Получение биогаза
Биогаз получают путем переработки различных видов органических отходов.
Биогаз — это возобновляемое и экологически чистое топливо, изготовленное из 100% местного сырья, которое подходит для различных областей применения, включая топливо для автомобильного транспорта и промышленного использования. Влияние производства биогаза на круговую экономику еще более усиливается за счет органических питательных веществ, извлекаемых в процессе производства.
Получение биогаза осуществляется из широкого спектра сырья. Наибольшую роль в процессе производства биогаза играют микробы, питающиеся биомассой.
Сбраживание, осуществляемое микроорганизмами, приводит к образованию метана, который можно использовать локально или преобразовывать в биогаз, эквивалентный по качеству природному газу, что позволяет транспортировать биогаз на большие расстояния.
Этапы получения биогаза
Получение биогаза происходит с использованием устоявшейся технологии, включающей несколько этапов:
- Биологические отходы измельчают на более мелкие кусочки и суспендируют, чтобы подготовить их к процессу анаэробного сбраживания. Суспендирование означает добавление жидкости в биоотходы для облегчения обработки.
- Микробам нужны теплые условия, поэтому биоотходы нагреваются примерно до 37 °C.
- Фактическое производство биогаза происходит посредством анаэробного сбраживания в больших резервуарах в течение примерно трех недель.
- На заключительной стадии, газ очищается путем удаления примесей и углекислого газа.
После этого биогаз готов к использованию предприятиями и потребителями, например, в сжиженном виде или с последующей закачкой в сеть газопроводов
Характеристики и свойства биогаза
Биогаз, полученный в процессе сбраживания, состоит в среднем из:
- 50-80% метана
- 15-45% углекислого газа
- 5% другие газы (в основном водород и азот)
Получение биогаза начинается с прибытия сырья на биогазовую установку. Можно использовать разнообразные виды как твердого, так и шлакоподобного сырья.
Материалы, пригодные для получения биогаза, включают в себя:
- биоразлагаемые отходы предприятий и промышленных объектов, такие как излишки лактозы от производства безлактозных молочных продуктов;
- испорченные продукты из магазинов
- биоотходы, произведенные потребителями
- шлам от очистных сооружени
- навоз и полевая биомасса от сельского хозяйства
Материал обычно доставляется в приемную яму биогазовой установки на грузовике или транспортном средстве для утилизации отходов.
Доставка твердых веществ, таких как биоотходы, далее будет подвержена дроблению, чтобы сделать консистенцию как можно более равномерной. В этот момент вода, содержащая питательные вещества, полученные на следующей стадии производственного процесса, также смешивается с исходным сырьем, чтобы снизить содержание твердого вещества примерно до одной десятой от общего объема.
Это также происходит, когда от смеси отделяются нежелательные не биоразлагаемые отходы, такие как упаковочная пластмасса устаревших пищевых отходов из магазинов. Эти отходы доставляются на очистные сооружения, где они используются для выработки тепла и электроэнергии. Биомасса, прошедшая через суспензию, объединяется с биомассой, подаваемой в виде суспензии на биогазовую установку, и перекачивается в резервуар предварительного варочного котла, где ферменты, выделяемые бактериями, расщепляют биомассу до еще более тонкой консистенции.
Затем биомасса санируется перед поступлением в собственно биогазовый реактор (варочный котел). При дезинфекции любые вредные бактерии, обнаруженные в материале, удаляются путем нагревания смеси до температуры выше 70 °C в течение одного часа. После дезинфекции масса закачивается в главный реактор, где получается биогаз. Дезинфекция позволяет использовать продукт удобрения в сельском хозяйстве.
Превращение микробов биомассы в газ
В биогазовом реакторе начинается микробиологическое действие, и биомасса вступает в постепенный процесс ферментации.
На практике это означает, что микробы питаются органическими веществами, такими как белки, углеводы и липиды, и их переваривание превращает их в метан и углекислый газ.
Большая часть органического вещества распадается на биогаз — смесь метана и углекислого газа — примерно за три недели. Биогаз собирается в сферическом газовом держателе сверху биогазовых реакторов.
Дигестат используется в качестве удобрения или садовой почвы
Остаточные твердые вещества и жидкости, образующиеся при получении биогаза, называются дигестатом. Дигестатпоступает в реактор после варочного котла и оттуда далее в резервуары для хранения. Дигестаты хорошо подходят для таких применений, как удобрение полей.
Также Дигестаты могут быть центрифугированы для разделения твердой и жидкой частей.
Твердые дигестаты используются, например, в качестве удобрений, в сельском хозяйстве или в озеленении, а также могут превращаться в садовую почву в процессе созревания с использованием компостирования.
Дигестаты центрифугируют для получения достаточного количества технологической воды для суспендирования биологических отходов в начале процесса. Это помогает сократить использование чистой воды. Центрифугированная жидкость богата питательными веществами, в частности азотом, которые могут быть дополнительно отделены с помощью таких методов, как технология отгонки, и использованы в качестве удобрений или источников питательных веществ в промышленных процессах.
Газ уже был бы готов к нескольким применениям прямо из держателя газа биогазовой установки. Однако перед впрыском в сеть газопроводов или в качестве топлива для транспортных средств он все равно будет подвергаться очистке.
В этом процессе модернизации газ фильтруется и подается в колонны, где он очищается каскадной водой при очень определенных давлении и температуре. Вода эффективно поглощает содержащиеся в газе соединения углекислого газа и серы.
Биогаз также может быть очищен с использованием других методов, таких как пропускание через фильтры с активированным углем для удаления примесей.
Конечный модернизированный биогаз, закачиваемый в газовую сеть, составляет не менее 95% и обычно около 98% метана. Модернизированный биогаз все еще содержит пару процентов углекислого газа, поскольку его дальнейшее отделение от метана неэффективно с экономической точки зрения, не говоря уже о целесообразности использования газа. Биогаз тщательно высушивают перед впрыском в газовую сеть, чтобы предотвратить конденсацию в зимних отрицательных условиях.
Полученный биогаз может быть использован для таких целей, как заправка муниципальных транспортных средств для утилизации отходов, городских автобусов или частных автомобилей. В то же время газ служит доказательством тех практических действий, которые ведут нас к низкоуглеродному обществу будущего.
Решения для активной дегазации полигонов ТБО
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
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
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
ПОЛУЧЕНИЕ БИОГАЗА ПРИ ОЧИСТКЕ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ СТОЧНЫХ ВОД СПИРТЗАВОДА | Голуб
1. Kaparaju, P. Optimization of biogas production from wheat straw stillage in UASB reactor / P. Kaparaju, M. Serrano, I. Angelidaki // Applied Energy. – 2010. – No. 87. – Р. 3779–3783.
2. Moraes, S.B. Anaerobic digestion of vinasse from sugarcane ethanol productionin Brazil: Challenges and perspectives [E-resource] / S.B. Moraes, M. Zaiat, A. Bonomi // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2015. – No. 44. – Р. 888–903. Available on: DOI: 10.1016/j.rser.2015.01.023
3. Gupta, S.K. Biodegradation of distillery spent wash in anaerobic hybrid reactor / S.K. Gupta, G. Singh // Water research. – 2007. – No. 41. – Р. 721–730.
4. Pant, D. Biological approaches for treatment of distillery wastewater: A review / D. Pant, A. Adholeya // Bioresource Technology. – 2007. – No. 98. – Р. 2321– 2334.
5. Kumar, V. Bioremediation and decolorization of anaerobically digested distillery spentwash / V. Kumar [et al.] // Biotech. Lett. – 1997. – No. 19. – Р. 311– 313.
6. Маляренко, В.А. Перспективы использования биоэнергетических технологий в Украине / В.А. Маляренко, И.И. Капцов, И.Г. Жиганов // Интегрированные технологии и энергосбережение. – 2005. – № 2. – С. 22 – 28.
7. Желєзна, Т.А. Біоенергетика в Україні / Т.А. Желєзна, Г.Г. Гелетуха // Зелена енергетика. – 2004. – № 4. – С. 11 – 13.
8. Mao, Ch. Review on research achievements of biogas from anaerobic digestion / Ch. Mao [et al.] // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2015. – No. 45. – Р. 540–555.
9. Дыганова, Р.Я. Разработка методики выбора технологий переработки отходов спиртовой промышленности как инструмента экологического менеджмента / Р.Я. Дыганова, Ю.С. Беляева // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2014. – Т. 16. – № 4 (2). – С. 1728–1736.
10. Кузнецов, И.Н. Анализ мирового опыта в технологии переработки послеспиртовой барды / И. Н. Кузнецов, Н.С. Ручай // Труды БГТУ. Серия 4: Химия, технология органических веществ и биотехнология. – 2010. – Т. 1. – № 4. – С. 294–301.
11. Krzywonos, M. Utilization and biodegradation of starch stillage (distillery wastewater) [Электронный ресурс] / M. Krzywonos, E. Cibis, T. Miśkiewicz, A. Ryznar-Luty // Electronic Journal of Biotechnology. – 2009. – No. 12. – Р. 1–9. – Режим доступа: http://www.ejbiotechnology.info/index.php/ejbiotechnology/article/view/v12n1-5/685.
12. Гладченко, М.А. Обзор современного состояния анаэробной очистки сточных вод бродильных производств / М.А. Гладченко [и др.] // Производство спирта и ликероводочных изделий. — 2002. — № 1. — С. 22–23.
13. Pathe, P.P. Performance evaluation of a full scale effluent treatment plant for distillery spent wash / P.P. Pathe [et al.] // Intern. J. Environ. Studies. – 2002. – Vol. 59. – No. 4. – P. 415–437.
14. Дыганова, Р.Я. Экспериментальное определение оптимального состава комплексного субстрата для анаэробного сбраживания в спиртовой промышленности / Р.Я. Дыганова, Ю.С. Беляева // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2014. – Т. 16. – № 1(6). – С. 1737–1740.
15. Hutnan, M. Anaerobic Treatment of Wheat Stillage / M. Hutnan [et al.] // Chem. Biochem. Eng. Q. – 2003. – Vol. 17. – No. 3. – Р. 233–241.
16. Wilkie, A.C. Stillage characterization and anaerobic treatment of ethanol stillage from conventional and cellulosic feedstocks / A.C. Wilkie [et al.] // Biomass and Bioenergy. – 2000. – No. 19. – Р. 63–102.
17. Mise, Sh.R. Treatment of distillery spent wash by anaerobic digestion process / Sh.R. Mise, R. Saranadgoudar, R. Lamkhade // International Journal of Research in Engineering and Technology. – 2013. – No. 11. – Р. 310–313.
18. Prakash, N.B. Anaerobic Digestion of Distillery Spent Wash / N.B. Prakash, V. Sockan, V.S. Raju // Journal of Science and Technology. – 2014. – Vol. 4. – No. 3. – Р. 134–140.
19. Venkatasamy, G. Treatment of Distillery Spentwash in Upflow Anaerobic Contact Filter / G. Venkatasamy, S. Aruna // Іndian journal of applied research. – 2013. – Vol. 3. – No. 7. – Р. 199–200.
20. Лурье, Ю.Ю. Аналитическая химия производственных сточных вод / Ю.Ю. Лурье – М.: Химия, 1984. – 448 с.
21. Агеев, Л.М. Химико-технический контроль и учет гидролизного и сульфитно-спиртового производства / Л. M. Агеев, С. А. Корольков. – М., Л. : Гослесбумиздат, 1953. – 404 с.
22. Хроматограф лабораторный ЛХМ–8МД: техническое описание, инструкция по эксплуатации. Опытный завод «Хроматограф». Москва. 1992. – 50 с.
23. Степанов, Д. В. Оцінка можливостей отримання енергоносіїв з органічних відходів з урахуванням техногенного навантаження на навколишнє середовище / Д. В. Степанов, С. Й. Ткаченко, A. П. Ранський // Наукові праці ВНТУ. – 2012. – № 1. – С. 1–7.
24. Куріс, Ю. В. Способи утилізації біогазу / Ю. В. Куріс, С. І. Ткаченко, Н. В. Семененко // Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. – 2010. – № 7(77). – С. 20–30.
25. Салюк, А.І. Виробництво біогазу з курячого посліду та його оптимізація / А.І. Салюк, С.О.Жадан, Є.Б. Шаповалов // Харчова промисловість. – 2012. – № 13. – С. 33.
26. Эдер, Б. Биогазовые установки. Практическое пособие / Б. Эдер, Х. Шульц. – Пер. с нем.: Zorg Biogas. – 2008. – С. 268.
27. Гюнтер, Л.И. Метантенки. / Л.И. Гюнтер – М.: Строй-издат, 1991. – 128 с.
28. Хенце, М. Очистка сточных вод. / М. Хенце – М.: Мир, 2009. – 480 с.
29. Rongzhong, Ye. pH controls over anaerobic carbon mineralization, the efficiency of methane production, and methanogenic pathways in peatlands across an ombrotrophic-minerotrophic gradient / Ye. Rongzhong [et al.] // Soil Biology & Biochemistry. – 2012. – No. 54. – Р. 36–47.
30. Zhang, Qu. Biogas from anaerobic digestion processes: Research updates / Qu. Zhang, J. Hu, Duu-J. Lee // Renewable Energy. – 2016. – No. 98. – Р. 1–12
Получение биогаза – путь повышения эффективности производства — Компания Fluitech Systems
Биогаз — один из перспективных для Украины альтернативных источников энергии.
