Производство биогаза из отходов: ПРИНЦИП РАБОТЫ БИОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ | Ecodevelop

Биогазовые установки. Производство биогаза

Биогазовые установки. Производство биогаза

Комплектные установки из нержавеющей стали для производства биогаза. 

Биогазовые установки – это комплексное решение утилизации отходов пищевой промышленности, агропромышленного комплекса, производство тепловой, электрической энергии, и удобрений. Производство метана в установке для производства биогаза, является – реализацией биологического процесса.

Немецкая компания разрабатывает и производит комплектные установки  для производства биогаза и продает их во всем мире. Построены, запущены и успешно работают более 300 заводов по производству биогаза в Германии, Франции, Нидерландах, Греции, Великобритании, Швеции, Испании, Люксембурге, Чехии, Литве, США, Японии и на Кипре. Предлагаемые установки – это не экспериментальное, а работающее, проверенное и надежное немецкое оборудование, сертифицированное по ISO и изготовленное в комплекте на собственном заводе.

Мы продемонстрируем Вам, каким образом Вы сможете, осмысленно и экономично использовать биоэнергию. 

Биогаз — это газ, состоящий примерно из 60% метана (СН4) и 40% углекислого газа. Синонимами для биогаза являются канализационный газ, шахтный газ и болотный газ, газ-метан. Если в качестве примера рассмотреть навоз, то, если на предприятии образуется 1 т такого «биоотхода» в день, то это означает, что из него может быть получено 50 м3 газа или 100 кВт электроэнергии, или замещено 35 л дизельного топлива . Срок окупаемости оборудования для переработки навоза находится в пределах 2-3 лет, а для некоторых других видов сырья еще ниже и достигает 1,5 года.    Кроме прямых денежных выгод, постройка биогазовой установки имеет косвенные выгоды. Она, например, обходится дешевле, чем протяжка газопровода, линии электропередач, резервных дизель генераторов и создание лагун. В таблице представлен выход газа для различных видов сырья.

ИСТОЧНИКИ  СЫРЬЯ 

Важная область применения установок по производству биогаза – это крупные агропромышленные комплексы, фермы КРС, птицефабрики, рыбные заводы, хлебобулочные комбинатам, предприятия пищевой промышленности, мясокомбинаты, спиртовые заводы, пивоваренные заводы, молочные заводы, растениеводческие предприятия, сахарные заводы, крахмалопаточные заводы, предприятиям по производству дрожжей, и не только в качестве альтернатив­ного источника энергии, но и как эффективного метода утилизации навоза (помета) и производства дешевого удобрения, как для собственных нужд, так и для продажи на рынке. Биогазовая установка производит биогаз и биоудобрения из органических отходов сельского хозяйства и пищевой промышленности путем бескислородного брожения, что обеспечивает самую активную систему очистки. В качестве сырья может использоваться навоз КРС, навоз свиней, птичий помет, отходы бойни (кровь, жир, кишки, кости), отходы растений, силос, прогнившее зерно, канализационные стоки, жиры, биомусор, отходы пищевой промышленности, садовые отходы, солодовый осадок, выжимка, спиртовая барда, свекольный жом, технический глицерин (от производства биодизеля). Большинство видов сырья можно смешивать друг с другом. Переработка отходов — это в первую очередь система очистки, которая сама себя окупает и приносит прибыль. На выходе установки из отходов образуется одновременно и в больших количествах: биогаз, электричество, тепло и удобрения.

Все перечисленное выше производится по нулевой себестоимости. Ведь навоз бесплатен, а сама установка на себя потребляет всего 10-15% энергии. Для работы мощной установки достаточно одного человека два ча­са в день. Биогазовые установки полностью автоматизированы и соответс­твенно затраты на оплату труда минимальны. 

Технология и принцип работы биогазовой установки

Биогазовая установка производит биогаз и биоудобрения из биологических отходов сельского хозяйства и пищевой промышленности путем бескислородного брожения. Биогаз является продуктом жизнедеятельности полезных метанобразующих бактерий. Микроорганизмы метаболизируют углерод из органических субстратов в бескислородных условиях (анаэробно). Этот процесс, называемый гниением или бескислородным брожением, следует за цепью питания.

Состав типовой биогазовой установки:

1. Участок хранения биотходов
2. Система загрузки биомассы
3. Реактор 
4. Реактор дображивания
5. Субстратер
6. Система отопления
7. Силовая установка 
8. Система автоматики и контроля 
9. Система газопроводов

 Биоотходы могут доставляться грузовиками или же перекачиваться на биогазовую установку насосами. Сначала коферменты высыпаются (перемалываются), гомогенизируются и перемешиваются с навозом (пометом). Гомогенизация чаще всего выполняется при температуре 70^о С в течение одного часа при размере максимальной частицы 1 см. Гомогенизация с навозом производится в перемешивающем резервуаре с мощными мешалками.  

Реактор является газонепроницаемым, полностью герметичным резервуаром. Это конструкция теплоизолируется, потому что внутри резервуара должна быть фиксированная для микроорганизмов температура. Внутри реактора находится миксер, предназначенный для полного перемешивания содержимого реактора. Создаются условия для отсутствия плавающих слоев и/или осадка. 

Микроорганизмы должны быть обеспечены всеми необходимыми питательными веществами. Свежее сырьё должно подаваться в реактор небольшими порциями несколько раз в день. Среднее время гидравлического отстаивания внутри реактора (в зависимости от субстратов) 20- 40 дней. На протяжении этого времени органические вещества внутри биомассы метаболизируются (преобразовываются) микроорганизмами. На выходе установки образуется два продукта: биогаз и субстрат (компостированный и жидкий). 

Биогаз сохраняется в емкости для хранения газа газгольдере, в котором выравниваются давление и состав газа. Из газгольдера идет непрерывная подача газа в газовый двигатель генератор. Здесь уже производится тепло и электричество.  При необходимости биогаз дочищается до природного газа (95% метана) после такой очистки, полученный газ — аналог природного газа (90-95 % метана Ch5). Отличие только в его происхождении. 

Биогазовые установки работают 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, круглый год. Такой режим работы является еще одним их преимуществом. Всей системой управляет система автоматики. Для управления достаточно всего один человек два часа в день. 

Этот сотрудник ведет контроль с помощью обыкновенного компьютера, а также работает на тракторе для подачи биомассы. После 2-х недельного обучения на установке может работать человек без особых навыков, т.е. со средним или средним специальным образованием.  

ВЫГОДЫ

• Биогаз.
• Собственная биоэнергетическая станция.
• Правильная утилизацию органических отходов. Отходы в доходы!
• Биоудобрения. При использовании удобрений, полу­ченных на биогазовых установках, уро­жайность может быть повышена на 30-­50%. Обычный навоз, барду или другие отходы нельзя эффективно использовать в качестве удобрения 3-5 лет. При исполь­зовании же биогазовой установки биоот­ходы перебраживают и, переброженная масса тут же может использоваться как высокоэффективное биоудобрение. Переброженная масса — это готовые экологически чистые жидкие и твердые биоудобрения, лишенные нитри­тов, семян сорняков, патогенной микро­флоры, яиц гельминтов, специфических запахов. При использовании таких сба­лансированных биоудобрений урожай­ность значительно повышается.  
• Электроэнергия. Установив био­газовую установку, предприятие бу­дете иметь свою, по сути, бесплатную электроэнергию, а значит, существен­ное снижение себестоимости продук­ции, что в свою очередь позволит пос­леднему получить дополнительные конкурентные преимущества. 
• Тепло. Тепло от охлаждения генератора или от сжигания биогаза можно ис­пользовать для обогрева предпри­ятия, теплиц, технологических целей, полу­чения пара, сушки семян, сушки дров, получения кипяченой воды для содер­жания скота. Предприятие получает газ, электроэнергию, тепло, удобрения и обеспечивает замкнутый цикл производства. Проект окупается за счет уменьшения себестоимости производимой предприятием продукции, поскольку снижаются затраты на покупку газа, электроэнергии, горячей воды и удобрений.  
• Дополнительная прибыль может быть направлена на погашение кредита и на развитие производства. Уменьшение энергетической зависимости, умень­шение выбросов парниковых газов, уменьшение загрязнения окружа­ющей среды отходами сельскохозяйс­твенного производства, отсутствие на предприятии неприятного запаха.

Строительство биогазовой установки актуально не только для вновь создаваемых ферм, но и для старых. Ведь часто старые лагуны переполнены, и их ремонт требует значи­тельных средств. Если некоторые отходы можно просто хранить в отстойниках, то на утилизацию некоторых (например, на отходы бойни) необходимо затрачивать энергию и средства. Требования к площадке. Установка может располагаться на месте отстойников, лагун или старой свалки. Средние размеры площадки под установку 40х70 м.  

Цена биогазовой установки

Каждое предприятие индивидуально, поэтому в каждом случае финансовые затраты будут рассчитываться специалистами.  

Пример проекта

Мы приводим пример средних затрат и доходов при установке биогазового оборудования.
Калькуляция затрат и доходов на примере биогазовой установки для спиртового завода. Стоимость установки 1280 тыс. евро. Все услуги и работы включены. Производительность по зерновой барде 100 т в сутки. 

Влажность сепарированной барды 70%. Средний срок окупаемости проекта 2-3 года. А при полном использовании возможностей установки окупаемость может быть 1,5-1,8 года.  Использование возможностей – это добавление коферментов, использование тепла в теплицах, продажа полностью всех производимых удобрений. 

Затраты на энергоносители – одна из основных статей издержек, которая существенно влияет на себестоимость продукции. Очистные сооружения потребляют около 50% энергии, а при постройке биогазовой установки происходит экономия этих 50%.  Предприятие получает газ, электроэнергию, тепло, удобрения и обеспечивает замкнутый цикл производства. 

Проект окупается за счет уменьшения себестоимости продукции, поскольку снижаются затраты на покупку газа, электроэнергии, горячей воды и удобрений. Дополнительная прибыль может быть направлена на погашение кредита и на развитие производства.

Источник – Проспект компании «Биоэнергосила»

Материал подготовлен Шиловой Е.П.

Производство биогаза | Биогаз в России. Биогазовые установки. Компания Биокомплекс

Производство биогаза — технология, за которой будущее

Использование биогаза человечеством имеет давнюю историю. Более двух тысяч лет назад, по свидетельству Геродота, древнегерманские племена, живущие в заболоченных местностях, использовали выделяющийся болотный газ для своих нужд, подводя его к своим жилищам по кожаным трубам. Чтобы процесс выработки газа не прекращался, они периодически сбрасывали в болото шкуры убитых животных и бытовые отходы. Научная европейская мысль зафиксировала выделение горючего газа разлагающейся органикой в XVII веке, а появление первых биогазовых установок относится ко второй половине XIX века.

В настоящее время наибольшее количество биогаза производится в энергетически бедных странах, однако, исходя из очевидных выгод его получения и использования, популярность установок, перерабатывающих органику в горючий газ, растет и у нас. Несмотря на многочисленные препятствия, вызванные как недостатком финансовых средств, так и инерционностью мышления отдельных руководителей, биогазовые станции понемногу завоевывают популярность среди предпринимателей.

Что такое биогаз?

Биогаз образуется в результате разложения анаэробными бактериями органических соединений и является смесью метана и углекислого газа. В зависимости от используемого в процессе брожения сырья, процент метана в биогазе варьируется от 50 % (из навоза крупного рогатого скота) до 85 % (из жировых отходов).

В качестве сырья для производства биогаза используются пищевые отходы, кормовые остатки, навоз свиней, КРС и птицы, отходы предприятий пищевой промышленности, а также специально выращиваемые энергетические растения (рапс, подсолнечник, кукуруза, свекла и т. д.), их ботва и солома, опилки, силос и многое другое, вплоть до опавших листьев и другого органического мусора. Любые отходы растительного и животного происхождения можно использовать для получения биогаза. Применительно к использованию биогазовых установок для переработки отходов животноводческих ферм, можно утверждать, что содержание одной коровы обеспечит производство 2,5 куб. м биогаза в сутки, одного откормочного быка — 1,6 куб. м, свиньи — 0,3 куб. м, курицы или утки — 0,02 куб. м.

Как получают биогаз?

Для получения биогаза измельченные и увлажненные органические отходы закладывают в емкость, называемую реактором или анаэробной колонной, где они подвергаются процессу сбраживания метановыми анаэробными (живущими без доступа воздуха) бактериями. Жизнедеятельность метановых бактерий требует соблюдения определенных условий: в реакторе необходимо поддерживать комфортную для них температуру (40–70 градусов Цельсия) и периодически перемешивать питательную смесь, способствуя распределению бактерий по всему пространству реактора.

Чем мельче частицы органики, тем легче идет процесс брожения, поэтому перед закладкой в реактор любое органическое сырье необходимо измельчать до однородного состояния (гомогенизировать). Облегчает переработку и увеличивает выход газа использование энзимов, а также постоянное перемешивание массы с помощью различных средств, в том числе жидкостных либо ультразвуковых кавитаторов. Из одного килограмма сухого сырья на современной биогазовой станции можно получить 350–500 литров биогаза.

Как используют производство биогаза?

