.

Биогаз

Биогаз, производимый варочным котлом штата Пенсильвания, состоит примерно на 60 процентов из метана и на 40 процентов из двуокиси углерода.Это означает, что газ содержит 60 процентов энергии в природном газе или около 600 британских тепловых единиц на кубический фут (22 МДж / м 3 ). Содержание метана в биогазе будет колебаться в зависимости от условий варочного котла. Биогаз содержит следы сероводорода, который является очень коррозионным, но его можно удалить путем фильтрации газа через стальную вату или железную опилку. Поскольку биогаз на выходе из метантенка является теплым, он содержит водяной пар, который конденсируется при более низких температурах снаружи.Ловушки конденсата в газопроводах необходимы, чтобы вода не забивала нижние точки трубопроводов. После конденсации водяного пара в биогазе газ можно использовать в качестве топлива в печах, водонагревателях и котлах. Однако сопло газовой горелки должно быть увеличено, чтобы компенсировать газ с низким Btu.

Испытания с использованием биогаза в качестве единственного топлива в бензиновом двигателе показали, что энергия в 200 кубических футах (5,7 м 3 ) биогаза равна энергии в 1 галлоне бензина. Варочный котел Пенсильванского университета производил 20 галлонов (76 л) бензина в день.В дизельных двигателях биогаз заменяет большую часть жидкого топлива; для зажигания требовалось немного дизельного топлива. Потребовались регулировки двигателя и комплект для переоборудования биогаза.

Биогаз трудно хранить, сжимать или сжижать. Для сжижения метану требуется температура -117 ° F (-83 ° C) при давлении 5000 фунтов на квадратный дюйм (35 МПа). Температура -260 ° F (-162 ° C) необходима для сжижения метана при атмосферном давлении. Если биогаз используется в качестве топлива для двигателя, двигатель должен быть стационарным, рядом с варочным котлом и часто работать.Таким образом, охлаждающая вода двигателя может использоваться для нагрева варочного котла и, таким образом, повышения эффективности системы.

Биогаз был предложен в качестве топлива для приготовления пищи, обогрева помещений и воды, сушки сельскохозяйственных культур, охлаждения, орошения и выработки электроэнергии.

Ценность биогаза

Помимо преимуществ, недостатков и применяемых технологий, необходимо оценить возможность производства биогаза на ферме с чисто экономической точки зрения. Расчетная годовая стоимость производства биогаза в Пенсильвании показана в таблице 3.

за 20 лет) 8 часов) в год стоимость
Таблица 3. Общая годовая стоимость системы варочного котла штата Пенсильвания.
Капитальные затраты 20000 долларов США
Фиксированные затраты
Проценты 1200 долларов США
Амортизация
Структура оборудования (60000 долларов США 1,000
Ремонт и техническое обслуживание 600
3,400 долларов США
Эксплуатационные расходы
Электричество (при 4 ¢ / кВтч, 25 кВтч / день)
Принадлежности (масло и L.P. gas) 150
515 долларов США
Общая стоимость (без учета рабочей силы) 3915 долларов США
Трудозатраты (1,5 часа в день при 3,00 доллара США в час) 1,642 5,557 долларов США

С учетом капитальных и эксплуатационных затрат варочного котла в Пенсильвании, стоимость энергии в биогазе эквивалентна традиционным видам топлива по ценам, указанным в таблице 4.

Сравнения в таблице 4 дают некоторые представление об относительной стоимости энергии различных видов топлива по сравнению со стоимостью биогаза.Они указывают, что биогаз может быть осуществим, когда:

  • он может фактически заменить обычное топливо,
  • цена обычного топлива выше, чем биогаз, и
  • весь биогаз используется.
1
Таблица 4. Эквивалентная стоимость энергии биогаза по сравнению с обычным топливом
Пример: Предполагая, что биогазовый водонагреватель работает с 70-процентной эффективностью, будет дешевле нагревать воду биогазом вместо электричества всякий раз, когда затраты на электричество больше 3.2 ¢ за кВтч. Это предполагает, что водяной нагрев потребляет весь биогаз.

Годовая стоимость варочного котла в Пенсильвании в размере 5,557 долларов США составляет: 1,460,000 кубических футов (42,000 м) 3 биогаза из навоза 100 коров. Энергетическая ценность этого биогаза составляет 876,000,000 БТЕ (924,000 МДж).

Если мы знаем энергетическую ценность традиционных видов топлива, мы можем рассчитать цену, эквивалентную стоимости обычного топлива биогазу, разделив годовые затраты на количество топливного эквивалента энергии в произведенном биогазе:

Топливо Энергия на единицу Эквивалент топлива от
до 876000000
БТЕ (924000 МДж)
Эквивалентная цена
Биогаз 600000 БТЕ / 1000 футов 3 14607086 90 фут.80/1000 футов 3
22,2 МДж / м 3 42000 м 3 $ 0,13 / м 3
Природный газ 1,000,000 BTU / 100017 футов 3 901 876/1000 футов 3 $ 6,34 / 1000 футов 3
37 МДж / м 3 25000 м 3 $ 0,22 / м 3
Мазут 140,000 БТЕ / галлон
6,257 галлонов
$.89 / галлон
39 МДж / л
23,700 л
0,23 долл. США / л
Бензин 124000 БТЕ / галлон
7,065 галлон

0


34,5 МДж / л
26,700 л
0,21 долл. / Л
Дизельное топливо 135 000 британских тепловых единиц / галлон
6,489 галлонов
6,489 галлонов
37.6 МДж / л
24600 л
0,23 долл. США / л
Сжиженный газ 92000 БТЕ / галлон 9522 галлон 0,58 долл. США / галлон
25171
36000 л 0,15 долл. США / л
Электроэнергия 3413 БТЕ / кВтч 257000 кВтч 0,022 долл. США / кВтч
3,6 МДж / кВтч
3,6 МДж / кВтч 0,2571701703,6 МДж / кВтч ,257170 кВтч
Уголь 25000000 БТЕ / тонна
35 тонн $ 158.00 / тонна
29 МДж / Мг 32 Мг $ 173,00 / Мг

Избранная библиография

  • Джуэлл, Уильям Дж., Изд. Энергия, сельское хозяйство и управление отходами . Труды Корнельской конференции по управлению отходами сельского хозяйства 1975 года. Ann Arbor: Ann Arbor Science Publishers, Inc., 1975.
  • Справочник новостей Матери-Земли по самодельной энергии . Нью-Йорк: Bantam Books, Inc., 1974, стр. 278-355.
  • Перссон, С.P.E. и H.D. Бартлетт. Сельскохозяйственные анаэробные варочные котлы: конструкция и работа . Юниверсити Парк, Пенсильвания: Университет штата Пенсильвания, Сельскохозяйственный колледж, Экспериментальная сельскохозяйственная станция, Бюллетень 827, 1979.
  • Стоунер, Кэрол Х., изд. Производство собственной энергии . Эммаус, Пенсильвания: Rodale Press, Inc., 1974, стр. 137-190.

Подготовлено Ив Хоман при консультации с Марком Д. Шоу, сельскохозяйственная инженерия, Говардом Бартлеттом, сельскохозяйственная инженерия, и Сверкером Перссоном, сельскохозяйственная инженерия.

Эта публикация частично поддержана контрактом с Министерством сельского хозяйства Пенсильвании, Энергетическим советом губернатора и Министерством энергетики.

Производство биогаза на заднем дворе из навоза: процесс и использование

Эта статья написана Акинтайо Афолаби, студентом Университета Небраски в Линкольне, в рамках курса по управлению использованием навоза в области инженерии биологических систем. Он был рассмотрен экспертами, чтобы повысить точность представленных вопросов.Статья отражает понимание студентом предмета, изучаемого на данном этапе его карьеры. Рик Кёльш, преподаватель факультета.

В этой статье описывается процесс производства и преимущества использования биогаза из навоза для мелких животноводческих хозяйств, особенно в развивающихся странах. Помимо санитарных преимуществ правильного обращения с навозом, в этой статье освещаются и другие преимущества, которые могут быть получены от навоза как источника энергии. Таким образом, поощряя этих фермеров хранить навоз со своих животноводческих ферм для использования, тем самым превращая отходы в ценные ресурсы.

Навоз — это отходы, которые образуются в больших количествах и различаются в зависимости от размера фермы, вида животных и питательных веществ в корме, который скармливают животным. Эти отходы при неправильном обращении представляют серьезную угрозу для окружающей среды. Это связано с тем, что отходы животноводства содержат азот и фосфор в количествах, которые вредны для здоровья человека и водных животных, если эти питательные вещества попадают в водоемы. Чтобы избежать экологического риска, государственные учреждения в развитых странах регулируют хранение, обработку, переработку, управление и внесение навоза в землю.На сегодняшний день в развивающихся странах такие правила применяются редко. Таким образом, отходы животноводства разбросаны повсюду в сообществах, где разводятся животные, с постоянной причиной экологической опасности и социальных неудобств.

Потребность в биогазе

Из-за других ограничений навоз нельзя вносить в поле сразу после его производства. Традиционно навоз хранят до тех пор, пока не появится возможность его внесения в землю. В промежутке между производством и внесением в поле навоз может использоваться для выработки энергии в метантенках.Тип варочного котла, используемого на фермах, обычно определяется применяемыми методами обращения с навозом и типом навоза, который подается в варочный котел. Жидкий навоз и жидкий навоз крупного рогатого скота и свиней можно использовать в качестве сырья для производства биогаза в метантенках. Восстановление биогаза из отходов животноводства может стать ключом к раскрытию финансовых и экологических выгод от использования навоза, образующегося в результате животноводства, и органических отходов в секторах пищевой промышленности. Это также помогает снизить выбросы парниковых газов от метана (Agstar, 2011).Биогаз образуется в результате деятельности бактерий, которые расщепляют биоразлагаемые компоненты навоза в отсутствие кислорода в герметичной камере. Этот процесс называется анаэробным пищеварением.

Анаэробное сбраживание — это микробная ферментация субстрата в отсутствие кислорода. Это приводит к смеси газов, содержащей метан, диоксид углерода и другие газы, такие как азот и серу, в качестве примесей. Сырье, подаваемое в варочный котел, представляет собой органические материалы с высоким содержанием влаги.Примерами таких органических материалов являются отходы животноводства (навоз), пищевые отходы, остатки после уборки сада или сада. Газовая смесь, производимая в биореакторе, называется биогазом и может использоваться в качестве топлива. Биогаз содержит от 55 до 65% метана, от 30 до 35% углекислого газа и других газов. Пропорции газов зависят от сырья и других параметров процесса, таких как гидравлическое время пребывания (HRT) и температура. Энергетическая ценность биогаза составляет около 60% (в зависимости от содержания метана) по сравнению с природным газом (Noorolahi et al, 2014) и может быть легко адаптирована для использования для замены природного газа.

Образование биогаза в варочном котле

Процесс образования биогаза из подаваемого сырья можно разбить на четыре этапа. На трех последних стадиях присутствуют различные виды бактерий, которые расщепляют продукцию предшествующей стадии на вещества, необходимые для окончательного образования биогаза из органических материалов, подаваемых в варочный котел. Шаги следующие:

  1. Гидролиз: это добавление воды к органическому сырью.Это вызывает расщепление углеводов на сахар и глюкозу и превращение белков в аминокислоты. Это преобразование обычно является самым медленным из четырех шагов (Vogeli et al., 2014).
  2. Второй этап — это действие бактерий, которые воздействуют на кислоты с первого этапа, чтобы подготовить их к следующему этапу процесса преобразования.
  3. На этом этапе задействованы другие виды бактерий, которые воздействуют на вещества, образованные на предыдущем этапе, чтобы преобразовать их в формы, готовые для заключительного этапа анаэробного процесса
  4. На этом последнем этапе образующие метан бактерии превращают продукты предыдущих этапов в биогаз, содержащий в основном метан и диоксид углерода.Этот конечный продукт необходимо собрать и сохранить для использования в качестве энергии.

Факторами, влияющими на производимый биогаз, являются температура окружающей среды, pH, сырье, вовлеченные бактерии и HRT. Варочный котел должен быть герметичным, чтобы избежать утечки биогаза. Варочные котлы также должны быть анаэробными или бескислородными. Температуры, при которых бактерии воздействуют на субстраты для их преобразования в биогаз, подразделяются на психрофильные (41-59 F), мезофильные (95-100 F) и термофильные (118-140 F).Были проведены исследования в трех диапазонах температур, чтобы определить наилучшую температуру в различных случаях и с различным сырьем. По сути, температура определяет виды бактерий, которые будут участвовать в производстве биогаза. Различные виды бактерий процветают в разных диапазонах температур. Более высокие температуры быстрее превращают навоз в биогаз. Оптимальный pH для стабильного анаэробного сбраживания и высокого выхода биогаза находится в диапазоне от 6,5 до 7,5 (Vogeli et al., 2014).

Типы варочных котлов
Рисунок 1: Биогазовая установка с фиксированным куполом (Вигели и др., 2014)

Существует много типов варочных котлов в зависимости от строительных материалов и применяемой технологии. Красный кирпич, синтетические мембраны и металлические листы — вот некоторые из материалов, из которых можно построить варочные котлы. Первоначальные затраты и затраты на техническое обслуживание варочных котлов зависят от используемых материалов, размера и применяемой технологии. Кирпичи и цемент приемлемы, но дороги, а сталь быстро корродирует в присутствии газов, содержащих сероводород.Некоторые из популярных типов варочных котлов подразделяются на биогазовые установки с фиксированным куполом и с плавающим газгольдером. Биогазовая установка с фиксированным куполом не имеет движущихся частей (рис. 1). Он имеет смесительный бак и входной канал, через который сырье попадает в установку. Преобразование отходов в биогаз происходит в основной камере варочного котла. Газовая смесь собирается через газовый трубопровод, расположенный в верхней части камеры для разложения. Остаток процесса выпускается через выпускное отверстие и сливной резервуар, в то время как газ собирается из шланга в верхней части варочного котла.

Рисунок 2: Биогазовая установка с плавающим куполом (Vigeli et al, 2014)

Биогазовая установка с плавающим куполом (Рисунок 2) имеет плавающий «баллон» в верхней части варочного котла, который можно использовать для хранения биогаза в периоды повышенного спроса. и контролировать объем добытого газа. Подвижный компонент типа плавающего газгольдера делает его более дорогим в строительстве и обслуживании по сравнению с фиксированным куполом. Тем не менее, он имеет то преимущество, что операторы могут в любой момент оценить количество уже накопленного биогаза.

Преимущества биогазовых установок

Биогазовые установки обладают многочисленными преимуществами и преимуществами, которые отражаются в улучшении экономики фермы и обеспечивают рациональное использование ресурсов и окружающей среды. Биогаз, производимый на ферме, может дополнять текущую энергию, необходимую ферме. Если на ферме вырабатывается большое количество биогаза, его можно продать соседям для дополнительного дохода ферме. Кроме того, производство биогаза снижает зависимость от ископаемого топлива, которое не является возобновляемым, и смягчает сопутствующее глобальное потепление, постоянно вызываемое сжиганием ископаемого топлива.Другими словами, биогаз производит чистое топливо, которое помогает контролировать загрязнение воздуха в результате сжигания ископаемого топлива.

Еще одно преимущество производства биогаза из навоза состоит в том, что оно снижает загрязнение воды за счет первоначального разложения навоза в варочном котле перед внесением навоза в поле. Анаэробное сбраживание отходов животноводства дает значительные экологические преимущества. К ним относятся снижение биологической потребности в кислороде, наличие патогенов человека, сероводорода и компонентов навоза, связанных с запахом (Ciborowski, 2001).В результате биологического процесса, происходящего в варочном котле, его остаток имеет менее неприятный запах, но сохраняет важные питательные вещества в навозе. Этот остаток можно вносить в землю, как и на другой навоз. При нанесении на землю соблюдайте все меры предосторожности и правила по защите окружающей среды.

Артикул:

Agstar (2011). Возврат стоимости из отходов. Основы системы анаэробного реактора. Объединенное государственное агентство по охране окружающей среды

Noorolllahi Y, Kheirrroutz M, Asl H.е, Youdefi H и Hajinezhad A. (2014). Потенциал производства биогаза из навоза в Иране. Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии.

Вигели Ю., Лори К.Р., Галлардо А., Динер С. и Зурбругг К. (2014). Анаэробное переваривание Biowatse в развивающихся странах. Швейцарский институт водных наук и технологий.

Циборовски П. (2001). Анаэробное сбраживание навоза для контроля загрязнения и производства энергии. Оценка осуществимости.

Информационный бюллетень | Биогаз: преобразование отходов в энергию | Официальные документы

США ежегодно производят более 70 миллионов тонн органических отходов.В то время как сокращение источников и кормление голодных являются необходимыми приоритетами для сокращения ненужных пищевых отходов, органические отходы многочисленны и распространяются на непищевые источники, включая навоз домашнего скота, сельскохозяйственные отходы, сточные воды и непищевые пищевые отходы. При неправильном обращении с этими отходами они представляют значительный риск для окружающей среды и здоровья населения. Патогены, химические вещества, антибиотики и питательные вещества, присутствующие в отходах, могут загрязнять поверхностные и грунтовые воды через стоки или вымывание в почвы.Избыток питательных веществ вызывает цветение водорослей, наносит вред дикой природе и заражает питьевую воду. Питьевая вода с высоким содержанием нитратов связана с гипертиреозом и синдромом голубого ребенка. Коммунальные предприятия водоснабжения очищают питьевую воду от нитратов, но это требует больших затрат.

Органические отходы также выделяют большое количество метана при разложении. Метан — мощный парниковый газ, который удерживает тепло в атмосфере более эффективно, чем углекислый газ. При равных количествах метана и углекислого газа метан поглотит в 86 раз больше тепла за 20 лет, чем углекислый газ.Чтобы уменьшить выбросы парниковых газов и риск загрязнения водных путей, органические отходы можно удалять и использовать для производства биогаза, возобновляемого источника энергии. При вытеснении ископаемого топлива биогаз способствует дальнейшему сокращению выбросов, что иногда приводит к образованию углеродных отрицательных систем. Несмотря на многочисленные потенциальные выгоды от утилизации органических отходов, включая защиту окружающей среды, инвестиции и создание рабочих мест, в Соединенных Штатах в настоящее время имеется всего 2200 действующих биогазовых систем, что составляет менее 20 процентов от общего потенциала.