Биогазовая установка (БГУ) — это комплекс по переработке сельскохозяйственных, производственных и бытовых отходов, вырабатывающий биогаз, содержащий не менее 60% метана, и высококачественные удобрения. После очищения биогаза получается биометан, который используют как природный газ.
Большинство животноводческих хозяйств сооружают биогазовые установки для получения электроэнергии и тепла. Из 1 куб. м биогаза при сжигании в когенерационной установке (оборудование для комбинированного производства электроэнергии и тепла), можно получить до 2 кВтч электроэнергии. Выход же самого биогаза зависит от вида используемого сырья. К примеру, из тонны навоза крупного рогатого скота образуется 50–65 куб. м биогаза, из различных видов энергетических растений — 100–500 куб. м. Обычно БГУ производит гораздо больше электроэнергии и тепла (примерно в 1,5–2 раза), чем нужно хозяйству. К примеру, большая молочная ферма на 4 тыс. коров, используя биогазовую установку, производит электроэнергию мощностью около 0,85 МВт и тепло в количестве 1,15 Гкал/ч при существенно меньшем их потреблении. Соответственно их избыток можно продать. Это особенно выгодно в части отпуска электроэнергии, когда энергосистема покупает ее по «зеленому» тарифу. Следует учесть, что себестоимость производимой на биостанции электроэнергии составляет примерно 0,10 грн. за кВтч. Соответственно, владелец хозяйства не только обретает энергонезависимость, но и получает неплохой доход. При работе по «зеленому» тарифу выгодно продавать максимум электроэнергии по высокой цене, чтобы покупать для своих нужд по низкой, как сейчас поступают в Западной Европе.
Кстати, сама биогазовая установка весьма экономна — потребляет всего 10–15% от производимой энергии зимой и 3–7% летом. Вырабатываемого ею тепла достаточно не только для обогрева коровника, свинофермы или птичника, но и для текущих хозяйственных нужд — получения пара, горячей воды, сушки соломы, семян, дров и пр. Возле биогазовых установок выгодно ставить теплицы — излишки тепла могут идти на поддержание нужной температуры. В себестоимости тепличных огурцов, помидоров, цветов 90% затрат — это тепло и удобрения. Получается, что возле биогазовой установки теплица может работать с максимально высокой рентабельностью.
Обычным навозом или другими отходами удобрять почву нет смысла — они должны «вызреть» в течение трех–пяти лет. Если вы производите биогаз, одновременно получаются уже готовые к применению удобрения — это сопутствующий продукт любой биоустановки. В обычных отходах (например, навозе) минеральные вещества химически связаны с органикой, и растения не могут их «переварить». В переброженной биомассе минералы отделены от органики, поэтому легко усваиваются. Кроме того, получается экологически чистый продукт, лишенный нитритов, семян сорняков, болезнетворной микрофлоры, специфических запахов. Как показывает практика, при использовании жидких или твердых биоудобрений урожаи увеличиваются на 40–50%. Причем расход составляет от одной до пяти тонн вместо 60 т необработанного навоза для 1 га земли. Полученные удобрения можно использовать как для собственных целей, так и продавать. Установка, перерабатывающая 100 т навоза в сутки, позволяет производить около 50 т твердых и 40 т жидких удобрений.
Если дополнить биоустановку системой обогащения биогаза, можно получить биометан — газ, аналогичный природному. Его можно использовать для отопления, заправки машин и других целей. Себестоимость производства биогаза составляет около $25–30 за 1000 куб. м, очищенного — $30–40. Очищенный биогаз можно просто продавать.
Но этим польза от БГУ не исчерпывается. Биостанции также решают проблему очистки и утилизации отходов, что зачастую составляет существенную часть расходов предприятия. Благодаря биогазовым установкам на ферме ликвидируется специфический запах, существенно повышается культура производства. Поскольку навоз сразу же идет в дело и его не приходится собирать, хозяйству требуется гораздо меньше лагун. Затраты на строительство навозных отстойников — вынужденная мера и нерационально используемые средства. Вложения в биогазовую установку экономят их и позволяют более эффективно использовать земельные площади. Причем строительство биогазовой установки актуально не только для новых животноводческих хозяйств, но и для уже существующих. Во многих случаях лагуны таких хозяйств переполнены, на их содержание расходуются немалые средства. Более того, при использовании обычных отстойников, свалок и лагун фильтрат (жидкость, загрязненная органическими и неорганическими веществами) иногда попадает в грунтовые воды, что недопустимо с точки зрения охраны природы.
Производство биогаза не только гарантирует прибыль, но и позволяет предотвратить выброс метана в атмосферу. В процессе разложения навоза выделяется метан, способствующий образованию парникового эффекта в 21 раз больше, чем углекислый газ. Свою позитивную экологическую функцию выполняют и биоудобрения, они позволяют снизить применение химических аналогов. Что немаловажно, наличие биогазовой установки позволяет уменьшить санитарную зону (расстояние от предприятия до жилой территории) с 500 до 150 м.
Прежде всего биогазовые установки стоит строить сельскохозяйственным предприятиям — крупным свинофермам, фермам молочного крупного рогатого скота, птицефабрикам. Если при строительстве нового животноводческого хозяйства не устанавливать биогазовую установку, придется протягивать газопровод, линию электропередачи, устанавливать резервные дизель-генераторы и строить лагуны. Целесообразнее расходуемые на эти цели средства направить на сооружение БГУ. Экономия капитальных затрат может составит в этом случае более 30% от стоимости биогазовой установки. В списке наилучших сырьевых источников для БГУ также тепличные хозяйства, мусороперерабатывающие предприятия, коммунальные структуры и городские очистные сооружения. Реальную пользу могут получить спиртовые, пивоваренные и сахарные заводы, мясокомбинаты, изготовители дрожжей, молокозаводы, хлебобулочные комбинаты, заводы по производству чипсов и переработке картофеля, производители соков и консервов, виноделы, рыбные цехи и другие подобные предприятия.
Если у вас нет отходов, но имеются большие земельные площади, для производства биогаза есть смысл выращивать энергетические культуры — силосную кукурузу, многолетние травы и пр. Себестоимость биогаза будет выше, чем при использовании навоза, зато из одной тонны растительного сырья получается его как минимум в три раза больше, чем из коровьего навоза.
Биогазовая установка может стать отдельным бизнесом по переработке отходов. Но в этом случае она зависима от заказчиков услуг. Поэтому стоит инвестировать в проект лишь при наличии долгосрочных контрактов на услуги по очистке и утилизации отходов.
Выбор оборудования для производства биогаза в Украине не так уж широк, очевидно ввиду того, что этот бизнес пока находится на этапе становления. Наиболее известные мировые брэнды — немецкие. Это Schmack, EnviTec Biogas, Biogas Nord, Lipp. Самое дорогое оборудование производит Schmack: стоимость биогазовой станции под ключ составляет 4 млн евро за 1 МВт. Biogas Nord, EnviTec Bio-gas, Lipp — это средний ценовой сегмент (3–3,5 млн евро). Украинско-швейцарский брэнд Zorg предлагает биоустановки за 2,5–2,7 млн евро (собираются по немецкой технологии из немецких компонентов). Во всех случаях комплектующие для биогазовых станций используются одинаковые. На цену влияет в основном престижность брэнда. Кроме того, каждая компания закладывает в стоимость свои внутренние издержки (зарплата персонала, инженерные разработки и т. п.). Из всех упомянутых компаний представительства в Украине имеют лишь две: Zorg (Киев) и EnviTec Biogas (Буча, Киевская обл.). В Украине биогазовые установки не производятся, осуществляется только их проектирование и сборка.
Как правило, в стандартный комплект биогазовой установки входят емкость гомогенизации (где сырье смешивается в однородную массу), загрузчик сырья, реактор, мешалки, газгольдер (для хранения биогаза), газовый водогрейный котел, насосная станция, сепаратор, бак для удобрений, система контроля и безопасности. Такая установка выдает только биогаз и удобрения. Для комбинированного производства электроэнергии и тепла нужна когенерационная установка (дополнительные затраты составят около 30% от цены стандартной комплектации под ключ). Мощность электростанции БГУ зависит от масштабов сырьевой базы, выработки биогаза, потребности предприятия в электроэнергии и размера инвестиций. Она варьируется от 1 кВт (бытовые установки) до нескольких десятков МВт. Наиболее рентабельными являются станции средней и большой мощности — от 500 кВт и выше. БГУ, оснащенные такими станциями, быстрее окупаются.
Как правило биогазовая станция — это модульная установка, мощность которой при необходимости можно наращивать. Для этого просто добавляют дополнительный реактор и ряд другого оборудования. Это удобно развивающимся хозяйствам, увеличивающим поголовье скота, расширяющим площади посевов и т. п. При строительстве биогазовой установки им не придется брать проект с учетом перспективы, а просто на определенном этапе добавить еще один или несколько реакторов с соответствующим оборудованием.
Возможна комплектация биогазовой установки также линией сушки и фасовки удобрений. Твердые удобрения пакетируются, а жидкие разливаются в соответствующую тару.
Для производства биометана установка оснащается системой очистки, которая позволяет производить очистку биогаза до требуемого состояния (полного аналога природного газа с концентрацией метана в пределах 90–97%). После очистки газ может использоваться как моторное топливо для заправки автомобилей либо подаваться в общую систему газоснабжения.
Биогазовой установкой управляет система автоматики, контролирующая работу насосной станции, мешалок, системы подогрева, газовой автоматики, генератора. При компьютерном управлении и контроле за процессом достаточно всего двух-трех человек, работающих посменно. Причем после соответствующего обучения на установке может работать специалист невысокой квалификации.
Современные технологии позволяют перерабатывать в биогаз любые виды органического сырья. Это навоз, птичий помет, зерновая и меласная послеспиртовая барда, свекольный жом, отходы рыбного и забойного цеха (кровь, жир, кишки и пр.), бытовые отходы. Используются также отходы молокозаводов (соленая и сладкая молочная сыворотка) и предприятий по производству соков (фруктовый, ягодный, овощной жом, виноградная выжимка), технический глицерин от производства биодизеля из рапса. Можно производить биогаз из отходов переработки картофеля (очистки, шкурки, гнилые клубни и пр.), различных энергетических культур (силосной кукурузы, рапса, подсолнечника, овса, сахарной и кормовой свеклы вместе с ботвой, зерновых) а также травяного силоса, смеси клевера с другими травами и пр. Качество сырья характеризуется влажностью (чем она ниже, тем лучше), выходом биогаза и содержанием в нем метана. В среднем из тонны навоза крупного рогатого скота получается 50–65 куб. м биогаза с содержанием метана 60%, из различных видов энергетических растений — 150–500 куб. м с 70% метана. Максимальное количество биогаза —1300 куб. м с содержанием метана до 87 % — можно получить из животного жира. При использовании биотехнологий для переработки отходов животноводческих хозяйств и птицефабрик, предприятий АПК обеспечение сырьем не является проблематичным. Биогазовые установки на навозе — самые простые по конструкции. Микроорганизмы, участвующие в процессе брожения, попадают в навоз уже из кишечника животных, поэтому их не нужно добавлять к отходам для ускорения процесса разложения (как, например, в случае с некоторыми видами растительного сырья). Также не нужно оснащать установку реактором гидролиза (как с птичьим пометом).
Одна дойная корова дает в сутки от 30 до 70 кг навоза. Биогазовая установка будет экономически эффективной для ферм с поголовьем от 300–400 дойных коров. Одна свиноматка с 20–24 поросятами дает в день приблизительно 14,5 кг навоза. Свинья на откорме весом от 30 до 110 кг обеспечивает в среднем 3,5 кг. Из 1 т свиного навоза выходит 65 куб. м биогаза. Птичий помет также является хорошим сырьем для биогазовой установки. Свежий помет несушек, цыплят и бройлеров при клеточном содержании дает выход биогаза 130–140 куб. м с тонны. Помет с подстилкой, убираемый раз в 35–40 дней, обеспечивает около 80 куб. м биогаза с тонны. Хороший потенциал имеют и другие отходы животноводства. Например, продукты бойни в количестве 1 т обеспечивают 300 куб. м биогаза.
Альтернативной базой для производства биогаза и удобрений является растениеводство. В Западной Европе из 15 тыс. биогазовых станций половина работают на кукурузном силосе. В Австрии кукурузу для БГУ выращивают даже в горах. С каждым годом площадей под энергетические культуры становится больше. Если у предприятия нет отходов, но есть большие земельные площади, растениеводство может стать весьма эффективным источником сырья. С точки зрения выхода газа практически все зеленые растения в свежем или силосованном виде дают высокие результаты. Силосная кукуруза на сегодняшний день — один из наиболее эффективных видов растительного сырья для переработки. Она дает хороший урожай с гектара и большой выход газа (с 1 т — 220 куб. м). Затраты на производство кукурузы относительно невелики, а техника для ее посева, уборки и дальнейшей обработки есть практически в каждом хозяйстве. Хорошая альтернатива кукурузе — свекла. Из 1 т ботвы получается 200 куб. м биогаза. Тонна разных видов трав дает 250 куб. м биогаза.