1. Для обогрева помещений. Отопительный котел на биогазе позволит отапливать производственные помещения предприятия или фермы, а также близлежащие жилые дома. Некоторая часть газа (зимой — около 15 %) расходуется на поддержание оптимальной температуры для брожения массы в реакторе.
2. Для производства электроэнергии. Газогенератор, смонтированный в комплексе биогазовой установки, даст возможность получать около 2 кВт электроэнергии из 1 куб. м биогаза.
3. Для получения биогаза с целью использования его как топлива для автомобилей, а также для сжижения излишков и реализации другим потребителям.
4. Для производства высококачественных органических удобрений. Твердый остаток, получаемый после окончания процесса брожения, является прекрасным удобрением, эффективным и лишенным неприятного запаха. Его использование повышает урожай сельскохозяйственных культур более чем вдвое.
5. Для экологически чистой утилизации отходов. Фекалии животных и птицы, отходы предприятий пищевой промышленности, будучи захороненными на полигоне для отходов, загрязняют окружающую среду и издают неприятный запах. Процесс разложения, происходящий в биогазовых реакторах, нейтрализует токсины и делает оставшуюся массу безопасной для природной среды.

Преимущества биогазовых станций

Энергетическое: станция дает возможность организовать собственное отопление и освещение промышленного или сельскохозяйственного предприятия. Особенно важно это в удаленных районах, где прокладка электрических сетей и централизованного отопления экономически невыгодна — в этом случае биогазовая установка обеспечит предприятие и прилегающий жилой район светом и теплом.

Экономическое: использование биогаза дает возможность существенно снизить затраты на энергообеспечение и на утилизацию отходов.

Экологическое: нейтрализуется вред, наносимый сельскохозяйственными или промышленными отходами окружающей среде, снижаются выбросы метана в атмосферу. Сохраняется чистота грунтовых вод, которые нередко используются как источник питьевой воды в данной местности.

Географическое: станция может быть построена в любом, даже самом отдаленном и недоступном районе и в любой климатической зоне, основным условием ее строительства является доступность органического сырья для производства биогаза.

Инфраструктурное: строительство станции дает возможность для поддержания и развития энергетической и коммунальной инфраструктур.

Социальное: помимо производственных зданий, возможно снабжение теплом и электроэнергией социально-бытовых и культурных объектов: жилых зданий, детских учреждений, больниц, магазинов, домов отдыха, клубов и т. д.

Технология получения биогаза | Журнал главного инженера

Биогаз это один из ярких примеров того, как из отходов можно получить золото. Побочные продукты хозяйственной деятельности, после переработки превращаются в экологически чистое газообразное топливо. Данный цикл утилизации отходов позволяет построить замкнутое производство, на основе фермерского предприятия или городского очистительного сооружения.

Как получить биогаз

Для того чтобы получить биогаз, понадобиться специальное устройство: биогазовая установка. Она представляет собой комплекс инженерных сооружений, который состоит из агрегатов и емкостей, предназначенных для хранения и подготовки сырья, непосредственно самого производства биогаза, а также его сбора и очистки, выделения таких побочных продуктов переработки как сухая часть, которая используется для получения высококачественных минеральных удобрений и воды. Для получения электроэнергии биогазовая установка может быть совмещена с мини газотурбинным или другим типом генератора. Для получения не только электро, но и дополнительно тепловой энергии, биогазовый завод комплектуется когенерационными установками.

Поучение биогаза происходит в специальных, корозионностойких цилиндрических герметичных цистернах, также их называют ферментерами. В таких емкостях протекает процесс брожения. Но до того как попасть в ферментер, сырье загружается в емкость приемник. Тут оно смешивается с водой до однородного состояния, с помощью специального насоса. Далее из емкости приемника в ферментеры вводится уже подготовленный сырьевой материал. Надо заметить, что процесс перемешивания при этом не останавливается и продолжается до тех пор, пока в емкости приемнике ничего не останется. После ее опустошения насос автоматически останавливается. И вот, процесс ферментации запущен, начинает выделяться биогаз, который по специальным трубам поступает в газгольдер, размещенный неподалеку.

Биореактор располагается в отдельно стоящем быстровозводимом здании, это вынужденная необходимость обусловлена требованиями норм безопасности и тем, что производство биогаза нуждается в поддержании постоянной, относительно высокой температуры в 30 – 50 С°. Технология получения биогаза требует периодического перемешивания смеси ферментируемых веществ. Это препятствует их расслоению и остановке процесса брожения. Также не помешает измельчить крупные куски в сырье, приготовленном для ферментации. Большие комки замедляют скорость выделения метана тормозя тем самым техпроцесс. Работа профессиональных биогазовых установок, которые мы предлагаем, регулируется автоматикой, и уход даже за несколькими станциями средних размеров, не требует штата более чем в два чеовека.

Сырье, из которого получают биогаз

Сырьем для производства биогаза могут служить как органическая составляющая твердых бытовых отходов, так и сточные воды, а также жидкие и твердые отходы сельскохозяйственного производства.

Качество сырья зависит от множества факторов, начиная с его влажности, заканчивая объемом получаемого биогаза на единицу ферментируемого вещества. Так, к примеру, разные типы, к примеру, навоза, имеют разный выход биогаза на килограмм вещества с не одинаковым содержанием в нем метана. Самый большой выход биогаза и самый высокий процент в нем метана имеет свекольная ботва, именно поэтому получение топлива на свекольно-сахарных заводах наиболее эффективно.

В зависимости от типа ферментируемого сырья меняется и вариант исполнения установки для получения биогаза. Так, если используется сухое или твердое сырье, его механически загружают в шнековый транспортер, который поставляет продукт брожения в реактор. Если в качестве продукта для ферментации используются стоковые воды или навоз, то сырье может попадать в емкости самотеком, откуда с помощью насосов, по мере надобности, перекачивается в биореактор. Иногда сырье требует дополнительной очистки и гидролиза, в таком случае система получения биогаза будет включать в себя два соединенных вместе биореактора.

Получаемый биогаз может сжигаться для обогрева промышленных теплиц, фермерских хозяйств и т.д.

Биогазовая установка, оборудованная дополнительными модулями делает процесс получения метана из биогаза практически полностью безотходным. Специальная система очистки может отделять от метана углекислый газ, который также является ценным промышленным продуктом. Сырье, оставшееся после ферментации, идет на производство экологически чистых минеральных удобрений, а если биогазовая установка связана с когенерационным устройством, кроме тепла, из метана можно добывать экологически чистое электричество.

Источник: www.rosbiogas.ru

основные характеристики и технология получения. Cleandex

Биогаз –
общее название горючей газовой смеси,
получаемой при разложении органичнеских
субстанций в результате анаэробного
микробиологического процесса (метанового
брожения).

Для эффективного производства биогаза из органического сырья создаются комфортные
условия для жизнедеятельности нескольких
видов бактерий при отсутствии доступа
кислорода.

Принципиальная
схема процесса образования биогаза
представлена ниже:

В зависимости от вида органического сырья
состав биогаза может меняется, но, в общем
случае, в его состав входят метан (Ch5,
доля — 63%), углекислый газ (CO2, доля — 33%),
небольшое количество сероводорода(h3S,
доля — 2%), аммиака (Nh4, доля — 1%) и водорода
(h3, доля — 1%).

Так
как биогаз на 2/3 состоит из метана –
горючего газа, составляющего основу
природного газа, его энергетическая
ценность (удельная теплота сгорания)
составляет 60–70% энергетической ценности
природного газа, или порядка 7000 ккал на м3.
1м3 биогаза также эквивалентен 0,7 кг
мазута и 1,5 кг дров.

Биогаз
широко применяется как горючее топливо
в Германии, Дании, Китае, США и других
развитых странах. Он подается в газораспределительные сети, используется
в бытовых целях и в общественном
транспорте. Сегодня начинается широкое
внедрение биогазовых технологий на рынках СНГ и Прибалтики.

Сырьемдля получения биогаза может служить
широкий спектр органических отходов –
твердые и жидкие отходы агропромышленного
комплекса, сточные воды, твердые бытовые
отходы, отходы лесопромышленного
комплекса.

Качество
отходов характеризуется влажностью,
выходом биогаза на единицу сухого
вещества и содержанием метана в биогазе.

Современные
технологии позволяют перерабатывать
в биогаз любые виды органического сырья,
однако наиболее эффективно использование
биогазовых технологий для переработки
отходов животноводческих и птицеводческих
ферм, предприятий АПК и сточных вод, так
как они характеризуются постоянством
потока отходов во времени и простотой
их сбора.

Биогазовая
установка –
устройство, осуществляющее переработку
органических отходов в биогаз и органические удобрения. Биогазовая
станция – более широкое понятие, оно включает комплекс инженерных сооружений,
состоящий из устройств для подготовки
сырья, производства биогаза и удобрений,
очистки и хранения биогаза, производства
электроэнергии и тепла.

В биореакторе поддерживается постоянная
температура, необходимая для активной
деятельности бактерий (от 31 до 70 С°).
Работа всей установки регулируется
автоматикой. Число занятых на биогазовых
станциях среднего масштаба не превышает
10–15 человек.

Мощность
биогазовых станций варьируется
в пределах от 1 кВт (бытовые установки)
до нескольких десятков МВт.

Источник:
www.biogas-energy.ru

6 экологических эффектов реализации биогазовых проектов

Прежде всего, следует отметить, что существенным аспектом производства биогаза является использование возобновляемых источников энергии, часто одновременно является отходами. Использование органических отходов или аграрного сырья создают среду для образования экологических эффектов при их транспортировке, хранении и использовании. 

Существенный экологический влияние оказывает сырье животного происхождения. Так сейчас, в Украине стоит острый вопрос — утилизация и безопасное переработки продуктов жизнедеятельности птицефабрик, свинокомплексов и ферм КРС. С другой стороны анаэробная переработка отходов животноводства (отдельно или в сочетании с другими косубстратами) может рассматриваться как лучшая из имеющихся технологий, ведь переработка отходов на биогазовых заводах позволяет частично уменьшить экологические проблемы и имеет существенные экономические преимущества в виде децентрализованного производства возобновляемой энергии.

Экологический эффект биогазового производства заключается в безопасной переработке органических отходов и побочных продуктов животного происхождения, за счет метанового сбраживания. 

В общем можно выделить 6 основных экологических эффектов от внедрения биогазовых комплексов: 

• переработка отходов
• решения проблемы хранения и транспортировки сырья
• внедрения альтернативных источников энергии
• образования качественного удобрения
• сокращение времени при хранении и транспортировке удобрений
• сокращения выбросов парниковых газов

Как косвенные экологические эффекты, можно выделить — предотвращение загрязнения грунтовых и поверхностных вод и почвы. 

Следует отметить, что часто внедрение биогазовых проектов может иметь и социально — экономический эффект, когда тепло от когенерационных установок направляется для отопления школ и административных зданий.

Рассмотрим более подробно прямые экологические эффекты и преимущества биогазовых комплексов.

1. Прежде всего, биогазовые установки — эффективный способ решения проблем использования отходов сельскохозяйственного производства, в том числе побочных продуктов животного происхождения (навоза и помета).

Сырьем для изготовления биогаза могут быть отходы как растительного так и животного происхождения. Но наибольший экологический эффект заключается в том, что с помощью биогазовых установок решается проблема утилизации навоза и помета. Превращение органических отходов в биогаз происходит в результате целого комплекса сложных биохимических превращений (ферментация биомассы). На выходе из таких установок фермеры получают экологически чистые жидкие или твердые биоудобрения, в которых отсутствуют неприятные запахи, яйца гельминтов, семян сорняков и нитраты.

А постоянный доступ органических веществ делает возможным постоянное и непрерывное производство биогаза.

2. Решение проблемы хранения и транспортировки сырья

Внедрение биогазовых комплексов позволяет не только перерабатывать отходы животноводства, а и не эксплуатировать анаэробные ставки. Так, навоз, удаляемого из животноводческих помещений имеет храниться в анаэробных прудах в течение 6 месяцев в случае молочных ферм или 12 месяцев в случае свиноферм. Кроме того, дно анаэробных прудов должно быть устлано материалом, который препятствует попаданию навоза в грунтовые воды.

Кроме того, что ставки и хранилища является основным источником попадания загрязняющих веществ в атмосферный воздух и могут быть загрязнителями почвы и грунтовых вод, они также занимают большие площади. Биогазовые проекты позволяют или сократить площади хранения отходов, или совсем отказаться от таких хранения навоза и помета, за счет поставок их сразу не до открытых прудов и хранилищ, а в биогазовые установки, а накопленный метан будет сжигаться в когенераторе или на факеле. 

3. Производство электроэнергии в результате сжигания биогаза в когенерационных установках — решение вопросов энергонезависимости предприятия и страны

Гибкая система использования энергетических ресурсов позволяет максимально использовать полученную тепловую и электрическую энергии.

4. Остатки брожения, образуются в процессе производства биогаза в биогазовых установках, является качественным удобрением, которое можно реализовать или использовать вместо минерального удобрения

Органические отходы животноводческих комплексов и перерабатывающей промышленности сами по себе уже является удобрениями. Однако коэффициент полезного действия таких удобрений составляет всего 10 — 15% от возможного. При переработке же этих отходов на биогазовой установке происходит значительное улучшение их свойств.

Так, средняя биогазовая установка, которая находится на животноводческом комплексе и перерабатывает около 37000 т / год навоза, после переработки дает в год ориентировочно 35000 т ценных биоудобрений. В 1 тонне таких удобрений содержится в среднем 3,5 кг общего азота N.

Преимущества биоудобрений перед другими органическими удобрениями

Биоудобрения по многим показателям в несколько раз лучше других органических удобрений (навоз, помет, торф). 