Введение


Что такое биогаз?

Биогаз образуется после того, как органические материалы (продукты растительного и животного происхождения) расщепляются бактериями в бескислородной среде. Этот процесс называется анаэробным сбраживанием. Биогазовые системы используют анаэробное сбраживание для переработки этих органических материалов, превращая их в биогаз, содержащий как энергию (газ), так и ценные почвенные продукты (жидкости и твердые частицы).

Рисунок 1: Процесс анаэробного сбраживания (рисунок Сары Танигава, EESI).

Анаэробное сбраживание уже происходит в природе, на свалках и в некоторых системах управления навозом, но его можно оптимизировать, контролировать и ограничивать с помощью анаэробного варочного котла. Биогаз содержит примерно 50-70 процентов метана, 30-40 процентов углекислого газа и следовые количества других газов. Жидкий и твердый переваренный материал, называемый дигестатом, часто используется в качестве удобрения почвы.

Рис. 2. Действующие биогазовые системы в континентальной части США (предоставлено Американским советом по биогазу)

Некоторые органические отходы сложнее разложить в варочном котле, чем другие.Пищевые отходы, жиры, масла и смазки — это органические отходы, которые легче всего разложить, а отходы животноводства — самые сложные. Смешивание нескольких отходов в одном варочном котле, называемое совместным сбраживанием, может помочь увеличить выход биогаза. Более теплые варочные котлы, обычно поддерживаемые при температуре от 30 до 38 градусов по Цельсию (86-100 по Фаренгейту), также могут способствовать более быстрому разложению отходов.

После улавливания биогаза он может производить тепло и электричество для использования в двигателях, микротурбинах и топливных элементах.Биогаз также можно превратить в биометан, также называемый возобновляемым природным газом или ГСЧ, и закачать в трубопроводы природного газа или использовать в качестве автомобильного топлива.

В настоящее время в Соединенных Штатах имеется 2 200 действующих биогазовых систем во всех 50 штатах, и есть потенциал для добавления более 13 500 новых систем.


Преимущества биогаза

Накопленный биогаз может обеспечить чистый, возобновляемый и надежный источник энергии базовой нагрузки вместо угля или природного газа. Мощность базовой нагрузки постоянно вырабатывается для удовлетворения минимальных требований к мощности; возобновляемая мощность базовой нагрузки может дополнять более возобновляемые источники энергии.Подобно природному газу, биогаз также можно использовать в качестве источника пиковой мощности, которую можно быстро наращивать. Использование хранимого биогаза ограничивает количество метана, выбрасываемого в атмосферу, и снижает зависимость от ископаемого топлива. Сокращение выбросов метана в результате использования всего потенциального биогаза в Соединенных Штатах будет равно ежегодным выбросам от 800 000 до 11 миллионов легковых автомобилей. Согласно оценке утилизации отходов в колеса, сжатый природный газ, полученный из биогаза, снижает выбросы парниковых газов до 91 процента по сравнению с нефтяным бензином.

Город Нью-Йорк ежегодно тратит около 400 миллионов долларов на транспортировку 14 миллионов тонн отходов на мусоросжигательные заводы и свалки. Направление этих отходов на анаэробное сбраживание превратит затраты в возможность, приносящую доход от производства энергии и побочных продуктов.

Источник: New York Times, 2 июня 2017 г.

Помимо преимуществ для климата, анаэробное сбраживание может снизить затраты, связанные с восстановлением отходов, а также принести пользу местной экономике.Строительство 13 500 потенциальных биогазовых систем в Соединенных Штатах может добавить более 335 000 временных рабочих мест в строительстве и 23 000 постоянных рабочих мест. Анаэробное пищеварение также уменьшает запахи, количество патогенов и риск загрязнения воды отходами животноводства. Дигестат, материал, оставшийся после процесса переваривания, можно использовать или продавать в качестве удобрения, уменьшая потребность в химических удобрениях. Дигестат также может принести дополнительный доход при продаже в качестве подстилки для домашнего скота или улучшения почвы.

Сырье для биогаза


Пищевые отходы

Около 30 процентов мировых запасов продовольствия теряется или выбрасывается впустую каждый год.Только в 2010 году в Соединенных Штатах образовалось около 133 миллиардов фунтов (66,5 миллиона тонн) пищевых отходов, в основном в жилищном и коммерческом пищевых секторах. Чтобы справиться с этими отходами, Иерархия восстановления пищевых продуктов EPA уделяет первоочередное внимание сокращению источников, а затем использованию дополнительных продуктов питания для борьбы с голодом; производство кормов для животных или энергии менее приоритетны. Продовольствие следует отправлять на свалки в крайнем случае. К сожалению, пищевые отходы составляют 21 процент свалок в США, и только 5 процентов пищевых отходов перерабатываются в почвоулучшители или удобрения.Большая часть этих отходов отправляется на свалки, где при разложении выделяется метан. В то время как свалки могут улавливать образующийся биогаз, захоронение органических отходов не дает возможности рециркулировать питательные вещества из исходного органического материала. В 2015 году EPA и USDA поставили цель сократить количество пищевых отходов, отправляемых на свалки, на 50 процентов к 2030 году. Но даже если эта цель будет достигнута, останутся излишки пищевых продуктов, которые необходимо будет переработать. Энергетический потенциал значителен. Приведем лишь один пример: при 100 тоннах пищевых отходов в день анаэробное сбраживание может генерировать достаточно энергии, чтобы обеспечить электроэнергией от 800 до 1400 домов в год.Жир, масло и жир, собранные в сфере общественного питания, также могут быть добавлены в анаэробный варочный котел для увеличения производства биогаза.


Свалочный газ

Свалки являются третьим по величине источником антропогенных выбросов метана в США. Свалки содержат те же анаэробные бактерии, которые присутствуют в варочном котле, которые расщепляют органические материалы с образованием биогаза, в данном случае свалочного газа (свалочный газ). Вместо того, чтобы позволить свалку уйти в атмосферу, его можно собирать и использовать в качестве энергии.В настоящее время проекты свалочного газа в Соединенных Штатах вырабатывают около 17 миллиардов киловатт-часов электроэнергии и ежегодно поставляют 98 миллиардов кубических футов свалочного газа в трубопроводы природного газа или напрямую конечным пользователям. Для справки, средний дом в США в 2015 году потреблял около 10812 киловатт-часов электроэнергии в год.

Отходы животноводства

Рисунок 3: Текущее количество действующих и потенциальных биогазовых систем в США по сырью. EPA

Молочная корова весом 1000 фунтов производит в среднем 80 фунтов навоза в день. Перед внесением на поля этот навоз часто хранят в сборных резервуарах. При разложении навоз не только производит метан, но и может способствовать увеличению количества питательных веществ в водных путях. В 2015 году на использование навоза домашнего скота приходилось около 10 процентов всех выбросов метана в Соединенных Штатах, однако только 3 процента отходов животноводства перерабатываются анаэробными метантенками.Когда навоз домашнего скота используется для производства биогаза, анаэробное сбраживание может снизить выбросы парниковых газов, уменьшить запахи и сократить до 99 процентов патогенов навоза. По оценкам EPA, существует потенциал для 8 241 биогазовой системы для домашнего скота, которые вместе могут вырабатывать более 13 миллионов мегаватт-часов энергии в год.


Очистка сточных вод

Многие очистные сооружения сточных вод (КОС) уже имеют анаэробные варочные котлы для обработки осадка сточных вод, твердых частиц, отделяемых в процессе очистки.Однако многие очистные сооружения не имеют оборудования для использования производимого ими биогаза и вместо этого сжигают его на факеле. Из 1269 очистных сооружений, использующих анаэробный метантенк, только около 860 используют их биогаз. Если бы все предприятия, которые в настоящее время используют анаэробное сбраживание, обрабатывающие более 5 миллионов галлонов в день, установили бы установку для рекуперации энергии, Соединенные Штаты смогли бы сократить годовые выбросы углекислого газа на 2,3 миллиона метрических тонн, что равно годовому выбросу от 430 000 легковых автомобилей. .


Остатки урожая

Остатки сельскохозяйственных культур могут включать стебли, солому и обрезки растений. Некоторые пожнивные остатки оставляют на поле для сохранения содержания органических веществ и влаги в почве, а также для предотвращения эрозии. Однако более высокие урожаи приводят к увеличению количества пожнивных остатков, и удаление их части может быть устойчивым. Устойчивые нормы сбора урожая зависят от выращиваемой культуры, типа почвы и климатических факторов. По оценкам Министерства энергетики США, принимая во внимание устойчивые темпы сбора урожая, в настоящее время доступно около 104 миллионов тонн пожнивных остатков по цене 60 долларов за тонну сухого вещества.Остатки сельскохозяйственных культур обычно перевариваются совместно с другими органическими отходами, поскольку высокое содержание лигнина затрудняет их расщепление.

Конечное использование биогаза


Сырой биогаз и дигестат

Практически не обрабатывая, биогаз можно сжигать на месте для обогрева зданий и энергетических котлов или даже самого реактора. Биогаз можно использовать для комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ), или биогаз можно просто превратить в электричество с помощью двигателя внутреннего сгорания, топливного элемента или газовой турбины, в результате чего электричество будет использоваться на месте или продаваться в электрическую сеть.

Дигестат — это богатый питательными веществами твердый или жидкий материал, остающийся после процесса пищеварения; он содержит все переработанные питательные вещества, которые присутствовали в исходном органическом материале, но в форме, более доступной для растений и почвостроения. Состав и содержание питательных веществ в дигестате будут зависеть от сырья, добавляемого в варочный котел. Жидкий дигестат можно легко разбрызгивать на фермах в качестве удобрения, что снижает потребность в покупке синтетических удобрений. Твердый дигестат можно использовать в качестве подстилки для домашнего скота или компостировать с минимальной обработкой.Недавно биогазовая промышленность предприняла шаги по созданию программы сертификации дигестата, чтобы гарантировать безопасность и контроль качества дигестата.

С помощью биогазовых систем молочные заводы, фермы и промышленность могут снизить эксплуатационные расходы, используя собственные органические отходы для питания своего оборудования и зданий. Fair Oaks Dairy в Индиане производит 1,2 миллиона кубических футов биогаза каждый день из навоза от 9000 дойных коров. Часть биогаза модернизируется до КПГ и используется для питания прицепов, доставляющих молоко на перерабатывающие предприятия Fair Oaks, что сокращает их использование дизельного топлива на 1.5 миллионов галлонов в год.

Источник: EPA.

Возобновляемый природный газ

Возобновляемый природный газ (ГСЧ) или биометан — это биогаз, очищенный для удаления двуокиси углерода, водяного пара и других газовых примесей, чтобы он соответствовал стандартам газовой промышленности. RNG можно закачивать в существующую сеть природного газа (включая трубопроводы) и использовать взаимозаменяемо с обычным природным газом. Природный газ (обычный и возобновляемый) обеспечивает 26 процентов U.S. электричество, а 40 процентов природного газа используется для производства электроэнергии. Остальной природный газ используется в коммерческих целях (отопление и приготовление пищи) и в промышленных целях. RNG может заменить до 10 процентов природного газа, используемого в Соединенных Штатах.


Сжатый природный газ и сжиженный природный газ

Подобно обычному природному газу, RNG может использоваться в качестве автомобильного топлива после его преобразования в сжатый природный газ (CNG) или сжиженный природный газ (LNG).Экономия топлива транспортных средств, работающих на КПГ, сравнима с экономией топлива у обычных автомобилей с бензиновым двигателем, и их можно использовать в транспортных средствах малой и большой грузоподъемности. СПГ не так широко используется, как СПГ, потому что его производство и хранение дорого, хотя его более высокая плотность делает СПГ лучшим топливом для большегрузных транспортных средств, которые путешествуют на большие расстояния. Чтобы получить максимальную отдачу от инвестиций в заправочную инфраструктуру, КПГ и СПГ лучше всего подходят для транспортных средств, которые возвращаются на базу для дозаправки. По оценкам Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии, ГСЧ может заменить пять процентов природного газа, используемого для производства электроэнергии, и 56 процентов природного газа, используемого для производства автомобильного топлива.

Федеральная политика поддержки биогазовой промышленности


Стандарт возобновляемого топлива
Производство целлюлозного биотоплива (в галлонах)
по видам топлива
Этанол Возобновляемый КПГ Возобновляемый СПГ
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
* По состоянию на июль 2017 г.

Стандарт возобновляемого топлива (RFS) был создан Конгрессом как часть Закона об энергетической политике 2005 года.RFS требует добавления возобновляемых видов топлива в топливо для транспортных средств США. В настоящее время около 10 процентов поставок бензина обеспечивается возобновляемым топливом, в первую очередь этанолом. RFS устанавливает объемы топлива для различных категорий топлива: дизельное топливо на основе биомассы, усовершенствованное биотопливо, целлюлозное биотопливо и возобновляемое топливо в целом. Каждая категория имеет необходимое минимальное сокращение выбросов парниковых газов.

EPA одобрило биогаз в качестве целлюлозного сырья в соответствии с RFS в 2014 году.Целлюлозное биотопливо должно быть на 60 процентов менее энергоемким, чем бензин. В настоящее время большая часть объемов целлюлозного топлива удовлетворяется за счет использования ГСЧ в качестве автомобильного топлива. Соблюдение RFS отслеживается с помощью возобновляемых идентификационных номеров (RIN), которыми можно торговать, а RIN для целлюлозного биотоплива могут приносить производителям RNG 40 долл. США / млн БТЕ (по состоянию на сентябрь 2017 г.). По мнению производителей биогаза, RFS стал важным драйвером инвестиций в отрасль.

В рамках утверждения биогаза EPA обновило RFS, чтобы позволить электричеству, полученному из биогаза, используемому в качестве автомобильного топлива, соответствовать критериям RIN, или «e-RIN».«Однако по состоянию на 2017 год EPA не одобрило никаких запросов производителей на запуск электронных RIN, несмотря на то, что производство биогаза уже превышает текущий спрос на электроэнергию для транспортировки.


Закон о ферме Программы

в рамках Закона об энергетике (IX) Закона о фермах сыграли решающую роль в развитии биогазовой промышленности. В соответствии с Законом о сельском хозяйстве 2014 года программа Министерства сельского хозяйства США по биоэнергетике для усовершенствованного биотоплива предусматривает выплаты производителям для содействия производству усовершенствованного биотоплива, очищенного не из кукурузного крахмала, а из других источников.В настоящее время программа получает 15 миллионов долларов в год в виде обязательного финансирования с 20 миллионами долларов в год в виде дискреционного финансирования до 2018 года.

С помощью грантов и ссуд REAP на сумму более 500 000 долларов, Pennwood Farms смогла установить анаэробный варочный котел в 2011 году. Постельные принадлежности, изготовленные из дигестата, экономят ферме около 60 000 долларов в год на затратах на подстилку и отходы от 600 дойных коров. электричества более чем достаточно для удовлетворения потребностей на месте.

Источник: USDA

Программа «Энергия в сельских районах для Америки» (REAP) предоставляет гранты и гарантии по кредитам сельскохозяйственным производителям и сельским малым предприятиям для содействия производству возобновляемой энергии и повышению энергоэффективности. Программа имеет обязательное финансирование в размере 50 миллионов долларов США в год до 2018 года и 100 миллионов долларов США в виде дискреционных фондов.

Инициатива по исследованию и развитию биомассы — это совместная программа Министерства сельского хозяйства США и Министерства энергетики США.Имея 3 миллиона долларов обязательного финансирования до 2017 финансового года и 20 миллионов долларов дискреционного финансирования до 2018 финансового года, Совет по исследованиям и развитию биомассы предоставляет гранты, контракты и финансовую помощь проектам, которые стимулируют исследования и разработки биотоплива и биопродуктов. Однако эти программы постоянно сокращают финансирование за счет процесса выделения ассигнований.


Другие программы агентств

AgSTAR — это совместная программа EPA, USDA и DOE.Программа продвигает использование анаэробных варочных котлов на животноводческих фермах для сокращения выбросов метана из отходов животноводства. Программа AgSTAR поддерживает планирование и реализацию проектов по созданию анаэробных реакторов и включает государственных и негосударственных партнеров.

Программа EPA Landfill Methane Outreach Program (LMOP) поощряет переработку отходов к утилизации и использованию биогаза, образующегося из органических отходов на свалках. LMOP формирует партнерские отношения с сообществами, коммунальными предприятиями, владельцами полигонов и другими заинтересованными сторонами для оказания технической помощи и поиска финансирования для проектов по биогазу на полигонах.

Заключение


Биогазовые системы превращают затраты на управление отходами в возможность получения дохода для американских ферм, молочных заводов и промышленности. Преобразование отходов в электричество, тепло или автомобильное топливо обеспечивает возобновляемый источник энергии, который может снизить зависимость от иностранного импорта нефти, сократить выбросы парниковых газов, улучшить качество окружающей среды и увеличить количество рабочих мест. Биогазовые системы также дают возможность рециркулировать питательные вещества из пищевых продуктов, снижая потребность как в нефтехимических, так и в минеральных удобрениях.

Биогазовые системы — это решение для управления отходами, которое решает множество проблем и дает множество преимуществ, включая потоки доходов. В настоящее время в Соединенных Штатах есть возможность добавить 13 500 новых биогазовых систем, что обеспечит более 335 000 рабочих мест в строительстве и 23 000 постоянных рабочих мест. Однако, чтобы полностью реализовать свой потенциал, отрасль нуждается в постоянной политической поддержке. Надежное финансирование энергетических программ Farm Bill и строгий стандарт по возобновляемым источникам топлива стимулируют инвестиции и инновации в биогазовой отрасли.Если Соединенные Штаты намерены диверсифицировать свои поставки топлива и принять меры по борьбе с изменением климата, им следует серьезно подумать о многих преимуществах биогаза.