В Западной Европе практикуются так называемые энергетические севообороты, когда одна энергетическая культура сменяется другой, что позволяет собирать зеленую массу два раза в год, подавлять рост сорняков и значительно экономить средства предприятия. Также выращивают по две культуры на одном поле одновременно, например кукурузу и подсолнечник или кукурузу и просо, что позволяет увеличить содержание питательных веществ в силосе и стабилизировать урожайность в засушливые годы. Эти технологии вполне реально применять у нас — хозяйства будут всегда обеспечены качественным высококалорийным сырьем. Причем разные культуры могут в реакторе смешиваться — во многих случаях это дает даже более эффективные результаты, чем при использовании одного вида сырья. Что немаловажно, при выращивании энергетических культур не тратятся средства на удобрения, поскольку они производятся на биогазовой установке. Но у всех видов растительного сырья есть один недостаток — нужно вкладывать средства в их выращивание и уборку. Соответственно, себестоимость производства биогаза из них выше, чем из навоза. Большинство видов сырья можно смешивать. Различие состоит лишь в способах его подачи. Для твердых видов — это шнековые загрузчики, для жидких — приемные резервуары с насосной станцией. Если планирутся использовать разные виды биомассы, стоит укомплектовать станцию обоими типами загрузки.
Оптимальный вариант по сырью — коровий и свиной навоз. Такие установки самые дешевые по конструкции и простые в эксплуатации, а для переработки биомассы не требуются дополнительные модули. Но из-за невысокой калорийности навоза есть смысл устанавливать биогазовые станции лишь на базе достаточно крупных хозяйств. Малые установки будут долго окупаться, приносить невысокий доход, да и сырья для производства биогаза может быть недостаточно. Придется либо его специально закупать, либо параллельно с разведением коров и свиней выращивать какие-нибудь сельхозкультуры. Но это дополнительные расходы, да и не всегда в распоряжении небольшого животноводческого хозяйства имеется для этого достаточно земли.
Основная сложность использования птичьего помета — необходимость двухстадийной технологии производства — он не перерабатывается в биогаз в обычном реакторе. Для этого требуется установить реактор гидролиза, позволяющий контролировать уровень кислотности (чтобы бактерии не погибли из-за повышения содержания кислот и щелочей). Дополнительный модуль приводит к 30%-ному удорожанию биогазовой станции. Помет можно перерабатывать и по обычной одностадийной технологии, но смешивая его с другими видами сырья, например с навозом или силосом (на 2 т помета 1 т силоса). Кроме снижения капитальных затрат смешивание дает повышенный выход биогаза.
Интенсифицировать работу биогазовой установки помогут катаболические (разрушающие) энзимы — природные протеины, ускоряющие разложение органических веществ. Они повышают выход биогаза на 20–30% без увеличения объемов исходного сырья, предотвращают образование корки на поверхности биомассы в реакторах, увеличивают теплопроводность сырья и экономят тепловую энергию на его подогрев. Энзимы уже успели положительно себя зарекомендовать на биогазовых станциях в Германии. Стоимость энзимов — 32 евро за 1 кг. Их расход составляет примерно 100 г на 1 т органического сухого вещества.
Для снижения срока окупаемости следует выбрать самое дешевое сырье, перерабатывать максимальный его объем, использовать все возможности установки, потреблять и продавать продукты производства.
Решение о строительстве биогазовой установки, как и при реализации любого проекта, может быть принято только на основе технико-экономических расчетов, учитывающих все особенности ее применения в конкретных условиях.
Углерод усилит выработку биогаза для энергетики
Исследователи из Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого и Университета Цинхуа создали методику получения биогаза, основанную на использовании углеродных материалов. Своими результатами ученые поделились в Journal of Hazardous Materials.
Биогаз состоит примерно на 60% из метана и на 40% из углекислого газа. Он может выделяться, например, при разложении навоза или фекалий животных. На агропредприятии в день может образовываться около тонны навоза, из которого можно получить до 50 м3 газа, или 100 кВт электроэнергии, что эквивалентно 35 литрам дизельного топлива. Получение биогаза позволяет использовать метан в качестве полезного сырья и предотвратить его попадание в атмосферу, так как он обладает еще большим парниковым эффектом, чем углекислый газ.
В новом исследовании ученые выяснили, как проводящие углеродные материалы влияют на процесс сухого анаэробного сбраживания ила из сточных вод в среде микроорганизмов, которые растут и развиваются при умеренных температурах (35 °С). Авторы показали, что добавление порошкообразного активированного углерода повышает скорость образования метана микроорганизмами. Скорость выхода этого газа в биореакторах, в которые добавлялся активированный углерод, стала на 49% выше, чем в контрольных.
В ходе эксперимента исследователи подбирали оптимальный состав композиционной добавки для получения максимального выхода метана при использовании в качестве сырья отходов животноводства. В результате ученые нашли соотношение, при котором скорость целевого процесса увеличилась почти на 50%. Кубометр чистого метана, полученный из возобновляемого сырья, и природный газ выделяют одинаковое количество теплоты. Однако биогаз при производстве в промышленных масштабах дешевле и экологичнее — ведь созданный микроорганизмами метан без использования его человеком мог попасть в атмосферу и усилить таким образом парниковый эффект.
«Получение и использование биогаза из отходов, во-первых, позволяет получать возобновляемую энергию, а во-вторых, утилизируя отходы и биогаз в частности, мы значительно снижаем антропогенное воздействие на окружающую среду», — резюмирует один из авторов статьи, доцент Высшей школы гидротехнического и энергетического строительства СПбПУ Александр Чусов.
Источник.
Поделиться записью
как преобразовать отходы в высококачественное удобрение и биогаз
Деградация почвы, отсутствие надлежащих санитарных условий и систем удаления отходов жизнедеятельности и ограниченный доступ к экологически чистым источникам энергии – все это серьезные проблемы, стоящие перед африканскими крестьянами и населением сельских районов.
По данным Фонда Билла и Мелинды Гейтс, 40 процентов населения мира не имеют доступа к надлежащим санитарно-канализационным системам, что является одной из причин, по которым около 700 000 детей ежегодно умирают от диареи. В то же время, использование твердого топлива, в том числе дерева, отходов земледелия, каменного и древесного угля, для приготовления пищи и отопления, ведет к повышению уровня загрязненности воздуха внутри жилых помещений, что ежегодно является причиной 4,3 млн преждевременных смертей, согласно данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ).
Биотуалеты производства компании Tusk Engineers способствуют улучшению гигиенических и санитарных условий в сельских районах, улучшению условий жизни людей и состояния окружающей среды, обеспечивая более эффективное удаление отходов жизнедеятельности человека и производство высококачественных удобрений и биогаза (Фото: с разрешения Tusk Engineers)Осознавая эту взаимосвязь между деградацией почвы, отсутствием надлежащих санитарных условий и систем удаления отходов жизнедеятельности и ограниченным доступом к экологически чистым источникам энергии, Рэчел Набунья Кисакье, инженер-проектировщик из угандийской компании Tusk Engineers, разработала биотуалет.
«Концепция биотуалета появилась, когда я начала задумываться о серьезных проблемах, которые приходится решать африканским женщинам, готовя пищу, чтобы прокормить семью, в то время как они могут использовать доступный, но в основном не задействованный источник энергии. Этот источник – биотуалет», — говорит г-жа Набунья.
Концепция
«Биотуалет – это экологичный туалет, соединенный с котлом для получения биогаза, преобразующим человеческие экскременты в высококачественное и безопасное в обращении удобрение, которое можно использовать в сельском хозяйстве. В то же время выделяется горючий газ (биогаз), который можно использовать в качестве топлива для приготовления пищи, отопления и освещения. Эта полная система одновременно служит источником энергии, обеспечивает удаление отходов, не загрязняет окружающую среду и является источником ресурсов для сельскохозяйственного производства, причем все это в рамках одного цикла, и мы очень гордимся этим», — объясняет г‑жа Набунья.
Биотуалеты производства компании Tusk Engineers способствуют улучшению гигиенических и санитарных условий в сельских районах, улучшению условий жизни людей и состояния окружающей среды, обеспечивая более эффективное удаление отходов жизнедеятельности человека и производство высококачественных удобрений и биогаза. Биотуалет собирают из готовых стандартных компонентов, таких как биогазовые установки из Индии и Китая, биогазовые лампы, китайские датчики давления и нагреватели.
Биотуалет – это экологичный туалет, соединенный с котлом для получения биогаза, преобразующим человеческие экскременты в высококачественное и безопасное в обращении удобрение, которое можно использовать в сельском хозяйстве.
Рэчел Набунья Кисакье
С 2016 г., когда была выпущена первая модель, Tusk Engineers неоднократно модернизировала и совершенствовала туалет. В частности, были установлены механические мешалки, улучшен угол наклона подающей трубы, подсоединенной к биореактору, установлен трехкамерный отстойный резервуар и специальные оборудованные заслонками поддоны для удаления запаха.
Производство биогаза
Биореактор производства Tusk Engineers емкостью 45 кубометров может производить 15 кубометров биогаза за 24 часа. Работающие на биогазе плиты, широко используемые населением, потребляют всего 0,15 кубометра биогаза в час, то есть один биотуалет емкостью 45 кубометров может генерировать достаточно биогаза для снабжения более 20 семей. В настоящее время компания старается обеспечить широкое внедрение и использование технологии в Уганде и за пределами страны.
Рэчел Набунья Кисакье проверяет крышку камеры биотуалета. (Фото: с разрешения Tusk Engineers)«Зеленые» инновации … решают проблемы загрязнения окружающей среды в результате использования устаревших и неэффективных методов приготовления пищи и ненадлежащих санитарно-гигиенических условий из-за удаления отходов жизнедеятельности человека неоптимальными способами. Короче говоря, они помогают нам строить «зеленое» будущее.
Рэчел Набунья Кисакье
Роль интеллектуальной собственности
«Мы поддерживаем связь с Бюро регистрационных услуг Уганды (национальным ведомством ИС Уганды) и подали заявку на охрану нашего изобретения при помощи свидетельства на интеллектуальную собственность. Это важно, потому что никто не сможет скопировать результат нашей работы. Кроме того, это дает нам возможность выдавать другим лицензии на нашу технологию, что служит для компании еще одним источником дохода. Это также может служить залоговым обеспечением и позволяет нам привлекать финансирование со стороны финансовых учреждений для дальнейшего совершенствования и развертывания нашей системы», — объясняет г-жа Набунья.
В настоящее время компания тестирует свою технологию на местах и уже установила биотуалеты и подсоединила их к более чем 150 бытовым биогазовым установкам и 40 биогазовым установкам, которыми оборудованы учреждения. (Фото: с разрешения Tusk Engineers)Инновации и инновационное мышление
«Инновация заключается в использовании имеющихся ресурсов – технологий, рабочей силы и механизмов – для решения насущных проблем. Дело не только в том, что придумывается что-то новое; дело также в том, чтобы иметь возможность решать местные проблемы и делать мир лучше и удобнее для жизни», — отмечает г-жа Набунья.
Значение «зеленых» инноваций в том, что они помогают решать проблемы, из-за которых происходит глобальное потепление. Они также решают проблемы загрязнения окружающей среды в результате использования устаревших и неэффективных методов приготовления пищи и ненадлежащих санитарно-гигиенических условий из-за удаления отходов жизнедеятельности человека неоптимальными способами. Короче говоря, они помогают нам строить «зеленое» будущее.
Планы охватить всю страну
В настоящее время компания тестирует свою технологию на местах и уже установила биотуалеты и подсоединила их к более чем 150 бытовым биогазовым установкам и 40 биогазовым установкам с фиксированным куполом емкостью от 6 до 70 кубометров, которыми оборудованы учреждения.
«Наша цель – охватить все сельское население Уганды», — говорит г-жа Набунья.
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 широкополосной связи: 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 составляет 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 — это еще один жизнеспособный вариант широкополосного доступа в сельских районах, 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 беспроводная связь: Сотовая беспроводная связь соединяет пользователей с ближайшей вышкой сотовой связи, как правило, с помощью смартфона. В то время как доступность сотовой связи в более развитых сельских районах превышает 95 процентов в наиболее 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 выгрузки менее 4 Мбит / с.
Кабель: Кабельный Интернет — один из наиболее распространенных и доступных видов широкополосного доступа, к которому имеет доступ почти 90 процентов населения США. Кабельный Интернет предоставляется через те же коаксиальные кабели, что и кабельное телевидение, и часто входит в пакет услуг телефонной и телевизионной связи от многих провайдеров. Со скоростью загрузки до 940 Мбит / с и скорости загрузки не менее 50 Мбит / с кабель является одним из самых быстрых способов широкополосного доступа.
Волоконно: Оптоволоконный Интернет — это самый быстрый и надежный вид широкополосного доступа.Услуга доставляется в дом через проложенный на земле оптоволоконный кабель, который передает данные в виде световых импульсов по тонким пластиковым или стеклянным нитям. Хотя скорость загрузки по оптоволоконному кабелю может достигать 2000 Мбит / с, большинство провайдеров предлагают максимальную скорость около 1000 Мбит / с. Наиболее существенным ограничением оптоволокна является его низкая доступность: только около 45 процентов домохозяйств в США имеют к нему доступ, в основном в городских и пригородных районах. Примерно 24 процента сельских домохозяйств имеют доступ к оптоволоконному Интернету.
Отсутствие универсального широкополосного доступа в сельских районах Америки
Согласно 14-му отчету о развитии широкополосной связи FCC , более 14 миллионов американцев, или около 4 процентов населения США, не имели доступа к минимальному стандарту широкополосной связи 25/3 Мбит / с в 2019 году. Вероятно, это число занижено. Согласно исследованию BroadbandNow, которое указывает на неточности в прошлых картографических данных FCC, до 42 миллионов американцев могут не иметь широкополосного доступа.Например, до 2020 года на картах FCC все дома в переписном участке считались обслуживаемыми надлежащим образом, если только один дом в этом районе имел доступ в Интернет.