Вот некоторые из них:

• Экологическое воздействие на грунт. Органические удобрения в непереработанном виде наносят больший вред почве, загрязняя его и грунтовые воды. Тогда как биоудобрения являются абсолютно чистым экологическим удобрением.
• Отсутствие семян сорняков. В навозе свиней, крупного рогатого скота и торфе обычно присутствует большое количество семян сорняков. В 1 тонне свежего навоза находится до 10 тыс. Семян различных сорняков. Это приводит к потере урожая от 5-7 центнеров злаковых культур с одного гектара.
• Отсутствие патогенной микрофлоры, но наличие активной микрофлоры, способствует интенсивному росту растений. 
• Отсутствие адаптационного периода. Биоудобрения благодаря своей форме начинают эффективно работать сразу при внесении.

В зависимости от минеральных удобрений, биогумус можно вносить в любом количестве. При его использовании не происходит минерализации почвы, поскольку он является экологически чистым продуктом.

5. Хранение и транспортировка удобрений

Как было отмечено, весомым преимуществом биоудобрений является отсутствие адаптационного периода. Навоз и другая органика перед внесением в почву требует проведения длительной подготовки (6-12 месяцев). Полезные вещества, содержащиеся в них, частично теряются, а остальные начинают действовать в почве лишь на 2-4 год после его внесения. 

Также, следует отметить, что в зависимости от способа и продолжительности хранения, органические отходы теряют от 25-50% органического вещества и питательных элементов (в первую очередь азот N). Еще большие потери наблюдаются при промерзании с последующим оттаиванием до 70%. 

Поэтому, биоудобрения имеют преимущество не только в качестве, а значительно экономят еще один ресурс — время. А как опосредованный эффект — экономия площади хранения. 

Следует отметить, что перечисленные свойства биоудобрений способствуют уменьшению случаев — экологических преступлений, когда навоз или помет вывозится на поля без предварительной подготовки. В результате которого наносится не только непоправимый вред окружающей среде, особенно почвы, от неприятных запахов страдает и местное население. 

6. Уменьшение выбросов парниковых газов

Следует отметить, что агропромышленная деятельность является одним из крупнейших источников метана и других парниковых газов в атмосферный воздух, поэтому биогазовые установки можно рассматривать как реализация сокращения выбросов в рамках проектов совместного осуществления (Киотский протокол, Парижская соглашение). 

Сокращение выбросов будет достигнуто за счет замещения энергии, производимой с не возобновляемых источников, энергией, которая производится из альтернативных источников. 

На многих свинофермах и фермах КРС, навоз хранится в анаэробных прудах, что приводит к выбросам метана непосредственно в атмосферу. Сокращение выбросов метана в биогазовых комплексах будет достигнуто за счет улавливания биогаза с последующим его сжиганием в когенерационной установке. 

Кроме того, будет достигнуто сокращение выбросов другого парникового газа — CO2, поскольку выработка электрической и тепловой энергии из возобновляемых источников (биогаз) приведет к замещению эквивалентного количества энергии, полученной в результате сжигания ископаемых видов топлива на электростанциях, которые выдают мощность в энергосистему. 

Екатерина Громм
ведущая специалистка направлении услуг по устойчивому развитию Baker Tilly

Из огрызков в топливо. Как общественный фонд превращает пищевые отходы в биогаз

В Бишкеке уже пятый год функционирует предприятие по выработке биогаза из пищевых отходов. Добровольцы стараются способствовать скорейшему внедрению в жизнь инновационных технологий. Новые методы переработки призваны улучшить экологическую среду и повысить урожайность.

Ранним утром на старой «Газели» Эльдар Асанов объезжает кафе и рестораны Бишкека. Каждый день забирает пищевые отходы. Собирает мусор с нескольких постоянных точек. Затем «Газель», заполненная бочками и коробками, едет на базу. Остатки пищи, картофельные очистки, капустные листья – все это выгружается в одну емкость.

Работа только начинается. Кафе и рестораны должны предоставлять отсортированные пищевые отходы. Тем не менее эту массу приходится всегда перебирать и выбирать то нитки, то пластиковые пакеты. Выбрать нужно все инородные предметы, иначе отходы не переработаются.

«Договор есть с объектом, откуда мы забираем [отходы], там люди относятся к делу серьезно. Но [мусор иногда] попадается – что делать», – говорит Эльдар Асанов, оператор биогазовой установки.

Руководитель производства рассказывает, что пищевые отходы сложно отсортировать от общей массы мусора. А потому рекомендуется их разделять изначально. Но в Бишкеке, да и во всем Кыргызстане пока такой практики нет. Ежегодно более 60 тысяч тонн пищевых отходов отправляется на столичную свалку.

«На свалке все это гниет, идет в атмосферу, создается санитарная угроза. Во всем мире это проблема сейчас. Как бороться? Надо собирать отдельно и перерабатывать», – рассказывает Алексей Веденев, президент общественного фонда «Флюид».

Кроме того, это приносит экономическую выгоду – в результате переработки получаются газ и удобрения. Готовые пищевые отходы вручную отправляются в дробилку. Полученная масса отправляется в специальный накопитель. Добавляется вода. Сырье таким образом доводится до определенной влажности. Дальше масса поступает в бункер загрузки. Именно тут начинается процесс его перевоплощения в биогаз.

«Предварительно подогревается здесь и перегружается в реакторы. Два реактора по 500 кубов, то есть производительность этих реакторов – до 3,5 тонн в сутки, но сегодня он перерабатывает полтонны», – говорит Веденев.

Установка работает бесперебойно, как живой организм. Нужны своевременная загрузка и выгрузка продукции, строгий температурный режим и периодическое перемешивание. Для переработки порции пищевых отходов требуется до одного месяца. Готовый газ накапливается в газгольдерах и идет в расход. Удобрение получается жидким, накапливается в цистернах.

Газ используют для собственного производства. Полученные удобрения отдают городским озеленительным службам. По словам Веденева, из тонны пищевых отходов фонд получает 150 кубов газа.

Он также объясняет, что это лишь демонстративно-производственный комплекс. На настоящем предприятии можно вырабатывать в разы больше энергии. Сюда приходят школьники, студенты, фермеры и другие заинтересованные – просто посмотреть, как из обычного мусора получается газ. Есть специальный зал для семинаров, где проводят курсы по освоению технологии.

«Вот ферма, животные, навоз, навозоприемник, биогазовая установка, удобрение, транспорт, поля, кормовая база для животных – и этот цикл повторяется», – рассказывает Веденев.

На предприятии готовят подобные биогазовые установки и на продажу. Кыргызстанские фермеры заказывают их редко. Уже продали готовую конструкцию в Казахстан, Узбекистан, Хорватию и даже в Северную Корею.

Биогаз из пищевых отходов — AgroBiogas

Выращивание и применение энергетических культур, так или иначе, сталкивается с дилеммой потребления, неоднозначно воспринимается населением и конкурирует с пищевыми культурами. Пищевые отходы, в свою очередь, заслуживают внимания, поскольку также являются энергетическим ресурсом, способствующим снижению стоимости утилизации, а также защите окружающей среды.

На сегодня, существуют и успешно эксплуатируются технически и технологически продуманные системы ферментации пищевых отходов, обеспечивающие автоматическую сортировку отходов от упаковки любой конфигурации. Биоудобрения, получаемые в результате переработки пищевых отходов, обеззаражены, не содержат микробов и патогенной микрофлоры и активно применяются в сельском хозяйстве.

Классические биогазовые установки промышленных масштабов часто массивные и требуют обеспечения значительными объемами энергетических культур, преимущественно силосом кукурузы, что объясняется ее высокой продуктивностью и низким содержанием лигнина.

Растущее использование сельскохозяйственных угодий для производства энергетических ресурсов вместо производства продовольствия обсуждается все больше и больше, несмотря на фактическое отсутствие дилеммы. Тем не менее, при наличии доступа к значительным объемам пищевых отходов и не исчезающей потребности в их утилизации, имеет смысл производить из них возобновляемые источники энергии.

Любой некондиционный продукт в упаковке – сырье для биогазовой станции

Переработка пищевых отходов, безусловно, является привлекательной альтернативой сбраживанию энергетических культур не только для операторов биогазовых установок, но и для производителей отходов, которые хотят от них избавиться.

В конечном итоге, пищевые отходы образуются постоянно, их не нужно специально культивировать и можно разумно использовать, поскольку они являются высокоэнергетическим сырьем для производства энергии.

Органические отходы пригодны для ферментации в биогазовых станциях, но могут содержать относительно большое количество зеленых отходов с древесиной, что может отрицательно повлиять на производство метана.

Пищевая промышленность, супермаркеты, гостиничный и ресторанный бизнес ежедневно генерируют массу органических отходов, требующие утилизации, а потому являются особенно привлекательными источниками сырья.

Поэтому компании по утилизации отходов могут строить биогазовые установки для обеспечения их надежной и экономичной переработки. Биогазовая станция для переработки пищевых отходов является наиболее разумным и доступным способом их утилизации. И, по сравнению, например, с технологией сжигания, намного доступнее.

Тем не менее, при безусловной целесообразности и реализуемости, технические требования к ферментации пищевых отходов достаточно высоки. Прежде всего повышенные требования касаются пластиковой упаковки, стекла, костей и других непригодных для сбраживания материалов, которые идут с пищевыми отходами.

При ферментации эти вещества являются проблематичными, только, если попадают в больших объемах, поскольку мешают процессу расщепления органических вещества. Поэтому каждая биогазовая станция, работающая на пищевых отходах, предусматривает наличие линии сортировки.

Фактически на сбраживание может подаваться сырье, исходное состояние которых позволяет реализовать транспортировку через сепараторы или сита. Системы предварительной подготовки сырья к сбраживанию схожи с используемыми на кондитерских фабриках, они обеспечивают и сортировку, и распаковку сырья от упаковки.

Удобрения полей дигестатом после биогазового производства

После ферментации оставшийся дегистат подлежит гигиенизации – процессу обеззараживания при температуре 70 градусов по Цельсию в течение одного часа в соответствии с нормативными актами. После этого, в случае отсутствия необходимости в дополнительном удалении азота, биоудобрения могут вноситься под культуры.

При строительстве биогазовых станций многие компании следуют общеизвестным концепциям и, например, реализуют общеизвестные резервуары для жидкого навоза. Однако принципиальный недостаток данного подхода заключается в том, что процесс ферментации пищевых отходов требует адаптации технологического решения согласно требованиям сырьевой базы. Наиболее эффективно зарекомендовала себя технология с размещением мешалки в верхней части ферментера, она лучше защищена и потребляет значительно меньше энергии по сравнению с классическим решением. Данная особенность конструкции несколько дороже в краткосрочной перспективе и целесообразна и окупаема, начиная с мощности в 500 кВт.

Следует обратить внимание на целесообразность сотрудничества любой биогазовой станции с исследовательскими учреждениями, позволяющими адаптировать и усовершенствовать любой технологический процесс в случае необходимости.

Компания АгроБиогаз предлагает полный комплекс работ и услуг по реализации и долгосрочному сопровождению проектов биогазовых станций, включая научно-исследовательские работы.

Информационный бюллетень

| Биогаз: преобразование отходов в энергию | Официальные документы

В США ежегодно производится 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 (жидкие и твердые).

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.

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 2200 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.

Помимо пользы 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 снижает 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 ежегодно теряется или выбрасывается.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 приоритетное внимание сначала 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 цели 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

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, но только 3 процента отходов животноводства перерабатывались 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.

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

Стандарт возобновляемого топлива (RFS) был создан Конгрессом в рамках 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 меньше парниковых газов, 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.

Счет фермы

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 передового биотоплива предусматривает выплаты производителям для продвижения производства передового 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.

Программа «Энергия в сельских районах для Америки» (REAP) предоставляет гранты и гарантии по кредитам сельскохозяйственным производителям и малым предприятиям в сельской местности 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 разработкам в области 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 способствует использованию 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 восстановлению и использованию биогаза, полученного 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 повторно использовать питательные вещества в пищевых продуктах, 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 меньшей мере 14,5 миллиона американцев не имели доступа к широкополосной связи (или высокоскоростному Интернету), при этом на сельские общины и племенные земли ложилась непропорциональная 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.

Фиксированная беспроводная связь: Фиксированная беспроводная сеть Интернет — 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 фиксированную беспроводную связь со скоростью 200 Мбит / с или выше для многоквартирных жилых домов.

Сотовая связь: Сотовая беспроводная связь соединяет пользователей с ближайшей вышкой сотовой связи, обычно с помощью смартфона.В то время как доступность сотовой связи в более развитых сельских районах превышает 95 процентов в наиболее распространенных сетях, 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 загрузки только 12,3 Мбит / с и скорость загрузки менее 4 Мбит / с.

Кабель: Кабельный Интернет — один из наиболее распространенных и доступных типов широкополосного доступа, который составляет почти 90 процентов пользователей Интернета.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 вид широкополосной связи. 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% в сельской местности 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, опубликованном в январе 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 в 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 использующих широкополосную связь, высокая ежемесячная стоимость подписки была наиболее часто упоминаемой причиной (50 процентов респондентов) отсутствия широкополосной связи дома, 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 цветные сообщества. 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 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 более широкому 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 сельских районах 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%, если в полной мере воспользуются доступными в настоящее время средствами повышения эффективности при подключении 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

Широкополосный доступ также позволяет использовать точное земледелие или использование датчиков и сбора 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 угодьях позволяет фермерам использовать технологии точного земледелия, которые приносят пользу их операциям 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 операторам (если это разрешено потребителем), 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 затраты 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 можно использовать 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 также могут 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, подключенных к электросети, расширяет контроль и знание коммунальными предприятиями 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 потребителем 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 исследовало, может ли он осуществлять выплаты CAF племенам без обозначения ETC, он пришел к выводу, что разрешающий закон запрещает это делать. Племена также сталкиваются с препятствиями при подаче заявок 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 г. (P.L. 111-5), которые больше не доступны.