Автор: Сара Танигава

Редактор: Джесси Столарк

Краткое описание выпуска

| Преодоление цифрового разрыва | Официальные документы

В 2019 году по крайней мере 14,5 миллиона американцев не имели доступа к широкополосной связи (или высокоскоростному Интернету), при этом на сельские общины и племенные земли ложилась непропорционально большая доля бремени.Недоступность или недоступность широкополосной связи приводит к феномену «цифрового разрыва» — социально-экономическому разрыву, который возникает между сообществами, имеющими надежный доступ к высокоскоростному Интернету, и теми, у которых его нет. Отсутствие широкополосного доступа часто усугубляет ранее существовавшее бремя недостаточно обслуживаемых сообществ, влияя на услуги, которые все больше зависят от Интернета, включая образование и здравоохранение. Широкополосная связь также способствует использованию многих энергоэффективных технологий, которые сокращают выбросы углерода и экономят деньги клиентов.Другими словами, расширение широкополосной связи необходимо для успешного перехода к экономике чистой энергии. В этом информационном бюллетене будет рассмотрено текущее состояние доступа к Интернету в США, как более широкое распространение широкополосной связи может улучшить равенство и благосостояние сообществ, потенциал широкополосной связи для повышения энергоэффективности и то, что Соединенные Штаты достигли на данный момент в закрытии цифровой разрыв.

Что такое широкополосный доступ?


Широкополосный доступ — это инфраструктура, которая соединяет пользователей с Интернетом на высокой скорости и позволяет им обмениваться данными между устройствами.В 2015 году Федеральная комиссия по связи (FCC) установила минимальный стандарт широкополосного доступа: скорость загрузки 25 мегабит в секунду (Мбит / с) и скорость загрузки 3 Мбит / с (стандарт 25/3 Мбит / с). Счетная палата правительства США (GAO), однако, входит в число организаций, которые считают, что этот стандарт слишком медленный для удовлетворения потребностей многих пользователей в Интернете. Услуги широкополосной связи могут предоставляться с использованием самых разных технологий, в том числе через кабель, DSL (цифровая абонентская линия), оптоволоконный, спутниковый и беспроводной (как фиксированный, так и сотовый).

Типы широкополосного доступа

Спутник: Спутниковый Интернет — единственный вариант высокоскоростного Интернета, доступный примерно для девяти миллионов американцев. В первую очередь это клиенты из отдаленных сельских районов, поскольку спутниковый Интернет не зависит от наземной инфраструктуры, кроме антенны. Скорость спутникового интернета обычно колеблется от 12 до 100 Мбит / с, но может варьироваться из-за задержек передачи сигнала или погодных условий. Хотя спутниковый Интернет является наиболее широко доступной формой широкополосного доступа, он становится все более дорогим вариантом, если требуются более высокие скорости.

DSL (цифровая абонентская линия): Интернет DSL — это более старая форма широкополосного доступа, в которой услуги могут передаваться по существующим телефонным линиям. Использование DSL существующей телефонной инфраструктуры делает его более доступным вариантом, и он более доступен в сельских районах, где отсутствует развитая широкополосная инфраструктура. Хотя DSL-доступ в Интернет зачастую дешевле, чем другие варианты широкополосного доступа, и он доступен почти для 89 процентов населения страны, только 42 процента американцев имеют доступ к DSL, который соответствует минимуму FCC для широкополосного доступа.

Фиксированное беспроводное соединение: Фиксированное беспроводное подключение к Интернету — еще один жизнеспособный вариант широкополосного доступа для сельских районов, который работает аналогично спутниковому Интернету, хотя обычно использует небольшую антенну, а не спутниковую тарелку. Скорость фиксированной беспроводной связи колеблется от 5 до 50 Мбит / с, хотя провайдеры могут обеспечить скорость фиксированной беспроводной связи точка-точка 200 Мбит / с или выше для многоквартирных жилых домов.

Беспроводная сотовая связь: Беспроводная сотовая связь соединяет пользователей с ближайшей вышкой сотовой связи, как правило, с помощью смартфона.В то время как доступность сотовой связи в более развитых сельских районах превышает 95 процентов в наиболее распространенной сети, максимальная скорость загрузки составляет только 20 Мбит / с, а скорость загрузки достигает максимума 5 Мбит / с. Покрытие сотовой связи в удаленных районах составляет менее 84 процентов, даже в самой лучшей сети, обеспечивая скорость выгрузки всего 12,3 Мбит / с и скорость выгрузки менее 4 Мбит / с.

Кабель: Кабельный Интернет — один из наиболее распространенных и доступных типов широкополосного доступа, который составляет почти 90 процентов пользователей.С. население, имеющее к нему доступ. Кабельный Интернет предоставляется через те же коаксиальные кабели, что и кабельное телевидение, и часто входит в пакет услуг телефонной и телевизионной связи от многих провайдеров. Благодаря скорости загрузки до 940 Мбит / с и скорости загрузки не менее 50 Мбит / с кабель является одним из самых быстрых видов широкополосного доступа.

Волоконно: Оптоволоконный Интернет — это самый быстрый и надежный тип широкополосного доступа. Услуга доставляется в дом через проложенный на земле оптоволоконный кабель, который передает данные в виде световых импульсов по тонким пластиковым или стеклянным нитям.Хотя скорость загрузки по оптоволоконному кабелю может достигать 2000 Мбит / с, большинство провайдеров предлагают максимальную скорость около 1000 Мбит / с. Наиболее существенным ограничением оптоволокна является его низкая доступность: только около 45 процентов домохозяйств в США имеют к нему доступ, в основном в городских и пригородных районах. Примерно 24 процента сельских домохозяйств имеют доступ к оптоволоконному Интернету.

Отсутствие универсального широкополосного доступа в сельских районах Америки


Согласно 14-му отчету о развитии широкополосной связи FCC , более 14 миллионов американцев, или около 4 процентов населения США.S. население не имело доступа к минимальному стандарту широкополосной связи 25/3 Мбит / с в 2019 году. Вероятно, это число занижено. Согласно исследованию BroadbandNow, которое указывает на неточности в прошлых картографических данных FCC, до 42 миллионов американцев могут не иметь широкополосного доступа. Например, до 2020 года на картах FCC все дома в переписном участке считались обслуживаемыми надлежащим образом, если только один дом в этом районе имел доступ в Интернет.

Согласно отчету FCC, в сельских и племенных общинах самые низкие показатели широкополосного доступа.Например, в 2019 году 98,8% городских районов имели доступ к Интернету со скоростью 25/3 Мбит / с по сравнению с 82,7% сельских районов и 79,1% племенных земель. Это неравенство становится более выраженным с более быстрыми услугами широкополосной связи: 97,8 процента городских районов имеют доступ к Интернету со скоростью 100/10 Мбит / с, по сравнению с 66,8 процентами сельских районов и 63,7 процентами земель племен.

В заявлении FCC от января 2021 года отмечалось, что цифровой разрыв быстро сокращается, поскольку процентный разрыв между скоростью доступа в 25/3 Мбит / с в городских и сельских районах уменьшился на 14 пунктов в период с конца 2016 года по конец 2019 года.В заявлении отмечается, что это увеличение в первую очередь связано с усилиями операторов фиксированной и мобильной связи по расширению. Однако, несмотря на эти недавние достижения в области широкополосного доступа, различия между городом и деревней в широкополосном доступе по-прежнему значительны, особенно при более высоких скоростях интернета.

Факторы, приводящие к неравенству широкополосного доступа

Географическое разделение: Более 57 миллионов человек, около 17 процентов населения США, живут в сельской местности с низкой плотностью населения. В сельских районах возникают уникальные проблемы с развертыванием широкополосной связи.Из-за низкой плотности населения и часто пересеченной местности провайдеры могут столкнуться с низкой окупаемостью инвестиций при строительстве дорогостоящей широкополосной инфраструктуры, такой как кабель или оптоволокно, в сельской местности. Постоянные расходы на сеть и обслуживание также вызывают беспокойство. В 2017 году FCC подсчитала, что строительство широкополосных сетей для 12 из оставшихся 14 процентов жилых и небольших коммерческих объектов, в которых отсутствует услуга 25/3 Мбит / с, обойдется в 40 миллиардов долларов, но для достижения этой цели потребуются дополнительные 40 миллиардов долларов. последние два процента.Кроме того, последние два процента этих мест потребуют постоянного ежегодного финансирования расходов на техническое обслуживание в размере 2 миллиардов долларов после прокладки волокна или кабеля, поскольку доходов от абонентов в этих районах с низкой плотностью населения будет недостаточно для покрытия сетевых расходов.

Конкуренция : Ограниченная рыночная конкуренция между частными поставщиками интернет-услуг (ISP), которые составляют большую часть рынка широкополосного доступа, также препятствует расширению широкополосного доступа. В 2018 году четыре частные компании — AT&T, Charter Communications, Comcast Corp и Spectrum — составили 66 процентов U.Доля S. на рынке широкополосного доступа с 73,9 миллионами абонентов между ними. На 12 крупнейших частных интернет-провайдеров приходится 85,6% рынка интернет-подписчиков, или 95,8 млн абонентов. Счетная палата правительства сообщила в 2017 году, что конкуренция между частными интернет-провайдерами была ограничена в пригородных районах и районах с низкой плотностью населения. В отчете также отмечается, что факторы, ограничивающие конкуренцию, включают высокие барьеры для входа (из-за больших инвестиций, необходимых для прокладки проводов, кабелей и другой широкополосной инфраструктуры) в сочетании с более низкой окупаемостью инвестиций в менее населенных районах.Получение разрешений на доступ к существующей инфраструктуре, такой как опоры электроснабжения, затруднено, а слияния сокращают количество конкурентов, что приводит к ограниченному выбору поставщиков для клиентов.

Доступность : Даже если услуги широкополосного доступа доступны в каком-либо районе, высокие цены могут помешать клиентам подписаться на них. Согласно исследованию, проведенному центром Pew Research Center среди пользователей, не пользующихся широкополосным доступом, высокая ежемесячная стоимость подписки была наиболее часто упоминаемой причиной (50 процентов респондентов) отсутствия широкополосного доступа в доме, за которой следовала исключительная зависимость от смартфонов, возможность доступа в Интернет. вне дома и дороговизна покупки компьютера.Другие факторы, вызывающие диспропорции в области широкополосной связи, в частности ограниченная конкуренция между интернет-провайдерами, удерживают цены на высоком уровне.

Социально-экономический статус : Сельские сообщества часто сталкиваются с более высоким уровнем бедности и более низким уровнем образования, а цифровой разрыв непропорционально влияет на сообщества с более низким финансовым статусом, более низким уровнем образования и сообщества цветных. Широкополосной связью пользуется 72,8 процента домохозяйств с годовым доходом ниже 50 000 долларов США по сравнению с 93.5 процентов домохозяйств зарабатывают более 50 000 долларов. Еще одним фактором является возраст, поскольку люди младше 24 лет с меньшей вероятностью смогут позволить себе оплату услуг широкополосного доступа, а люди в возрасте 65 лет и старше с большей вероятностью не будут иметь навыков работы с компьютером. Кроме того, более низкий спрос на широкополосную связь в сообществах с низким доходом и цветных сообществах может привести к дискриминации на основе прибыли: услуги широкополосной связи не распространяются на эти сообщества, потому что они ожидают, что отдача будет низкой. По этой причине учет фактора рентабельности является необходимой частью успешного расширения широкополосной связи.

Последствия цифрового разрыва


Влияние на образование: Отсутствие широкополосного доступа отрицательно сказывается на системе образования. Пятьдесят процентов восьмиклассников в сельской местности и 58 процентов всех студентов в США сообщили, что они используют Интернет дома для выполнения домашних заданий почти каждый день. Однако в 2018 году 35 процентов подростков заявили, что им приходилось делать домашнее задание по мобильному телефону, 17 процентов не могли выполнять домашние задания, а 12 процентов были вынуждены использовать общедоступный Wi-Fi для школьных занятий из-за отсутствия широкополосного доступа дома. .Эти разногласия усугубила пандемия COVID-19, когда школы перешли на онлайн-обучение. Появилось множество сообщений о том, что студенты из сельских и недостаточно обслуживаемых городских сообществ получают доступ к своим онлайн-классам и домашним заданиям с парковок с Wi-Fi.

Экономические последствия: Расширенный доступ к широкополосной связи способствует росту рабочих мест и населения, снижению уровня безработицы и большему развитию бизнеса. Сельское хозяйство также выигрывает от более широкого внедрения широкополосной связи: одно исследование показало, что более широкое распространение широкополосной связи может привести к трехпроцентному увеличению прибыли фермерских хозяйств.По оценкам Министерства сельского хозяйства США, универсальная широкополосная связь, развернутая в тандеме с технологиями цифрового сельского хозяйства, может принести экономике Соединенных Штатов дополнительные от 47 до 65 миллиардов долларов.

Расширенный доступ к широкополосной связи может также помочь решить непропорционально высокую энергетическую нагрузку на сельские районы. Доля годового дохода, расходуемая на энергию, или энергетическое бремя, составляет 4,4 процента для сельских районов по сравнению с 3,3 процента для городских районов. Это неравенство более выражено для сельских домохозяйств с низкими доходами, энергетическая нагрузка которых в три раза больше, чем бремя для сельских домохозяйств с более высокими доходами.Причины более высокого энергетического бремени в сельской местности включают старые дома, неэффективные с точки зрения энергопотребления системы отопления, хронические экономические трудности из-за низкого дохода, а также отсутствие финансовой помощи и программ повышения энергоэффективности в сельских районах. Интеллектуальные энергетические устройства могут помочь снизить затраты на электроэнергию, но в настоящее время о них не может быть и речи для домов без широкополосной связи.

Воздействие на общественное здравоохранение: Качество здравоохранения все больше зависит от Интернета. Электронные медицинские карты, обмен данными между поставщиками медицинских услуг и пациентами, а также онлайн-услуги здравоохранения, такие как телемедицина, становятся все более популярными.Телемедицина может быть эффективным временным инструментом для обслуживания сельских сообществ, испытывающих нехватку местных поставщиков медицинских услуг. По этой и другим причинам в недавней статье в American Journal of Public Health широкополосный доступ объявлен социальным детерминантом здоровья. Развертывание широкополосной связи в сельских районах, племенных землях и других обремененных сообществах служит улучшению социально-экономических условий, влияющих на общее состояние здоровья целых регионов.

Энергетические и прецизионные технологии, требующие широкополосного доступа


Смарт-устройства

Энергетические устройства для умного дома становятся все более распространенными и могут помочь своим пользователям экономить энергию и деньги.Они включают в себя новые модели термостатов, тепловых насосов, электрических водонагревателей и других приборов, которые подключаются к домашнему Интернету. Например, ожидается, что к 2022 году интеллектуальные термостаты будут составлять 70 процентов рынка термостатов. Потребители могут настраивать интеллектуальные устройства в соответствии со своими потребностями и принимать решения по оптимизации для снижения потребления энергии. Совет индустрии информационных технологий сообщает, что Соединенные Штаты могут сократить потребление энергии на 12–22%, используя все преимущества имеющихся в настоящее время обновлений эффективности, связанных с подключением к Интернету.

Многие из этих интеллектуальных устройств требуют высокоскоростного широкополосного доступа для оптимального функционирования. Например, некоторые жилищные возобновляемые технологии, такие как солнечные инверторы, могут потребовать широкополосного доступа для мониторинга и управления потоком энергии в здание. Таким образом, экономия, обеспечиваемая более интеллектуальными энергетическими устройствами, недоступна для многих, у кого нет доступа к широкополосной связи в сельских районах и племенных землях, включая государственные учреждения, такие как больницы и школы.

Точное земледелие

Broadband также позволяет использовать точное земледелие или использовать датчики и сбор данных на фермах для повышения эффективности использования ресурсов, урожайности и прибыльности.Например, системы орошения на основе датчиков оптимизируют объем используемой воды и время, затрачиваемое на полив сельскохозяйственных культур, экономя воду и затраты. Мониторы урожайности, еще одна точная технология, требующая использования Интернета, предоставляют фермерам данные об урожайности зерна, уровне влажности и свойствах почвы и могут сэкономить им 25 долларов с акра на производственных расходах. Внедрение широкополосной связи в сельскохозяйственных пространствах позволяет фермерам использовать технологии точного земледелия, которые приносят пользу их деятельности и экономике в целом.

Интеллектуальные сети

Интеллектуальные энергетические технологии, развернутые по всей сети, как перед счетчиком, так и за ним, могут создавать преимущества, выходящие за рамки местоположения их установок.Интеллектуальные энергетические устройства используют широкополосную связь для отправки информации обратно сетевым и сетевым операторам (с разрешения потребителя), что улучшает управление нагрузкой коммунальных предприятий, прогнозирование и экономию энергии.

Электроэнергетические компании могут запускать программы управления спросом (DSM), которые предоставляют потребителям финансовые стимулы для поощрения энергоэффективности. Программы DSM побуждают клиентов изменять свои модели использования, чтобы снизить свои расходы и дать коммунальным предприятиям возможность активно управлять энергетическими нагрузками и перемещать электроэнергию туда, где она больше всего необходима в сети.Программы спроса и реагирования (DR) — это тип DSM, нацеленный на снижение потребительского спроса в часы пик или в аварийных ситуациях с энергопотреблением. За счет снижения пикового спроса на электроэнергию коммунальные предприятия могут меньше полагаться на дорогостоящую электроэнергию от пиковых электростанций и ограничивать потребность в инвестициях в новые электростанции. В 2019 году программы повышения энергоэффективности позволили сэкономить 32,8 миллиона мегаватт-часов.

Электромобили (EV), которые могут использоваться для хранения энергии, также требуют доступа в Интернет. Двусторонняя связь между электромобилями и сетью, поддерживаемая широкополосной связью, позволит сети сбалансировать энергетические нагрузки и время зарядки и оптимизировать развертывание общественных зарядных станций для электромобилей.Коммунальные предприятия могут также внедрить ценообразование по времени использования и другие программы DSM, чтобы избежать скачков спроса вечером, когда большинство электромобилей возвращаются домой и подключаются для зарядки.

Широкополосная сеть интеллектуальных устройств с поддержкой энергосистемы расширяет возможности коммунальных служб и повышает их осведомленность о сети, предоставляя коммунальным предприятиям расширенные возможности прогнозирования и оптимизации пиковых значений. Датчики, которые измеряют стабильность сети и реагируют с помощью сети интеллектуальных устройств, могут привести к созданию более устойчивой системы распределения, которая сокращает простои и лучше подготовлена ​​к штормам и стихийным бедствиям.Комбинированная экономия затрат может быть даже более значительной, чем индивидуальная экономия, когда интеллектуальные устройства обмениваются информацией в сети.