Согласно отчету FCC, в сельских и племенных общинах самые низкие показатели широкополосного доступа. Например, в 2019 году 98,8% городских районов имели доступ к Интернету со скоростью 25/3 Мбит / с по сравнению с 82,7% сельских районов и 79,1% племенных земель. Это несоответствие становится более заметным 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 от января 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 широкополосной связи
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 пользующихся широкополосным доступом, высокая ежемесячная стоимость подписки была наиболее часто упоминаемой причиной (50 процентов респондентов) отсутствия широкополосного доступа в доме, за которой следовала исключительная зависимость от смартфонов, возможность доступа в Интернет. вне дома и дороговизна покупки компьютера. Другие факторы, вызывающие диспропорции в области широкополосной связи, в частности ограниченная конкуренция между интернет-провайдерами, удерживают цены на высоком уровне.
Социально-экономический статус : Сельские сообщества часто сталкиваются с более высоким уровнем бедности и более низким уровнем образования, а цифровой разрыв непропорционально влияет на сообщества с более низким финансовым статусом, более низким уровнем образования и 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 в возрасте до 24 лет с меньшей вероятностью смогут позволить себе оплату услуг широкополосного доступа, а люди в возрасте 65 лет и старше с большей вероятностью не будут иметь навыков работы с компьютером. Кроме того, более низкий спрос на широкополосную связь в сообществах с низким доходом и цветных сообществах может привести к дискриминации на основе прибыли: услуги широкополосной связи не распространяются на эти сообщества, потому что они ожидают, что отдача будет низкой.По этой причине учет фактора рентабельности является необходимой частью успешного расширения широкополосной связи.
Последствия цифрового разрыва
Влияние на образование: Отсутствие широкополосного доступа отрицательно сказывается на системе образования. Пятьдесят процентов восьмиклассников в сельской местности и 58 процентов всех студентов в США сообщили, что они используют Интернет дома, чтобы делать домашнее задание 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. Появились многочисленные сообщения о том, что студенты из сельских и недостаточно обслуживаемых городских сообществ получают доступ к своим онлайн-урокам 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 оптимальной работы. Например, некоторые жилищные возобновляемые технологии, такие как солнечные инверторы, могут потребовать широкополосного доступа для мониторинга и управления потоком энергии в здание. Таким образом, экономия, обеспечиваемая более интеллектуальными энергетическими устройствами, недоступна для многих, у кого нет доступа к широкополосной связи в сельских районах и племенных землях, включая государственные учреждения, такие как больницы и школы.
Точное земледелие
Broadband также позволяет использовать точное земледелие или использовать датчики и сбор данных на фермах для повышения эффективности использования ресурсов, урожайности и прибыльности.Например, системы орошения на основе датчиков оптимизируют объем используемой воды и время, затрачиваемое на полив сельскохозяйственных культур, экономя воду и расходы. Мониторы урожайности, еще одна точная технология, требующая использования Интернета, предоставляют фермерам данные об урожайности зерна, уровне влажности и свойствах почвы и могут сэкономить им 25 долларов с акра на производственных расходах. Внедрение широкополосной связи в сельскохозяйственных пространствах позволяет фермерам использовать технологии точного земледелия, которые приносят пользу их деятельности и экономике в целом.
Интеллектуальные сети
Интеллектуальные энергетические технологии, развернутые по всей сети, как перед счетчиком, так и за ним, могут создавать преимущества, выходящие за пределы места их установки.Интеллектуальные энергетические устройства используют широкополосную связь для отправки информации обратно сетевым и 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, обеспечиваемая 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 задачи по развертыванию 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 высокая стоимость развертывания 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, определенных в качестве подходящего оператора связи (ETC) в рамках фонда Connect America Fund (CAF) FCC, наиболее значительного источника федерального финансирования высокоскоростного доступа в Интернет. Когда FCC исследовала возможность осуществления выплат CAF племенам без обозначения ETC, она пришла к выводу, что разрешающий закон запрещает это делать. Племена также сталкиваются с препятствиями при подаче 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.
Инициативы и проблемы в области широкополосной связи, принадлежащие муниципалитетам
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 на пути развертывания, в том числе с препятствиями со стороны правительства штата. Например, в 18 штатах действует законодательство, препятствующее созданию общедоступной широкополосной связи, а 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 обслуживают территории, охватывающие более 50 процентов территории страны.Более 200 электрических кооперативов развертывают интернет-услуги с помощью различных широкополосных технологий, 90 из которых используют широкополосное оптоволокно.
Национальная ассоциация сельских электрических кооперативов (NRECA) провела обследование 20 электрических кооперативов в 16 штатах, которые развернули широкополосную инфраструктуру в своих общинах. Хотя используемые методы и технологии различались в зависимости от местоположения, кооперативы инвестировали 700 миллионов долларов в широкополосную инфраструктуру, проложив в общей сложности 26 900 миль кабеля для предоставления интернет-услуг.В результате 100 000 абонентов получили услуги широкополосного доступа с коэффициентом использования 42%. Зоны обслуживания имели низкую плотность, со средневзвешенным значением 7,5 членов на милю линии электропередачи. Кооперативы также получили в общей сложности 150 миллионов долларов в виде грантов на федеральном уровне, уровне штата и на местном уровне для покрытия высоких затрат на развертывание. Такое финансирование может позволить электроэнергетическим кооперативам предоставлять доступный Интернет своим необслуживаемым сообществам.
Существующие федеральные программы поддержки широкополосной связи
Федеральное правительство реализует свои существующие инициативы по расширению широкополосной связи, 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 по связи (FCC)
Наибольшая доля финансирования поддержки широкополосного доступа в период с 2009 по 2017 год поступила от Федеральной комиссии по связи.Фонд универсальных услуг FCC обеспечивает поддержку через механизмы, нацеленные на четыре типа сообществ: потребителей с низкими доходами, поставщиков медицинских услуг, школы и библиотеки (при поддержке программы E-Rate) и районы развертывания с высокими затратами, которые часто находятся в сельской местности. В период с 2009 по 2017 год 41,7 миллиарда долларов было выделено в районы с высокими затратами в рамках таких программ, как Connect America Fund, который субсидирует интернет-провайдеров, создающих инфраструктуру в необслуживаемых районах, и Mobility Fund, который поддерживает услуги мобильного широкополосного доступа в сельских районах.Программы FCC, нацеленные на районы с высокими затратами, теперь включают Фонд сельских возможностей цифровых технологий, созданный в январе 2020 года для дальнейшей поддержки развертывания широкополосной связи в сельских районах, где скорость обслуживания составляет менее 25/3 Мбит / с. Фонд сельских возможностей цифровых технологий стремится к развертыванию высокоскоростной широкополосной связи для более чем 5,2 миллиона жителей и предприятий в течение десятилетнего периода, в то время как Фонд Connect America расширил широкополосный доступ более чем на 5,5 миллионов населенных пунктов по состоянию на конец 2020 года.
Национальное управление электросвязи и информации (NTIA)
Закон № о восстановлении и реинвестициях в Америке от 2009 г. № был первым важным законодательным актом об инвестициях в широкополосную связь в Соединенных Штатах.Он выделил 7,2 миллиарда долларов на развертывание широкополосной связи программам Национального управления электросвязи и информации (NTIA) и Службы сельских коммунальных предприятий; он составлял всю долю NTIA в федеральных инвестициях в широкополосную связь с 2009 по 2017 год. Кроме того, в соответствии с Законом NTIA было выделено 3,3 миллиарда долларов на предоставление грантов в рамках Программы возможностей широкополосной технологии (BTOP). BTOP предоставила гранты 116 частным, некоммерческим, государственным и муниципальным проектам инфраструктуры широкополосной связи как для жителей, так и для государственных учреждений, таких как библиотеки и университеты.По состоянию на ноябрь 2020 года все проекты, кроме двух, были завершены.
В 2016 году NTIA сообщило, что благодаря BTOP было построено 117072 мили новой и модернизированной широкополосной инфраструктуры. Также сообщается, что он 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 на Программу широкополосных инициатив, которая в основном финансировала проекты инфраструктуры широкополосной связи в сельских районах и больше не действует. Сообщается, что в рамках программы широкополосных инициатив улучшена или добавлена широкополосная инфраструктура для 334 830 абонентов через 66 521 миля оптоволоконного кабеля и 5468 точек беспроводного доступа.
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 сельского электронного подключения «ReConnect». Программа была создана в соответствии с Законом о консолидированных ассигнованиях от 2018 года (P.L. 115-141) и изначально имел бюджетные полномочия в размере 6 миллиардов долларов для предоставления ссуд и грантов электроэнергетическим кооперативам, частным корпорациям, а также государственным, племенным и местным органам власти для развертывания широкополосной связи в сельской местности. Дополнительные 550 миллионов долларов были предоставлены Конгрессом в 2019 году (P.L. 116-6), а затем еще 555 миллионов долларов в 2020 году (P.L. 116-93). Позже в 2020 году было добавлено еще 100 миллионов долларов в виде грантов в соответствии с Законом о помощи, чрезвычайной помощи и экономической безопасности в связи с коронавирусом (P.L. 116-136).В 2019 финансовом году Reconnect выделил 661 миллион долларов на 76 проектов в 33 штатах. В 2020 финансовом году Reconnect предоставила 673 миллиона долларов 87 проектам в 35 штатах.
Последние законодательные акты, поддерживающие развертывание широкополосной связи
Несмотря на федеральное финансирование и инициативы по развертыванию широкополосной связи в сельской местности со стороны частных компаний, муниципалитетов и кооперативов, миллионы американцев по-прежнему не имеют доступа к высокоскоростной широкополосной связи. В 2017 году FCC подсчитала, что развертывание широкополосной связи по всей стране будет стоить дополнительно 80 миллиардов долларов, хотя фактическая стоимость может быть выше, учитывая ранее упомянутую неточность карт внедрения широкополосной связи FCC.По некоторым оценкам, стоимость размещения достигает 150 миллиардов долларов, в зависимости от типа используемой широкополосной технологии.
Развертывание широкополосной связи было в центре внимания недавнего федерального законодательства. Например, Закон о помощи, чрезвычайной помощи и экономической безопасности (CARES) от 2020 года (P.L. 116-136) включал финансирование, которое несколько штатов использовали для улучшения инфраструктуры широкополосной связи, телездравоохранения и цифрового обучения в своих сообществах.
Закон о консолидированных ассигнованиях от 2021 года (P.L. 116-260), основанный на Законе CARES , включены 7 миллиардов долларов специально на улучшение инфраструктуры широкополосной связи. В законопроекте было использовано 3,2 миллиарда долларов для создания программы Emergency Broadband Benefit в рамках FCC, временной программы, которая предусматривает субсидию в размере 50 долларов на ежемесячные счета за Интернет для соответствующих требованиям жителей сельских районов и субсидии в размере 75 долларов для жителей племенных земель. Дополнительный 1 миллиард долларов предоставил грант для программы Tribal Broadband Connectivity Program в NTIA, предназначенный для финансирования широкополосного доступа, развертывания и программ в племенных землях.
Закон о точности развертывания широкополосного доступа и технологической доступности (DATA) 2020 г. (P.L. 116-130) требует от FCC повысить точность своих карт доступности широкополосного доступа.
В соответствии с Законом об американском плане спасения от 2021 года (P.L. 117-2) выделено 7,1 миллиарда долларов в новый временный фонд экстренного подключения в рамках FCC для поддержки соответствующих учебных заведений, стремящихся улучшить свою широкополосную инфраструктуру. Он также предоставил штатам дополнительные средства для финансирования развертывания широкополосной связи.Широкополосная связь также является важным направлением в плане инфраструктуры администрации Байдена-Харриса на сумму 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 ведущей инфраструктуре для завтрашней Америки или Закон LIFT America (HR 1848), представленный 32 демократами в Комитете по энергетике и торговле Палаты представителей, и Закон Доступный, доступный Интернет для всех Закон (HR1783), внесенный сенатором Клобучаром (Миннесота) и представителем Клайберном (DS.C.). Эти счета позволят выделить более 94 миллиардов долларов на развертывание широкополосной связи, из которых 80 миллиардов долларов будут зарезервированы для расширения высокоскоростной широкополосной связи на недостаточно обслуживаемые и необслуживаемые городские и сельские районы.Шестьдесят миллиардов долларов из этой суммы будут направлены на конкурсные торги для оптимизации распределения помощи, а оставшиеся 20 миллиардов долларов будут распределены между штатами для финансирования их процессов развертывания. Дополнительные 5 миллиардов долларов послужат капиталом для финансирования проектов широкополосной инфраструктуры под низкие проценты. Наконец, 9,3 миллиарда долларов пойдут на финансирование доступности широкополосного доступа и акционерного капитала, 6 миллиардов долларов из которых будут распределены на программу Emergency Broadband Benefit в рамках FCC.