Муниципальные инициативы и проблемы в области широкополосной связи

Муниципальные общегородские оптоволоконные 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 при развертывании, включая блокпосты 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, средневзвешенное значение составляло 7,5 человек 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 кооперативам электросетей предоставлять доступный Интернет своим необслуживаемым сообществам.

Существующие федеральные программы поддержки широкополосной связи

Федеральное правительство реализует свои существующие инициативы по расширению широкополосной связи, прежде всего, в Федеральной комиссии по связи (FCC), Службе сельских коммунальных предприятий (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 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. Фонд Rural Digital Opportunity Fund стремится к развертыванию высокоскоростной широкополосной связи более чем 5,2 миллионам жителей и предприятий в течение десятилетнего периода, в то время как Connect America Fund расширил широкополосный доступ в более чем 5,5 миллионах 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 связи (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 (RUS)

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. профинансировали гранты для Программы 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.

RUS также включает программу 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 еще 100 миллионов долларов в виде гранта было добавлено 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 создание нового временного фонда 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 стоимостью 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 палаты представителей по энергетике и торговле, и закон Доступный и доступный Интернет для всех Закон (HR1783), внесенный сенатором Клобучаром (Миннесота) и представителем Клайбурном (DS.C.). Эти счета потребуют 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 будут направлены 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. Если это будет продолжаться, цифровой разрыв еще больше сократится, что обеспечит бесчисленные социально-экономические выгоды и преимущества справедливости для недостаточно обслуживаемых регионов и будет способствовать 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 меньшей мере 14,5 миллиона американцев не имели доступа к широкополосной связи (или высокоскоростному Интернету), при этом на сельские общины и племенные земли ложилась непропорциональная 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.

Фиксированная беспроводная связь: Фиксированная беспроводная сеть Интернет — 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 фиксированную беспроводную связь со скоростью 200 Мбит / с или выше для многоквартирных жилых домов.

Сотовая связь: Сотовая беспроводная связь соединяет пользователей с ближайшей вышкой сотовой связи, обычно с помощью смартфона. В то время как доступность сотовой связи в более развитых сельских районах превышает 95 процентов в наиболее распространенных сетях, 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 загрузки только 12,3 Мбит / с и скорость загрузки менее 4 Мбит / с.

Кабель: Кабельный Интернет — один из наиболее распространенных и доступных видов широкополосного доступа, доступ к которому имеют 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 вид широкополосной связи.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% в сельской местности 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 в 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 использующих широкополосную связь, высокая ежемесячная стоимость подписки была наиболее часто упоминаемой причиной (50 процентов респондентов) отсутствия широкополосной связи дома, 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 цветные сообщества.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 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 более широкому 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 сельских районах 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%, если в полной мере воспользуются доступными в настоящее время средствами повышения эффективности при подключении 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

Широкополосный доступ также позволяет использовать точное земледелие или использование датчиков и сбора 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 угодьях позволяет фермерам использовать технологии точного земледелия, которые приносят пользу их операциям 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 операторам (если это разрешено потребителем), 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 затраты 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 можно использовать 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 также могут 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, подключенных к электросети, расширяет контроль и знание коммунальными предприятиями 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 потребителем 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 исследовало, может ли он осуществлять выплаты CAF племенам без обозначения ETC, он пришел к выводу, что разрешающий закон запрещает это делать. Племена также сталкиваются с препятствиями при подаче заявок 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 г. (P.L. 111-5), которые больше не доступны.

Муниципальные инициативы и проблемы в области широкополосной связи

Муниципальные общегородские оптоволоконные 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 при развертывании, включая блокпосты 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, средневзвешенное значение составляло 7,5 человек 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 кооперативам электросетей предоставлять доступный Интернет своим необслуживаемым сообществам.

Существующие федеральные программы поддержки широкополосной связи

Федеральное правительство реализует свои существующие инициативы по расширению широкополосной связи, прежде всего, в Федеральной комиссии по связи (FCC), Службе сельских коммунальных предприятий (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 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. Фонд Rural Digital Opportunity Fund стремится к развертыванию высокоскоростной широкополосной связи более чем 5,2 миллионам жителей и предприятий в течение десятилетнего периода, в то время как Connect America Fund расширил широкополосный доступ в более чем 5,5 миллионах 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 связи (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 (RUS)

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. профинансировали гранты для Программы 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.

RUS также включает программу 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 еще 100 миллионов долларов в виде гранта было добавлено 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 создание нового временного фонда 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 стоимостью 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 палаты представителей по энергетике и торговле, и закон Доступный и доступный Интернет для всех Закон (HR1783), внесенный сенатором Клобучаром (Миннесота) и представителем Клайбурном (DS.C.). Эти счета потребуют 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 будут направлены 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. Если это будет продолжаться, цифровой разрыв еще больше сократится, что обеспечит бесчисленные социально-экономические выгоды и преимущества справедливости для недостаточно обслуживаемых регионов и будет способствовать 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 меньшей мере 14,5 миллиона американцев не имели доступа к широкополосной связи (или высокоскоростному Интернету), при этом на сельские общины и племенные земли ложилась непропорциональная 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.

Фиксированная беспроводная связь: Фиксированная беспроводная сеть Интернет — 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 фиксированную беспроводную связь со скоростью 200 Мбит / с или выше для многоквартирных жилых домов.

Сотовая связь: Сотовая беспроводная связь соединяет пользователей с ближайшей вышкой сотовой связи, обычно с помощью смартфона. В то время как доступность сотовой связи в более развитых сельских районах превышает 95 процентов в наиболее распространенных сетях, 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 загрузки только 12,3 Мбит / с и скорость загрузки менее 4 Мбит / с.

Кабель: Кабельный Интернет — один из наиболее распространенных и доступных видов широкополосного доступа, доступ к которому имеют 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 вид широкополосной связи.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% в сельской местности 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 в 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 использующих широкополосную связь, высокая ежемесячная стоимость подписки была наиболее часто упоминаемой причиной (50 процентов респондентов) отсутствия широкополосной связи дома, 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 цветные сообщества.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 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 более широкому 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 сельских районах 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%, если в полной мере воспользуются доступными в настоящее время средствами повышения эффективности при подключении 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

Широкополосный доступ также позволяет использовать точное земледелие или использование датчиков и сбора 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 угодьях позволяет фермерам использовать технологии точного земледелия, которые приносят пользу их операциям 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 операторам (если это разрешено потребителем), 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 затраты 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 можно использовать 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 также могут 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, подключенных к электросети, расширяет контроль и знание коммунальными предприятиями 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 потребителем 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 исследовало, может ли он осуществлять выплаты CAF племенам без обозначения ETC, он пришел к выводу, что разрешающий закон запрещает это делать. Племена также сталкиваются с препятствиями при подаче заявок 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 г. (P.L. 111-5), которые больше не доступны.

Муниципальные инициативы и проблемы в области широкополосной связи

Муниципальные общегородские оптоволоконные 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 при развертывании, включая блокпосты 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, средневзвешенное значение составляло 7,5 человек 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 кооперативам электросетей предоставлять доступный Интернет своим необслуживаемым сообществам.

Существующие федеральные программы поддержки широкополосной связи

Федеральное правительство реализует свои существующие инициативы по расширению широкополосной связи, прежде всего, в Федеральной комиссии по связи (FCC), Службе сельских коммунальных предприятий (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 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. Фонд Rural Digital Opportunity Fund стремится к развертыванию высокоскоростной широкополосной связи более чем 5,2 миллионам жителей и предприятий в течение десятилетнего периода, в то время как Connect America Fund расширил широкополосный доступ в более чем 5,5 миллионах 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 связи (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 (RUS)

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. профинансировали гранты для Программы 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.

RUS также включает программу 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 еще 100 миллионов долларов в виде гранта было добавлено 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 создание нового временного фонда 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 стоимостью 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 палаты представителей по энергетике и торговле, и закон Доступный и доступный Интернет для всех Закон (HR1783), внесенный сенатором Клобучаром (Миннесота) и представителем Клайбурном (DS.C.). Эти счета потребуют 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 будут направлены 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. Если это будет продолжаться, цифровой разрыв еще больше сократится, что обеспечит бесчисленные социально-экономические выгоды и преимущества справедливости для недостаточно обслуживаемых регионов и будет способствовать 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.

Технико-экономическая оценка производства биогаза из пищевых отходов путем анаэробного сбраживания

Результаты характеризации

Содержание воды в пищевых отходах широко варьируется в зависимости от источника пищи и в некоторых случаях достигает 75% ³⁶ . Таким образом, измерение содержания влаги в каждом образце пищевых отходов имеет решающее значение при расчете общего произведенного количества и содержания питательных веществ в каждом образце ³⁷ . В таблице 1 показано содержание сухого вещества в исследуемых здесь образцах.Самым высоким содержанием влаги и, следовательно, самым низким содержанием сухого вещества был образец пищевых отходов из фруктов и овощей, показавший 80,4 и 19,6 мас.% Соответственно. Наибольшее содержание сухого вещества 81,7% по весу наблюдалось в образце плодов фиников, за которым следует образец отходов хлеба с 77,2% масс. Смешанные образцы пищевых отходов и образец картофельной кожуры содержали аналогичное количество сухого вещества (± 25 мас.%). Примерно 43 вес.% Образца мясных отходов составляло сухое вещество, в то время как для бобовых бобов, риса, листовых овощей, коровьего навоза и рыбных отходов (в порядке от самого высокого до самого низкого) было от ~ 30 до 40 вес.% Сухого вещества. иметь значение.

Таблица 1 Приблизительный анализ образцов с указанием их мас.% Сухого вещества.

Чтобы установить взаимосвязь между производительностью биогаза и биохимическими компонентами, для образцов, изученных в данном документе, был проведен экспресс-анализ, как показано в таблице 1. Анализ образцов проводился на сухой основе и в двух экземплярах для воспроизводимости данных. Скорость образования биогаза увеличивалась с увеличением содержания клетчатки вместе с уменьшением содержания жира в образце.Жиры считаются комплексными соединениями, которые приводят к общему снижению скорости биоразложения сырья. Например, образец плодов фиников показал относительно более высокое содержание клетчатки при самом низком содержании жира среди исследованных образцов со значениями 2,08 мас.% И 0,16 мас.% Соответственно. Кроме того, образец с самым высоким содержанием жира имел самый низкий потенциал для производства биогаза, что было связано со сложностью жирового соединения, которое требовало большего времени пребывания для разложения и образования биогаза (т.е.е. рыбные отходы). Кроме того, образец с самым высоким содержанием белка имел более низкий потенциал производства биогаза. Это результат высвобождения аммиака во время разложения белка, что вызвало повышение pH и снижение скорости биоразложения за счет ингибирования микроорганизмов в системе AD (т. Е. В образце мяса). Подводя итог, можно сказать, что для повышения производительности биогаза требуется сочетание различных факторов, таких как высокое содержание клетчатки, высокое содержание углеводов, низкое содержание жиров и белков.Следовательно, образцы финиковых фруктов, рисовых отходов, бобовых бобов и смешанных пищевых отходов обладают большим потенциалом для высокой скорости производства биогаза.

Производство биогаза (интервалы времени 24 часа)

Общее производство газа из каждой пробы регистрировалось с интервалами 3 часа в течение 24 часов, как показано на рис. 1 и 2. Образец смешанного пищевого продукта-1 показал резкое увеличение количества газа, выделяемого в течение первых 3 часов (61 мл / 1 г сухого вещества), с последующим небольшим увеличением через 6 часов (88 мл / 1 г сухого вещества), затем резкое повышение через 12 ч (127 мл / 1 г СВ).Затем до 24 ч скорость увеличения была почти стабильной, с общим выходом газа 157 мл / 1 г сухого вещества. Аналогичным образом образец фруктов и овощей показал резкое увеличение в первые 3 часа до 89 мл газа на 1 г сухого вещества образца. Затем, от 3 до 24 часов, дебит газа немного увеличился со стабильной скоростью с максимальным выходом газа 166 мл газа на 1 г сухого вещества образца, аналогично заключению, полученному Deressa et al. ³⁸ . Что касается образцов отходов хлеба, как обсуждалось ранее, было отмечено высокое содержание сухого вещества и, следовательно, высокое содержание органических веществ.Как правило, хлебные отходы содержат большое количество сахаров, волокон и жиров. Такие богатые органическими веществами отходы представляют собой многообещающий субстрат для использования в процессе AD с высоким потенциалом производства биогаза. Профиль выделения газа из пробы хлеба показан на рис. 1. Скорость выделения газа немного увеличилась в течение первых 3 часов (41 мл / 1 г сухого вещества), затем резко увеличилась между 3 и 12 часами, достигнув приблизительного количества 202 мл. газа на 1 г сухого вещества. Через 12 часов дебит газа немного увеличился до 256 мл через 24 часа.

Рисунок 1

Профиль производства газа для ( a ) смешанных пищевых продуктов-1, ( b ) фруктов и овощей, ( c ) хлеба, ( d ) картофельной кожуры, ( e ) смешанный корм-2 и ( f ) образцы мяса в течение 24 часов.