Broadband улучшает связь между заказчиком и коммунальным предприятием в более умной сети, что приносит пользу обеим сторонам. Когда это происходит эффективно, такое общение повышает доверие между потребителями и их коммунальными предприятиями, повышая готовность клиентов участвовать в коммунальных программах и помогая коммунальным предприятиям предоставлять более качественные услуги.

Инициативы и проблемы развертывания широкополосной связи в сельских и племенных районах


Широкая доступность широкополосной связи обеспечит множество преимуществ, включая возможность развертывания интеллектуальных сетей по всей стране со всеми их преимуществами эффективности и устойчивости.Но высокие затраты на развертывание и низкая плотность населения лишили частных интернет-провайдеров стимулов к расширению широкополосного доступа во многие сельские и племенные общины. Отраслевые эксперты также называют высокую стоимость развертывания широкополосной связи, которая может стоить 27 000 долларов за милю оптоволоконного кабеля, как одно из самых серьезных препятствий для развертывания. Также могут возникнуть опасения по поводу цепочки поставок, поскольку сроки закупки волоконной технологии у иностранных производителей достигают одного года. А инициативы в области широкополосной связи могут иметь проблемы с своевременным получением федеральных средств, даже если они утверждены на грант или ссуду.

В результате многие муниципалитеты, правительства племен и местные электрические кооперативы (кооперативы) осуществили независимые инвестиции в широкополосную связь. Они также могут развертывать широкополосную связь через государственно-частные партнерства, если это разрешено местным законодательством.

Инициативы и проблемы племенных широкополосных сетей

Барьеры для новых, не частных провайдеров интернет-услуг могут быть значительными, особенно для племенных наций. С 2010 по 2017 год только 0,6 процента финансирования FCC и 11 процентов финансирования услуг широкополосной связи Министерством сельского хозяйства США (Rural Utilities Service, RUS) было выделено непосредственно племенам или поставщикам, принадлежащим племенам.Многие из препятствий к финансированию, с которыми сталкиваются племена, носят нормативный характер. Например, по состоянию на 2018 год только 11 из 573 племен имели интернет-провайдеров, обозначенных в качестве подходящего оператора связи (ETC) в рамках фонда Connect America Fund (CAF) FCC, наиболее значительного источника федерального финансирования высокоскоростного доступа в Интернет. Когда FCC исследовала возможность осуществления выплат CAF племенам без обозначения ETC, она пришла к выводу, что разрешающий закон запрещает это делать. Племена также сталкиваются с препятствиями при подаче заявки на гранты RUS, такими как трудности с подготовкой предлагаемого дизайна сети, демонстрацией финансовой устойчивости проекта широкополосной связи и получением соответствующих средств для грантов.

GAO определило семь племен, которые использовали партнерские отношения с частными и принадлежащими племенам интернет-провайдерами, электрическим кооперативом, поставщиком услуг общественного доступа и региональным консорциумом для улучшения широкополосных услуг в своих сообществах. Тем не менее, эти партнерства полагались на средства, происходящие из Закона о восстановлении и реинвестициях в Америке от 2009 года (P.L. 111-5), которые больше не доступны.

Муниципальные инициативы и проблемы широкополосной связи

Муниципальные общегородские волоконно-оптические сети, известные как услуги «оптоволокно до дома» (FTTH), предоставляют множество преимуществ, включая расширенный доступ к рабочим местам и экономическому развитию, повышение эффективности коммунальных услуг и экономию городских затрат на энергию.Например, в Чаттануге муниципальная широкополосная сеть Теннесси создала около 5200 новых рабочих мест, принесла 1,3 миллиарда долларов экономической выгоды в период с 2011 по 2015 год и продолжает экономить городу примерно 500 000 долларов в год в виде потенциальных сборов за услуги интернет-провайдеров. Институт самообеспечения выявил более 50 муниципальных служб FTTH в 28 штатах. Затраты на создание программ варьировались от 750 000 до 500 миллионов долларов, в зависимости от численности населения (от 150 до 453 000).Программы финансировались за счет доходных облигаций, грантов, займов и других методов.

Муниципалитеты также могут столкнуться с рядом препятствий на пути развертывания, в том числе с препятствиями со стороны правительства штата. Например, в 18 штатах действует законодательство, препятствующее созданию общедоступной широкополосной связи, в то время как еще в пяти штатах действует законодательство, ограничивающее общественную широкополосную связь в меньшей степени. Эти законы различаются по своим ограничениям: от ограничения государственных средств для государственно-частных партнерств по широкополосной связи до запрета муниципальных услуг, если частный интернет-провайдер предлагает услуги в юрисдикции муниципалитета, независимо от качества или цены услуги.Другие законы запрещают муниципалитетам продавать широкополосную связь напрямую потребителю через розничную модель и вместо этого требуют оптовой модели, когда город должен продавать третьей стороне, которая затем продает потребителю.

Широкополосная связь через сельские электрические кооперативы

Электрические кооперативы (кооперативы) — это некоммерческие поставщики коммунальных услуг, часто расположенные в сельской местности. Более 900 кооперативов обеспечивают 12 процентов электроэнергии в США и охватывают зоны обслуживания, которые охватывают более 50 процентов территории страны.Более 200 электрических кооперативов развертывают интернет-услуги с помощью различных широкополосных технологий, 90 из которых используют широкополосное оптоволокно.

Национальная ассоциация сельских электрических кооперативов (NRECA) провела обследование 20 электрических кооперативов в 16 штатах, которые развернули широкополосную инфраструктуру в своих общинах. Хотя используемые методы и технологии различались в зависимости от местоположения, кооперативы инвестировали 700 миллионов долларов в широкополосную инфраструктуру, проложив в общей сложности 26 900 миль кабеля для предоставления интернет-услуг.В результате 100 000 абонентов получили услуги широкополосного доступа с коэффициентом использования 42%. Зоны обслуживания имели низкую плотность, со средневзвешенным значением 7,5 членов на милю линии электропередачи. Кооперативы также получили в общей сложности 150 миллионов долларов в виде грантов на федеральном уровне, уровне штата и на местном уровне для покрытия высоких затрат на развертывание. Такое финансирование может позволить электроэнергетическим кооперативам предоставлять доступный Интернет своим необслуживаемым сообществам.

Существующие федеральные программы поддержки широкополосной связи

Федеральное правительство реализует свои существующие инициативы по расширению широкополосной связи в основном в Федеральной комиссии по связи (FCC), Службе сельских коммунальных услуг (RUS) в США.S. Министерство сельского хозяйства (USDA) и Национальное управление электросвязи и информации Министерства торговли США (NTIA). На FCC приходится наибольшая доля федеральной поддержки. Федеральные инвестиции в развертывание широкополосной связи в необслуживаемых и недостаточно обслуживаемых районах составили около 47,3 миллиарда долларов с 2009 по 2017 год.

Июнь 2021 года ознаменовался объявлением межведомственного соглашения между FCC, USDA и NTIA по обмену информацией и координации финансирования развития широкополосной связи.

Федеральная комиссия по связи (FCC)

Наибольшая доля финансирования поддержки широкополосного доступа в период с 2009 по 2017 год поступила от Федеральной комиссии по связи.Фонд универсальных услуг FCC обеспечивает поддержку через механизмы, нацеленные на четыре типа сообществ: потребителей с низкими доходами, поставщиков медицинских услуг, школы и библиотеки (при поддержке программы E-Rate) и районы развертывания с высокими затратами, которые часто находятся в сельской местности. В период с 2009 по 2017 год 41,7 миллиарда долларов было выделено в районы с высокими затратами в рамках таких программ, как Connect America Fund, который субсидирует интернет-провайдеров, создающих инфраструктуру в необслуживаемых районах, и Mobility Fund, который поддерживает услуги мобильного широкополосного доступа в сельских районах.Программы FCC, нацеленные на районы с высокими затратами, теперь включают Фонд сельских возможностей цифровых технологий, созданный в январе 2020 года для дальнейшей поддержки развертывания широкополосной связи в сельских районах, где скорость обслуживания составляет менее 25/3 Мбит / с. Сельский фонд цифровых возможностей стремится к развертыванию высокоскоростной широкополосной связи для более чем 5,2 миллиона жителей и предприятий в течение десятилетнего периода, в то время как Фонд «Соедините Америку» расширил широкополосный доступ в более чем 5,5 миллиона населенных пунктов по состоянию на конец 2020 года.

Национальное управление электросвязи и информации (NTIA)

Закон о восстановлении и реинвестициях в Америке от 2009 года был первым важным законодательным актом об инвестициях в широкополосную связь в Соединенных Штатах.Он выделил 7,2 миллиарда долларов на развертывание широкополосной связи программам Национального управления электросвязи и информации (NTIA) и Службы сельских коммунальных предприятий; он составлял всю долю NTIA в федеральных инвестициях в широкополосную связь с 2009 по 2017 год. Кроме того, в соответствии с Законом NTIA было выделено 3,3 миллиарда долларов на предоставление грантов в рамках Программы возможностей широкополосной технологии (BTOP). BTOP предоставила гранты 116 частным, некоммерческим, государственным и муниципальным проектам инфраструктуры широкополосной связи как для жителей, так и для государственных учреждений, таких как библиотеки и университеты.По состоянию на ноябрь 2020 года все проекты, кроме двух, были завершены.

В 2016 году NTIA сообщило, что благодаря BTOP было построено 117072 мили новой и модернизированной широкополосной инфраструктуры. Сообщается, что он также подключил 14 149 домов и предприятий и около 26 000 государственных учреждений, таких как школы, библиотеки и медицинские центры, к высокоскоростному Интернету.

Служба сельского хозяйства (РУС)

Служба сельского хозяйства Министерства сельского хозяйства США финансирует различные гранты и кредитные программы для сельской инфраструктуры.Около 2,2 миллиарда долларов из Закона о восстановлении и реинвестировании Америки от 2009 года профинансировал гранты на Программу широкополосных инициатив, которая в основном финансировала проекты инфраструктуры широкополосной связи в сельских районах и больше не действует. Сообщается, что в рамках программы широкополосных инициатив улучшена или добавлена ​​широкополосная инфраструктура для 334 830 абонентов через 66 521 миля оптоволоконного кабеля и 5468 точек беспроводного доступа.

На

RUS также действует Программа грантов Community Connect, которая предоставляет гранты на развертывание широкополосного доступа в сельской местности, где услуги отсутствуют.Программы займов RUS для широкополосной связи включают Программу займов для сельского широкополосного доступа, Программу займов для телекоммуникационной инфраструктуры и займы, включенные в Программу широкополосных инициатив. В целом RUS предоставила частным провайдерам около 4 миллиардов долларов в виде займов для развертывания широкополосной связи в сельской местности, которые были возвращены правительству с процентами.

В 2018 году

RUS запустила пилотную программу электронного подключения в сельской местности «ReConnect». Программа была создана в соответствии с Законом о консолидированных ассигнованиях от 2018 года (P.L. 115-141) и изначально имел бюджетные полномочия в размере 6 миллиардов долларов для предоставления ссуд и грантов электроэнергетическим кооперативам, частным корпорациям, а также государственным, племенным и местным органам власти для развертывания широкополосной связи в сельской местности. Дополнительные 550 миллионов долларов были предоставлены Конгрессом в 2019 году (P.L. 116-6), а затем еще 555 миллионов долларов в 2020 году (P.L. 116-93). Позже в 2020 году было добавлено еще 100 миллионов долларов в виде грантов в соответствии с Законом о помощи, чрезвычайной помощи и экономической безопасности в связи с коронавирусом (P.L. 116-136).В 2019 финансовом году Reconnect выделил 661 миллион долларов на 76 проектов в 33 штатах. В 2020 финансовом году Reconnect предоставила 673 миллиона долларов 87 проектам в 35 штатах.

Последние законодательные акты, поддерживающие развертывание широкополосной связи

Несмотря на федеральное финансирование и инициативы по развертыванию широкополосной связи в сельской местности со стороны частных компаний, муниципалитетов и кооперативов, миллионы американцев по-прежнему не имеют доступа к высокоскоростной широкополосной связи. В 2017 году FCC подсчитала, что развертывание широкополосной связи по всей стране будет стоить дополнительно 80 миллиардов долларов, хотя фактическая стоимость может быть выше, учитывая ранее упомянутую неточность карт внедрения широкополосной связи FCC.По некоторым оценкам, стоимость размещения достигает 150 миллиардов долларов, в зависимости от типа используемой широкополосной технологии.

Развертывание широкополосной связи было в центре внимания недавнего федерального законодательства. Например, Закон о помощи, чрезвычайной помощи и экономической безопасности (CARES) от 2020 года (P.L. 116-136) включал финансирование, которое несколько штатов использовали для улучшения инфраструктуры широкополосной связи, телездравоохранения и цифрового обучения в своих сообществах.

Закон о консолидированных ассигнованиях от 2021 года (P.L. 116-260), основанный на Законе CARES , включены 7 миллиардов долларов специально на улучшение инфраструктуры широкополосной связи. В законопроекте было использовано 3,2 миллиарда долларов для создания программы Emergency Broadband Benefit в рамках FCC, временной программы, которая предусматривает субсидию в размере 50 долларов на ежемесячные счета за Интернет для соответствующих требованиям жителей сельских районов и субсидии в размере 75 долларов для жителей племенных земель. Дополнительный 1 миллиард долларов предоставил грант для программы Tribal Broadband Connectivity Program в NTIA, предназначенный для финансирования широкополосного доступа, развертывания и программ в племенных землях.

Закон о точности развертывания широкополосного доступа и технологической доступности (DATA) от 2020 г. (P.L. 116-130) требует от FCC повысить точность своих карт доступности широкополосного доступа.

В соответствии с Законом о американском плане спасения от 2021 года (P.L. 117-2) выделено 7,1 миллиарда долларов на новый временный фонд экстренного подключения в рамках FCC для поддержки соответствующих учебных заведений, стремящихся улучшить свою широкополосную инфраструктуру. Он также предоставил штатам дополнительные средства для финансирования развертывания широкополосной связи.Широкополосная связь также является важным направлением в плане инфраструктуры администрации Байдена-Харриса на 2 триллиона долларов, который, в частности, выделяет 100 миллиардов долларов на развертывание высокоскоростного Интернета для каждого американца. План увеличивает доступность широкополосной связи, уделяет приоритетное внимание сетям, «принадлежащим, управляемым или связанным с местными органами власти, некоммерческими организациями и кооперативами», включает племенные нации в структуру программы для развертывания широкополосной связи и создает «равные условия игры» для муниципальных собственные и сельские электрические кооперативы, конкурирующие с частными поставщиками.

Недавно предложенный закон также сделал упор на финансирование расширения широкополосной связи, в том числе Закон о передовой инфраструктуре для завтрашней Америки или Закон LIFT America (HR 1848), представленный 32 демократами в Комитете по энергетике и торговле Палаты представителей, и закон Доступный и доступный Интернет для всех Закон (HR1783), внесенный сенатором Клобучаром (Миннесота) и представителем Клайбурном (DS.C.). Эти счета позволят выделить более 94 миллиардов долларов на развертывание широкополосной связи, из которых 80 миллиардов долларов будут зарезервированы для расширения высокоскоростной широкополосной связи на недостаточно обслуживаемые и необслуживаемые городские и сельские районы.Шестьдесят миллиардов долларов из этой суммы будут направлены на конкурсные торги для оптимизации распределения помощи, а оставшиеся 20 миллиардов долларов будут распределены между штатами для финансирования их процессов развертывания. Дополнительные 5 миллиардов долларов послужат капиталом для финансирования проектов широкополосной инфраструктуры под низкие проценты. Наконец, 9,3 миллиарда долларов пойдут на финансирование доступности широкополосного доступа и акционерного капитала, 6 миллиардов долларов из которых будут распределены на программу Emergency Broadband Benefit в рамках FCC.

Заключение


Несмотря на недавний прогресс в расширении широкополосной связи в сельской местности, становится все более очевидным, что расширение доступа к услугам высокоскоростной широкополосной связи должно быть главным приоритетом для Соединенных Штатов с 14 лет.От 5 до 42 миллионов американцев по-прежнему не имеют доступа к надежному высокоскоростному Интернету. Растущие запросы на универсальную широкополосную связь подчеркивают важность этой технологии для сообществ, но различные финансовые и экономические барьеры продолжают препятствовать развертыванию широкополосных услуг в необслуживаемых и недостаточно обслуживаемых районах. Хотя финансирование развертывания широкополосной связи должно конкурировать с другими высокоприоритетными программами, касающимися отсутствия продовольственной безопасности, инфраструктуры, здравоохранения или образования, высокоскоростной доступ в Интернет имеет решающее значение для многих из этих приоритетов.Сельские электрические кооперативы, местные органы власти и федеральное правительство добились значительных успехов в финансировании развертывания новой широкополосной связи. Дальнейшие действия в этом направлении еще больше сократят «цифровой разрыв», обеспечив бесчисленные социально-экономические выгоды и преимущества справедливости для недостаточно обслуживаемых регионов и способствуя более широкому вовлечению населения в процесс перехода к более чистой экономике.

Авторы: Рэйчел Снид и Джексон Толберт

Редактор: Джон-Майкл Кросс

Графика: Сидней О’Шонесси

Для примечаний, пожалуйста, загрузите PDF-версию этого краткого обзора.

Краткое описание выпуска

| Преодоление цифрового разрыва | Официальные документы

В 2019 году по крайней мере 14,5 миллиона американцев не имели доступа к широкополосной связи (или высокоскоростному Интернету), при этом на сельские общины и племенные земли ложилась непропорционально большая доля бремени. Недоступность или недоступность широкополосной связи приводит к феномену «цифрового разрыва» — социально-экономическому разрыву, который возникает между сообществами, имеющими надежный доступ к высокоскоростному Интернету, и теми, у которых его нет.Отсутствие широкополосного доступа часто усугубляет ранее существовавшее бремя недостаточно обслуживаемых сообществ, влияя на услуги, которые все больше зависят от Интернета, включая образование и здравоохранение. Широкополосная связь также способствует использованию многих энергоэффективных технологий, которые сокращают выбросы углерода и экономят деньги клиентов. Другими словами, расширение широкополосной связи необходимо для успешного перехода к экономике чистой энергии. В этом информационном бюллетене будет рассмотрено текущее состояние доступа к Интернету в США, как более широкое распространение широкополосной связи может улучшить равенство и благосостояние сообществ, потенциал широкополосной связи для повышения энергоэффективности и то, что Соединенные Штаты достигли на данный момент в закрытии цифровой разрыв.