Заключение
Несмотря на недавний прогресс в расширении широкополосной связи в сельской местности, становится все более очевидным, что расширение доступа к услугам высокоскоростной широкополосной связи должно быть главным приоритетом для Соединенных Штатов с 14 лет.От 5 до 42 миллионов американцев по-прежнему не имеют доступа к надежному высокоскоростному Интернету. Растущие запросы на универсальную широкополосную связь подчеркивают важность этой технологии для сообществ, но различные финансовые и экономические барьеры продолжают препятствовать развертыванию широкополосных услуг в необслуживаемых и недостаточно обслуживаемых районах. Хотя финансирование развертывания широкополосной связи должно конкурировать с другими высокоприоритетными программами, касающимися отсутствия продовольственной безопасности, инфраструктуры, здравоохранения или образования, высокоскоростной доступ в Интернет имеет решающее значение для многих из этих приоритетов.Сельские электрические кооперативы, местные органы власти и федеральное правительство добились значительных успехов в финансировании развертывания новой широкополосной связи. 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 широкополосной связи: 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 составляет 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 — это еще один жизнеспособный вариант широкополосного доступа в сельских районах, 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 беспроводная связь: Сотовая беспроводная связь соединяет пользователей с ближайшей вышкой сотовой связи, как правило, с помощью смартфона. В то время как доступность сотовой связи в более развитых сельских районах превышает 95 процентов в наиболее 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 выгрузки менее 4 Мбит / с.
Кабель: Кабельный Интернет — один из наиболее распространенных и доступных видов широкополосного доступа, к которому имеет доступ почти 90 процентов населения США. Кабельный Интернет предоставляется через те же коаксиальные кабели, что и кабельное телевидение, и часто входит в пакет услуг телефонной и телевизионной связи от многих провайдеров. Со скоростью загрузки до 940 Мбит / с и скорости загрузки не менее 50 Мбит / с кабель является одним из самых быстрых способов широкополосного доступа.
Волоконно: Оптоволоконный Интернет — это самый быстрый и надежный вид широкополосного доступа.Услуга доставляется в дом через проложенный на земле оптоволоконный кабель, который передает данные в виде световых импульсов по тонким пластиковым или стеклянным нитям. Хотя скорость загрузки по оптоволоконному кабелю может достигать 2000 Мбит / с, большинство провайдеров предлагают максимальную скорость около 1000 Мбит / с. Наиболее существенным ограничением оптоволокна является его низкая доступность: только около 45 процентов домохозяйств в США имеют к нему доступ, в основном в городских и пригородных районах. Примерно 24 процента сельских домохозяйств имеют доступ к оптоволоконному Интернету.
Отсутствие универсального широкополосного доступа в сельских районах Америки
Согласно 14-му отчету о развитии широкополосной связи FCC , более 14 миллионов американцев, или около 4 процентов населения США, не имели доступа к минимальному стандарту широкополосной связи 25/3 Мбит / с в 2019 году. Вероятно, это число занижено. Согласно исследованию BroadbandNow, которое указывает на неточности в прошлых картографических данных FCC, до 42 миллионов американцев могут не иметь широкополосного доступа.Например, до 2020 года на картах FCC все дома в переписном участке считались обслуживаемыми надлежащим образом, если только один дом в этом районе имел доступ в Интернет.
Согласно отчету FCC, в сельских и племенных общинах самые низкие показатели широкополосного доступа. Например, в 2019 году 98,8% городских районов имели доступ к Интернету со скоростью 25/3 Мбит / с по сравнению с 82,7% сельских районов и 79,1% племенных земель. Это несоответствие становится более заметным 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 от января 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 широкополосной связи
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 пользующихся широкополосным доступом, высокая ежемесячная стоимость подписки была наиболее часто упоминаемой причиной (50 процентов респондентов) отсутствия широкополосного доступа в доме, за которой следовала исключительная зависимость от смартфонов, возможность доступа в Интернет. вне дома и дороговизна покупки компьютера. Другие факторы, вызывающие диспропорции в области широкополосной связи, в частности ограниченная конкуренция между интернет-провайдерами, удерживают цены на высоком уровне.
Социально-экономический статус : Сельские сообщества часто сталкиваются с более высоким уровнем бедности и более низким уровнем образования, а цифровой разрыв непропорционально влияет на сообщества с более низким финансовым статусом, более низким уровнем образования и 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 в возрасте до 24 лет с меньшей вероятностью смогут позволить себе оплату услуг широкополосного доступа, а люди в возрасте 65 лет и старше с большей вероятностью не будут иметь навыков работы с компьютером. Кроме того, более низкий спрос на широкополосную связь в сообществах с низким доходом и цветных сообществах может привести к дискриминации на основе прибыли: услуги широкополосной связи не распространяются на эти сообщества, потому что они ожидают, что отдача будет низкой.По этой причине учет фактора рентабельности является необходимой частью успешного расширения широкополосной связи.
Последствия цифрового разрыва
Влияние на образование: Отсутствие широкополосного доступа отрицательно сказывается на системе образования. Пятьдесят процентов восьмиклассников в сельской местности и 58 процентов всех студентов в США сообщили, что они используют Интернет дома, чтобы делать домашнее задание 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. Появились многочисленные сообщения о том, что студенты из сельских и недостаточно обслуживаемых городских сообществ получают доступ к своим онлайн-урокам 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 оптимальной работы. Например, некоторые жилищные возобновляемые технологии, такие как солнечные инверторы, могут потребовать широкополосного доступа для мониторинга и управления потоком энергии в здание. Таким образом, экономия, обеспечиваемая более интеллектуальными энергетическими устройствами, недоступна для многих, у кого нет доступа к широкополосной связи в сельских районах и племенных землях, включая государственные учреждения, такие как больницы и школы.
Точное земледелие
Broadband также позволяет использовать точное земледелие или использовать датчики и сбор данных на фермах для повышения эффективности использования ресурсов, урожайности и прибыльности.Например, системы орошения на основе датчиков оптимизируют объем используемой воды и время, затрачиваемое на полив сельскохозяйственных культур, экономя воду и расходы. Мониторы урожайности, еще одна точная технология, требующая использования Интернета, предоставляют фермерам данные об урожайности зерна, уровне влажности и свойствах почвы и могут сэкономить им 25 долларов с акра на производственных расходах. Внедрение широкополосной связи в сельскохозяйственных пространствах позволяет фермерам использовать технологии точного земледелия, которые приносят пользу их деятельности и экономике в целом.
Интеллектуальные сети
Интеллектуальные энергетические технологии, развернутые по всей сети, как перед счетчиком, так и за ним, могут создавать преимущества, выходящие за пределы места их установки.Интеллектуальные энергетические устройства используют широкополосную связь для отправки информации обратно сетевым и 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, обеспечиваемая 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 задачи по развертыванию 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 высокая стоимость развертывания 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, определенных в качестве подходящего оператора связи (ETC) в рамках фонда Connect America Fund (CAF) FCC, наиболее значительного источника федерального финансирования высокоскоростного доступа в Интернет. Когда FCC исследовала возможность осуществления выплат CAF племенам без обозначения ETC, она пришла к выводу, что разрешающий закон запрещает это делать. Племена также сталкиваются с препятствиями при подаче 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.
Инициативы и проблемы в области широкополосной связи, принадлежащие муниципалитетам
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 на пути развертывания, в том числе с препятствиями со стороны правительства штата. Например, в 18 штатах действует законодательство, препятствующее созданию общедоступной широкополосной связи, а 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 обслуживают территории, охватывающие более 50 процентов территории страны.Более 200 электрических кооперативов развертывают интернет-услуги с помощью различных широкополосных технологий, 90 из которых используют широкополосное оптоволокно.
Национальная ассоциация сельских электрических кооперативов (NRECA) провела обследование 20 электрических кооперативов в 16 штатах, которые развернули широкополосную инфраструктуру в своих общинах. Хотя используемые методы и технологии различались в зависимости от местоположения, кооперативы инвестировали 700 миллионов долларов в широкополосную инфраструктуру, проложив в общей сложности 26 900 миль кабеля для предоставления интернет-услуг.В результате 100 000 абонентов получили услуги широкополосного доступа с коэффициентом использования 42%. Зоны обслуживания имели низкую плотность, со средневзвешенным значением 7,5 членов на милю линии электропередачи. Кооперативы также получили в общей сложности 150 миллионов долларов в виде грантов на федеральном уровне, уровне штата и на местном уровне для покрытия высоких затрат на развертывание. Такое финансирование может позволить электроэнергетическим кооперативам предоставлять доступный Интернет своим необслуживаемым сообществам.
Существующие федеральные программы поддержки широкополосной связи
Федеральное правительство реализует свои существующие инициативы по расширению широкополосной связи, 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 по связи (FCC)
Наибольшая доля финансирования поддержки широкополосного доступа в период с 2009 по 2017 год поступила от Федеральной комиссии по связи.Фонд универсальных услуг FCC обеспечивает поддержку через механизмы, нацеленные на четыре типа сообществ: потребителей с низкими доходами, поставщиков медицинских услуг, школы и библиотеки (при поддержке программы E-Rate) и районы развертывания с высокими затратами, которые часто находятся в сельской местности. В период с 2009 по 2017 год 41,7 миллиарда долларов было выделено в районы с высокими затратами в рамках таких программ, как Connect America Fund, который субсидирует интернет-провайдеров, создающих инфраструктуру в необслуживаемых районах, и Mobility Fund, который поддерживает услуги мобильного широкополосного доступа в сельских районах.Программы FCC, нацеленные на районы с высокими затратами, теперь включают Фонд сельских возможностей цифровых технологий, созданный в январе 2020 года для дальнейшей поддержки развертывания широкополосной связи в сельских районах, где скорость обслуживания составляет менее 25/3 Мбит / с. Фонд сельских возможностей цифровых технологий стремится к развертыванию высокоскоростной широкополосной связи для более чем 5,2 миллиона жителей и предприятий в течение десятилетнего периода, в то время как Фонд Connect America расширил широкополосный доступ более чем на 5,5 миллионов населенных пунктов по состоянию на конец 2020 года.
Национальное управление электросвязи и информации (NTIA)
Закон № о восстановлении и реинвестициях в Америке от 2009 г. № был первым важным законодательным актом об инвестициях в широкополосную связь в Соединенных Штатах.Он выделил 7,2 миллиарда долларов на развертывание широкополосной связи программам Национального управления электросвязи и информации (NTIA) и Службы сельских коммунальных предприятий; он составлял всю долю NTIA в федеральных инвестициях в широкополосную связь с 2009 по 2017 год. Кроме того, в соответствии с Законом NTIA было выделено 3,3 миллиарда долларов на предоставление грантов в рамках Программы возможностей широкополосной технологии (BTOP). BTOP предоставила гранты 116 частным, некоммерческим, государственным и муниципальным проектам инфраструктуры широкополосной связи как для жителей, так и для государственных учреждений, таких как библиотеки и университеты.По состоянию на ноябрь 2020 года все проекты, кроме двух, были завершены.
В 2016 году NTIA сообщило, что благодаря BTOP было построено 117072 мили новой и модернизированной широкополосной инфраструктуры. Также сообщается, что он 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 на Программу широкополосных инициатив, которая в основном финансировала проекты инфраструктуры широкополосной связи в сельских районах и больше не действует. Сообщается, что в рамках программы широкополосных инициатив улучшена или добавлена широкополосная инфраструктура для 334 830 абонентов через 66 521 миля оптоволоконного кабеля и 5468 точек беспроводного доступа.
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 сельского электронного подключения «ReConnect». Программа была создана в соответствии с Законом о консолидированных ассигнованиях от 2018 года (P.L. 115-141) и изначально имел бюджетные полномочия в размере 6 миллиардов долларов для предоставления ссуд и грантов электроэнергетическим кооперативам, частным корпорациям, а также государственным, племенным и местным органам власти для развертывания широкополосной связи в сельской местности. Дополнительные 550 миллионов долларов были предоставлены Конгрессом в 2019 году (P.L. 116-6), а затем еще 555 миллионов долларов в 2020 году (P.L. 116-93). Позже в 2020 году было добавлено еще 100 миллионов долларов в виде грантов в соответствии с Законом о помощи, чрезвычайной помощи и экономической безопасности в связи с коронавирусом (P.L. 116-136).В 2019 финансовом году Reconnect выделил 661 миллион долларов на 76 проектов в 33 штатах. В 2020 финансовом году Reconnect предоставила 673 миллиона долларов 87 проектам в 35 штатах.
Последние законодательные акты, поддерживающие развертывание широкополосной связи
Несмотря на федеральное финансирование и инициативы по развертыванию широкополосной связи в сельской местности со стороны частных компаний, муниципалитетов и кооперативов, миллионы американцев по-прежнему не имеют доступа к высокоскоростной широкополосной связи. В 2017 году FCC подсчитала, что развертывание широкополосной связи по всей стране будет стоить дополнительно 80 миллиардов долларов, хотя фактическая стоимость может быть выше, учитывая ранее упомянутую неточность карт внедрения широкополосной связи FCC.По некоторым оценкам, стоимость размещения достигает 150 миллиардов долларов, в зависимости от типа используемой широкополосной технологии.
Развертывание широкополосной связи было в центре внимания недавнего федерального законодательства. Например, Закон о помощи, чрезвычайной помощи и экономической безопасности (CARES) от 2020 года (P.L. 116-136) включал финансирование, которое несколько штатов использовали для улучшения инфраструктуры широкополосной связи, телездравоохранения и цифрового обучения в своих сообществах.
Закон о консолидированных ассигнованиях от 2021 года (P.L. 116-260), основанный на Законе CARES , включены 7 миллиардов долларов специально на улучшение инфраструктуры широкополосной связи. В законопроекте было использовано 3,2 миллиарда долларов для создания программы Emergency Broadband Benefit в рамках FCC, временной программы, которая предусматривает субсидию в размере 50 долларов на ежемесячные счета за Интернет для соответствующих требованиям жителей сельских районов и субсидии в размере 75 долларов для жителей племенных земель. Дополнительный 1 миллиард долларов предоставил грант для программы Tribal Broadband Connectivity Program в NTIA, предназначенный для финансирования широкополосного доступа, развертывания и программ в племенных землях.