Рисунок 2

Профили производства газа для ( a ) риса, ( b ) коровьего навоза, ( c ) финиковых фруктов, ( d ) бобовых бобов, ( e ) листовых овощей и ( f ) пробы рыбных отходов за 24-часовой период.

Отходы картофельной кожуры богаты углеводами и поэтому легко поддаются биологическому разложению. ³⁹ . На рисунке 1 показано небольшое увеличение добычи газа в первые 6 часов (70 мл / 1 г сухого вещества), за которым следует резкое увеличение добычи газа до 24 часов с максимумом 201 мл / 1 г сухого вещества. Приведенные здесь результаты согласуются с недавней публикацией об отходах картофельной кожуры, которая произвела 217 мл / г ⁴⁰ , где физико-химические свойства картофельной кожуры показали, что она имеет высокий потенциал для производства биогаза через AD ⁴⁰ .Образец смешанного пищевого продукта-2 показал почти пропорциональную зависимость между временем удерживания и производительностью газа. Объем добычи газа постоянно увеличивался и достиг 190 мл / 1 г сухого вещества. Cattani et al. ²⁴ использовали аналогичную технологию и сообщили, что пищевые отходы произвели 168 мл / 1 г сухого вещества биогаза. Небольшая разница в результатах может быть связана с разницей в питательных веществах, содержащихся в каждом сырье (т. Е. В разных типах смешанных кормов). Из-за высокого содержания белка мясные отходы могут отрицательно повлиять на процесс AD, подавляя микробы за счет производства аммиака, который приводит к процессу пищеварения.Рисунок 1 показывает, что дебит газа медленно увеличивался в течение первых 3 часов (25 мл / 1 г сухого вещества). Затем отмечается низкая производительность до 24 часов с максимальным объемом газа 83 мл / 1 г сухого вещества. Неудивительно, что образец мяса показал низкое газообразование, поскольку он требует длительного времени удерживания, которое может достигать 80 дней ⁴¹ , где в течение первых 10 дней наблюдается медленное производство биогаза. Такое поведение связано с высоким содержанием белка в мясе, которому требуется больше времени для разложения.Кроме того, содержание углеводов, которые являются основным источником энергии для ферментирующих микробов, было самым низким в образцах мяса и рыбы, что частично может объяснить низкое газообразование в этих двух образцах. Подобно оценке содержания белка в мясе, Alqaisi et al. ⁴² обнаружил низкий выход газа для кунжутной муки, богатой растительным белком (т. Е. Содержание сырого протеина = 37,7%), по сравнению со значительно большим выходом газа в кормах, богатых углеводами, таких как картофельная кожура.

На рис. 2 показан профиль добычи газа из образца риса с небольшим увеличением в первые 6 часов (109 мл / 1 г сухого вещества), за которым следует резкое увеличение между 6 и 24 часами, с общим выходом газа 421 мл на 1 грамм. 1 г сухого вещества пробы.Таким образом, результаты показали, что рисовые отходы (вареный рис) можно рассматривать как перспективный источник для производства биогаза. Приведенные выше результаты аналогичны результатам Glivin и Sekhar ⁴³ , где сравнение возможности производства биогаза из рисовых и овощных отходов показало, что из рисовых отходов было произведено больше биогаза, чем из растительных. Это, как указывалось выше, связано с более высоким содержанием углеводов в рисовых отходах. Производство газа из коровьего навоза аналогично производству смешанного корма, что отчасти объясняется схожим содержанием органических веществ.На рис. 2 видно, что объем добычи газа несколько увеличился и стабилен в первые 6 ч инкубационного процесса. После этого добыча газа резко увеличилась в период от 6 до 24 часов (203 мл / 1 г сухого вещества). На коровьем навозе были проведены многочисленные исследования скорости производства биогаза. Putria et al. ⁴⁴ провели эксперимент AD на коровьем навозе, в котором за 24 часа было произведено 200 мл / г биогаза, что согласуется с результатами, полученными в текущем исследовании. Зиауддин и Раджеш ³² провели исследование, чтобы сравнить количество биогаза, полученного из пищевых отходов и коровьего навоза.Были собраны два набора образцов, набор-1 содержал коровий навоз, а набор-2 содержал кухонные отходы, где эксперименты AD проводились на обоих образцах в течение 8 дней. Исследование показало, что пищевые отходы производили больше газа, чем коровий навоз, в течение восьми дней со средними значениями 89,37 и 23,75 мл соответственно. Другое исследование было проведено Chibueze et al. ⁴⁵ для оценки эффективности производства биогаза из коровьего навоза по сравнению с пищевыми отходами, и был получен такой же вывод. Эксперимент AD проводили в течение 15 дней на 150 г двух образцов (коровий навоз и сырье для пищевых отходов).Результаты показали, что через 15 дней при переваривании коровьего навоза было произведено 19,2 мл биогаза, а при переваривании пищевых отходов — 30,58 мл. Результат был предсказан благодаря двум факторам: во-первых, количество питательных веществ в пищевых отходах больше, чем в коровьем навозе. Согласно предварительным результатам анализа, коровий навоз содержит меньше углеводов, чем пищевые отходы, со значениями 20 мас.% И 61,9 мас.% Соответственно. Во-вторых, из-за изменения pH в процессе AD в каждом образце. Поскольку pH является важным фактором, влияющим на эффективность переваривания, значения pH измерялись на протяжении всего процесса.Было замечено, что в образце коровьего навоза pH снижался быстрее из-за выработки кислот (например, жирных и аминокислот), что было результатом высокого содержания белка, поэтому на четвертый день эксперимента он стал более кислым. С другой стороны, это произошло на 12-й день для образца пищевых отходов (более низкое содержание белка). Кислотность приводит к снижению pH и, следовательно, снижает эффективность анаэробного пищеварения. Таким образом, объемы производства газа (мл) пищевых отходов и коровьего навоза после 15 дней непрерывного производства составили 30.58 и 19,2 мл соответственно.

Плоды фиников — это целлюлозные соединения, которые в основном содержат сахара с незначительным вкладом минералов и жиров. Следовательно, у него есть значительный потенциал для производства биогаза или биотоплива с помощью процесса AD, когда финиковые фрукты производят вдвое больше газа, чем из коровьего навоза. Профиль газоотдачи образца плодов фиников резко увеличился в течение первых 3 часов (153 мл / 1 г сухого вещества). Затем между 3 и 12 часами оно увеличивалось до удвоения количества газа (307 мл), затем через 24 часа общее выделение газа составило 386 мл на 1 г сухого вещества образца.

Что касается бобовых, из-за высокого содержания органических веществ их можно использовать в качестве субстрата для производства биогаза. В данном случае использовалась смесь различных видов бобовых бобов (т. Е. Чечевицы, бобов, нута и бобов). На рис. 2 показано резкое увеличение производительности газа в начале процесса разложения (между 0 и 3 часами). Затем наблюдалось небольшое увеличение с 3 до 6 часов. По истечении времени удерживания в 6 ч дебит газа резко увеличивался (со 122 мл за 6 ч до 343 мл за 24 ч).В то время как для листовых овощей смесь нескольких типов листовых овощей, которые обычно производились внутри страны (например, салат, кориандр, мята и лавровый лист), использовалась в качестве сырья для эксперимента AD с целью изучения их потенциала для производства биогаза ⁴⁶ . Профиль газообразования листовых овощей показывает медленное увеличение объема газа в течение первых 3 часов (42 мл / 1 г сухого вещества). Затем, между 3 и 24 часами, добыча газа увеличивалась почти пропорционально и незначительно с увеличением времени удерживания с максимальным количеством газа 104 мл / 1 г сухого вещества.Наконец, образец рыбных отходов показал медленное увеличение добычи газа в начале процесса AD (44 мл газа произведено до 3 часов). Затем добыча газа немного увеличилась и через 12 ч достигла 76 мл. После этого изменения количества газа между 12 и 24 часами не наблюдалось. Кафле и Хун Ким ⁴⁷ провели эксперимент AD с рыбными отходами, но с более длительным временем удерживания (60 дней). Результаты показали аналогичную тенденцию увеличения продуктивности газа в начале анаэробного сбраживания, а затем замедления скорости производства биогаза.

Интересно, что образцы с аналогичным содержанием жира вели себя аналогичным образом в отношении объема производства биогаза в течение первых 3 часов. Например, образцы фруктов и овощей и бобовых бобов показали газообразование 89 и 91 мл / 1 г сухого вещества соответственно. В то время как образцы мяса и коровьего навоза с содержанием жира 0,51 и 0,53 мас.% Показали выделение газа 25 и 27 мл / 1 г сухого вещества соответственно. Приведенные здесь результаты согласуются с Li et al. ¹⁸ исследование, в котором изучалось влияние углеводов, липидов и белков на БА.Они сообщили, что корм с самым высоким содержанием углеводов приводит к более высокой скорости биоразложения. С другой стороны, содержание липидов требовало большего времени пребывания для разложения из-за его сложной структуры. На рис. 3 показано сравнение исследованных здесь образцов по общему количеству газов и метану, полученному в течение 24-часового испытания. Очевидно, что три самых высоких уровня производства биогаза были для риса, финиковых фруктов и бобовых бобов с общим выделением газа 421, 386 и 343 мл / 1 г сухого вещества соответственно, как показано на рис.3а. Производство газообразного метана для этих образцов составило 17, 13 и 8 мл / 1 г сухого вещества, соответственно, как показано на рис. 3b. Основываясь на их составе, который способствует производству биогаза и его доступности на местном уровне, мы решили провести испытания на производство биогаза в течение более длительного периода (21 день) для этих образцов (рис, финиковые фрукты и бобы) вместе со смешанными пищевыми отходами, которые являются большим количеством отходов в это тематическое исследование.

Рис. 3

Профили общей добычи газа ( a , b ) и производство газа метана по исследуемым здесь образцам отходов, оба в течение 24-часового инкубационного периода.

Производство биогаза и концентрация метана (интервалы времени 21 день)

Производство биогаза вместе с концентрацией метана за 21 день показано на рис. 4a – d для выбранных образцов (финиковые фрукты, рисовые отходы, бобовые бобы и смешанные пищевые отходы). В целом, в каждом образце наблюдалось ежедневное увеличение накопленного произведенного биогаза. На 21 день самые высокие значения продукции газа из образцов рисовых отходов и смешанных пищевых отходов составили ~ 1600 и 1550 мл / 1 г сухого вещества соответственно.На рис. 4a – d показаны колебания концентрации метана во всех пробах. Колебание концентрации метана было связано с большим колебанием уровней метаногенных популяционных бактерий, поскольку летучие жирные кислоты накапливались и затем потреблялись. Об аналогичных характеристиках (т. Е. Колебаниях концентрации метана) сообщили Griffin et al. ⁴⁸ . Исследование было сосредоточено на анализе производительности мезофильного анаэробного варочного котла, где они наблюдали изменение количества производимого биогаза и концентрации метана на протяжении всего процесса пищеварения.Во время инкубационного периода происходили различные процессы пищеварения, что приводило к изменению pH среды инкубатора. На рост микроорганизмов в процессе AD влияет изменение значения pH. Каждый тип бактерий (т. Е. Метаногенных) имеет определенный диапазон pH, который будет активен, что отражается в колебаниях концентрации метана в каждом образце. Кроме того, колебания температуры в варочном котле влияют на тип / популяцию микроорганизмов. Обычно внутри инкубатора было два источника энергии (изменение температуры): окружающие условия и активность микроорганизмов.С другой стороны, содержание питательных веществ (т.е. состав) сырья играет жизненно важную роль в количестве / динамике производимого биогаза, как показано в Таблице 1.

Рисунок 4

Общие профили добычи газа и% добычи газа метана за 21 день с использованием ( a ) плодов фиников, ( b ) рисовых отходов, ( c ) бобовых бобов и ( d ) смешанных образцов пищевых отходов.

В образце плодов фиников концентрация метана была менее 20% в день 1, а затем она значительно увеличилась до 55% в день 3.После этого концентрация метана снизилась до менее 20% и оставалась на этом низком уровне до 21 дня. Однако образец рисовых отходов показал постепенное снижение концентрации метана с 3-го по 16-й день, затем она резко увеличилась до достижения ~ 64% на 21 день. Образец бобовых бобов начинался с высокой концентрации метана (52%) в 1 день от AD, а затем колебался, достигая 40% на 21 день. Концентрация метана в образце смешанных пищевых отходов колебалась примерно на уровне 30% на протяжении всего процесса AD.

Результаты моделирования производства биогаза с использованием пищевых отходов

В таблице S1 (дополнительная информация) показано общее производство газа и метана из различных образцов отходов. Произошла значительная разница (p <0,05) в производстве газа и метана между отходами. Производство газа варьировалось от 76 до 421 мл / г сухого вещества в пробах рыбных и рисовых отходов соответственно. Более того, производство метана варьировалось от низкого уровня производства 1 мл / г сухого вещества до высокого уровня производства 16,6 мл / г сухого вещества в пробах рыбных и рисовых отходов, соответственно.24-часовая оценка производства газа и метана может быть интересна для составления карты потенциального образования газа в образцах отходов, поскольку она дает предварительные результаты о потенциале ферментации. В нашем исследовании наблюдалась сильная корреляция (corr = 0,92) между газом in vitro и продукцией метана через 24 часа. Значительные различия в производстве газа и метана можно частично объяснить вариациями содержания биогенных веществ в отходах. Такие вариации обеспечивают поступление питательных веществ к микробам, что приводит к различным уровням газообразования.Оцениваемые образцы отходов, представленные здесь, представляют широкий спектр промышленных и сельскохозяйственных отходов, поэтому ожидаются вариации в их содержании питательных веществ. В целом, 24-часовой тест можно использовать для оценки ферментационной способности исходного сырья, которая рассчитана на более длительные периоды. Таким образом, наш подход может иметь потенциальное применение в промышленности, поскольку 24-часовой тест может дать хорошее представление о потенциальном образовании субстратного газа в качестве быстрого теста, который экономит время с минимальными усилиями.