Что такое широкополосный доступ?


Широкополосный доступ — это инфраструктура, которая соединяет пользователей с Интернетом на высокой скорости и позволяет им обмениваться данными между устройствами. В 2015 году Федеральная комиссия по связи (FCC) установила минимальный стандарт широкополосного доступа: скорость загрузки 25 мегабит в секунду (Мбит / с) и скорость загрузки 3 Мбит / с (стандарт 25/3 Мбит / с). Счетная палата правительства США (GAO), однако, входит в число организаций, которые считают, что этот стандарт слишком медленный для удовлетворения потребностей многих пользователей в Интернете.Услуги широкополосной связи могут предоставляться с использованием самых разных технологий, в том числе через кабель, DSL (цифровая абонентская линия), оптоволоконный, спутниковый и беспроводной (как фиксированный, так и сотовый).

Типы широкополосного доступа

Спутник: Спутниковый Интернет — единственный вариант высокоскоростного Интернета, доступный примерно для девяти миллионов американцев. В первую очередь это клиенты из отдаленных сельских районов, поскольку спутниковый Интернет не зависит от наземной инфраструктуры, кроме антенны.Скорость спутникового интернета обычно колеблется от 12 до 100 Мбит / с, но может варьироваться из-за задержек передачи сигнала или погодных условий. Хотя спутниковый Интернет является наиболее широко доступной формой широкополосного доступа, он становится все более дорогим вариантом, если требуются более высокие скорости.

DSL (цифровая абонентская линия): Интернет DSL — это более старая форма широкополосного доступа, в которой услуги могут передаваться по существующим телефонным линиям. Использование DSL существующей телефонной инфраструктуры делает его более доступным вариантом, и он более доступен в сельских районах, где отсутствует развитая широкополосная инфраструктура.Хотя DSL-доступ в Интернет зачастую дешевле, чем другие варианты широкополосного доступа, и он доступен почти для 89 процентов населения страны, только 42 процента американцев имеют доступ к DSL, который соответствует минимуму FCC для широкополосного доступа.

Фиксированное беспроводное соединение: Фиксированное беспроводное подключение к Интернету — еще один жизнеспособный вариант широкополосного доступа для сельских районов, который работает аналогично спутниковому Интернету, хотя обычно использует небольшую антенну, а не спутниковую тарелку. Скорость фиксированной беспроводной связи колеблется от 5 до 50 Мбит / с, хотя провайдеры могут обеспечить скорость фиксированной беспроводной связи точка-точка 200 Мбит / с или выше для многоквартирных жилых домов.

Беспроводная сотовая связь: Беспроводная сотовая связь соединяет пользователей с ближайшей вышкой сотовой связи, как правило, с помощью смартфона. В то время как доступность сотовой связи в более развитых сельских районах превышает 95 процентов в наиболее распространенной сети, максимальная скорость загрузки составляет только 20 Мбит / с, а скорость загрузки достигает максимума 5 Мбит / с. Покрытие сотовой связи в удаленных районах составляет менее 84 процентов, даже в самой лучшей сети, обеспечивая скорость выгрузки всего 12,3 Мбит / с и скорость выгрузки менее 4 Мбит / с.

Кабель: Кабельный Интернет — один из наиболее распространенных и доступных видов широкополосного доступа, к которому имеет доступ почти 90 процентов населения США. Кабельный Интернет предоставляется через те же коаксиальные кабели, что и кабельное телевидение, и часто входит в пакет услуг телефонной и телевизионной связи от многих провайдеров. Благодаря скорости загрузки до 940 Мбит / с и скорости загрузки не менее 50 Мбит / с кабель является одним из самых быстрых видов широкополосного доступа.

Волоконно: Оптоволоконный Интернет — это самый быстрый и надежный тип широкополосного доступа.Услуга доставляется в дом через проложенный на земле оптоволоконный кабель, который передает данные в виде световых импульсов по тонким пластиковым или стеклянным нитям. Хотя скорость загрузки по оптоволоконному кабелю может достигать 2000 Мбит / с, большинство провайдеров предлагают максимальную скорость около 1000 Мбит / с. Наиболее существенным ограничением оптоволокна является его низкая доступность: только около 45 процентов домохозяйств в США имеют к нему доступ, в основном в городских и пригородных районах. Примерно 24 процента сельских домохозяйств имеют доступ к оптоволоконному Интернету.

Отсутствие универсального широкополосного доступа в сельских районах Америки


Согласно 14-му отчету о развитии широкополосной связи FCC , более 14 миллионов американцев, или около 4 процентов населения США, не имели доступа к минимальному стандарту широкополосной связи 25/3 Мбит / с в 2019 году. Вероятно, это число занижено. Согласно исследованию BroadbandNow, которое указывает на неточности в прошлых картографических данных FCC, до 42 миллионов американцев могут не иметь широкополосного доступа.Например, до 2020 года на картах FCC все дома в переписном участке считались обслуживаемыми надлежащим образом, если только один дом в этом районе имел доступ в Интернет.

Согласно отчету FCC, в сельских и племенных общинах самые низкие показатели широкополосного доступа. Например, в 2019 году 98,8% городских районов имели доступ к Интернету со скоростью 25/3 Мбит / с по сравнению с 82,7% сельских районов и 79,1% племенных земель. Это несоответствие становится более выраженным с увеличением скорости широкополосных услуг — 97.8 процентов городских районов имеют доступ к Интернету со скоростью 100/10 Мбит / с, по сравнению с 66,8 процентами сельских районов и 63,7 процентами земель племен.

В заявлении FCC, опубликованном в январе 2021 года, отмечалось, что цифровой разрыв быстро сокращается, поскольку процентный разрыв между скоростью доступа 25/3 Мбит / с в городских и сельских районах уменьшился на 14 пунктов в период с конца 2016 года по конец 2019 года. В заявлении отмечается, что это увеличение в первую очередь связано с усилиями операторов фиксированной и мобильной связи по расширению.Однако, несмотря на эти недавние достижения в области широкополосного доступа, различия между городом и деревней в широкополосном доступе по-прежнему значительны, особенно при более высоких скоростях интернета.

Факторы, приводящие к неравенству широкополосного доступа

Географическое разделение: Более 57 миллионов человек, около 17 процентов населения США, живут в сельской местности с низкой плотностью населения. В сельских районах возникают уникальные проблемы с развертыванием широкополосной связи. Из-за низкой плотности населения и часто пересеченной местности провайдеры могут столкнуться с низкой окупаемостью инвестиций при строительстве дорогостоящей широкополосной инфраструктуры, такой как кабель или оптоволокно, в сельской местности.Постоянные расходы на сеть и обслуживание также вызывают беспокойство. В 2017 году FCC подсчитала, что строительство широкополосных сетей для 12 из оставшихся 14 процентов жилых и небольших коммерческих объектов, в которых отсутствует услуга 25/3 Мбит / с, обойдется в 40 миллиардов долларов, но для достижения этой цели потребуются дополнительные 40 миллиардов долларов. последние два процента. Кроме того, последние два процента этих мест потребуют постоянного ежегодного финансирования расходов на техническое обслуживание в размере 2 миллиардов долларов после прокладки волокна или кабеля, поскольку доходов от абонентов в этих районах с низкой плотностью населения будет недостаточно для покрытия сетевых расходов.

Конкуренция : Ограниченная рыночная конкуренция между частными поставщиками интернет-услуг (ISP), которые составляют большую часть рынка широкополосного доступа, также препятствует расширению широкополосного доступа. В 2018 году на четыре частных компании — AT&T, Charter Communications, Comcast Corp и Spectrum — приходилось 66 процентов доли рынка широкополосного доступа в США с 73,9 миллионами абонентов между ними. На 12 крупнейших частных интернет-провайдеров приходится 85,6% рынка интернет-подписчиков, или 95,8 млн абонентов. Счетная палата правительства сообщила в 2017 году, что конкуренция между частными интернет-провайдерами была ограничена в пригородных районах и районах с низкой плотностью населения.В отчете также отмечается, что факторы, ограничивающие конкуренцию, включают высокие барьеры для входа (из-за больших инвестиций, необходимых для прокладки проводов, кабелей и другой широкополосной инфраструктуры) в сочетании с более низкой окупаемостью инвестиций в менее населенных районах. Получение разрешений на доступ к существующей инфраструктуре, такой как опоры электроснабжения, затруднено, а слияния сокращают количество конкурентов, что приводит к ограниченному выбору поставщиков для клиентов.

Доступность : Даже если услуги широкополосного доступа доступны в каком-либо районе, высокие цены могут помешать клиентам подписаться на них.Согласно исследованию, проведенному центром Pew Research Center среди пользователей, не пользующихся широкополосным доступом, высокая ежемесячная стоимость подписки была наиболее часто упоминаемой причиной (50 процентов респондентов) отсутствия широкополосного доступа в доме, за которой следовала исключительная зависимость от смартфонов, возможность доступа в Интернет. вне дома и дороговизна покупки компьютера. Другие факторы, вызывающие диспропорции в области широкополосной связи, в частности ограниченная конкуренция между интернет-провайдерами, удерживают цены на высоком уровне.

Социально-экономический статус : Сельские сообщества часто сталкиваются с более высоким уровнем бедности и более низким уровнем образования, а цифровой разрыв непропорционально влияет на сообщества с более низким финансовым статусом, более низким уровнем образования и сообщества цветных.Широкополосной связью пользуется 72,8 процента домохозяйств с годовым доходом ниже 50 000 долларов США по сравнению с 93,5 процентами домохозяйств с годовым доходом более 50 000 долларов США. Еще одним фактором является возраст, поскольку люди младше 24 лет с меньшей вероятностью смогут позволить себе оплату услуг широкополосного доступа, а люди в возрасте 65 лет и старше с большей вероятностью не будут иметь навыков работы с компьютером. Кроме того, более низкий спрос на широкополосную связь в сообществах с низким доходом и цветных сообществах может привести к дискриминации на основе прибыли: услуги широкополосной связи не распространяются на эти сообщества, потому что они ожидают, что отдача будет низкой.По этой причине учет фактора рентабельности является необходимой частью успешного расширения широкополосной связи.

Последствия цифрового разрыва


Влияние на образование: Отсутствие широкополосного доступа отрицательно сказывается на системе образования. Пятьдесят процентов восьмиклассников в сельской местности и 58 процентов всех студентов в США сообщили, что они используют Интернет дома для выполнения домашних заданий почти каждый день. Однако в 2018 году 35 процентов подростков заявили, что им приходилось делать домашнее задание по мобильному телефону, 17 процентов не могли выполнять домашние задания, а 12 процентов были вынуждены использовать общедоступный Wi-Fi для школьных занятий из-за отсутствия широкополосного доступа дома. .Эти разногласия усугубила пандемия COVID-19, когда школы перешли на онлайн-обучение. Появилось множество сообщений о том, что студенты из сельских и недостаточно обслуживаемых городских сообществ получают доступ к своим онлайн-классам и домашним заданиям с парковок с Wi-Fi.

Экономические последствия: Расширенный доступ к широкополосной связи способствует росту рабочих мест и населения, снижению уровня безработицы и большему развитию бизнеса. Сельское хозяйство также выигрывает от более широкого внедрения широкополосной связи: одно исследование показало, что более широкое распространение широкополосной связи может привести к трехпроцентному увеличению прибыли фермерских хозяйств.По оценкам Министерства сельского хозяйства США, универсальная широкополосная связь, развернутая в тандеме с технологиями цифрового сельского хозяйства, может принести экономике Соединенных Штатов дополнительные от 47 до 65 миллиардов долларов.

Расширенный доступ к широкополосной связи может также помочь решить непропорционально высокую энергетическую нагрузку на сельские районы. Доля годового дохода, расходуемая на энергию, или энергетическое бремя, составляет 4,4 процента для сельских районов по сравнению с 3,3 процента для городских районов. Это неравенство более выражено для сельских домохозяйств с низкими доходами, энергетическая нагрузка которых в три раза больше, чем бремя для сельских домохозяйств с более высокими доходами.Причины более высокого энергетического бремени в сельской местности включают старые дома, неэффективные с точки зрения энергопотребления системы отопления, хронические экономические трудности из-за низкого дохода, а также отсутствие финансовой помощи и программ повышения энергоэффективности в сельских районах. Интеллектуальные энергетические устройства могут помочь снизить затраты на электроэнергию, но в настоящее время о них не может быть и речи для домов без широкополосной связи.

Воздействие на общественное здравоохранение: Качество здравоохранения все больше зависит от Интернета. Электронные медицинские карты, обмен данными между поставщиками медицинских услуг и пациентами, а также онлайн-услуги здравоохранения, такие как телемедицина, становятся все более популярными.Телемедицина может быть эффективным временным инструментом для обслуживания сельских сообществ, испытывающих нехватку местных поставщиков медицинских услуг. По этой и другим причинам в недавней статье в American Journal of Public Health широкополосный доступ объявлен социальным детерминантом здоровья. Развертывание широкополосной связи в сельских районах, племенных землях и других обремененных сообществах служит улучшению социально-экономических условий, влияющих на общее состояние здоровья целых регионов.

Энергетические и прецизионные технологии, требующие широкополосного доступа


Смарт-устройства

Энергетические устройства для умного дома становятся все более распространенными и могут помочь своим пользователям экономить энергию и деньги.Они включают в себя новые модели термостатов, тепловых насосов, электрических водонагревателей и других приборов, которые подключаются к домашнему Интернету. Например, ожидается, что к 2022 году интеллектуальные термостаты будут составлять 70 процентов рынка термостатов. Потребители могут настраивать интеллектуальные устройства в соответствии со своими потребностями и принимать решения по оптимизации для снижения потребления энергии. Совет индустрии информационных технологий сообщает, что Соединенные Штаты могут сократить потребление энергии на 12–22%, используя все преимущества имеющихся в настоящее время обновлений эффективности, связанных с подключением к Интернету.

Многие из этих интеллектуальных устройств требуют высокоскоростного широкополосного доступа для оптимального функционирования. Например, некоторые жилищные возобновляемые технологии, такие как солнечные инверторы, могут потребовать широкополосного доступа для мониторинга и управления потоком энергии в здание. Таким образом, экономия, обеспечиваемая более интеллектуальными энергетическими устройствами, недоступна для многих, у кого нет доступа к широкополосной связи в сельских районах и племенных землях, включая государственные учреждения, такие как больницы и школы.

Точное земледелие

Broadband также позволяет использовать точное земледелие или использовать датчики и сбор данных на фермах для повышения эффективности использования ресурсов, урожайности и прибыльности.Например, системы орошения на основе датчиков оптимизируют объем используемой воды и время, затрачиваемое на полив сельскохозяйственных культур, экономя воду и затраты. Мониторы урожайности, еще одна точная технология, требующая использования Интернета, предоставляют фермерам данные об урожайности зерна, уровне влажности и свойствах почвы и могут сэкономить им 25 долларов с акра на производственных расходах. Внедрение широкополосной связи в сельскохозяйственных пространствах позволяет фермерам использовать технологии точного земледелия, которые приносят пользу их деятельности и экономике в целом.

Интеллектуальные сети

Интеллектуальные энергетические технологии, развернутые по всей сети, как перед счетчиком, так и за ним, могут создавать преимущества, выходящие за рамки местоположения их установок.Интеллектуальные энергетические устройства используют широкополосную связь для отправки информации обратно сетевым и сетевым операторам (с разрешения потребителя), что улучшает управление нагрузкой коммунальных предприятий, прогнозирование и экономию энергии.

Электроэнергетические компании могут запускать программы управления спросом (DSM), которые предоставляют потребителям финансовые стимулы для поощрения энергоэффективности. Программы DSM побуждают клиентов изменять свои модели использования, чтобы снизить свои расходы и дать коммунальным предприятиям возможность активно управлять энергетическими нагрузками и перемещать электроэнергию туда, где она больше всего необходима в сети.Программы спроса и реагирования (DR) — это тип DSM, нацеленный на снижение потребительского спроса в часы пик или в аварийных ситуациях с энергопотреблением. За счет снижения пикового спроса на электроэнергию коммунальные предприятия могут меньше полагаться на дорогостоящую электроэнергию от пиковых электростанций и ограничивать потребность в инвестициях в новые электростанции. В 2019 году программы повышения энергоэффективности позволили сэкономить 32,8 миллиона мегаватт-часов.

Электромобили (EV), которые могут использоваться для хранения энергии, также требуют доступа в Интернет. Двусторонняя связь между электромобилями и сетью, поддерживаемая широкополосной связью, позволит сети сбалансировать энергетические нагрузки и время зарядки и оптимизировать развертывание общественных зарядных станций для электромобилей.Коммунальные предприятия могут также внедрить ценообразование по времени использования и другие программы DSM, чтобы избежать скачков спроса вечером, когда большинство электромобилей возвращаются домой и подключаются для зарядки.

Широкополосная сеть интеллектуальных устройств с поддержкой энергосистемы расширяет возможности коммунальных служб и повышает их осведомленность о сети, предоставляя коммунальным предприятиям расширенные возможности прогнозирования и оптимизации пиковых значений. Датчики, которые измеряют стабильность сети и реагируют с помощью сети интеллектуальных устройств, могут привести к созданию более устойчивой системы распределения, которая сокращает простои и лучше подготовлена ​​к штормам и стихийным бедствиям.Комбинированная экономия затрат может быть даже более значительной, чем индивидуальная экономия, когда интеллектуальные устройства обмениваются информацией в сети.

Broadband улучшает связь между заказчиком и коммунальным предприятием в более умной сети, что приносит пользу обеим сторонам. Когда это происходит эффективно, такое общение повышает доверие между потребителями и их коммунальными предприятиями, повышая готовность клиентов участвовать в коммунальных программах и помогая коммунальным предприятиям предоставлять более качественные услуги.