Закон о точности развертывания широкополосного доступа и технологической доступности (DATA) 2020 г. (P.L. 116-130) требует от FCC повысить точность своих карт доступности широкополосного доступа.
В соответствии с Законом об американском плане спасения от 2021 года (P.L. 117-2) выделено 7,1 миллиарда долларов в новый временный фонд экстренного подключения в рамках FCC для поддержки соответствующих учебных заведений, стремящихся улучшить свою широкополосную инфраструктуру. Он также предоставил штатам дополнительные средства для финансирования развертывания широкополосной связи.Широкополосная связь также является важным направлением в плане инфраструктуры администрации Байдена-Харриса на сумму 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 ведущей инфраструктуре для завтрашней Америки или Закон LIFT America (HR 1848), представленный 32 демократами в Комитете по энергетике и торговле Палаты представителей, и Закон Доступный, доступный Интернет для всех Закон (HR1783), внесенный сенатором Клобучаром (Миннесота) и представителем Клайберном (DS.C.). Эти счета позволят выделить более 94 миллиардов долларов на развертывание широкополосной связи, из которых 80 миллиардов долларов будут зарезервированы для расширения высокоскоростной широкополосной связи на недостаточно обслуживаемые и необслуживаемые городские и сельские районы.Шестьдесят миллиардов долларов из этой суммы будут направлены на конкурсные торги для оптимизации распределения помощи, а оставшиеся 20 миллиардов долларов будут распределены между штатами для финансирования их процессов развертывания. Дополнительные 5 миллиардов долларов послужат капиталом для финансирования проектов широкополосной инфраструктуры под низкие проценты. Наконец, 9,3 миллиарда долларов пойдут на финансирование доступности широкополосного доступа и акционерного капитала, 6 миллиардов долларов из которых будут распределены на программу Emergency Broadband Benefit в рамках FCC.
Заключение
Несмотря на недавний прогресс в расширении широкополосной связи в сельской местности, становится все более очевидным, что расширение доступа к услугам высокоскоростной широкополосной связи должно быть главным приоритетом для Соединенных Штатов с 14 лет.От 5 до 42 миллионов американцев по-прежнему не имеют доступа к надежному высокоскоростному Интернету. Растущие запросы на универсальную широкополосную связь подчеркивают важность этой технологии для сообществ, но различные финансовые и экономические барьеры продолжают препятствовать развертыванию широкополосных услуг в необслуживаемых и недостаточно обслуживаемых районах. Хотя финансирование развертывания широкополосной связи должно конкурировать с другими высокоприоритетными программами, касающимися отсутствия продовольственной безопасности, инфраструктуры, здравоохранения или образования, высокоскоростной доступ в Интернет имеет решающее значение для многих из этих приоритетов.Сельские электрические кооперативы, местные органы власти и федеральное правительство добились значительных успехов в финансировании развертывания новой широкополосной связи. 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 широкополосной связи: 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 составляет 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 — это еще один жизнеспособный вариант широкополосного доступа в сельских районах, 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 беспроводная связь: Сотовая беспроводная связь соединяет пользователей с ближайшей вышкой сотовой связи, как правило, с помощью смартфона. В то время как доступность сотовой связи в более развитых сельских районах превышает 95 процентов в наиболее 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 выгрузки менее 4 Мбит / с.
Кабель: Кабельный Интернет — один из наиболее распространенных и доступных видов широкополосного доступа, к которому имеет доступ почти 90 процентов населения США. Кабельный Интернет предоставляется через те же коаксиальные кабели, что и кабельное телевидение, и часто входит в пакет услуг телефонной и телевизионной связи от многих провайдеров. Со скоростью загрузки до 940 Мбит / с и скорости загрузки не менее 50 Мбит / с кабель является одним из самых быстрых способов широкополосного доступа.
Волоконно: Оптоволоконный Интернет — это самый быстрый и надежный вид широкополосного доступа.Услуга доставляется в дом через проложенный на земле оптоволоконный кабель, который передает данные в виде световых импульсов по тонким пластиковым или стеклянным нитям. Хотя скорость загрузки по оптоволоконному кабелю может достигать 2000 Мбит / с, большинство провайдеров предлагают максимальную скорость около 1000 Мбит / с. Наиболее существенным ограничением оптоволокна является его низкая доступность: только около 45 процентов домохозяйств в США имеют к нему доступ, в основном в городских и пригородных районах. Примерно 24 процента сельских домохозяйств имеют доступ к оптоволоконному Интернету.
Отсутствие универсального широкополосного доступа в сельских районах Америки
Согласно 14-му отчету о развитии широкополосной связи FCC , более 14 миллионов американцев, или около 4 процентов населения США, не имели доступа к минимальному стандарту широкополосной связи 25/3 Мбит / с в 2019 году. Вероятно, это число занижено. Согласно исследованию BroadbandNow, которое указывает на неточности в прошлых картографических данных FCC, до 42 миллионов американцев могут не иметь широкополосного доступа.Например, до 2020 года на картах FCC все дома в переписном участке считались обслуживаемыми надлежащим образом, если только один дом в этом районе имел доступ в Интернет.
Согласно отчету FCC, в сельских и племенных общинах самые низкие показатели широкополосного доступа. Например, в 2019 году 98,8% городских районов имели доступ к Интернету со скоростью 25/3 Мбит / с по сравнению с 82,7% сельских районов и 79,1% племенных земель. Это несоответствие становится более заметным 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 от января 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 широкополосной связи
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 пользующихся широкополосным доступом, высокая ежемесячная стоимость подписки была наиболее часто упоминаемой причиной (50 процентов респондентов) отсутствия широкополосного доступа в доме, за которой следовала исключительная зависимость от смартфонов, возможность доступа в Интернет. вне дома и дороговизна покупки компьютера. Другие факторы, вызывающие диспропорции в области широкополосной связи, в частности ограниченная конкуренция между интернет-провайдерами, удерживают цены на высоком уровне.
Социально-экономический статус : Сельские сообщества часто сталкиваются с более высоким уровнем бедности и более низким уровнем образования, а цифровой разрыв непропорционально влияет на сообщества с более низким финансовым статусом, более низким уровнем образования и 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 в возрасте до 24 лет с меньшей вероятностью смогут позволить себе оплату услуг широкополосного доступа, а люди в возрасте 65 лет и старше с большей вероятностью не будут иметь навыков работы с компьютером. Кроме того, более низкий спрос на широкополосную связь в сообществах с низким доходом и цветных сообществах может привести к дискриминации на основе прибыли: услуги широкополосной связи не распространяются на эти сообщества, потому что они ожидают, что отдача будет низкой.По этой причине учет фактора рентабельности является необходимой частью успешного расширения широкополосной связи.
Последствия цифрового разрыва
Влияние на образование: Отсутствие широкополосного доступа отрицательно сказывается на системе образования. Пятьдесят процентов восьмиклассников в сельской местности и 58 процентов всех студентов в США сообщили, что они используют Интернет дома, чтобы делать домашнее задание 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. Появились многочисленные сообщения о том, что студенты из сельских и недостаточно обслуживаемых городских сообществ получают доступ к своим онлайн-урокам 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 оптимальной работы. Например, некоторые жилищные возобновляемые технологии, такие как солнечные инверторы, могут потребовать широкополосного доступа для мониторинга и управления потоком энергии в здание. Таким образом, экономия, обеспечиваемая более интеллектуальными энергетическими устройствами, недоступна для многих, у кого нет доступа к широкополосной связи в сельских районах и племенных землях, включая государственные учреждения, такие как больницы и школы.
Точное земледелие
Broadband также позволяет использовать точное земледелие или использовать датчики и сбор данных на фермах для повышения эффективности использования ресурсов, урожайности и прибыльности.Например, системы орошения на основе датчиков оптимизируют объем используемой воды и время, затрачиваемое на полив сельскохозяйственных культур, экономя воду и расходы. Мониторы урожайности, еще одна точная технология, требующая использования Интернета, предоставляют фермерам данные об урожайности зерна, уровне влажности и свойствах почвы и могут сэкономить им 25 долларов с акра на производственных расходах. Внедрение широкополосной связи в сельскохозяйственных пространствах позволяет фермерам использовать технологии точного земледелия, которые приносят пользу их деятельности и экономике в целом.
Интеллектуальные сети
Интеллектуальные энергетические технологии, развернутые по всей сети, как перед счетчиком, так и за ним, могут создавать преимущества, выходящие за пределы места их установки.Интеллектуальные энергетические устройства используют широкополосную связь для отправки информации обратно сетевым и 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, обеспечиваемая 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 задачи по развертыванию 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 высокая стоимость развертывания 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, определенных в качестве подходящего оператора связи (ETC) в рамках фонда Connect America Fund (CAF) FCC, наиболее значительного источника федерального финансирования высокоскоростного доступа в Интернет. Когда FCC исследовала возможность осуществления выплат CAF племенам без обозначения ETC, она пришла к выводу, что разрешающий закон запрещает это делать. Племена также сталкиваются с препятствиями при подаче 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.
Инициативы и проблемы в области широкополосной связи, принадлежащие муниципалитетам
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 на пути развертывания, в том числе с препятствиями со стороны правительства штата. Например, в 18 штатах действует законодательство, препятствующее созданию общедоступной широкополосной связи, а 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 обслуживают территории, охватывающие более 50 процентов территории страны.Более 200 электрических кооперативов развертывают интернет-услуги с помощью различных широкополосных технологий, 90 из которых используют широкополосное оптоволокно.
Национальная ассоциация сельских электрических кооперативов (NRECA) провела обследование 20 электрических кооперативов в 16 штатах, которые развернули широкополосную инфраструктуру в своих общинах. Хотя используемые методы и технологии различались в зависимости от местоположения, кооперативы инвестировали 700 миллионов долларов в широкополосную инфраструктуру, проложив в общей сложности 26 900 миль кабеля для предоставления интернет-услуг.В результате 100 000 абонентов получили услуги широкополосного доступа с коэффициентом использования 42%. Зоны обслуживания имели низкую плотность, со средневзвешенным значением 7,5 членов на милю линии электропередачи. Кооперативы также получили в общей сложности 150 миллионов долларов в виде грантов на федеральном уровне, уровне штата и на местном уровне для покрытия высоких затрат на развертывание. Такое финансирование может позволить электроэнергетическим кооперативам предоставлять доступный Интернет своим необслуживаемым сообществам.
Существующие федеральные программы поддержки широкополосной связи
Федеральное правительство реализует свои существующие инициативы по расширению широкополосной связи, 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 по связи (FCC)
Наибольшая доля финансирования поддержки широкополосного доступа в период с 2009 по 2017 год поступила от Федеральной комиссии по связи.Фонд универсальных услуг FCC обеспечивает поддержку через механизмы, нацеленные на четыре типа сообществ: потребителей с низкими доходами, поставщиков медицинских услуг, школы и библиотеки (при поддержке программы E-Rate) и районы развертывания с высокими затратами, которые часто находятся в сельской местности. В период с 2009 по 2017 год 41,7 миллиарда долларов было выделено в районы с высокими затратами в рамках таких программ, как Connect America Fund, который субсидирует интернет-провайдеров, создающих инфраструктуру в необслуживаемых районах, и Mobility Fund, который поддерживает услуги мобильного широкополосного доступа в сельских районах.Программы FCC, нацеленные на районы с высокими затратами, теперь включают Фонд сельских возможностей цифровых технологий, созданный в январе 2020 года для дальнейшей поддержки развертывания широкополосной связи в сельских районах, где скорость обслуживания составляет менее 25/3 Мбит / с. Фонд сельских возможностей цифровых технологий стремится к развертыванию высокоскоростной широкополосной связи для более чем 5,2 миллиона жителей и предприятий в течение десятилетнего периода, в то время как Фонд Connect America расширил широкополосный доступ более чем на 5,5 миллионов населенных пунктов по состоянию на конец 2020 года.
Национальное управление электросвязи и информации (NTIA)
Закон № о восстановлении и реинвестициях в Америке от 2009 г. № был первым важным законодательным актом об инвестициях в широкополосную связь в Соединенных Штатах.Он выделил 7,2 миллиарда долларов на развертывание широкополосной связи программам Национального управления электросвязи и информации (NTIA) и Службы сельских коммунальных предприятий; он составлял всю долю NTIA в федеральных инвестициях в широкополосную связь с 2009 по 2017 год. Кроме того, в соответствии с Законом NTIA было выделено 3,3 миллиарда долларов на предоставление грантов в рамках Программы возможностей широкополосной технологии (BTOP). BTOP предоставила гранты 116 частным, некоммерческим, государственным и муниципальным проектам инфраструктуры широкополосной связи как для жителей, так и для государственных учреждений, таких как библиотеки и университеты.По состоянию на ноябрь 2020 года все проекты, кроме двух, были завершены.
В 2016 году NTIA сообщило, что благодаря BTOP было построено 117072 мили новой и модернизированной широкополосной инфраструктуры. Также сообщается, что он 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 на Программу широкополосных инициатив, которая в основном финансировала проекты инфраструктуры широкополосной связи в сельских районах и больше не действует. Сообщается, что в рамках программы широкополосных инициатив улучшена или добавлена широкополосная инфраструктура для 334 830 абонентов через 66 521 миля оптоволоконного кабеля и 5468 точек беспроводного доступа.