Таблица 2 представляет собой сводку полиномиальных моделей, используемых для прогнозирования общего производства газа и метана во время периодов ферментации.Недавние исследования показали, что полиномиальные модели особенно подходят для изучения производства газа в течение периода ферментации в различных ферментационных системах ^23,49,50,51 . С точки зрения ферментации, производство газа является непрерывным процессом и может показывать взаимосвязь роста в течение периода времени, в течение которого такая взаимосвязь может быть проверена с помощью полиномиальной модели. Модели добычи газа (рис. 5, 6) могут объяснить большинство точек данных, этот вывод подтверждается высоким качеством согласия.Суммарные газовые модели показали отличное совпадение теоретических и практических данных. Неудивительно, что метановая модель не показала хорошего соответствия между теоретическими и практическими данными, за исключением только двух образцов: финиковых фруктов и пищевых отходов. Это может быть связано с колебаниями, наблюдаемыми в производстве метана, как показано на рис. 4. Производство метана пропорционально производству газа, эта пропорция изменяется в течение дней ферментации в зависимости от содержания питательных веществ в биологических отходах.Таким образом, в нашем исследовании использованная полиномиальная модель может хорошо подходить только для данных о производстве метана в двух выборках (финиковые фрукты и пищевые отходы). Дополнительные параметры, такие как содержание питательных веществ и взаимосвязь между общей добычей газа и уровнем добычи метана, могут быть введены в будущих исследованиях для улучшения соответствия.

Таблица 2 Сводные полиномиальные модели для производства газа и метана из финиковых фруктов, рисовых отходов, бобовых бобов и пищевых отходов. Рис. 5

Полиномиальные графики образования газа (мл / г сухого вещества) относительно времени ферментации в четырех образцах пищевых отходов.Линии представляют собой прогнозируемый газ, а точки — практические значения.

Рис. 6

Полиномиальные графики производства метана (мл / г СВ) относительно времени ферментации в четырех образцах пищевых отходов. Линии представляют собой прогнозируемый газ, а точки — практические значения.

Экономическая оценка производства биогаза из пищевых отходов

Предварительное экономическое исследование было проведено здесь для оценки экономической целесообразности установки анаэробного варочного котла для обработки пищевых отходов, образующихся из тематического исследования (лагерь Фахуд).Основная концепция — замена сжиженного нефтяного газа биогазом, где можно добиться экономии. Бхатт и Тао изучили экономические перспективы производства биогаза с помощью AD на предприятиях разного масштаба ³⁶ . Важно отметить, что если пищевые отходы перерабатываются на предприятиях более крупного масштаба, это в конечном итоге снижает общие затраты за счет экономии на масштабе. Этого можно достичь за счет разработки централизованного подхода к сбору и переработке пищевых отходов. Расчетная скорость производства биогаза, используемая в этой экономической оценке, основана на значении, определенном в эксперименте AD, как показано ниже в Таблице 3 и Таблице S2 в масштабе 3280 кг / месяц пищевых отходов.

Таблица 3 Расчет предполагаемой производительности биогаза в тематическом исследовании.

Экономический анализ основан на методе дисконтирования денежных потоков (DCF), при котором прогнозируемые будущие денежные потоки дисконтируются по ставке, которая представляет собой стоимость капитала. Анализ включает определение дисконтированного периода окупаемости, а также чистой приведенной стоимости (NPV) тематического исследования. В ходе анализа изучалось влияние различных цен на газ на жизнеспособность проекта, чтобы дать руководящие указания лицам, принимающим решения, по инвестициям.В таблице 4 представлены предположения, на которых построен анализ.

Таблица 4 Допущения для экономического анализа на основе тематического исследования.

В таблице 5 представлены расчеты годового денежного потока, на которых построена модель DCF.

Таблица 5 Расчет годового денежного потока для экономического анализа на основе тематического исследования.

Дисконтированный срок окупаемости, DPP (лет) рассчитывается по формуле. (1)

$$ DPP = \ frac {\ mathrm {ln} \ left (\ frac {1} {1- (I * r / CF)} \ right)} {\ mathrm {ln} (1 + r )} $$

(1)

где I = начальные инвестиции, r = ставка дисконтирования и CF = денежный поток.{t}} $$

(2)

Результаты экономического анализа

Здесь в таблице 6 представлены дисконтированный период окупаемости и чистая приведенная стоимость (NPV) тематического исследования при различных ценах на метан за м. ³ для срока реализации проекта более 10 лет. Оба метода анализа учитывают временную стоимость денег. Расчетная чистая приведенная стоимость представляет собой сумму всех дисконтированных будущих денежных потоков за вычетом первоначальных общих инвестиций в капитальные затраты и оборотный капитал.Положительное значение NPV означает, что необходимо рассмотреть вопрос о строительстве биогазовой установки и создать эту ценность. Если результат NPV отрицательный, то проект в тематическом исследовании следует отбросить, а если результат равен нулю, то ценность не создается, но также не возникает никаких потерь. Расчетная стоимость представляет собой общий финансовый вклад исследования в жизнь его владельцев с учетом временной стоимости денег. Можно отметить, что цены на газ в размере 0,22 долл. США / м ³ и 0,26 долл. США / м ³ дают отрицательную чистую приведенную стоимость, что указывает на то, что проект в тематическом исследовании будет нести убытки при таких темпах.Кроме того, дисконтированный период окупаемости, рассчитанный по этим ставкам, составляет> 10 лет, то есть больше, чем ожидаемый срок службы оборудования. Не рекомендуется проводить проект по таким ценам / м ³ . Кроме того, все остальные исследованные коэффициенты указывают на то, что стоимость создается за счет разработки этого проекта, поскольку все они имеют положительную чистую приведенную стоимость, однако сроки окупаемости соответственно различаются. Кроме того, для достижения безубыточности проекта, то есть для получения NPV, равной 0, расход газа составляет приблизительно 0 долларов США.2944 / м ³ не требуется. Любые цены ниже этой ставки приведут к убыткам, а любые цены выше этой ставки создадут стоимость. Инвестиции в установку по производству биогаза в Фахуде следует тщательно продумать, исходя из текущих и ожидаемых будущих тарифов на газ. Обратите внимание, что годовые денежные потоки, используемые в анализе, основаны только на экономии газа. Если будет включена экономия платы за управление отходами, общая экономия будет выше, что приведет к увеличению годовых денежных потоков и улучшению результатов проекта.

Таблица 6 Сводная информация о дисконтированном периоде окупаемости вместе с чистой приведенной стоимостью на основе различных цен на метан за метр ³ .

Кроме того, это количество биогаза может заменить примерно 28,6% сжиженного нефтяного газа, потребляемого в настоящее время в Фахуде (для приготовления пищи), как показано в Таблице 7.

Таблица 7 Сводная информация по замене сжиженного нефтяного газа для целей приготовления пищи на основе тематического исследования.

Есть также недостатки, связанные с производством биогаза, которые включают выбросы парниковых газов (ПГ) из-за неэффективного обращения в процессе. ⁵³ . Оценка жизненного цикла должна быть проведена для оценки и обеспечения экологической устойчивости такого процесса ⁵⁴ . Стоит отметить, что пищевые отходы могут использоваться для производства химических веществ с добавленной стоимостью, таких как карбоновые кислоты (C ₂ –C ₆ кислоты), что может обеспечить более выгодное предложение ^5,55,56 .

Производство биогаза из пищевых отходов путем совместного переваривания и переваривания — влияние на производительность и микробную экологию

Производительность биогазовых реакторов

Средние значения pH для MDi, McoDi, TDi и TcoDi составляли 7.7 ± 0,1, 7,9 ± 0,1, 7,8 ± 0,2 и 8,2 ± 0,1 соответственно. Как показано на рис. 1, средний pH McoDi и MDi был сопоставим, хотя и немного выше у McoDi. Примечательно, что в то время как pH TDi был подобен мезофильным процессам, повышенный pH был ясно виден для TcoDi. Это согласуется с более высокими концентрациями аммиака в системах совместного переваривания (McoDi и TcoDi), которые были на 16,5% и 13,7% выше, чем в варочных котлах MDi и TDi, соответственно (рис. 2). Кроме того, как показано на рис. 1, щелочность в совместных переваривающих установках также была выше, чем в системах переваривания.Скорее всего, это связано с добавлением навоза, поскольку навоз обычно имеет высокое содержание азотсодержащего материала ⁸ , который выделяется в виде аммиака в процессе ферментации и действует как буферная система.

Рис. 1

pH и щелочность в различных варочных котлах, представленные как среднее значение измерений за период. Для сравнения также представлены значения pH и щелочности в варочном котле, использующем только мезофильный навоз (MMD).

Рис. 2

Концентрации общего и свободного аммиака в системах разложения и совместного разложения.

Разложение органического материала во всех варочных котлах измерялось с точки зрения удаления TCOD (рис. 3). Независимо от рабочей температуры, эффективность удаления была выше для систем разложения (MDi: 73,0% и TDi: 66,4%), чем для совместных варочных котлов (McoDi: 61,4% и TcoDi: 56,7%). Этого следовало ожидать из-за общей высокой разлагаемости пищевых отходов ¹³ . MDi имел самый высокий выход метана из всех четырех варочных котлов с 479,5 ± 33,9 мл CH ₄ / г VS _сырья , что составило 11.На 5%, 7,0% и 31,6% выше, чем у McoDi, TDi и TcoDi, соответственно (рис. 3). Эти результаты согласуются с более ранними исследованиями, опубликованными в другом месте ^8,14 . Кроме того, более низкое производство метана в термофильных реакторах может быть связано с присутствием более высоких концентраций свободного аммиака, которые в среднем составляли 198 мг / л для TDi и 431 мг / л для TcoDi (рис. 2), потенциально вызывая ингибирование процесс метаногенеза ¹⁵ .

Рис. 3

Концентрации TCOD во входящем (синий) и выходящий (красный) поток и среднее образование метана (серый) из каждого реактора.

Было замечено, что совместное сбраживание пищевых отходов и навоза может увеличить производство биогаза и привести к более стабильным процессам пищеварения ^7,16,17,18 . Мы также наблюдали более высокое производство метана, когда сравнивали выход метана McoDi, подаваемого со смесью пищевых отходов и навоза, с мезофильным (37 ° C) варочным котлом, подаваемым только навозом. Выходы метана из варочного котла с навозом и McoDi составили 133 ± 18 и 430 ± 28 мл CH ₄ / г VS _сырья , соответственно.На основании измеренного удельного выхода метана из MDi и реактора, работающего только на навозе, ожидаемый выход метана для McoDi без каких-либо синергетических эффектов будет 341 мл CH ₄ / г VS _сырья . Однако наши результаты показали, что наблюдаемый выход метана McoDi составлял 430 мл CH ₄ / г VS _корм , что означает, что совместное сбраживание пищевых отходов и навоза (McoDi) привело к увеличению производства метана на 26%, чем сумма переваривания индивидуальных субстратов.

Значения солюбилизации, оцененные для MDi, McoDi, TDi и TcoDi, составили 56, 55, 63 и 48% соответственно (см. Уравнение 1).Наибольшая степень солюбилизации наблюдалась в TDi (63%), хотя в этой системе было образовано меньше метана по сравнению с MDi и McoDi (обсуждалось выше). Также было замечено, что доля SCOD степени солюбилизации в TDi была довольно высокой (10%), и, таким образом, менее солюбилизированные соединения превращались в конечный продукт — метан. Такое накопление растворимого ХПК, вероятно, было вызвано более высокой способностью к разложению пищевых отходов по сравнению с навозом. На SCOD приходилось 1, 2 и 6% степени солюбилизации в MDi, McoDi и TcoDi, соответственно.Более того, TcoDi показал самую низкую степень солюбилизации (48%), что указывает на менее эффективную солюбилизацию смеси субстратов. Кроме того, когда результаты SCOD сравнивались между установками варочного котла (то есть MDi против TDi и McoDi против TcoDi), было выявлено, что SCOD был в 10 и 4 раза выше в стоках TDi и TcoDi, чем у MDi и McoDi. Однако концентрации SCOD в стоках были статистически сопоставимы в мезофильном варочном котле (932 ± 151) и совместном варочном котле (1537 ± 511) (p _{, значение} = 0.05).