Инициативы и проблемы развертывания широкополосной связи в сельских и племенных районах


Широкая доступность широкополосной связи обеспечит множество преимуществ, включая возможность развертывания интеллектуальных сетей по всей стране со всеми их преимуществами эффективности и устойчивости.Но высокие затраты на развертывание и низкая плотность населения лишили частных интернет-провайдеров стимулов к расширению широкополосного доступа во многие сельские и племенные общины. Отраслевые эксперты также называют высокую стоимость развертывания широкополосной связи, которая может стоить 27 000 долларов за милю оптоволоконного кабеля, как одно из самых серьезных препятствий для развертывания. Также могут возникнуть опасения по поводу цепочки поставок, поскольку сроки закупки волоконной технологии у иностранных производителей достигают одного года. А инициативы в области широкополосной связи могут иметь проблемы с своевременным получением федеральных средств, даже если они утверждены на грант или ссуду.

В результате многие муниципалитеты, правительства племен и местные электрические кооперативы (кооперативы) осуществили независимые инвестиции в широкополосную связь. Они также могут развертывать широкополосную связь через государственно-частные партнерства, если это разрешено местным законодательством.

Инициативы и проблемы племенных широкополосных сетей

Барьеры для новых, не частных провайдеров интернет-услуг могут быть значительными, особенно для племенных наций. С 2010 по 2017 год только 0,6 процента финансирования FCC и 11 процентов финансирования услуг широкополосной связи Министерством сельского хозяйства США (Rural Utilities Service, RUS) было выделено непосредственно племенам или поставщикам, принадлежащим племенам.Многие из препятствий к финансированию, с которыми сталкиваются племена, носят нормативный характер. Например, по состоянию на 2018 год только 11 из 573 племен имели интернет-провайдеров, обозначенных в качестве подходящего оператора связи (ETC) в рамках фонда Connect America Fund (CAF) FCC, наиболее значительного источника федерального финансирования высокоскоростного доступа в Интернет. Когда FCC исследовала возможность осуществления выплат CAF племенам без обозначения ETC, она пришла к выводу, что разрешающий закон запрещает это делать. Племена также сталкиваются с препятствиями при подаче заявки на гранты RUS, такими как трудности с подготовкой предлагаемого дизайна сети, демонстрацией финансовой устойчивости проекта широкополосной связи и получением соответствующих средств для грантов.

GAO определило семь племен, которые использовали партнерские отношения с частными и принадлежащими племенам интернет-провайдерами, электрическим кооперативом, поставщиком услуг общественного доступа и региональным консорциумом для улучшения широкополосных услуг в своих сообществах. Тем не менее, эти партнерства полагались на средства, происходящие из Закона о восстановлении и реинвестициях в Америке от 2009 года (P.L. 111-5), которые больше не доступны.

Муниципальные инициативы и проблемы широкополосной связи

Муниципальные общегородские волоконно-оптические сети, известные как услуги «оптоволокно до дома» (FTTH), предоставляют множество преимуществ, включая расширенный доступ к рабочим местам и экономическому развитию, повышение эффективности коммунальных услуг и экономию городских затрат на энергию.Например, в Чаттануге муниципальная широкополосная сеть Теннесси создала около 5200 новых рабочих мест, принесла 1,3 миллиарда долларов экономической выгоды в период с 2011 по 2015 год и продолжает экономить городу примерно 500 000 долларов в год в виде потенциальных сборов за услуги интернет-провайдеров. Институт самообеспечения выявил более 50 муниципальных служб FTTH в 28 штатах. Затраты на создание программ варьировались от 750 000 до 500 миллионов долларов, в зависимости от численности населения (от 150 до 453 000).Программы финансировались за счет доходных облигаций, грантов, займов и других методов.

Муниципалитеты также могут столкнуться с рядом препятствий на пути развертывания, в том числе с препятствиями со стороны правительства штата. Например, в 18 штатах действует законодательство, препятствующее созданию общедоступной широкополосной связи, в то время как еще в пяти штатах действует законодательство, ограничивающее общественную широкополосную связь в меньшей степени. Эти законы различаются по своим ограничениям: от ограничения государственных средств для государственно-частных партнерств по широкополосной связи до запрета муниципальных услуг, если частный интернет-провайдер предлагает услуги в юрисдикции муниципалитета, независимо от качества или цены услуги.Другие законы запрещают муниципалитетам продавать широкополосную связь напрямую потребителю через розничную модель и вместо этого требуют оптовой модели, когда город должен продавать третьей стороне, которая затем продает потребителю.

Широкополосная связь через сельские электрические кооперативы

Электрические кооперативы (кооперативы) — это некоммерческие поставщики коммунальных услуг, часто расположенные в сельской местности. Более 900 кооперативов обеспечивают 12 процентов электроэнергии в США и охватывают зоны обслуживания, которые охватывают более 50 процентов территории страны.Более 200 электрических кооперативов развертывают интернет-услуги с помощью различных широкополосных технологий, 90 из которых используют широкополосное оптоволокно.

Национальная ассоциация сельских электрических кооперативов (NRECA) провела обследование 20 электрических кооперативов в 16 штатах, которые развернули широкополосную инфраструктуру в своих общинах. Хотя используемые методы и технологии различались в зависимости от местоположения, кооперативы инвестировали 700 миллионов долларов в широкополосную инфраструктуру, проложив в общей сложности 26 900 миль кабеля для предоставления интернет-услуг.В результате 100 000 абонентов получили услуги широкополосного доступа с коэффициентом использования 42%. Зоны обслуживания имели низкую плотность, со средневзвешенным значением 7,5 членов на милю линии электропередачи. Кооперативы также получили в общей сложности 150 миллионов долларов в виде грантов на федеральном уровне, уровне штата и на местном уровне для покрытия высоких затрат на развертывание. Такое финансирование может позволить электроэнергетическим кооперативам предоставлять доступный Интернет своим необслуживаемым сообществам.

Существующие федеральные программы поддержки широкополосной связи

Федеральное правительство реализует свои существующие инициативы по расширению широкополосной связи в основном в Федеральной комиссии по связи (FCC), Службе сельских коммунальных услуг (RUS) в США.S. Министерство сельского хозяйства (USDA) и Национальное управление электросвязи и информации Министерства торговли США (NTIA). На FCC приходится наибольшая доля федеральной поддержки. Федеральные инвестиции в развертывание широкополосной связи в необслуживаемых и недостаточно обслуживаемых районах составили около 47,3 миллиарда долларов с 2009 по 2017 год.

Июнь 2021 года ознаменовался объявлением межведомственного соглашения между FCC, USDA и NTIA по обмену информацией и координации финансирования развития широкополосной связи.

Федеральная комиссия по связи (FCC)

Наибольшая доля финансирования поддержки широкополосного доступа в период с 2009 по 2017 год поступила от Федеральной комиссии по связи.Фонд универсальных услуг FCC обеспечивает поддержку через механизмы, нацеленные на четыре типа сообществ: потребителей с низкими доходами, поставщиков медицинских услуг, школы и библиотеки (при поддержке программы E-Rate) и районы развертывания с высокими затратами, которые часто находятся в сельской местности. В период с 2009 по 2017 год 41,7 миллиарда долларов было выделено в районы с высокими затратами в рамках таких программ, как Connect America Fund, который субсидирует интернет-провайдеров, создающих инфраструктуру в необслуживаемых районах, и Mobility Fund, который поддерживает услуги мобильного широкополосного доступа в сельских районах.Программы FCC, нацеленные на районы с высокими затратами, теперь включают Фонд сельских возможностей цифровых технологий, созданный в январе 2020 года для дальнейшей поддержки развертывания широкополосной связи в сельских районах, где скорость обслуживания составляет менее 25/3 Мбит / с. Сельский фонд цифровых возможностей стремится к развертыванию высокоскоростной широкополосной связи для более чем 5,2 миллиона жителей и предприятий в течение десятилетнего периода, в то время как Фонд «Соедините Америку» расширил широкополосный доступ в более чем 5,5 миллиона населенных пунктов по состоянию на конец 2020 года.

Национальное управление электросвязи и информации (NTIA)

Закон о восстановлении и реинвестициях в Америке от 2009 года был первым важным законодательным актом об инвестициях в широкополосную связь в Соединенных Штатах.Он выделил 7,2 миллиарда долларов на развертывание широкополосной связи программам Национального управления электросвязи и информации (NTIA) и Службы сельских коммунальных предприятий; он составлял всю долю NTIA в федеральных инвестициях в широкополосную связь с 2009 по 2017 год. Кроме того, в соответствии с Законом NTIA было выделено 3,3 миллиарда долларов на предоставление грантов в рамках Программы возможностей широкополосной технологии (BTOP). BTOP предоставила гранты 116 частным, некоммерческим, государственным и муниципальным проектам инфраструктуры широкополосной связи как для жителей, так и для государственных учреждений, таких как библиотеки и университеты.По состоянию на ноябрь 2020 года все проекты, кроме двух, были завершены.

В 2016 году NTIA сообщило, что благодаря BTOP было построено 117072 мили новой и модернизированной широкополосной инфраструктуры. Сообщается, что он также подключил 14 149 домов и предприятий и около 26 000 государственных учреждений, таких как школы, библиотеки и медицинские центры, к высокоскоростному Интернету.

Служба сельского хозяйства (РУС)

Служба сельского хозяйства Министерства сельского хозяйства США финансирует различные гранты и кредитные программы для сельской инфраструктуры.Около 2,2 миллиарда долларов из Закона о восстановлении и реинвестировании Америки от 2009 года профинансировал гранты на Программу широкополосных инициатив, которая в основном финансировала проекты инфраструктуры широкополосной связи в сельских районах и больше не действует. Сообщается, что в рамках программы широкополосных инициатив улучшена или добавлена ​​широкополосная инфраструктура для 334 830 абонентов через 66 521 миля оптоволоконного кабеля и 5468 точек беспроводного доступа.

На

RUS также действует Программа грантов Community Connect, которая предоставляет гранты на развертывание широкополосного доступа в сельской местности, где услуги отсутствуют.Программы займов RUS для широкополосной связи включают Программу займов для сельского широкополосного доступа, Программу займов для телекоммуникационной инфраструктуры и займы, включенные в Программу широкополосных инициатив. В целом RUS предоставила частным провайдерам около 4 миллиардов долларов в виде займов для развертывания широкополосной связи в сельской местности, которые были возвращены правительству с процентами.

В 2018 году

RUS запустила пилотную программу электронного подключения в сельской местности «ReConnect». Программа была создана в соответствии с Законом о консолидированных ассигнованиях от 2018 года (P.L. 115-141) и изначально имел бюджетные полномочия в размере 6 миллиардов долларов для предоставления ссуд и грантов электроэнергетическим кооперативам, частным корпорациям, а также государственным, племенным и местным органам власти для развертывания широкополосной связи в сельской местности. Дополнительные 550 миллионов долларов были предоставлены Конгрессом в 2019 году (P.L. 116-6), а затем еще 555 миллионов долларов в 2020 году (P.L. 116-93). Позже в 2020 году было добавлено еще 100 миллионов долларов в виде грантов в соответствии с Законом о помощи, чрезвычайной помощи и экономической безопасности в связи с коронавирусом (P.L. 116-136).В 2019 финансовом году Reconnect выделил 661 миллион долларов на 76 проектов в 33 штатах. В 2020 финансовом году Reconnect предоставила 673 миллиона долларов 87 проектам в 35 штатах.

Последние законодательные акты, поддерживающие развертывание широкополосной связи

Несмотря на федеральное финансирование и инициативы по развертыванию широкополосной связи в сельской местности со стороны частных компаний, муниципалитетов и кооперативов, миллионы американцев по-прежнему не имеют доступа к высокоскоростной широкополосной связи. В 2017 году FCC подсчитала, что развертывание широкополосной связи по всей стране будет стоить дополнительно 80 миллиардов долларов, хотя фактическая стоимость может быть выше, учитывая ранее упомянутую неточность карт внедрения широкополосной связи FCC.По некоторым оценкам, стоимость размещения достигает 150 миллиардов долларов, в зависимости от типа используемой широкополосной технологии.

Развертывание широкополосной связи было в центре внимания недавнего федерального законодательства. Например, Закон о помощи, чрезвычайной помощи и экономической безопасности (CARES) от 2020 года (P.L. 116-136) включал финансирование, которое несколько штатов использовали для улучшения инфраструктуры широкополосной связи, телездравоохранения и цифрового обучения в своих сообществах.

Закон о консолидированных ассигнованиях от 2021 года (P.L. 116-260), основанный на Законе CARES , включены 7 миллиардов долларов специально на улучшение инфраструктуры широкополосной связи. В законопроекте было использовано 3,2 миллиарда долларов для создания программы Emergency Broadband Benefit в рамках FCC, временной программы, которая предусматривает субсидию в размере 50 долларов на ежемесячные счета за Интернет для соответствующих требованиям жителей сельских районов и субсидии в размере 75 долларов для жителей племенных земель. Дополнительный 1 миллиард долларов предоставил грант для программы Tribal Broadband Connectivity Program в NTIA, предназначенный для финансирования широкополосного доступа, развертывания и программ в племенных землях.

Закон о точности развертывания широкополосного доступа и технологической доступности (DATA) от 2020 г. (P.L. 116-130) требует от FCC повысить точность своих карт доступности широкополосного доступа.

В соответствии с Законом о американском плане спасения от 2021 года (P.L. 117-2) выделено 7,1 миллиарда долларов на новый временный фонд экстренного подключения в рамках FCC для поддержки соответствующих учебных заведений, стремящихся улучшить свою широкополосную инфраструктуру. Он также предоставил штатам дополнительные средства для финансирования развертывания широкополосной связи.Широкополосная связь также является важным направлением в плане инфраструктуры администрации Байдена-Харриса на 2 триллиона долларов, который, в частности, выделяет 100 миллиардов долларов на развертывание высокоскоростного Интернета для каждого американца. План увеличивает доступность широкополосной связи, уделяет приоритетное внимание сетям, «принадлежащим, управляемым или связанным с местными органами власти, некоммерческими организациями и кооперативами», включает племенные нации в структуру программы для развертывания широкополосной связи и создает «равные условия игры» для муниципальных собственные и сельские электрические кооперативы, конкурирующие с частными поставщиками.

Недавно предложенный закон также сделал упор на финансирование расширения широкополосной связи, в том числе Закон о передовой инфраструктуре для завтрашней Америки или Закон LIFT America (HR 1848), представленный 32 демократами в Комитете по энергетике и торговле Палаты представителей, и закон Доступный и доступный Интернет для всех Закон (HR1783), внесенный сенатором Клобучаром (Миннесота) и представителем Клайбурном (DS.C.). Эти счета позволят выделить более 94 миллиардов долларов на развертывание широкополосной связи, из которых 80 миллиардов долларов будут зарезервированы для расширения высокоскоростной широкополосной связи на недостаточно обслуживаемые и необслуживаемые городские и сельские районы.Шестьдесят миллиардов долларов из этой суммы будут направлены на конкурсные торги для оптимизации распределения помощи, а оставшиеся 20 миллиардов долларов будут распределены между штатами для финансирования их процессов развертывания. Дополнительные 5 миллиардов долларов послужат капиталом для финансирования проектов широкополосной инфраструктуры под низкие проценты. Наконец, 9,3 миллиарда долларов пойдут на финансирование доступности широкополосного доступа и акционерного капитала, 6 миллиардов долларов из которых будут распределены на программу Emergency Broadband Benefit в рамках FCC.

Заключение


Несмотря на недавний прогресс в расширении широкополосной связи в сельской местности, становится все более очевидным, что расширение доступа к услугам высокоскоростной широкополосной связи должно быть главным приоритетом для Соединенных Штатов с 14 лет.От 5 до 42 миллионов американцев по-прежнему не имеют доступа к надежному высокоскоростному Интернету. Растущие запросы на универсальную широкополосную связь подчеркивают важность этой технологии для сообществ, но различные финансовые и экономические барьеры продолжают препятствовать развертыванию широкополосных услуг в необслуживаемых и недостаточно обслуживаемых районах. Хотя финансирование развертывания широкополосной связи должно конкурировать с другими высокоприоритетными программами, касающимися отсутствия продовольственной безопасности, инфраструктуры, здравоохранения или образования, высокоскоростной доступ в Интернет имеет решающее значение для многих из этих приоритетов.Сельские электрические кооперативы, местные органы власти и федеральное правительство добились значительных успехов в финансировании развертывания новой широкополосной связи. Дальнейшие действия в этом направлении еще больше сократят «цифровой разрыв», обеспечив бесчисленные социально-экономические выгоды и преимущества справедливости для недостаточно обслуживаемых регионов и способствуя более широкому вовлечению населения в процесс перехода к более чистой экономике.

Авторы: Рэйчел Снид и Джексон Толберт

Редактор: Джон-Майкл Кросс

Графика: Сидней О’Шонесси

Для примечаний, пожалуйста, загрузите PDF-версию этого краткого обзора.

Краткое описание выпуска

| Преодоление цифрового разрыва | Официальные документы

В 2019 году по крайней мере 14,5 миллиона американцев не имели доступа к широкополосной связи (или высокоскоростному Интернету), при этом на сельские общины и племенные земли ложилась непропорционально большая доля бремени. Недоступность или недоступность широкополосной связи приводит к феномену «цифрового разрыва» — социально-экономическому разрыву, который возникает между сообществами, имеющими надежный доступ к высокоскоростному Интернету, и теми, у которых его нет.Отсутствие широкополосного доступа часто усугубляет ранее существовавшее бремя недостаточно обслуживаемых сообществ, влияя на услуги, которые все больше зависят от Интернета, включая образование и здравоохранение. Широкополосная связь также способствует использованию многих энергоэффективных технологий, которые сокращают выбросы углерода и экономят деньги клиентов. Другими словами, расширение широкополосной связи необходимо для успешного перехода к экономике чистой энергии. В этом информационном бюллетене будет рассмотрено текущее состояние доступа к Интернету в США, как более широкое распространение широкополосной связи может улучшить равенство и благосостояние сообществ, потенциал широкополосной связи для повышения энергоэффективности и то, что Соединенные Штаты достигли на данный момент в закрытии цифровой разрыв.

Что такое широкополосный доступ?