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 сельского электронного подключения «ReConnect». Программа была создана в соответствии с Законом о консолидированных ассигнованиях от 2018 года (P.L. 115-141) и изначально имел бюджетные полномочия в размере 6 миллиардов долларов для предоставления ссуд и грантов электроэнергетическим кооперативам, частным корпорациям, а также государственным, племенным и местным органам власти для развертывания широкополосной связи в сельской местности. Дополнительные 550 миллионов долларов были предоставлены Конгрессом в 2019 году (P.L. 116-6), а затем еще 555 миллионов долларов в 2020 году (P.L. 116-93). Позже в 2020 году было добавлено еще 100 миллионов долларов в виде грантов в соответствии с Законом о помощи, чрезвычайной помощи и экономической безопасности в связи с коронавирусом (P.L. 116-136).В 2019 финансовом году Reconnect выделил 661 миллион долларов на 76 проектов в 33 штатах. В 2020 финансовом году Reconnect предоставила 673 миллиона долларов 87 проектам в 35 штатах.
Последние законодательные акты, поддерживающие развертывание широкополосной связи
Несмотря на федеральное финансирование и инициативы по развертыванию широкополосной связи в сельской местности со стороны частных компаний, муниципалитетов и кооперативов, миллионы американцев по-прежнему не имеют доступа к высокоскоростной широкополосной связи. В 2017 году FCC подсчитала, что развертывание широкополосной связи по всей стране будет стоить дополнительно 80 миллиардов долларов, хотя фактическая стоимость может быть выше, учитывая ранее упомянутую неточность карт внедрения широкополосной связи FCC.По некоторым оценкам, стоимость размещения достигает 150 миллиардов долларов, в зависимости от типа используемой широкополосной технологии.
Развертывание широкополосной связи было в центре внимания недавнего федерального законодательства. Например, Закон о помощи, чрезвычайной помощи и экономической безопасности (CARES) от 2020 года (P.L. 116-136) включал финансирование, которое несколько штатов использовали для улучшения инфраструктуры широкополосной связи, телездравоохранения и цифрового обучения в своих сообществах.
Закон о консолидированных ассигнованиях от 2021 года (P.L. 116-260), основанный на Законе CARES , включены 7 миллиардов долларов специально на улучшение инфраструктуры широкополосной связи. В законопроекте было использовано 3,2 миллиарда долларов для создания программы Emergency Broadband Benefit в рамках FCC, временной программы, которая предусматривает субсидию в размере 50 долларов на ежемесячные счета за Интернет для соответствующих требованиям жителей сельских районов и субсидии в размере 75 долларов для жителей племенных земель. Дополнительный 1 миллиард долларов предоставил грант для программы Tribal Broadband Connectivity Program в NTIA, предназначенный для финансирования широкополосного доступа, развертывания и программ в племенных землях.
Закон о точности развертывания широкополосного доступа и технологической доступности (DATA) 2020 г. (P.L. 116-130) требует от FCC повысить точность своих карт доступности широкополосного доступа.
В соответствии с Законом об американском плане спасения от 2021 года (P.L. 117-2) выделено 7,1 миллиарда долларов в новый временный фонд экстренного подключения в рамках FCC для поддержки соответствующих учебных заведений, стремящихся улучшить свою широкополосную инфраструктуру. Он также предоставил штатам дополнительные средства для финансирования развертывания широкополосной связи.Широкополосная связь также является важным направлением в плане инфраструктуры администрации Байдена-Харриса на сумму 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 ведущей инфраструктуре для завтрашней Америки или Закон LIFT America (HR 1848), представленный 32 демократами в Комитете по энергетике и торговле Палаты представителей, и Закон Доступный, доступный Интернет для всех Закон (HR1783), внесенный сенатором Клобучаром (Миннесота) и представителем Клайберном (DS.C.). Эти счета позволят выделить более 94 миллиардов долларов на развертывание широкополосной связи, из которых 80 миллиардов долларов будут зарезервированы для расширения высокоскоростной широкополосной связи на недостаточно обслуживаемые и необслуживаемые городские и сельские районы.Шестьдесят миллиардов долларов из этой суммы будут направлены на конкурсные торги для оптимизации распределения помощи, а оставшиеся 20 миллиардов долларов будут распределены между штатами для финансирования их процессов развертывания. Дополнительные 5 миллиардов долларов послужат капиталом для финансирования проектов широкополосной инфраструктуры под низкие проценты. Наконец, 9,3 миллиарда долларов пойдут на финансирование доступности широкополосного доступа и акционерного капитала, 6 миллиардов долларов из которых будут распределены на программу Emergency Broadband Benefit в рамках FCC.
Заключение
Несмотря на недавний прогресс в расширении широкополосной связи в сельской местности, становится все более очевидным, что расширение доступа к услугам высокоскоростной широкополосной связи должно быть главным приоритетом для Соединенных Штатов с 14 лет.От 5 до 42 миллионов американцев по-прежнему не имеют доступа к надежному высокоскоростному Интернету. Растущие запросы на универсальную широкополосную связь подчеркивают важность этой технологии для сообществ, но различные финансовые и экономические барьеры продолжают препятствовать развертыванию широкополосных услуг в необслуживаемых и недостаточно обслуживаемых районах. Хотя финансирование развертывания широкополосной связи должно конкурировать с другими высокоприоритетными программами, касающимися отсутствия продовольственной безопасности, инфраструктуры, здравоохранения или образования, высокоскоростной доступ в Интернет имеет решающее значение для многих из этих приоритетов.Сельские электрические кооперативы, местные органы власти и федеральное правительство добились значительных успехов в финансировании развертывания новой широкополосной связи. 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.
Производство биогаза — обзор
2.55.6 Влияние изменений условий эксплуатации и окружающей среды на AD
На практике системы анаэробной очистки могут подвергаться многим эксплуатационным и экологическим изменениям, которые повлияют на характеристики реактора [15]. Понятно, что реакция реактора значительно варьируется, в зависимости не только от факторов, связанных с системой обработки (например, типа реактора, соотношения органической нагрузки и потенциала органической нагрузки, доступной щелочности и буферной емкости системы, доступности обнаружения неисправностей и системы управления), но также и от факторов, связанных с самим изменением, таких как тип наложенного шока, его масштаб, частота и продолжительность.
В целом анаэробные реакторы ведут себя аналогичным образом при некоторых внезапных изменениях рабочих или технологических условий. Типичным ответом является неполный метаногенез, в результате которого происходит определенное накопление ЛЖК (в основном пропионовой и масляной кислот), падение значения pH и щелочности, изменение производства и состава биогаза (уменьшение содержания CH 4 и увеличение содержания CH 4 ). CO 2 и H 2 ), а иногда и более высокий уровень вымывания осадка.
Вариации органической нагрузки можно разделить на два разных класса: те, которые связаны с изменением твердой фазы, и те, которые связаны с изменением содержания растворенных твердых веществ. У каждого класса есть свои собственные эффекты. Дополнительный вклад в загрузку SS может привести к снижению SRT и дальнейшему ухудшению характеристик реактора. Перегрузка из-за растворенных разлагаемых органических соединений может привести к накоплению ЛЖК, падению значений pH и, возможно, ингибированию метаногенной активности.
В реакторах UASB и EGSB колебания ударной гидравлической нагрузки влияют на динамику илового слоя. Они расширяют слои ила благодаря новому равновесию между скоростями восходящего потока и скоростью осаждения ила. В зависимости от внезапного изменения можно ожидать более высокой концентрации SS в сточных водах из-за вымывания более легкой биомассы, снижения фильтрующей способности слоя ила при более высоких скоростях восходящего потока и дезинтеграции гранулированного или хлопьевидного ила под эрозионным действием. поперечных сил.Эффективность удаления ХПК также может ухудшиться из-за недостаточного контакта между биомассой слоя и субстратом. При увеличении скорости восходящего потока увеличивается массоперенос, что может вызвать ухудшение процесса, провоцируя накопление ЛЖК, снижение pH и, как следствие, ингибирование метаногенеза.
Колебания температуры могут значительно повлиять на производительность анаэробных реакторов из-за разной реакции различных метаболических групп микроорганизмов, участвующих в процессе.Снижение активности метаногенов происходит при температурах ниже 18 ° C, что может привести к накоплению ЛЖК и падению pH. Кроме того, ниже этой температуры гидролиз значительно замедляется, и может происходить накопление инертных SS, что приводит к снижению SRT и ухудшению качества ила. С другой стороны, повышение температуры может увеличить скорость распада метаногенов (которые более чувствительны к резким колебаниям температуры) до значений, превышающих скорость роста.Это нежелательное состояние ухудшает работу реактора [15].
Изменение значения pH на входе также может повлиять на производительность реактора, но это зависит от буферной емкости системы. Метаногенная активность имеет оптимальное значение pH в диапазоне 6,6–7,5, но гидролитические и ацидогенные бактерии менее чувствительны к более высоким или более низким значениям pH. Это означает, что метаногенная активность может подавляться при более низких значениях pH, в то время как ЛЖК все еще производятся, что может вызвать окончательное подкисление реактора.
Внезапные изменения в составе и концентрации сточных вод имеют прямое влияние на работу реактора, так как баланс различных метаболических групп микроорганизмов зависит от состава сточных вод среди других факторов. Если модификация источника углерода длится в течение длительного времени, может произойти изменение пропорции различных бактериальных групп, что означает установление новых стационарных условий.
Резкие колебания и высокие концентрации ксенобиотиков, фенольных соединений, тяжелых металлов, детергентов и других возможных ингибиторов во входящем потоке очень часто встречаются на установках анаэробной очистки.Их эффекты зависят от серьезности (продолжительности и концентрации) события, поскольку эти соединения ингибируют метаногены больше, чем другие группы анаэробных микроорганизмов, и, следовательно, вызывают накопление ЛЖК и снижение pH. В случае возможного поступления кислорода с притоком, факультативные бактерии, присутствующие в биомассе, могут использовать этот элемент до того, как он сможет изменить активность метаногенов. Однако иногда при длительной гидравлической ударной нагрузке количество кислорода может превышать емкость факультативных бактерий, присутствующих в анаэробной биомассе, вызывая угнетение метаногенеза.
Наконец, концепция стабильности или надежности анаэробных реакторов все еще довольно неоднозначна. Устойчивость может быть определена как способность систем достигать установившейся производительности при определенных условиях эксплуатации. В этом отношении анаэробные очистные сооружения столь же стабильны и надежны, как и любые другие биологические процессы.
Введение в биогаз и биометан — Перспективы биогаза и биометана: перспективы органического роста — Анализ
Производство биогаза в мире было неравномерным, поскольку оно зависит не только от наличия сырья, но и от политики, поощряющей его производство и использование.На Европу, Китайскую Народную Республику (далее «Китай») и США приходится 90% мирового производства.
Европа на сегодняшний день является крупнейшим производителем биогаза. Германия — безусловно, крупнейший рынок, на котором сосредоточено две трети мощности биогазовых установок Европы. Энергетические культуры были основным сырьем, которое поддерживало рост биогазовой промышленности Германии, но в последнее время политика в большей степени сместилась в сторону использования пожнивных остатков, последовательных культур, отходов животноводства и улавливания метана со свалок.Другие страны, такие как Дания, Франция, Италия и Нидерланды, активно продвигают производство биогаза.
В Китай политика поддержала установку бытовых варочных котлов в сельских районах с целью расширения доступа к современной энергии и чистому топливу для приготовления пищи; на эти варочные котлы сегодня приходится около 70% установленной мощности по биогазу. Было объявлено о различных программах в поддержку установки более крупных когенерационных установок (т. Е. Установок, производящих как тепло, так и электроэнергию).Кроме того, в конце 2019 года Китайская национальная комиссия по развитию и реформам выпустила руководящий документ, посвященный индустриализации биогаза и его модернизации до биометана, поддерживая также использование биометана в транспортном секторе.
В США основным путем получения биогаза был сбор свалочного газа, на который сегодня приходится почти 90% производства биогаза. Также растет интерес к производству биогаза из сельскохозяйственных отходов, поскольку на домашние животноводческие рынки приходится почти треть выбросов метана в Соединенных Штатах (USDA, 2016).Соединенные Штаты также занимают лидирующие позиции в мире по использованию биометана в транспортном секторе благодаря поддержке как штата, так и федерального правительства.
Около половины оставшейся продукции приходится на развивающиеся страны Азии, в частности Таиланд и Индия . Вознаграждение через Механизм чистого развития (МЧР) было ключевым фактором, поддерживавшим этот рост, особенно в период с 2007 по 2011 год. Развитие новых биогазовых проектов резко упало после 2011 года, поскольку стоимость кредитов на сокращение выбросов, предоставленных в рамках МЧР, упала.Таиланд производит биогаз из потоков отходов производства крахмала маниоки, биотопливной промышленности и свиноферм. Индия намерена построить около 5000 новых заводов по производству сжатого биогаза в течение следующих пяти лет (GMI, 2019). Аргентина и Бразилия также поддержали биогаз через аукционы; В Бразилии большая часть продукции производится со свалок, но есть потенциал и от барды, побочного продукта производства этанола.
Четкое представление о сегодняшнем потреблении биогаза в Африка осложняется отсутствием данных, но его использование было сосредоточено в странах с конкретными программами поддержки.Некоторые правительства, такие как Бенин, Буркина-Фасо и Эфиопия, предоставляют субсидии, которые могут покрывать от половины до всех инвестиций, в то время как многочисленные проекты, продвигаемые неправительственными организациями, предоставляют практические ноу-хау и субсидии для снижения чистых инвестиционных затрат. В дополнение к этим субсидиям в некоторых странах были достигнуты успехи кредитные механизмы, в частности недавняя договоренность о сдаче в аренду в Кении, которая профинансировала почти половину установок варочного котла в 2018 году (ter Heegde, 2019)
Объяснение процесса производства биогаза
Как происходит процесс производства биогаза?
Технология, лежащая в основе процесса производства биогаза, называется анаэробным сбраживанием, и она менее вредна для окружающей среды, чем процессы, в которых используется ископаемое топливо.Проще говоря, бактерии разрушают органические вещества в отсутствие кислорода — явление, которое мы иногда называем разложением или брожением.
Если у вас нет настроения на короткий урок химии, пропустите этот абзац! Если вам интересно, какие химические реакции происходят в этой замкнутой среде, вы должны знать, что ферментация проходит четыре стадии, превращая органический материал в биогаз. Во-первых, бактерии расщепляют углеводы; затем ацидогенные бактерии превращают сахара и аминокислоты в углекислый газ, органические кислоты, водород и аммиак.На третьей стадии эти органические кислоты преобразуются до тех пор, пока метаногены не смогут окончательно разрушить компоненты четвертой стадии и получить метан и диоксид углерода. Средний энергетический потенциал приближается к 2 гигаджоулям (1 895 634 БТЕ) на тонну отходов — конец параграфа химии.
Почему биогаз важен для окружающей среды? Биогаз можно использовать для получения электричества и тепла. Поскольку половина мирового потребления энергии идет на отопление или охлаждение, мир может значительно снизить потребность в источниках ископаемого топлива, перейдя на биогаз.Исследования показали, что использование биогаза может снизить глобальные выбросы парниковых газов на 18-20%.
Хорошая новость заключается в том, что любой может внести свой вклад в этот сдвиг, поскольку биогаз можно легко получить с помощью бытовых систем, а не только на промышленных предприятиях.
Как биогаз производится из биомассы?
Прежде чем мы углубимся в то, как вы можете производить биогаз в домашних условиях, вы должны знать, что процесс производства биогаза из биомассы происходит естественным образом в свопах и на дне океанов, рек или озер, где органические остатки оказываются в анаэробных условиях.
Процесс не требует масштабных вмешательств, и его можно легко воспроизвести в искусственных средах, называемых варочными котлами. Это сконструированные контейнеры, обеспечивающие бескислородное пространство, в котором бактерии могут свободно выполнять свою работу.
Биомасса, используемая для производства биогаза, может представлять собой пищевые отходы, сельскохозяйственные продукты, побочные продукты агропромышленного комплекса, навоз животных или твердые биологические вещества сточных вод. Вы можете использовать органические отходы для производства энергии, а это значит, что этот процесс играет двойную роль.Это помогает генерировать чистую энергию, помогая избавиться от значительного количества мусора, который в противном случае оказался бы на свалках со значительным воздействием на окружающую среду.
Это простой процесс: вы помещаете отходы в варочный котел, а затем бактерии начинают расщеплять органические компоненты и превращать их в биогаз в виде жидкости (от 30 до 60 процентов исходных материалов), дигестата и остатков обрезки.
Биогаз можно использовать для выработки энергии, в то время как дигестат и остатки обрезки превращаются в компост и могут использоваться в качестве удобрения.Это безотходный процесс, который позволяет получать энергию и тепло из экологически чистых источников, а также производить натуральные удобрения. Таким образом, вы получите лучший урожай без использования вредных для здоровья химических веществ.
Виды биогаза
Из чего сделан биогаз? Основными «ингредиентами» являются метан (от 55 до 80%) и диоксид углерода (от 20 до 40%). В зависимости от биомассы, используемой в процессе производства биогаза, биогаз может также содержать следы влаги, газов, сероводорода и силоксанов в различных количествах.
Если вы сделаете еще один шаг и исключите диоксид углерода и примеси из биогаза, вы сможете получить биометан, аналогичный ископаемому газу. Это означает, что вы можете использовать его для приготовления пищи и обогрева. С другой стороны, сжатый биогаз можно использовать в качестве топлива для транспортных средств, что в дальнейшем поможет снизить выбросы парниковых газов.
В процессе производства биогаза в домашних условиях не производится топливо для вашего автомобиля, но он позволяет получать биогаз, который можно легко превратить в газ для приготовления пищи, что позволяет сэкономить деньги на энергии и сократить выбросы углекислого газа.
Сводка
Процесс производства биогаза одинаков для всех типов биогаза, и в нем используются 100% естественные химические реакции. Помещая биомассу (органические отходы) в варочный котел, вы позволяете бактериям расщеплять органические элементы и превращать их в биогаз, который затем можно использовать для выработки энергии.
Это безотходный процесс, который снижает количество отходов, попадающих на свалки, и позволяет производить более чистую энергию, чем при использовании источников ископаемого топлива.
Этот процесс может происходить в больших масштабах на промышленных предприятиях, но он также может быть адаптирован для домашнего использования, так что вы можете легко иметь небольшую биогазовую станцию и производить энергию для нужд вашего дома.
Готовим на биогазеПроизводство биогаза на заднем дворе из навоза: процесс и использование
Эта статья написана Акинтайо Афолаби, студентом Университета Небраски в Линкольне, в рамках курса по управлению использованием навоза в области инженерии биологических систем.Он был рассмотрен экспертами, чтобы обеспечить точность представленных вопросов. Статья отражает понимание студентом предмета, изучаемого на данном этапе его карьеры. Рик Кёльш, преподаватель факультета.
В этой статье описывается процесс производства и преимущества использования биогаза из навоза для мелких животноводческих хозяйств, особенно в развивающихся странах. Помимо санитарных преимуществ правильного обращения с навозом, в этой статье освещаются и другие преимущества, которые могут быть получены от навоза как источника энергии.Таким образом, поощряя этих фермеров хранить навоз со своих животноводческих ферм для использования, тем самым превращая отходы в ценные ресурсы.
Навоз — это отходы, образующиеся в больших количествах и различающиеся в зависимости от размера фермы, вида животных и питательных веществ в корме, который скармливают животным. Эти отходы при неправильном обращении представляют серьезную угрозу для окружающей среды. Это связано с тем, что отходы животноводства содержат азот и фосфор в количествах, вредных для здоровья человека и водных животных, если эти питательные вещества попадают в водоемы.Чтобы избежать экологического риска, государственные учреждения в развитых странах регулируют хранение, обработку, переработку, управление и внесение навоза в землю. На сегодняшний день в развивающихся странах такие правила применяются редко. Таким образом, отходы животноводства засорены повсюду в сообществах, где разводятся животные, с постоянной причиной экологической опасности и социальных неудобств.
Потребность в биогазе
Из-за других ограничений навоз нельзя вносить в поле сразу после его производства.Традиционно навоз хранят до тех пор, пока не появится возможность его внесения в землю. В промежутке между производством и внесением в поле навоз может использоваться для выработки энергии в метантенках. Тип варочного котла, используемого на фермах, обычно определяется применяемой практикой обращения с навозом и типом навоза, который подается в варочный котел. Жидкий навоз и жидкий навоз крупного рогатого скота и свиней можно использовать в качестве сырья для производства биогаза в метантенках. Восстановление биогаза из отходов животноводства может стать ключом к раскрытию финансовых и экологических выгод от использования навоза, образующегося в результате животноводства, и органических отходов в секторах пищевой промышленности.Это также помогает снизить выбросы парниковых газов от метана (Agstar, 2011). Биогаз образуется в результате деятельности бактерий, которые расщепляют биоразлагаемые компоненты навоза в отсутствие кислорода в герметичной камере. Этот процесс называется анаэробным пищеварением.
Анаэробное сбраживание — это микробная ферментация субстрата в отсутствие кислорода. Это приводит к смеси газов, содержащей метан, диоксид углерода и другие газы, такие как азот и серу, в качестве примесей.Сырье, подаваемое в варочный котел, представляет собой органические материалы с высоким содержанием влаги. Примерами таких органических материалов являются отходы животноводства (навоз), пищевые отходы, остатки после уборки сада или сада. Газовая смесь, производимая в биореакторе, называется биогазом и может использоваться в качестве топлива. Биогаз содержит от 55 до 65% метана, от 30 до 35% углекислого газа и других газов. Пропорции газов зависят от сырья и других параметров процесса, таких как гидравлическое время пребывания (HRT) и температура.Энергетическая ценность биогаза составляет около 60% (в зависимости от содержания метана) по сравнению с природным газом (Noorolahi et al, 2014) и может быть легко адаптирована для использования для замены природного газа.
Образование биогаза в варочном котле
Процесс образования биогаза из подаваемого сырья можно разбить на четыре этапа. На трех последних стадиях присутствуют различные виды бактерий, которые расщепляют продукцию предшествующей стадии на вещества, необходимые для окончательного образования биогаза из органических материалов, подаваемых в варочный котел.Шаги следующие:
- Гидролиз: это добавление воды к органическому сырью. Это вызывает расщепление углеводов на сахар и глюкозу и превращение белков в аминокислоты. Это преобразование обычно является самым медленным из четырех шагов (Vogeli et al., 2014).
- Второй этап — это действие бактерий, которые воздействуют на кислоты с первого этапа, чтобы подготовить их к следующему этапу процесса преобразования.
- На этом этапе задействованы другие виды бактерий, которые воздействуют на вещества, образованные на предыдущем этапе, чтобы преобразовать их в формы, готовые для заключительного этапа анаэробного процесса
- На этом последнем этапе образующие метан бактерии превращают продукты предыдущих этапов в биогаз, содержащий в основном метан и диоксид углерода.Этот конечный продукт необходимо собрать и сохранить для использования в качестве энергии.
Факторами, влияющими на производимый биогаз, являются температура окружающей среды, pH, сырье, вовлеченные бактерии и HRT. Варочный котел должен быть герметичным, чтобы избежать утечки биогаза. Варочные котлы также должны быть анаэробными или бескислородными. Температуры, при которых бактерии воздействуют на субстраты для их преобразования в биогаз, подразделяются на психрофильные (41-59 F), мезофильные (95-100 F) и термофильные (118-140 F).Были проведены исследования в трех диапазонах температур, чтобы определить наилучшую температуру в различных случаях и с различным сырьем. По сути, температура определяет виды бактерий, которые будут участвовать в производстве биогаза. Различные виды бактерий процветают в разных диапазонах температур. Более высокие температуры быстрее превращают навоз в биогаз. Оптимальный pH для стабильного анаэробного сбраживания и высокого выхода биогаза находится в диапазоне от 6,5 до 7,5 (Vogeli et al., 2014).
Типы варочных котлов
Рисунок 1: Биогазовая установка с фиксированным куполом (Вигели и др., 2014)Существует много типов варочных котлов в зависимости от строительных материалов и применяемой технологии. Красный кирпич, синтетические мембраны и металлические листы — вот некоторые из материалов, из которых можно построить варочные котлы. Первоначальные затраты и затраты на техническое обслуживание варочных котлов зависят от используемых материалов, размера и применяемой технологии. Кирпичи и цемент приемлемы, но дороги, а сталь быстро корродирует в присутствии газов, содержащих сероводород.Некоторые из популярных типов варочных котлов подразделяются на биогазовые установки с фиксированным куполом и с плавающим газгольдером. Биогазовая установка с фиксированным куполом не имеет движущихся частей (рис. 1). Он имеет смесительный бак и входной канал, через который сырье попадает в установку. Преобразование отходов в биогаз происходит в основной камере варочного котла. Газовая смесь собирается через газовый трубопровод, расположенный в верхней части камеры для разложения. Остаток процесса выпускается через выпускной патрубок и резервуар для перелива, в то время как газ собирается из шланга в верхней части варочного котла.
Рисунок 2: Биогазовая установка с плавающим куполом (Vigeli et al, 2014)Биогазовая установка с плавающим куполом (Рисунок 2) имеет плавающий «баллон» в верхней части варочного котла, который можно использовать для хранения биогаза в периоды повышенного спроса. и контролировать объем добытого газа. Подвижный компонент типа плавающего газгольдера делает его строительство и обслуживание более дорогим по сравнению с фиксированным куполом. Тем не менее, он имеет то преимущество, что операторы могут в любой момент оценить количество уже накопленного биогаза.
Преимущества биогазовых установок
Биогазовые установки обладают многочисленными преимуществами и преимуществами, которые отражаются в улучшении экономики фермы и обеспечивают рациональное использование ресурсов и окружающей среды. Биогаз, производимый на ферме, может дополнять текущую энергию, необходимую ферме. Если на ферме вырабатывается большое количество биогаза, его можно продать соседям для дополнительного дохода ферме. Кроме того, производство биогаза снижает зависимость от ископаемого топлива, которое не является возобновляемым, и смягчает сопутствующее глобальное потепление, постоянно вызываемое сжиганием ископаемого топлива.Другими словами, биогаз производит чистое топливо, которое помогает контролировать загрязнение воздуха в результате сжигания ископаемого топлива.
Еще одно преимущество производства биогаза из навоза состоит в том, что оно снижает загрязнение воды за счет первоначального разложения навоза в варочном котле перед внесением навоза в поле. Анаэробное сбраживание отходов животноводства дает значительные экологические преимущества. К ним относятся снижение биологической потребности в кислороде, наличие патогенов человека, сероводорода и компонентов навоза, связанных с запахом (Ciborowski, 2001).В результате биологического процесса, происходящего в варочном котле, его остаток имеет менее неприятный запах, но сохраняет важные питательные вещества в навозе. Этот остаток можно вносить в землю аналогично навозу других животных.