В целом, оба мезофильных варочных котла имели низкие концентрации летучих жирных кислот (ЛЖК). Анализ измерений ЛЖК (рис. 4) показал, что ацетат является основной ЛЖК в мезофильных гидролизерах MDi и McoDi, который в среднем составлял 172 ± 61 и 93 ± 54 мг / л соответственно. Остальные ЛЖК, обнаруженные в мезофильных гидролизерах, пропионовой, изомасляной и масляной кислотах, были ниже 50 мг / л (рис. 4). Таким образом, оказалось, что ферментативный и метаногенный процессы находятся в равновесии, предотвращая накопление промежуточных продуктов в MDi и McoDi.Сообщалось о низких концентрациях ЛЖК в анаэробном варочном котле, работающем в мезофильных условиях для обработки пищевых отходов ¹⁹ . Анализ профилей ЛЖК (рис. 4) показал совершенно разное поведение в термофильном варочном котле TDi и совместном варочном котле TcoDi. Ацетат и пропионат накапливались в TDi, составляя в среднем 2150 ± 208 и 833 ± 282 мг / л соответственно. Эти результаты согласуются с предыдущими работами, описанными в литературе, о том, что в термофильных условиях наблюдались повышенные концентрации ЛЖК, в то время как мезофильные гидролизеры были способны достигать более низких концентраций ЛЖК ^19,20 .Как видно из рис. 4, концентрации общих ЛЖК в TcoDi были менее 300 мг / л, в которых пропионат был основным ЛЖК со средней концентрацией 163 ± 27 мг / л. Это различие в профиле VFA в TDi и TcoDi может быть связано с улучшенными синергическими характеристиками ацетогенов и метаногенов в TcoDi, которые предотвращают накопление промежуточных продуктов и приводят к значительно более низким концентрациям VFA в TcoDi. Медленное разложение навоза, который составлял 40% (на основе VS) сырья в котлах, также может объяснить эту разницу.

Рис. 4

Концентрации летучих жирных кислот в ( A ): MDi; ( B ) McoDi; ( C ): TDi; и ( D ): системы расщепления TcoDi.

Микробный состав мезофильных реакторов

Статистический анализ показал, что анаэробный процесс совместного переваривания привел к значительному (значение p <0,005) более высокому микробному богатству по сравнению с переваривателями, питаемыми только пищевыми отходами (см. Дополнительный рис.S1). Основными бактериями в обоих мезофильных гидролизерах были Firmicutes , Chloroflexi , Bacteroidetes и Actinobacteria (рис. 4). Однако распределение этих основных бактерий в варочных котлах было другим. Chloroflexi , который на заключительной фазе составлял 54% последовательностей, был доминирующим филумом в MDi, за ним следовали 25% Firmicutes и 15% Bacteroidetes . Firmicutes (60% последовательностей в финальной фазе) был доминирующим типом в McoDi, в то время как относительная численность Chloroflexi (22%) и Bacteroidetes (8%) была заметно ниже в McoDi, чем в MDi.Кроме того, в McoDi был идентифицирован тип-кандидат WWE1, на который приходилось 5% относительной численности. Лимам и др. . ²¹ исследовал метаболическую функцию членов WWE1 и предположил, что члены этого подразделения участвовали в гидролизе целлюлозных материалов. WWE1 также был обнаружен в исследованиях мезофильного совместного переваривания навоза с различными сельскохозяйственными остатками ^22,23 . Таким образом, добавление коровьего навоза в систему совместного пищеварения, по-видимому, стимулирует рост членов WWE1, вероятно, участвующих в разложении целлюлозы, содержащейся в навозе.Следует отметить, что в данном исследовании WWE1 не был обнаружен в коровьем навозе. Преобладание Chloroflexi в MDi (рис.5), которое в основном состоит из группы T78 семейства Anaerolinacea , вероятно, было связано с присутствием ферментируемых углеводов в предварительно обработанных пищевых отходах (пастеризованных при 70 ° C). ). Anaerolinacea в основном являются сахаролитическими анаэробами и используют ряд углеводов для роста ^24,25 . Использование навоза в качестве сырья для систем совместного сбраживания привело к различному относительному обилию бактериальных сообществ в McoDi и привело к преобладанию Firmicutes , которые включают представителей с очень разнообразными метаболическими характеристиками и большим потенциалом для разложения стойкого навоза ^{26 , 27} . Firmicutes был отмечен как один из основных микробов, вносящих вклад в несколько исследований, проведенных на анаэробных варочных котлах, что указывает на то, что тип является общим как для мезофильных, так и для термофильных процессов ^28,29 . Кроме того, доминирование Firmicutes также было связано с улучшением характеристик реактора ²⁰ . Более высокая относительная численность Bacteroidetes в MDi, который скармливали предварительно обработанным пищевым отходам, вероятно, указывает на участие их членов в деградации промежуточных продуктов деградации углеводов и белков.

Рисунок 5

Филогенетическое распределение последовательностей гена 16S рРНК в анаэробных переваривающих и совместных дигестерах, представленное на уровне филума. Эффект совместного переваривания тестировали при мезофильной (T37 ° C) и термофильной (T55 ° C) температуре.

Примечательно, что относительная численность Fimicutes увеличилась на заключительной фазе McoDi по сравнению с MDi. Это может быть связано с добавлением навоза, который является потенциальным источником Firmicutes , поскольку организмы, принадлежащие к этому типу, доминировали в микробном профиле навозного сырья с 78% всех последовательностей (рис.5). Чтобы оценить это, было исследовано распределение последовательностей на уровне родов, и было замечено большое разнообразие в пределах Firmicutes -phylum (фиг. 6A). Неклассифицированный род семейства Tissierellaceae составлял 32% последовательностей, отнесенных к типу Firmicutes в заключительной фазе MDi, в то время как это значение было намного ниже в McoDi (11% типа), где основной род был Clostridium (42% филума). В соответствии с этим, три OTU, назначенные для Clostridium , были значительно более распространены в McoDi по сравнению с MDi (дополнительный рис.S2, см. Также фиг. 7A). Таким образом, похоже, что Firmicutes в целом и Clostridium в частности играли важную роль в системе McoDi. Этот род также был представлен в образцах коровьего навоза, составляя 9% последовательностей, связанных с Firmicutes . Анализ основных компонентов (PCA) был использован для исследования возможных связей между микробиомом и производительностью. На основании этого анализа была обнаружена ассоциация Clostridium с концентрацией н-бутирата, хотя в обоих мезофильных варочных котлах были измерены только низкие уровни бутирата (рис.7Б). Примечательно, что наблюдалась корреляция между количеством Clostridium и коровьим навозом, используемым в исходной смеси системы совместного сбраживания. Поэтому разумно полагать, что увеличение относительной численности Clostridium в системе совместного переваривания произошло из-за коровьего навоза в качестве сырья. Тем не менее, следует отметить, что некоторые виды Clostridium могут образовывать эндоспоры, которые позволяют им переносить влажное тепло ³⁰ и предварительную пастеризационную обработку пищевых отходов, собранных в центре обработки.Следовательно, пищевые отходы не могут быть исключены как источник Clostridium . Однако переход из использованного коровьего навоза кажется более вероятным из-за вышеупомянутого увеличения количества Clostridium на в McoDi. Это также подтверждается корреляцией более высоких количеств Clostridium с добавлением коровьего навоза.

Рисунок 6

Филогенетическое распределение родов внутри ( A ) филума Firmicutes и ( B ) филума Euryarchaeota .Хотя все роды (> 0,005% от общего числа последовательностей) включены в круговую диаграмму для Firmicutes , только роды, представляющие ≥1% последовательностей по крайней мере в одном из образцов, включены в легенду для уменьшения размера. Наиболее доминирующие роды выделены жирным шрифтом для облегчения визуальной интерпретации.

Рисунок 7

Относительная численность OTU, классифицированных на уровне рода или наивысшем возможном ранжированном таксономическом уровне ( A ), и их связь с рабочими условиями и переменными процесса в мезофильном ( B ) и термофильном ( C) ) метантенки, оцененные с помощью анализа главных компонентов (PCA).Химические переменные, включенные в графики PCA, — это значения NH ₃ , CH ₄ (мл / неделя) и ЛЖК (пропионат; «Pro», ацетат; «AC», н-бутират; «n-Bu », И-бутират;« и-бу », и-валерат;« и-ва »). В гистограмме аннотированы только самые распространенные таксоны для упрощения. Полная таблица OTU представлена ​​в дополнительном электронном материале, Таблица S1.

Архей, принадлежащих к типу Euryarchaeota , среди MDi и McoDi преобладали Methanobacterium и Methanosaeta (рис.6Б). Распределение родов внутри этого типа было сходным для начальной и конечной фаз в MDi, где доминировал Methanosaeta , составляя 53% и 62% (в начальной и конечной фазах, соответственно) последовательностей архей. Methanosaeta также был заметен в McoDi (43% и 36% в начальной и конечной фазах соответственно), но значительно ниже по сравнению с MDi (дополнительный рисунок S2). В дополнение к Methanobacterium и Methanosaeta , заметная часть метаногенной популяции также была отнесена к роду Methanobrevibacter в McoDi, с увеличением относительной численности с течением времени (с 7% архейных последовательностей на начальной фазе до 22% на заключительном этапе). Methanobrevibacter , скорее всего, произошел из навоза, использованного в этом исследовании, поскольку анализ образцов навоза показал, что Methanobrevibacter является единственной доминирующей архей (рис. 6B). В то время как Methanosaeta известен как метаноген, утилизирующий ацетат, Methanobacterium и Methanobrevibacter содержат H ₂ , использующий метаногены ³¹ , что указывает на смешанный путь производства метана в мезофильной системе совместного переваривания.Причина наличия утилизаторов с высоким содержанием водорода может частично быть связана с немного более высоким уровнем свободного аммиака, наблюдаемым в McoDi (81 мг / л по сравнению с 50 мг / л в MDi), а частично из-за постоянного добавления Methanobrevibacter через навоз. Это согласуется с предыдущими исследованиями, показывающими преобладание водорода, использующего метаногены, в варочных котлах с навозом ^32,33 .

Микробный состав термофильных дигестеров

Бактериальные сообщества в TDi и TcoDi в основном состояли из четырех типов (относительная численность> 1%) Thermotogae , Firmicutes , Synergistetes и Bacteroidetes (рис.5). Однако относительная численность этих типов заметно различалась в TDi и TcoDi, за исключением Bacteroidetes , на долю которых приходилось 1-2% от общего числа последовательностей в обоих гидролизерах. Глубокое влияние совместного переваривания на бактериальное сообщество в заключительной фазе TcoDi отражалось в увеличении относительной численности Firmicutes (62% всех последовательностей) и снижении относительной численности Thermotogae (15% всех последовательностей). . Для сравнения, относительная численность Firmicutes и Thermotogae составляла 35% и 40% в TDi, соответственно.Примечательно, что распределение Synergistetes , в основном представленных родом Anaerobaculum , значительно различается в термофильных варочных котлах (дополнительный рис. S2), составляя 11% и 4% в конечной фазе TDi и TcoDi, соответственно. Члены этого таксона ферментативно превращают полипептиды и органические кислоты в ацетат, H ₂ и CO ₂ ³⁴ . По сравнению с начальной фазой относительное содержание Thermotogae увеличивалось со временем в обоих термофильных реакторах, тогда как относительное содержание Firmicutes уменьшалось только в TDi (рис.5). Как и в случае с мезофильными переваривающими агентами, совместное переваривание навоза и пищевых отходов, по-видимому, стимулировало рост и доминирование Firmicutes в TcoDi, в то время как переваривание пищевых отходов само по себе способствовало более равномерному распределению Thermotoga и Firmicutes и поддерживалось разработка более Synergistetes в TDi.

В то время как филотипы, отнесенные к роду Coprothermobacter , составляли более 50% последовательностей, отнесенных к Firmicutes в исходных образцах как TDi, так и TcoDi, эта доля была значительно снижена на заключительной фазе (15% и 8% от Firmicutes , в TDi и TcoDi соответственно).Вместо этого на заключительной фазе наблюдалось более равномерное распределение нескольких родов (рис. 6А) с преобладанием Syntrophomonas (16% и 11% от Firmicutes , в TDi и TcoDi соответственно), Thermactogenium (9 % и 10% в TDi и TcoDi соответственно) и неклассифицированные филотипы, отнесенные к подразделениям-кандидатам SHA-98 (17% и 9% в TDi и TcoDi соответственно) и MBA08 (8% и 28% в TDi и TcoDi соответственно). Coprothermobacter — протеолитическая бактерия, участвующая в синтрофической ферментации полипептидов, и высокое доминирование на начальной фазе, скорее всего, отражалось сильным доминированием популяции Coprothermobacter в посевной культуре биогазовой установки FREVAR, как сообщается в предыдущее исследование ³⁵ .OTU, отнесенные к роду Thermacetogenium , по всей вероятности, были связаны с Thermacetogenium phaeum .
³⁵ , бактерия, способная синтезировать ацетат и расти ацетогенно на органических кислотах и ​​спиртах ^36,37 .

Филотип, связанный с порядком кандидатов MBA08, был заметно выше в TcoDi по сравнению с TDi. Это, вероятно, предполагает роль членов группы кандидатов MBA08 в совместном переваривании пищевых отходов и навоза.Li ³⁸ также сообщил о порядке кандидата MBA08 как об одной из основных бактериальных групп в термофильном реакторе ступенчатой ​​системы, используемой для совместного переваривания сыворотки и навоза. Однако ни одна из последовательностей, ассоциированных с Firmicutes , полученных из коровьего навоза, не была связана с MBA08 в текущем исследовании. Напротив, относительное количество кандидата порядка SHA-98 было больше в варочном котле, подаваемом пищевыми отходами (т.е. TDi). Практически ничего не известно о функциях членов неклассифицированного отряда SHA-98, и никакие роды не могут быть отнесены к этой группе.

Большинство филотипов, которые можно отнести к известному роду в порядке Clostridiales , вероятно, участвовали в деградации полисахаридов, ферментируемых углеводов и синтрофическом окислении насыщенных жирных кислот ²⁶ . Считается, что члены Syntrophomonas окисляют анаэробно C ₄ -C ₁₈ насыщенные жирные кислоты ³⁹ . Clostridium состоит из бактерий, обладающих метаболической универсальностью ^26,40 .Семейства Ruminococccaceae , Caldicoprobacteriaceae и Lachnospiraceae были менее доминирующими семействами. Caldicoprobacter , который был представлен исключительно Caldicoprobacteriaceae в обоих гидролизерах, ферментирует ксилан и простые сахара до лактата, ацетата, H ₂ и CO ₂ ⁴¹ . Интересно, что семейство Lachnospiracea , хотя и менее многочисленное, отличается по роду и в основном состоит из Butyrivibrio в TcoDi и из Coprococcus в TDi.Члены Butyrivibrio и Coprococcus оба используют ферментируемые углеводы, однако члены Butyrivibrio также участвуют в деградации растительных материалов и являются основным компонентом микробиоты ⁴¹ рубца. Члены Butyrivibrio , вероятно, произошли от коровьего навоза и смогли сохранить свою активность и рост в TcoDi.

В отличие от большого разнообразия, наблюдаемого в пределах Firmicutes , второго наиболее доминирующего типа, Thermotogae (рис.5), продемонстрировал очень низкое разнообразие, так как почти все последовательности были отнесены к подразделению-кандидату Thermotoga S1. Примечательно, что четкое различие было обнаружено в относительной численности этого типа в конечной фазе TDi (40% всех последовательностей) и TcoDi (15% всех последовательностей). Как описано ранее в ⁴² , члены Thermotoga способны расти на различных простых (например, глюкоза) и сложных (например, ксилан и крахмал) полисахаридах. Более низкая численность видов Thermotoga может объяснить более низкий выход метана в TcoDi (на 23% меньше), чем в TDi, особенно с учетом более высокого количества COD в виде твердых частиц (на 44% выше), которое оставило TcoDi по сравнению с TDi. .Наличие более высокого ХПК в виде твердых частиц может быть связано с неэффективным преобразованием сложных углеводов в корме, в частности, в труднокальцитируемом навозе. Кроме того, анализ основных компонентов (рис. 7C) показал корреляцию между относительным содержанием S1 и концентрациями ЛЖК, указывая на то, что повышенные концентрации ЛЖК в TDi могут быть причиной повышенной деградации полисахаридов под действием Thermotoga S1. Кроме того, измеренный свободный аммиак составил 2.В 2 раза больше TcoDi (431 мг / л), чем TDi (198 мг / л), что позволяет предположить, что аммоний может влиять на численность видов Thermotoga ⁴³ .

В целом, кажется, что обнаружение более высокой относительной численности генов 16S рРНК, относящихся к родам Anaerobaculum , Coprothermobacter , Thermotoga и Syntrophomonas в TDi, может косвенно подразумевать усиленный гидролиз и ацидогенез пищевых продуктов. отходы по сравнению с совместным сбраживанием пищевых отходов и навоза.Это может дополнительно подтверждаться наличием значительно большего количества ЛЖК (ацетата, пропионата и бутирата) в TDi, чем в TcoDi (рис. 4).

Анализ последовательностей архей (рис. 6) показал, что конфигурация процесса (расщепление или совместное переваривание) мало влияла на состав метаногенов и что почти полностью преобладал род Methanothermobacter , содержащий утилизаторы водорода. в TDi и TcoDi. Наблюдалась корреляция между Methanothermobacter и Coprothermobacter , а также связь с образованием метана (рис.7C). О таком сосуществовании часто сообщалось в литературе, где описывается сценарий синергической взаимосвязи, когда Coprothermobacter поставляет Methanothermobacter водородом ⁴⁴ . Преобладание Methanothermobacter согласуется с предыдущим исследованием структуры сообщества на термофильной биогазовой установке (FREVAR), откуда был взят инокулят для запуска термофильных варочных котлов, используемых в этом исследовании ³⁵ . Отсутствие видов Methanosaetaceae отражает неблагоприятную окружающую среду (например,g., высокое содержание свободного аммиака) за их активность в TDi и TcoDi, что позволяет предположить преобладание гидрогенотрофного пути метаногенеза в обоих варочных котлах. Помимо неблагоприятной окружающей среды, преобладание представителей Methanothermobacter может быть связано с улучшенным гидролизом и ферментацией при повышенной температуре, что потребовало синтрофических реакций для эффективного преобразования промежуточных продуктов, таких как H ₂ и карбоновые органические кислоты.

Что такое биогаз? Руководство для начинающих

Поскольку это разложение происходит в анаэробной среде, процесс производства биогаза также известен как анаэробное сбраживание.Анаэробное сбраживание — это естественная форма преобразования отходов в энергию, которая использует процесс ферментации для разложения органических веществ. Навоз, пищевые отходы, сточные воды и сточные воды — все это примеры органических веществ, которые могут производить биогаз путем анаэробного сбраживания. Из-за высокого содержания метана в биогазе (обычно 50-75%) биогаз легко воспламеняется, поэтому производит темно-синее пламя и может использоваться в качестве источника энергии.

Экология биогаза

Биогаз известен как экологически чистый источник энергии, поскольку он одновременно решает две основные экологические проблемы:

1. Глобальная эпидемия отходов каждый день выбрасывает опасные уровни метана.

2. Использование ископаемых видов топлива для удовлетворения глобального спроса на энергию.

Преобразовывая органические отходы в энергию, биогаз использует элегантную тенденцию природы перерабатывать вещества в производственные ресурсы. Производство биогаза восстанавливает отходы, которые в противном случае загрязнили бы свалки; предотвращает использование токсичных химикатов на очистных сооружениях и экономит деньги, энергию и материалы за счет обработки отходов на месте.Более того, использование биогаза не требует добычи ископаемого топлива для производства энергии.

Вместо этого биогаз превращает проблемный газ в более безопасную форму. Более конкретно, метан, содержащийся в разлагающихся отходах, превращается в диоксид углерода. Газообразный метан примерно в 20–30 раз больше улавливает тепло, чем углекислый газ. Это означает, что когда гниющая буханка хлеба превращается в биогаз, ее воздействие на окружающую среду будет примерно в 10 раз меньше, чем если бы ее оставили гнить на свалке.

Биогазовые котлы

В отличие от выпуска газа метана в атмосферу, биогазовые варочные котлы представляют собой системы, которые перерабатывают отходы в биогаз, а затем направляют этот биогаз, чтобы можно было продуктивно использовать энергию. Существует несколько типов биогазовых систем и установок, которые были разработаны для эффективного использования биогаза. Хотя каждая модель отличается в зависимости от входа, выхода, размера и типа, биологический процесс преобразования органических отходов в биогаз является единообразным. В биогазовые дигестеры поступают органические вещества, которые разлагаются в варочной камере.Камера для разложения полностью погружена в воду, что делает ее анаэробной (бескислородной) средой. Анаэробная среда позволяет микроорганизмам разрушать органический материал и превращать его в биогаз.

Натуральные удобрения

Поскольку органический материал разлагается в жидкой среде, питательные вещества, присутствующие в отходах, растворяются в воде и образуют богатый питательными веществами отстой, обычно используемый в качестве удобрения для растений. Эти удобрения производятся ежедневно и, следовательно, являются высокопродуктивным побочным продуктом анаэробного сбраживания.

Биологический распад

Для производства биогаза органические вещества ферментируются с помощью бактериальных сообществ. Четыре стадии ферментации переводят органический материал из исходного состава в состояние биогаза.

1. Первой стадией процесса разложения является стадия гидролиза. На стадии гидролиза нерастворимые органические полимеры (например, углеводы) расщепляются, делая их доступными для следующей стадии бактерий, называемых ацидогенными бактериями.

2. Ацидогенные бактерии превращают сахара и аминокислоты в углекислый газ, водород, аммиак и органические кислоты.

3. На третьем этапе ацетогенные бактерии превращают органические кислоты в уксусную кислоту, водород, аммиак и углекислый газ, а на последней стадии — метаногены.

4. Метаногены превращают эти конечные компоненты в метан и двуокись углерода, которые затем можно использовать в качестве горючей зеленой энергии.

История биогаза

Этот анаэробный процесс разложения (или ферментации) органических веществ происходит повсюду вокруг нас в природе и продолжается очень давно. Фактически, бактерии, которые расщепляют органический материал до биогаза, являются одними из самых старых многоклеточных организмов на планете. Использование биогаза человеком, конечно же, не уходит в прошлое, однако некоторые неофициальные данные прослеживают первое использование биогаза ассирийцами в 10 веке и персами в 16 веке.Совсем недавно 20-й век привел к возрождению как промышленных, так и малых биогазовых систем.

В 18 веке фламандскому химику Яну Баптизу ван Гельмонту стало ясно, что при разложении органических веществ образуется горючий газ. Вскоре после этого Джон Далтон и Хамфри Дэви пояснили, что этим горючим газом был метан. Первый крупный завод по анаэробному сбраживанию был построен в 1859 году в Бомбее. Вскоре после этого, в 1898 году, Великобритания применила анаэробное сбраживание для преобразования сточных вод в биогаз, который затем использовался для освещения уличных фонарей.В течение следующего столетия анаэробное сбраживание в основном использовалось как средство очистки городских сточных вод. Когда в 1970-х годах цены на ископаемое топливо выросли, популярность и эффективность промышленных установок для анаэробного сбраживания возросли.

И Индия, и Китай начали разработку небольших биогазовых реакторов для фермеров примерно в 1960-х годах. Цель состояла в том, чтобы уменьшить энергетическую бедность в сельских районах и сделать более чистые виды топлива для приготовления пищи более доступными в отдаленных районах. Около одной трети мирового населения по-прежнему использует дрова и другую биомассу для получения энергии, вызывая разрушительные проблемы для здоровья и окружающей среды.(Ссылка на сообщение в блоге о развивающихся странах).

В Индии популярная модель известна как варочный котел с плавающим барабаном, а предпочтительная биогазовая модель в Китае называется варочным котлом с фиксированным куполом.

С тех пор биогазовые установки для семейного отдыха приобретают все большее внимание и популярность как средство сокращения бытовых отходов и как средство обеспечения чистой возобновляемой энергией семьи во всем мире. За последние 15 лет страны по всему миру принимают программы по биогазу, чтобы сделать как бытовые биогазовые системы, так и более крупные установки для анаэробного сбраживания доступными, эффективными и удобными.Поскольку свалки незаконно перегружаются и выброс метана создает все более тревожные проблемы, преимущества использования биогазовых систем для преобразования отходов в энергию становятся все более актуальными и важными.

Многие виды использования биогаза:

Многочисленные варианты использования биогаза: Биогаз можно производить из различных типов органических веществ, поэтому существует несколько типов моделей биогазовых варочных котлов. Некоторые промышленные системы предназначены для очистки: городских сточных вод, промышленных сточных вод, твердых бытовых и сельскохозяйственных отходов.

Мелкомасштабные системы обычно используются для переваривания отходов животноводства. А новые системы для семейного отдыха предназначены для переваривания пищевых отходов. Полученный биогаз можно использовать несколькими способами, в том числе: газ, электричество, тепло и транспортное топливо.

Например, в Швеции сотни автомобилей и автобусов работают на очищенном биогазе. Биогаз в Швеции производится в основном на очистных сооружениях и на свалках.

Еще один пример разнообразного использования биогаза — завод First Milk.Один из крупнейших производителей сыра в Великобритании строит завод по анаэробному сбраживанию, который будет перерабатывать остатки молочных продуктов и превращать их в биометан для газовой сети. Новые заводы по анаэробному пищеварению, подобные этим, с увлекательными историями появляются каждый день!

Малые биогазовые системы

Мелкомасштабные или семейные биогазовые установки чаще всего встречаются в Индии и Китае. Однако спрос на такие устройства стремительно растет во всем мире благодаря более продвинутым и удобным технологиям, таким как HomeBiogas.Поскольку современный мир производит все больше и больше отходов, люди стремятся найти экологически безопасные способы обращения с мусором.

Традиционные системы, обычно используемые в Индии и Китае, ориентированы на отходы животноводства. Из-за нехватки энергии в сельской местности в сочетании с избытком навоза биогазовые установки очень популярны, полезны и даже меняют жизнь. Во многих развивающихся странах биогазовые установки даже субсидируются и поддерживаются правительством и местными министерствами, которые видят разнообразие выгод, получаемых от использования биогаза.Помимо получения газа на кухне из экологически чистых возобновляемых источников энергии, многие семьи широко используют побочные продукты удобрений, которые вырабатываются биогазовыми метантенками.

В африканских странах некоторые пользователи биогаза даже получают прибыль, продавая побочный продукт биогаза, производимый биогазовыми системами. Этот био-суспензия отличается от жидких удобрений, которые производятся ежедневно. Биологическая суспензия относится к наиболее разложившейся стадии органического вещества после того, как оно было расщеплено в системе.Биошлам опускается на дно биогазовой системы и с помощью современных устройств, таких как HomeBiogas, легко сливается после накопления (обычно это ежегодный процесс). Этот биошлам на самом деле представляет собой насыщенный питательными веществами ил, который приносит много пользы почве и может повысить продуктивность огородов.

Биогаз — это технология, которая имитирует способность природы отдавать. Биогазовые установки промышленного и семейного размера становятся невероятно популярными и актуальными в современном мире.По мере роста сферы применения и повышения эффективности биогаз может оказать значительное влияние на сокращение выбросов парниковых газов.