Широкополосный доступ — это инфраструктура, которая соединяет пользователей с Интернетом на высокой скорости и позволяет им обмениваться данными между устройствами. В 2015 году Федеральная комиссия по связи (FCC) установила минимальный стандарт широкополосного доступа: скорость загрузки 25 мегабит в секунду (Мбит / с) и скорость загрузки 3 Мбит / с (стандарт 25/3 Мбит / с). Счетная палата правительства США (GAO), однако, входит в число организаций, которые считают, что этот стандарт слишком медленный для удовлетворения потребностей многих пользователей в Интернете.Услуги широкополосной связи могут предоставляться с использованием самых разных технологий, в том числе через кабель, DSL (цифровая абонентская линия), оптоволоконный, спутниковый и беспроводной (как фиксированный, так и сотовый).

Типы широкополосного доступа

Спутник: Спутниковый Интернет — единственный вариант высокоскоростного Интернета, доступный примерно для девяти миллионов американцев. В первую очередь это клиенты из отдаленных сельских районов, поскольку спутниковый Интернет не зависит от наземной инфраструктуры, кроме антенны.Скорость спутникового интернета обычно колеблется от 12 до 100 Мбит / с, но может варьироваться из-за задержек передачи сигнала или погодных условий. Хотя спутниковый Интернет является наиболее широко доступной формой широкополосного доступа, он становится все более дорогим вариантом, если требуются более высокие скорости.

DSL (цифровая абонентская линия): Интернет DSL — это более старая форма широкополосного доступа, в которой услуги могут передаваться по существующим телефонным линиям. Использование DSL существующей телефонной инфраструктуры делает его более доступным вариантом, и он более доступен в сельских районах, где отсутствует развитая широкополосная инфраструктура.Хотя DSL-доступ в Интернет зачастую дешевле, чем другие варианты широкополосного доступа, и он доступен почти для 89 процентов населения страны, только 42 процента американцев имеют доступ к DSL, который соответствует минимуму FCC для широкополосного доступа.

Фиксированное беспроводное соединение: Фиксированное беспроводное подключение к Интернету — еще один жизнеспособный вариант широкополосного доступа для сельских районов, который работает аналогично спутниковому Интернету, хотя обычно использует небольшую антенну, а не спутниковую тарелку. Скорость фиксированной беспроводной связи колеблется от 5 до 50 Мбит / с, хотя провайдеры могут обеспечить скорость фиксированной беспроводной связи точка-точка 200 Мбит / с или выше для многоквартирных жилых домов.

Беспроводная сотовая связь: Беспроводная сотовая связь соединяет пользователей с ближайшей вышкой сотовой связи, как правило, с помощью смартфона. В то время как доступность сотовой связи в более развитых сельских районах превышает 95 процентов в наиболее распространенной сети, максимальная скорость загрузки составляет только 20 Мбит / с, а скорость загрузки достигает максимума 5 Мбит / с. Покрытие сотовой связи в удаленных районах составляет менее 84 процентов, даже в самой лучшей сети, обеспечивая скорость выгрузки всего 12,3 Мбит / с и скорость выгрузки менее 4 Мбит / с.

Кабель: Кабельный Интернет — один из наиболее распространенных и доступных видов широкополосного доступа, к которому имеет доступ почти 90 процентов населения США. Кабельный Интернет предоставляется через те же коаксиальные кабели, что и кабельное телевидение, и часто входит в пакет услуг телефонной и телевизионной связи от многих провайдеров. Благодаря скорости загрузки до 940 Мбит / с и скорости загрузки не менее 50 Мбит / с кабель является одним из самых быстрых видов широкополосного доступа.

Волоконно: Оптоволоконный Интернет — это самый быстрый и надежный тип широкополосного доступа.Услуга доставляется в дом через проложенный на земле оптоволоконный кабель, который передает данные в виде световых импульсов по тонким пластиковым или стеклянным нитям. Хотя скорость загрузки по оптоволоконному кабелю может достигать 2000 Мбит / с, большинство провайдеров предлагают максимальную скорость около 1000 Мбит / с. Наиболее существенным ограничением оптоволокна является его низкая доступность: только около 45 процентов домохозяйств в США имеют к нему доступ, в основном в городских и пригородных районах. Примерно 24 процента сельских домохозяйств имеют доступ к оптоволоконному Интернету.

Отсутствие универсального широкополосного доступа в сельских районах Америки


Согласно 14-му отчету о развитии широкополосной связи FCC , более 14 миллионов американцев, или около 4 процентов населения США, не имели доступа к минимальному стандарту широкополосной связи 25/3 Мбит / с в 2019 году. Вероятно, это число занижено. Согласно исследованию BroadbandNow, которое указывает на неточности в прошлых картографических данных FCC, до 42 миллионов американцев могут не иметь широкополосного доступа.Например, до 2020 года на картах FCC все дома в переписном участке считались обслуживаемыми надлежащим образом, если только один дом в этом районе имел доступ в Интернет.

Согласно отчету FCC, в сельских и племенных общинах самые низкие показатели широкополосного доступа. Например, в 2019 году 98,8% городских районов имели доступ к Интернету со скоростью 25/3 Мбит / с по сравнению с 82,7% сельских районов и 79,1% племенных земель. Это несоответствие становится более выраженным с увеличением скорости широкополосных услуг — 97.8 процентов городских районов имеют доступ к Интернету со скоростью 100/10 Мбит / с, по сравнению с 66,8 процентами сельских районов и 63,7 процентами земель племен.

В заявлении FCC, опубликованном в январе 2021 года, отмечалось, что цифровой разрыв быстро сокращается, поскольку процентный разрыв между скоростью доступа 25/3 Мбит / с в городских и сельских районах уменьшился на 14 пунктов в период с конца 2016 года по конец 2019 года. В заявлении отмечается, что это увеличение в первую очередь связано с усилиями операторов фиксированной и мобильной связи по расширению.Однако, несмотря на эти недавние достижения в области широкополосного доступа, различия между городом и деревней в широкополосном доступе по-прежнему значительны, особенно при более высоких скоростях интернета.

Факторы, приводящие к неравенству широкополосного доступа

Географическое разделение: Более 57 миллионов человек, около 17 процентов населения США, живут в сельской местности с низкой плотностью населения. В сельских районах возникают уникальные проблемы с развертыванием широкополосной связи. Из-за низкой плотности населения и часто пересеченной местности провайдеры могут столкнуться с низкой окупаемостью инвестиций при строительстве дорогостоящей широкополосной инфраструктуры, такой как кабель или оптоволокно, в сельской местности.Постоянные расходы на сеть и обслуживание также вызывают беспокойство. В 2017 году FCC подсчитала, что строительство широкополосных сетей для 12 из оставшихся 14 процентов жилых и небольших коммерческих объектов, в которых отсутствует услуга 25/3 Мбит / с, обойдется в 40 миллиардов долларов, но для достижения этой цели потребуются дополнительные 40 миллиардов долларов. последние два процента. Кроме того, последние два процента этих мест потребуют постоянного ежегодного финансирования расходов на техническое обслуживание в размере 2 миллиардов долларов после прокладки волокна или кабеля, поскольку доходов от абонентов в этих районах с низкой плотностью населения будет недостаточно для покрытия сетевых расходов.

Конкуренция : Ограниченная рыночная конкуренция между частными поставщиками интернет-услуг (ISP), которые составляют большую часть рынка широкополосного доступа, также препятствует расширению широкополосного доступа. В 2018 году на четыре частных компании — AT&T, Charter Communications, Comcast Corp и Spectrum — приходилось 66 процентов доли рынка широкополосного доступа в США с 73,9 миллионами абонентов между ними. На 12 крупнейших частных интернет-провайдеров приходится 85,6% рынка интернет-подписчиков, или 95,8 млн абонентов. Счетная палата правительства сообщила в 2017 году, что конкуренция между частными интернет-провайдерами была ограничена в пригородных районах и районах с низкой плотностью населения.В отчете также отмечается, что факторы, ограничивающие конкуренцию, включают высокие барьеры для входа (из-за больших инвестиций, необходимых для прокладки проводов, кабелей и другой широкополосной инфраструктуры) в сочетании с более низкой окупаемостью инвестиций в менее населенных районах. Получение разрешений на доступ к существующей инфраструктуре, такой как опоры электроснабжения, затруднено, а слияния сокращают количество конкурентов, что приводит к ограниченному выбору поставщиков для клиентов.

Доступность : Даже если услуги широкополосного доступа доступны в каком-либо районе, высокие цены могут помешать клиентам подписаться на них.Согласно исследованию, проведенному центром Pew Research Center среди пользователей, не пользующихся широкополосным доступом, высокая ежемесячная стоимость подписки была наиболее часто упоминаемой причиной (50 процентов респондентов) отсутствия широкополосного доступа в доме, за которой следовала исключительная зависимость от смартфонов, возможность доступа в Интернет. вне дома и дороговизна покупки компьютера. Другие факторы, вызывающие диспропорции в области широкополосной связи, в частности ограниченная конкуренция между интернет-провайдерами, удерживают цены на высоком уровне.

Социально-экономический статус : Сельские сообщества часто сталкиваются с более высоким уровнем бедности и более низким уровнем образования, а цифровой разрыв непропорционально влияет на сообщества с более низким финансовым статусом, более низким уровнем образования и сообщества цветных.Широкополосной связью пользуется 72,8 процента домохозяйств с годовым доходом ниже 50 000 долларов США по сравнению с 93,5 процентами домохозяйств с годовым доходом более 50 000 долларов США. Еще одним фактором является возраст, поскольку люди младше 24 лет с меньшей вероятностью смогут позволить себе оплату услуг широкополосного доступа, а люди в возрасте 65 лет и старше с большей вероятностью не будут иметь навыков работы с компьютером. Кроме того, более низкий спрос на широкополосную связь в сообществах с низким доходом и цветных сообществах может привести к дискриминации на основе прибыли: услуги широкополосной связи не распространяются на эти сообщества, потому что они ожидают, что отдача будет низкой.По этой причине учет фактора рентабельности является необходимой частью успешного расширения широкополосной связи.

Последствия цифрового разрыва


Влияние на образование: Отсутствие широкополосного доступа отрицательно сказывается на системе образования. Пятьдесят процентов восьмиклассников в сельской местности и 58 процентов всех студентов в США сообщили, что они используют Интернет дома для выполнения домашних заданий почти каждый день. Однако в 2018 году 35 процентов подростков заявили, что им приходилось делать домашнее задание по мобильному телефону, 17 процентов не могли выполнять домашние задания, а 12 процентов были вынуждены использовать общедоступный Wi-Fi для школьных занятий из-за отсутствия широкополосного доступа дома. .Эти разногласия усугубила пандемия COVID-19, когда школы перешли на онлайн-обучение. Появилось множество сообщений о том, что студенты из сельских и недостаточно обслуживаемых городских сообществ получают доступ к своим онлайн-классам и домашним заданиям с парковок с Wi-Fi.

Экономические последствия: Расширенный доступ к широкополосной связи способствует росту рабочих мест и населения, снижению уровня безработицы и большему развитию бизнеса. Сельское хозяйство также выигрывает от более широкого внедрения широкополосной связи: одно исследование показало, что более широкое распространение широкополосной связи может привести к трехпроцентному увеличению прибыли фермерских хозяйств.По оценкам Министерства сельского хозяйства США, универсальная широкополосная связь, развернутая в тандеме с технологиями цифрового сельского хозяйства, может принести экономике Соединенных Штатов дополнительные от 47 до 65 миллиардов долларов.

Расширенный доступ к широкополосной связи может также помочь решить непропорционально высокую энергетическую нагрузку на сельские районы. Доля годового дохода, расходуемая на энергию, или энергетическое бремя, составляет 4,4 процента для сельских районов по сравнению с 3,3 процента для городских районов. Это неравенство более выражено для сельских домохозяйств с низкими доходами, энергетическая нагрузка которых в три раза больше, чем бремя для сельских домохозяйств с более высокими доходами.Причины более высокого энергетического бремени в сельской местности включают старые дома, неэффективные с точки зрения энергопотребления системы отопления, хронические экономические трудности из-за низкого дохода, а также отсутствие финансовой помощи и программ повышения энергоэффективности в сельских районах. Интеллектуальные энергетические устройства могут помочь снизить затраты на электроэнергию, но в настоящее время о них не может быть и речи для домов без широкополосной связи.

Воздействие на общественное здравоохранение: Качество здравоохранения все больше зависит от Интернета. Электронные медицинские карты, обмен данными между поставщиками медицинских услуг и пациентами, а также онлайн-услуги здравоохранения, такие как телемедицина, становятся все более популярными.Телемедицина может быть эффективным временным инструментом для обслуживания сельских сообществ, испытывающих нехватку местных поставщиков медицинских услуг. По этой и другим причинам в недавней статье в American Journal of Public Health широкополосный доступ объявлен социальным детерминантом здоровья. Развертывание широкополосной связи в сельских районах, племенных землях и других обремененных сообществах служит улучшению социально-экономических условий, влияющих на общее состояние здоровья целых регионов.

Энергетические и прецизионные технологии, требующие широкополосного доступа


Смарт-устройства

Энергетические устройства для умного дома становятся все более распространенными и могут помочь своим пользователям экономить энергию и деньги.Они включают в себя новые модели термостатов, тепловых насосов, электрических водонагревателей и других приборов, которые подключаются к домашнему Интернету. Например, ожидается, что к 2022 году интеллектуальные термостаты будут составлять 70 процентов рынка термостатов. Потребители могут настраивать интеллектуальные устройства в соответствии со своими потребностями и принимать решения по оптимизации для снижения потребления энергии. Совет индустрии информационных технологий сообщает, что Соединенные Штаты могут сократить потребление энергии на 12–22%, используя все преимущества имеющихся в настоящее время обновлений эффективности, связанных с подключением к Интернету.

Многие из этих интеллектуальных устройств требуют высокоскоростного широкополосного доступа для оптимального функционирования. Например, некоторые жилищные возобновляемые технологии, такие как солнечные инверторы, могут потребовать широкополосного доступа для мониторинга и управления потоком энергии в здание. Таким образом, экономия, обеспечиваемая более интеллектуальными энергетическими устройствами, недоступна для многих, у кого нет доступа к широкополосной связи в сельских районах и племенных землях, включая государственные учреждения, такие как больницы и школы.

Точное земледелие

Broadband также позволяет использовать точное земледелие или использовать датчики и сбор данных на фермах для повышения эффективности использования ресурсов, урожайности и прибыльности.Например, системы орошения на основе датчиков оптимизируют объем используемой воды и время, затрачиваемое на полив сельскохозяйственных культур, экономя воду и затраты. Мониторы урожайности, еще одна точная технология, требующая использования Интернета, предоставляют фермерам данные об урожайности зерна, уровне влажности и свойствах почвы и могут сэкономить им 25 долларов с акра на производственных расходах. Внедрение широкополосной связи в сельскохозяйственных пространствах позволяет фермерам использовать технологии точного земледелия, которые приносят пользу их деятельности и экономике в целом.

Интеллектуальные сети

Интеллектуальные энергетические технологии, развернутые по всей сети, как перед счетчиком, так и за ним, могут создавать преимущества, выходящие за рамки местоположения их установок.Интеллектуальные энергетические устройства используют широкополосную связь для отправки информации обратно сетевым и сетевым операторам (с разрешения потребителя), что улучшает управление нагрузкой коммунальных предприятий, прогнозирование и экономию энергии.

Электроэнергетические компании могут запускать программы управления спросом (DSM), которые предоставляют потребителям финансовые стимулы для поощрения энергоэффективности. Программы DSM побуждают клиентов изменять свои модели использования, чтобы снизить свои расходы и дать коммунальным предприятиям возможность активно управлять энергетическими нагрузками и перемещать электроэнергию туда, где она больше всего необходима в сети.Программы спроса и реагирования (DR) — это тип DSM, нацеленный на снижение потребительского спроса в часы пик или в аварийных ситуациях с энергопотреблением. За счет снижения пикового спроса на электроэнергию коммунальные предприятия могут меньше полагаться на дорогостоящую электроэнергию от пиковых электростанций и ограничивать потребность в инвестициях в новые электростанции. В 2019 году программы повышения энергоэффективности позволили сэкономить 32,8 миллиона мегаватт-часов.

Электромобили (EV), которые могут использоваться для хранения энергии, также требуют доступа в Интернет. Двусторонняя связь между электромобилями и сетью, поддерживаемая широкополосной связью, позволит сети сбалансировать энергетические нагрузки и время зарядки и оптимизировать развертывание общественных зарядных станций для электромобилей.Коммунальные предприятия могут также внедрить ценообразование по времени использования и другие программы DSM, чтобы избежать скачков спроса вечером, когда большинство электромобилей возвращаются домой и подключаются для зарядки.

Широкополосная сеть интеллектуальных устройств с поддержкой энергосистемы расширяет возможности коммунальных служб и повышает их осведомленность о сети, предоставляя коммунальным предприятиям расширенные возможности прогнозирования и оптимизации пиковых значений. Датчики, которые измеряют стабильность сети и реагируют с помощью сети интеллектуальных устройств, могут привести к созданию более устойчивой системы распределения, которая сокращает простои и лучше подготовлена ​​к штормам и стихийным бедствиям.Комбинированная экономия затрат может быть даже более значительной, чем индивидуальная экономия, когда интеллектуальные устройства обмениваются информацией в сети.

Broadband улучшает связь между заказчиком и коммунальным предприятием в более умной сети, что приносит пользу обеим сторонам. Когда это происходит эффективно, такое общение повышает доверие между потребителями и их коммунальными предприятиями, повышая готовность клиентов участвовать в коммунальных программах и помогая коммунальным предприятиям предоставлять более качественные услуги.

Инициативы и проблемы развертывания широкополосной связи в сельских и племенных районах


Широкая доступность широкополосной связи обеспечит множество преимуществ, включая возможность развертывания интеллектуальных сетей по всей стране со всеми их преимуществами эффективности и устойчивости.Но высокие затраты на развертывание и низкая плотность населения лишили частных интернет-провайдеров стимулов к расширению широкополосного доступа во многие сельские и племенные общины. Отраслевые эксперты также называют высокую стоимость развертывания широкополосной связи, которая может стоить 27 000 долларов за милю оптоволоконного кабеля, как одно из самых серьезных препятствий для развертывания. Также могут возникнуть опасения по поводу цепочки поставок, поскольку сроки закупки волоконной технологии у иностранных производителей достигают одного года. А инициативы в области широкополосной связи могут иметь проблемы с своевременным получением федеральных средств, даже если они утверждены на грант или ссуду.

