Forskare har modellerat effekterna av att använda anaerob nedbrytning för att producera förnybar naturgas från gräsbiomassa i olika miljöer och perspektiv, en analys som hjälper till att konkretisera systemets potential.
Strategisk plantering av flerårigt gräs på majs- och sojabönsfält kan bidra till att hantera de oavsiktliga miljökonsekvenserna av odling av dessa grödor, såsom jorderosion, gödselavrinning och växthusgasutsläpp.
Miljövänligt och ekonomiskt fördelaktigt
Men för att det ska vara ekonomiskt fördelaktigt för bönderna att konvertera delar av sina åkrar till prärie, har ett forskarteam lett av landskapsekologen Lisa Schulte Moore vid Iowa State University under de senaste sex åren studerat hur man effektivt kan omvandla skördat gräs till lönsam förnybar naturgas.
– Vi tittar på befintliga marknader där det redan finns efterfrågan, använder befintlig infrastruktur för att minska kostnaderna för energiövergången och skapar vinster i flera kategorier. Vi vill ha vinster för bönder, företag, kommuner och samhället, säger Schulte Moore, professor i naturresursekologi och ledare för Consortium for Cultivating Human And Naturally reGenerative Enterprises (C-CHANGE). – Vi kan ha stora samtal om vad som skulle kunna vara, men om det inte gynnar alla längs dessa leveranskedjor kommer det inte att hända.
Stadsbaserade scenarier
Den pågående forskningen finansieras delvis av ett federalt bidrag på tio miljoner dollar 2020, ytterligare tio miljoner dollar i federalt stöd 2022 och cirka 650 000 dollar från Walton Family Foundation. Arbetet fokuserar på att optimera och expandera användningen av anaeroba nedbrytare. Biogas frigörs vid anaerob nedbrytning, den naturliga processen där organiskt material bryts ner utan syre. Fångad i tankliknande nedbrytare kan biogas bearbetas till ett bränsle som enkelt kan ersätta petroleum-baserad naturgas. Den kan även driva elgeneratorer och producera gödsel.
I en studie publicerad i BioEnergy Research modellerade forskarna från Iowa State hur ett nätverk av nedbrytare i och runt Ames skulle kunna tillgodose stadens värme- och elbehov. Husdjursgödsel, biprodukter från biobränsle, matavfall och avloppsvatten skulle tillsammans med gräsbiomassa utgöra foderförsörjningen för upp till tio nedbrytare. Plats, storlek och antal anläggningar berodde på om nätverket huvudsakligen var utformat för att producera naturgas eller el.
Analysen visade att förnybar naturgas var det mest ekonomiskt praktiska fokuset, med en nivåkostnad som ungefär var dubbelt så hög som det historiska genomsnittspriset för traditionell naturgas. Incitament som stödjer produktion av ren energi skulle kunna ge en skjuts för att göra prissättningen konkurrenskraftig. Oavsett vilket hjälper förståelsen av hur nedbrytarens leveranskedjor skulle fungera för att tillgodose kommunala behov stadens ledare att föreställa sig möjligheterna, säger Mba-Wright.
En vägkarta för gräs-till-gas
En studie publicerad i Global Change Biology Bioenergy modellerade de ekonomiska och miljömässiga effekterna av två hypotetiska nedbrytare som bearbetar gräsbiomassa i Grand River Basin i nordvästra Missouri och sydvästra Iowa. Under deras förväntade 20-åriga livslängd skulle nedbrytarna producera en sammanlagd vinst på mer än 400 miljoner dollar under de bästa förhållandena, baserat på forskarnas analys. De 45 miljoner gigajoule förnybar naturgas som skapats under två decennier – motsvarande cirka 12,5 miljarder kilowattimmar – skulle ha ett koldioxidavtryck som är 83 % lägre än naturgas från fossila bränslen. Utsläppen förväntas också vara lägre än de från majsbaserad etanol eller sojabaserad biodiesel.
De flesta befintliga anaeroba nedbrytare som producerar förnybar naturgas har drivits av komjölk, så det är viktigt att räkna ut hur de skulle prestera med en gräsdiet, säger Mba-Wright.
– Detta är att pricka våra "i" och korsa våra "t" för att bekräfta att fördelarna är vad vi förväntar oss. Vi tillhandahåller en vägkarta för att hjälpa till att bygga infrastruktur, vilket i sin tur kommer att minska framtida kostnader, säger han.
Forskarna har strävat efter att vara så realistiska som möjligt i båda studierna och räknat med alla kända kostnader – inklusive kapitalutgifter. Men de kommer att vara ännu mer exakta under de kommande åren, när metoderna förbättras och nya forskningsresultat rullar in, säger Schulte Moore.
– I framtiden kommer vi att förfina våra modeller genom att ansluta data som våra forskarteam har samlat in här i Iowa, säger hon.
Källa: Iowa State University
4o