В результате многие муниципалитеты, правительства племен и местные электрические кооперативы (кооперативы) осуществили независимые инвестиции в широкополосную связь. Они также могут развертывать широкополосную связь через государственно-частные партнерства, если это разрешено местным законодательством.

Инициативы и проблемы племенных широкополосных сетей

Барьеры для новых, не частных провайдеров интернет-услуг могут быть значительными, особенно для племенных наций. С 2010 по 2017 год только 0,6 процента финансирования FCC и 11 процентов финансирования услуг широкополосной связи Министерством сельского хозяйства США (Rural Utilities Service, RUS) было выделено непосредственно племенам или поставщикам, принадлежащим племенам.Многие из препятствий к финансированию, с которыми сталкиваются племена, носят нормативный характер. Например, по состоянию на 2018 год только 11 из 573 племен имели интернет-провайдеров, обозначенных в качестве подходящего оператора связи (ETC) в рамках фонда Connect America Fund (CAF) FCC, наиболее значительного источника федерального финансирования высокоскоростного доступа в Интернет. Когда FCC исследовала возможность осуществления выплат CAF племенам без обозначения ETC, она пришла к выводу, что разрешающий закон запрещает это делать. Племена также сталкиваются с препятствиями при подаче заявки на гранты RUS, такими как трудности с подготовкой предлагаемого дизайна сети, демонстрацией финансовой устойчивости проекта широкополосной связи и получением соответствующих средств для грантов.

GAO определило семь племен, которые использовали партнерские отношения с частными и принадлежащими племенам интернет-провайдерами, электрическим кооперативом, поставщиком услуг общественного доступа и региональным консорциумом для улучшения широкополосных услуг в своих сообществах. Тем не менее, эти партнерства полагались на средства, происходящие из Закона о восстановлении и реинвестициях в Америке от 2009 года (P.L. 111-5), которые больше не доступны.

Муниципальные инициативы и проблемы широкополосной связи

Муниципальные общегородские волоконно-оптические сети, известные как услуги «оптоволокно до дома» (FTTH), предоставляют множество преимуществ, включая расширенный доступ к рабочим местам и экономическому развитию, повышение эффективности коммунальных услуг и экономию городских затрат на энергию.Например, в Чаттануге муниципальная широкополосная сеть Теннесси создала около 5200 новых рабочих мест, принесла 1,3 миллиарда долларов экономической выгоды в период с 2011 по 2015 год и продолжает экономить городу примерно 500 000 долларов в год в виде потенциальных сборов за услуги интернет-провайдеров. Институт самообеспечения выявил более 50 муниципальных служб FTTH в 28 штатах. Затраты на создание программ варьировались от 750 000 до 500 миллионов долларов, в зависимости от численности населения (от 150 до 453 000).Программы финансировались за счет доходных облигаций, грантов, займов и других методов.

Муниципалитеты также могут столкнуться с рядом препятствий на пути развертывания, в том числе с препятствиями со стороны правительства штата. Например, в 18 штатах действует законодательство, препятствующее созданию общедоступной широкополосной связи, в то время как еще в пяти штатах действует законодательство, ограничивающее общественную широкополосную связь в меньшей степени. Эти законы различаются по своим ограничениям: от ограничения государственных средств для государственно-частных партнерств по широкополосной связи до запрета муниципальных услуг, если частный интернет-провайдер предлагает услуги в юрисдикции муниципалитета, независимо от качества или цены услуги.Другие законы запрещают муниципалитетам продавать широкополосную связь напрямую потребителю через розничную модель и вместо этого требуют оптовой модели, когда город должен продавать третьей стороне, которая затем продает потребителю.

Широкополосная связь через сельские электрические кооперативы

Электрические кооперативы (кооперативы) — это некоммерческие поставщики коммунальных услуг, часто расположенные в сельской местности. Более 900 кооперативов обеспечивают 12 процентов электроэнергии в США и охватывают зоны обслуживания, которые охватывают более 50 процентов территории страны.Более 200 электрических кооперативов развертывают интернет-услуги с помощью различных широкополосных технологий, 90 из которых используют широкополосное оптоволокно.

Национальная ассоциация сельских электрических кооперативов (NRECA) провела обследование 20 электрических кооперативов в 16 штатах, которые развернули широкополосную инфраструктуру в своих общинах. Хотя используемые методы и технологии различались в зависимости от местоположения, кооперативы инвестировали 700 миллионов долларов в широкополосную инфраструктуру, проложив в общей сложности 26 900 миль кабеля для предоставления интернет-услуг.В результате 100 000 абонентов получили услуги широкополосного доступа с коэффициентом использования 42%. Зоны обслуживания имели низкую плотность, со средневзвешенным значением 7,5 членов на милю линии электропередачи. Кооперативы также получили в общей сложности 150 миллионов долларов в виде грантов на федеральном уровне, уровне штата и на местном уровне для покрытия высоких затрат на развертывание. Такое финансирование может позволить электроэнергетическим кооперативам предоставлять доступный Интернет своим необслуживаемым сообществам.

Существующие федеральные программы поддержки широкополосной связи

Федеральное правительство реализует свои существующие инициативы по расширению широкополосной связи в основном в Федеральной комиссии по связи (FCC), Службе сельских коммунальных услуг (RUS) в США.S. Министерство сельского хозяйства (USDA) и Национальное управление электросвязи и информации Министерства торговли США (NTIA). На FCC приходится наибольшая доля федеральной поддержки. Федеральные инвестиции в развертывание широкополосной связи в необслуживаемых и недостаточно обслуживаемых районах составили около 47,3 миллиарда долларов с 2009 по 2017 год.

Июнь 2021 года ознаменовался объявлением межведомственного соглашения между FCC, USDA и NTIA по обмену информацией и координации финансирования развития широкополосной связи.

Федеральная комиссия по связи (FCC)

Наибольшая доля финансирования поддержки широкополосного доступа в период с 2009 по 2017 год поступила от Федеральной комиссии по связи.Фонд универсальных услуг FCC обеспечивает поддержку через механизмы, нацеленные на четыре типа сообществ: потребителей с низкими доходами, поставщиков медицинских услуг, школы и библиотеки (при поддержке программы E-Rate) и районы развертывания с высокими затратами, которые часто находятся в сельской местности. В период с 2009 по 2017 год 41,7 миллиарда долларов было выделено в районы с высокими затратами в рамках таких программ, как Connect America Fund, который субсидирует интернет-провайдеров, создающих инфраструктуру в необслуживаемых районах, и Mobility Fund, который поддерживает услуги мобильного широкополосного доступа в сельских районах.Программы FCC, нацеленные на районы с высокими затратами, теперь включают Фонд сельских возможностей цифровых технологий, созданный в январе 2020 года для дальнейшей поддержки развертывания широкополосной связи в сельских районах, где скорость обслуживания составляет менее 25/3 Мбит / с. Сельский фонд цифровых возможностей стремится к развертыванию высокоскоростной широкополосной связи для более чем 5,2 миллиона жителей и предприятий в течение десятилетнего периода, в то время как Фонд «Соедините Америку» расширил широкополосный доступ в более чем 5,5 миллиона населенных пунктов по состоянию на конец 2020 года.

Национальное управление электросвязи и информации (NTIA)

Закон о восстановлении и реинвестициях в Америке от 2009 года был первым важным законодательным актом об инвестициях в широкополосную связь в Соединенных Штатах.Он выделил 7,2 миллиарда долларов на развертывание широкополосной связи программам Национального управления электросвязи и информации (NTIA) и Службы сельских коммунальных предприятий; он составлял всю долю NTIA в федеральных инвестициях в широкополосную связь с 2009 по 2017 год. Кроме того, в соответствии с Законом NTIA было выделено 3,3 миллиарда долларов на предоставление грантов в рамках Программы возможностей широкополосной технологии (BTOP). BTOP предоставила гранты 116 частным, некоммерческим, государственным и муниципальным проектам инфраструктуры широкополосной связи как для жителей, так и для государственных учреждений, таких как библиотеки и университеты.По состоянию на ноябрь 2020 года все проекты, кроме двух, были завершены.

В 2016 году NTIA сообщило, что благодаря BTOP было построено 117072 мили новой и модернизированной широкополосной инфраструктуры. Сообщается, что он также подключил 14 149 домов и предприятий и около 26 000 государственных учреждений, таких как школы, библиотеки и медицинские центры, к высокоскоростному Интернету.

Служба сельского хозяйства (РУС)

Служба сельского хозяйства Министерства сельского хозяйства США финансирует различные гранты и кредитные программы для сельской инфраструктуры.Около 2,2 миллиарда долларов из Закона о восстановлении и реинвестировании Америки от 2009 года профинансировал гранты на Программу широкополосных инициатив, которая в основном финансировала проекты инфраструктуры широкополосной связи в сельских районах и больше не действует. Сообщается, что в рамках программы широкополосных инициатив улучшена или добавлена ​​широкополосная инфраструктура для 334 830 абонентов через 66 521 миля оптоволоконного кабеля и 5468 точек беспроводного доступа.

На

RUS также действует Программа грантов Community Connect, которая предоставляет гранты на развертывание широкополосного доступа в сельской местности, где услуги отсутствуют.Программы займов RUS для широкополосной связи включают Программу займов для сельского широкополосного доступа, Программу займов для телекоммуникационной инфраструктуры и займы, включенные в Программу широкополосных инициатив. В целом RUS предоставила частным провайдерам около 4 миллиардов долларов в виде займов для развертывания широкополосной связи в сельской местности, которые были возвращены правительству с процентами.

В 2018 году

RUS запустила пилотную программу электронного подключения в сельской местности «ReConnect». Программа была создана в соответствии с Законом о консолидированных ассигнованиях от 2018 года (P.L. 115-141) и изначально имел бюджетные полномочия в размере 6 миллиардов долларов для предоставления ссуд и грантов электроэнергетическим кооперативам, частным корпорациям, а также государственным, племенным и местным органам власти для развертывания широкополосной связи в сельской местности. Дополнительные 550 миллионов долларов были предоставлены Конгрессом в 2019 году (P.L. 116-6), а затем еще 555 миллионов долларов в 2020 году (P.L. 116-93). Позже в 2020 году было добавлено еще 100 миллионов долларов в виде грантов в соответствии с Законом о помощи, чрезвычайной помощи и экономической безопасности в связи с коронавирусом (P.L. 116-136).В 2019 финансовом году Reconnect выделил 661 миллион долларов на 76 проектов в 33 штатах. В 2020 финансовом году Reconnect предоставила 673 миллиона долларов 87 проектам в 35 штатах.

Последние законодательные акты, поддерживающие развертывание широкополосной связи

Несмотря на федеральное финансирование и инициативы по развертыванию широкополосной связи в сельской местности со стороны частных компаний, муниципалитетов и кооперативов, миллионы американцев по-прежнему не имеют доступа к высокоскоростной широкополосной связи. В 2017 году FCC подсчитала, что развертывание широкополосной связи по всей стране будет стоить дополнительно 80 миллиардов долларов, хотя фактическая стоимость может быть выше, учитывая ранее упомянутую неточность карт внедрения широкополосной связи FCC.По некоторым оценкам, стоимость размещения достигает 150 миллиардов долларов, в зависимости от типа используемой широкополосной технологии.

Развертывание широкополосной связи было в центре внимания недавнего федерального законодательства. Например, Закон о помощи, чрезвычайной помощи и экономической безопасности (CARES) от 2020 года (P.L. 116-136) включал финансирование, которое несколько штатов использовали для улучшения инфраструктуры широкополосной связи, телездравоохранения и цифрового обучения в своих сообществах.

Закон о консолидированных ассигнованиях от 2021 года (P.L. 116-260), основанный на Законе CARES , включены 7 миллиардов долларов специально на улучшение инфраструктуры широкополосной связи. В законопроекте было использовано 3,2 миллиарда долларов для создания программы Emergency Broadband Benefit в рамках FCC, временной программы, которая предусматривает субсидию в размере 50 долларов на ежемесячные счета за Интернет для соответствующих требованиям жителей сельских районов и субсидии в размере 75 долларов для жителей племенных земель. Дополнительный 1 миллиард долларов предоставил грант для программы Tribal Broadband Connectivity Program в NTIA, предназначенный для финансирования широкополосного доступа, развертывания и программ в племенных землях.

Закон о точности развертывания широкополосного доступа и технологической доступности (DATA) от 2020 г. (P.L. 116-130) требует от FCC повысить точность своих карт доступности широкополосного доступа.

В соответствии с Законом о американском плане спасения от 2021 года (P.L. 117-2) выделено 7,1 миллиарда долларов на новый временный фонд экстренного подключения в рамках FCC для поддержки соответствующих учебных заведений, стремящихся улучшить свою широкополосную инфраструктуру. Он также предоставил штатам дополнительные средства для финансирования развертывания широкополосной связи.Широкополосная связь также является важным направлением в плане инфраструктуры администрации Байдена-Харриса на 2 триллиона долларов, который, в частности, выделяет 100 миллиардов долларов на развертывание высокоскоростного Интернета для каждого американца. План увеличивает доступность широкополосной связи, уделяет приоритетное внимание сетям, «принадлежащим, управляемым или связанным с местными органами власти, некоммерческими организациями и кооперативами», включает племенные нации в структуру программы для развертывания широкополосной связи и создает «равные условия игры» для муниципальных собственные и сельские электрические кооперативы, конкурирующие с частными поставщиками.

Недавно предложенный закон также сделал упор на финансирование расширения широкополосной связи, в том числе Закон о передовой инфраструктуре для завтрашней Америки или Закон LIFT America (HR 1848), представленный 32 демократами в Комитете по энергетике и торговле Палаты представителей, и закон Доступный и доступный Интернет для всех Закон (HR1783), внесенный сенатором Клобучаром (Миннесота) и представителем Клайбурном (DS.C.). Эти счета позволят выделить более 94 миллиардов долларов на развертывание широкополосной связи, из которых 80 миллиардов долларов будут зарезервированы для расширения высокоскоростной широкополосной связи на недостаточно обслуживаемые и необслуживаемые городские и сельские районы.Шестьдесят миллиардов долларов из этой суммы будут направлены на конкурсные торги для оптимизации распределения помощи, а оставшиеся 20 миллиардов долларов будут распределены между штатами для финансирования их процессов развертывания. Дополнительные 5 миллиардов долларов послужат капиталом для финансирования проектов широкополосной инфраструктуры под низкие проценты. Наконец, 9,3 миллиарда долларов пойдут на финансирование доступности широкополосного доступа и акционерного капитала, 6 миллиардов долларов из которых будут распределены на программу Emergency Broadband Benefit в рамках FCC.

Заключение


Несмотря на недавний прогресс в расширении широкополосной связи в сельской местности, становится все более очевидным, что расширение доступа к услугам высокоскоростной широкополосной связи должно быть главным приоритетом для Соединенных Штатов с 14 лет.От 5 до 42 миллионов американцев по-прежнему не имеют доступа к надежному высокоскоростному Интернету. Растущие запросы на универсальную широкополосную связь подчеркивают важность этой технологии для сообществ, но различные финансовые и экономические барьеры продолжают препятствовать развертыванию широкополосных услуг в необслуживаемых и недостаточно обслуживаемых районах. Хотя финансирование развертывания широкополосной связи должно конкурировать с другими высокоприоритетными программами, касающимися отсутствия продовольственной безопасности, инфраструктуры, здравоохранения или образования, высокоскоростной доступ в Интернет имеет решающее значение для многих из этих приоритетов.Сельские электрические кооперативы, местные органы власти и федеральное правительство добились значительных успехов в финансировании развертывания новой широкополосной связи. Дальнейшие действия в этом направлении еще больше сократят «цифровой разрыв», обеспечив бесчисленные социально-экономические выгоды и преимущества справедливости для недостаточно обслуживаемых регионов и способствуя более широкому вовлечению населения в процесс перехода к более чистой экономике.

Авторы: Рэйчел Снид и Джексон Толберт

Редактор: Джон-Майкл Кросс

Графика: Сидней О’Шонесси

Для примечаний, пожалуйста, загрузите PDF-версию этого краткого обзора.

Оценка жизненного цикла производства навоза и биогаза: обзор

https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.02.091Получить права и содержание

Резюме

Навоз — это остатки домашнего скота, которые вызывают большую нагрузку на окружающую среду в различных категориях. Его использование в производстве биогаза является экологически полезным способом не только для уменьшения этого воздействия, но и для производства энергии и биоудобрений. Хотя навоз имеет низкую энергетическую ценность и низкую эффективность преобразования биогаза, он показан для использования при совместном сбраживании с другими субстратами для производства биогаза.Настоящая работа представляет собой систематический обзор исследований, в которых анализировался производственный цикл биогаза из навоза по всему миру, для выявления и сравнения критических точек этапов оценки жизненного цикла (LCA), определенных Международной организацией по стандартизации (ISO), как а также этапы процесса биогаза. Критические точки, связанные со структурой LCA в анализируемых статьях, включают различные рассматриваемые границы, поскольку начальная стадия варьируется от той, которая учитывает только ввод сырья в процессе разложения, до стадии, которая учитывает предшествующие стадии для получения субстрата.Несмотря на это, сравнение структуры LCA в анализируемых статьях возможно, поскольку стандарты ISO содержат четко определенные параметры и шаги. Критические точки в процессах производства биогаза включают различные переменные в региональных тематических исследованиях, такие как климат, доступность сырья, расстояние транспортировки, источник ресурсов и энергии, расположение завода и уровень технологического развития, что затрудняет сравнение исследований. Что касается уровня технологий, то в исследованиях ОЖЦ биогаза навоза не наблюдалось никаких подробностей промышленных стадий.Несмотря на сложность, в этой работе проводится сравнение стадий, чтобы дать возможность провести тщательную оценку критических точек и воздействия на окружающую среду и, следовательно, помочь установить региональные стратегии устойчивости для производства биогаза из навоза.

Ключевые слова

Оценка жизненного цикла

Биогаз

Навоз

Обзор литературы

Рекомендуемые статьиЦитирующие статьи (0)

Полный текст

© 2019 Elsevier Ltd.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *