近年来“生物天然气”产业正在欧盟国家悄然兴起。沼气不会竞争农地和粮食，而且是循环经济的一个重要手段，特别是“产业沼气”的兴起，终将使之部分替代天然气。

1 前言

  国际上可再生能源和“第二代生物能源”主要是指木质纤维素乙醇，在经历了近几年的研发“热”后其发展势头似有所减缓。2010 年8 月出版的Science 传达的信息是，可再生能源成为“ 支柱性”能源所需的时间要比原先预测的长，可能需要半个乃至一个世纪。美国国会2007 年通过的《能源独立与安全法》(EISA)曾强制性规定，到2022 年需使用可再生燃料360×108gal(1gal=3.785L，下同)，其中纤维素乙醇年用量要达到160×108gal。但由于生产成本的下降远未达到预想的速度，加之木质纤维素原料预处理造成的环境问题未能妥善解决，发展的势头减退。美国环保局2010 年7 月宣布，将原定到2011 年纤维素乙醇达到2.5×108gal 的指标，大幅下调为650×104~2550×104gal。Hoffert和Davis 等在最新发表的论文中认为，按照目前替代能源的发展速度，到2050 年将大气中CO2浓度稳定在450μL/L以及增温效应低于0.7℃的目标无法实现。

 

与此同时，在2008 年世界粮价暴涨事件后，国内关于生物能源的声音，负面的占了压倒多数。实际的情况是，近2010 年末，生物乙醇、生物柴油、固化成型生物质燃料和生物质发电等指标的完成情况， 与国家《可再生能源中长期发展规划》拟定的2010 年指标均相差很大，只有农户沼气的完成情况尚良好。沼气是生物能源的一个非常重要而现实的品种，它不但不会竞争农地和粮食，而且是循环经济的一个重要手段。特别是由于“产业沼气”在近年的兴起，沼气正在由昔日的“ 灰姑娘” 形象发生蜕变，最终将成“大气候”，部分地替代天然气。

 

  2 生物天然气的独特优越性

  近年来，国际上对可再生能源前景的评价出现了两种趋势。一种观点以美国前副总统戈尔为代表， 认为美国10 年内可以在发电领域用可再生能源和真正洁净无碳能源完全取代化石能源；持更激进观点的还有美国斯坦福大学教授Jacobson 和Delucchi，他们2009 年在《科学美国人》上发表宏伟计划，目标是全球在2030 年实现可再生能源化。

 另一种观点则认为， 近300 年的历史表明，能源的换代和转型是较漫长的过程。Smil认为，可再生能源全面替代化石能源需要1~2 个世纪。国际应用系统科学研究所(IIASA)的Arnulf Grubler指出，可再生能源需面临从制取、转换到运输的一系列基础设施的巨大挑战。并且为了全面使用，还要像当年为了使用化石能源那样， 研发出诸如蒸汽机、内燃机、气轮机和燃气轮机等专用设备。为了实现这些目标，需要更长的时间和更多的投资。

 Richard.Kerr 等更认为，化石能源的三大独特优点———能量密度大、易于运输和贮存、能量利用的转化率高是可再生能源无法与之匹敌的。基于石油、天然气这类高质能源的社会，很难在使用可再生能源后仍保持高质量的生活。因此他们对可再生能源全面替代化石能源的前景更表示怀疑。

然而必须指出的是，几乎所有的这类研究都完全忽略了一个事实，即沼气虽然也属于一种可再生能源，但在上述与化石能源特性相比居于劣势的众多可再生能源中，它却是个“幸运的例外”。沼气经净化和提纯得到的“生物天然气”(Biomethane，Bio-CNG)，性能与化石能源天然气没有任何区别，可以直接注入天然气管网，也可高密度压缩或液化。因此，其形态转换的灵活性、能量密度、运输和贮存的方便性以及能量利用转化率等均毫不逊色于化石能源天然气。特别需要强调的是，它是所有现代能源中独一无二的温室气体负净排放能源。

  2.1 单位土地面积生物能量产出率最高

与其他形态的生物能源相比，沼气的单位土地面积能量产出率是最高的，以每公顷土地生产的生物量转化为燃料可驱动轿车行驶的里程计，沼气为67600km，而生物乙醇、生物柴油分别只有22400km和23300km。同样用马铃薯(全株)制乙醇和制沼气，对比它们的能量效率发现，制生物乙醇的转化效率为60%，每千克TS(总干物质)产出的生物乙醇折能2.6kW·h；而制甲烷的转化效率为95%， 每千克TS 产出的沼气折能4.3kW·h， 后者比前者高出65.4%。能量转换率低的关键在于，用木质纤维素生物质制生物乙醇时， 物料预处理需消耗大量能源，其次是稀乙醇液的多次蒸馏也要消耗大量能源。据报道，用秸秆制生物乙醇的能耗，比本来能量净产出比就很低(1.3 左右)的玉米制生物乙醇还要高160%。而如果用木质纤维素生物质制生物天然气，这两类能源消耗都不需要，消耗的能量很少。

 图1 比较了单位面积产出不同种类生物能源的量(供汽车可行驶的里程)。地处寒温带的瑞典，用能源甜菜转化的沼气，竟能与地处热带和亚热带的巴西用甘蔗转化的乙醇不相上下。其中的关键在于，沼气是由生物质经厌氧转化得到，而厌氧发酵的生物化学转化是所有生物能源能量转化方式中效率最高的。相比之下，乙醇转化过程中有一部分生物质(主要是五碳糖)不能被利用，因此，用油菜籽转化生物柴油的能量产出率远不如生物乙醇。显然，最理想的方式应是能源作物玉米、甜菜、灌木和牧草等青贮、厌氧发酵制沼气。这项研究还表明，即便在寒温带地区，以生物量(Biomass)而非籽粒产出为目标的能源作物玉米、甜菜等，也可以很充分地利用短生长季内的太阳光能合成为生物质能，最后转化为沼气能。研究表明，能源作物玉米整株青贮后厌氧发酵制沼气，获得的净能几乎是同样物料转化乙醇所得能量的3 倍。

 

2.2 温室气体负净排放

在减排温室气体方面，产业沼气与常规化石燃料，包括其他生物能源相比，都有极显著的优越性。以生命周期(LCA)分析法计算的温室气体净排放量(每取得1kW·h 做功的能量所排放的CO2克数)，产业沼气为-414g， 硬煤为508~807g， 核能为89g， 即便是所谓洁净能源的天然气也达398g。换句话说，如果当前天然气用量的一半用产业沼气替代，则其温室气体的总净排放量将为零！ 德国2006 年因开发利用沼气所获得的CO2减排量为4700×104t。

 

据美国科学院院士、明尼苏达大学生态学家D.Tilman 等的一项历时12 年的研究，用低投入(指少施化肥和农药、少灌溉)方式在退化农田种植混作多年生能源牧草，年封存于土壤和根系中的CO2达每公顷44t， 而投入化石能折合释放的CO2仅为3.2t，碳净排放为负值(Carbon-Negative)。牧草、秸秆正在成为沼气的重要原料。研究证明，以生命周期(LCA)分析法计算，每产生1MJ 做功能量所排放的CO2，汽柴油为80g，沼气约为－60g(见图2)。

 

  国际可再生能源中心的N.Bassam指出，在所有的生物燃料中，生物天然气具有最高的全生命周期能源效率，最低的CO2足迹，单位土地面积生物能量产出最多，使用的原料范围最宽。

  2.3 生物天然气具有高的经济可行性

在欧盟国家，与常规化石燃料相比，生物天然气免征CO2税(每公里排放CO2超出上限120g 时，每多1g 征收2 欧元)和能源税(汽油和柴油每升分别征0.65 欧元及0.47 欧元)。在我国，虽然尚未出台对生物天然气的补贴政策，但由于原料来自废弃物和下脚料，即便加上净化和提纯的费用，总成本也不高。根据几个示范项目的初步实践，比起若干城市的车用燃气价和华南地区的液化气价，生物天然气约有2 元/m3 左右的净利润空间。

总之，生物天然气被认为是最有希望、而且也是最现实的替代交通运输用化石燃料的途径。以德国为例，年交通运输用油672×108L，预计2020 年将有每年60×108m3 的生物天然气产出， 可替代8%~10%的化石燃料消费量。

 

  3 非常规天然气登上历史舞台

 

近年来，非常规天然气，特别是页岩气和煤层气成为开发的新“热点”。据报道，美国在2009 年超过俄罗斯，成为全球最大的天然气生产国，其天然气探明储量(60×1012m3)可以再用近100 年。而这其中有46%来自非常规天然气， 其中一半是页岩气，另一半是煤层气。

沼气亦是一种非常规天然气，只要将其甲烷含量及CO2等杂质分别提高和降低到天然气的标准，就变成了所谓“生物天然气”，其热值和其他指标与天然气没有任何区别。然而几十年来，国人对沼气的印象一直是“土里土气”，由农民“小打小闹”地用用。现在，是彻底改变这种观念的时候了。

如今，在不少欧盟国家，尤其是德国、瑞典、奥地利等，由城乡的固液有机废弃物加上沼气专用能源作物产出的沼气， 经净化和提纯成为生物天然气，或直接通入天然气管网，或以压缩气方式送至汽车加气站———正在成为一大可再生能源产业。

 

中国“十二五”能源规划提出，要大力发展作为洁净能源和减排温室气体重要手段的天然气，而重要的依靠除了加大进口力度之外，便是开发所谓非常规天然气。然而令人遗憾的是，该规划只谈页岩气、煤层气和城市垃圾填埋气，完全忽视了同属非常规天然气范畴的生物天然气，即产业沼气。

 

4 产业沼气和欧盟国家率先开发的生物天然气

  20 世纪90 年代中期以来，沼气在欧盟国家的利用态势发生了重大转折，开始登上一个全新的台阶———实现了产业化和商品化。大规模生产的沼气不但替代煤发电和供热(热电联产)，而且净化和提纯后的“生物天然气”还替代天然气作为车用燃料和民用燃气。瑞典、奥地利和瑞士已分别有数万辆使用生物天然气的汽车。德国2010 年已有5000 座大型沼气工厂， 以往沼气主要用于热电联产，2009年发电产能达1597MW，超过水电而仅次于风电(德国是全球第一风电大国)。预计到2020 年， 沼气发电产能将占到总发电产能的10%(据Allianz Group，2007)。近年来，又开始转向经净化和提纯成为生物天然气后，直接注入天然气管网或用压缩罐送至汽车加气站。出现以上态势的背景，首先是欧盟的《生物燃料指令》规定到2010 年底，生物燃油在交通运输燃油总消费量中的比例必须不少于5.75%，以及相应出台的对替代燃油的补贴政策；其次是有关国家希望扩大清洁能源，包括由可再生能源生产的所谓“绿色电能”的使用，以便大幅减少温室气体的排放量；再其次是为了减少对俄罗斯进口天然气的过分依赖，提高能源的自给水平。

 

相应于这种转折的需求，若干技术变革应运而生。除研发出产气-贮气一体化发酵罐和高效产气技术之外，最重大的创新是开拓了沼气的新资源。由于传统的制取沼气的原料———生活污水(好氧污泥)、填埋垃圾和畜禽粪便已远不够用，为此， 专门培育了“沼气专用能源作物”(Dedicated crops)，主要有玉米、甜菜以及多年生或一年生牧草如苏丹草、芒草、黑麦草等，经过全株青贮后应用于沼气发酵。此外，还开发了与粮油作物和饲料作物轮作的种植制度， 以及使用专用能源作物的新工艺(co-digestion掺混发酵以及单独发酵)。2008 年，德国种植专用能源作物的面积达到200×104hm2， 预计2020 年将增加到250×104~500×104hm2。2007 年，德国已有15%的沼气产量是出自沼气专用能源作物。

 

据欧盟最大的能源公司(E-ON)的预测，瑞典的沼气将在2050 年前后全部取代天然气。奥地利自然资源和应用生命科学大学的T.Amon 等人的研究发现， 欧盟25 国现有农作物耕地9300×104hm2。按照兼顾食物、饲料和生物能源生产的需要布置可持续的轮作体系，能源作物占总面积的20%，其产甲烷率取中值6500m3/(hm2·a)(标准)，则可年产甲烷1209×108m3(标准)，相当于替代1.04×108t 石油当量。他们的另一个计算结果是， 如果欧盟25 国所有的农地都利用起来(意味着有相当部分的坡地种植能源牧草)，仍按20%的比例种能源作物，产甲烷率为4000m3/(hm2·a)(标准)，则可年产甲烷3720×108m3(标准)，相当于替代3.34×108t 石油当量，是25 国全部交通运输石油年需求量的96%！

 

  5 我国生物天然气的资源潜力和发展有中国特色的产业沼气

  笔者在多年对高浓度有机废液治理的研究实践中逐渐认识到，只要有了高效的生物厌氧发酵技术和工艺，就可以大规模和快速生产沼气，因而在2006 年提出了“产业沼气”概念。“产业沼气”是指规模化地高效生产并纯化(使甲烷含量从60%左右提高至天然气的水平，即95%以上)沼气，使之能像天然气和压缩天然气(CNG)那样，由管道或气罐(瓶)经济地输送和装运，方便地使用。它有别于通常所说的自给型户用沼气，也不同于当前国内绝大多数产气率很低、沼气只是就地使用而未成为商品的沼气工程。这些传统的大中型沼气工程容积产气率很低，日产沼气仅几十至几百立方米，远达不到经济地商品利用的规模， 而产业沼气工程单座发酵罐(1500m3 左右)的日产量即可达1×104m3。这样的规模就可上配套的沼气净化和提纯设备，低成本地生产质量与天然气完全一样的商品生物天然气。

 从我国沼气资源量看，优势显然要比其他生物能源大得多。据笔者估计，工业和城市污水每年排放总量557×108t(2007 年)，其中所含COD(化学需氧量)总量接近2000×104t，沼气理论年产量即为110×108m3； 猪、牛、鸡三类畜禽养殖场每年排泄物总排放量达30.87×108t(鲜重)以上，COD 含量7000×104t以上， 是全国工业和生活污水排放COD 总量的4倍多；城市垃圾(MSW)填埋量为1.2×108t(干重，2000年)， 可年产填埋气(LFG， 甲烷含量为55%) 约90×108m3，折合甲烷含量97%的天然气约50×108m3。预计到2020 年城市垃圾年填埋量将达3×108t， 如全部利用，年产燃气(替代天然气)潜力为160×108m3。

 据预测，2010 年、2015 年和2020 年天然气缺口将分别为300×108m3、650×108m3 和1000×108m3。而上述畜禽养殖场废水、工业有机废水和城市污水三项合计的COD 年排放量超过1×108t，到2020 年将增至约2×108t。如果将其所含的生物能都开发利用起来， 则每年至少可产生830×108m3 沼气( 折700×108m3 甲烷)， 再加上垃圾填埋气， 可年产沼气共计1500×108m3(折合860×108m3 甲烷)，可以替代近900×108m3 的天然气，比2008 年我国天然气的实际消费量还多出近100×108m3。潜力之大可见一斑。

 我国还可以借鉴欧盟和美国的经验，在退耕还林、还草的土地和一部分边际土地、退化草地上种植专用能源牧草和能源作物， 兼收生态和经济效益。按20×108 亩和每亩收获0.15t 生物质(干重)计，每年至少可产3×108t，再加上利用1×108t 农作物秸秆制沼气，共有4×108t 新的沼气资源，相当于沼气的理论年产量为800×108~1000×108m3。以上两大部分合计的天然气替代潜力约为每年1500×108m3。

 但在中国，沼气至今一直被认为是个公益性“事业”，被划为国家计划( 能源) 部门基本不管、连国家统计部门也不统计的所谓“农村能源”，一直由农业部门成立的各级“农村能源办”(或称“沼气办”)管理。“沼气办”的主要业务，是为农户家庭沼气池服务。由于规模很小，投资很有限，农户沼气池的建造和运行都可以“凑合”，更不需要如燃气业所不可或缺的各种工业性规范、标准以及安全生产及技术监督等。至于数量不多、与规模化养殖场配套的大中型沼气工程，由于指导思想是为了“处理”畜禽粪便从而使废水达标排放，因而工艺设计繁杂，造价和运行费用高昂，基本上不能在经济上自立；另因产气效率非常低，也谈不上规模化地产出沼气作为生物能源。据国家发改委能源所公布的“工业化规模化沼气开发”项目执行情况(该项目是联合国开发计划署和全球环境基金自1997 年以来对华支持的)，虽然通过项目引进了一些国外(主要是欧洲)的先进技术，但总体看，沼气发生效率仍不甚高，容积产气率一般仅为1.0m3/(m3·d) 左右或更低， 不能满足产业化、商品化的要求。

 因此，我国大中型沼气工程的指导思想与技术路线(包括工程设计、发酵工艺)必须有根本性的改变，工艺和设备也必须相应地升级换代，才能适应向产业沼气转型的要求。

产业沼气的独特性，使之成为生物能源中唯一能同时兼有化石能源(特别是天然气)和可再生能源两大类能源优越性的品种。对前者而言，是储量大、可高效且可靠地大量储存和输送；能提供用途最广的车用燃料；灵活的相态互相转化性，包括提供石化基材料的原料；可行性很大的减排CO2潜力。后者指的是可持续性、减排温室气体的环境友好性。特别是因为具备现成的天然气储运及分配应用的基础设施，如管道网、加气站网点、储气装置、CNG/LNG 运输车等，均可直接借用。这就使生物天然气产业完全避免了其他可再生能源在成为大产业过程中的一个致命的制约瓶颈———必须花巨资从头做起，新建大批基础设施。因此，它的优越性是其他生物能源所无法比拟的。

  6 结语

  在曾被寄予厚望的“第二代生物能源” 的国际开发势头受挫、我国“十二五”温室气体减排目标的完成主要寄希望于扩大天然气的应用(年消费量从不到1000×108m3 增至2000×108m3)， 而国内天然气资源日显短缺的背景下，生物天然气正在日益彰显出投资较少就能有效弥补供需缺口的巨大优势。

 长期以来，沼气给予国人的印象就是“ 小打小闹”、“土法上马，因陋就简”……沼气还一直被认为是个公益性“事业”，靠补贴才能生存。然而，产业沼气的出现，正在彻底颠覆这种传统的形象。当前，在河南、山东、河北、江苏、广西、海南甚至地处温带北端的黑龙江等省，已建成投产、正在建设中和筹建的日产1×104m3 以上车用生物天然气的工程项目已有十几家；更多的燃气公司和投资公司也在闻风而动；原有的几千座大中型沼气工程中，有的也已开始进行改造。沼气正在变身为可再生能源行列中的“奇兵”。建议国家有关部门在中长期能源规划中，尽快增加关于大力发展产业沼气的开发和研究的内容。

总之，在我国，生物天然气的开发应得到更多的重视，相信它也必将成为有中国特色的可再生能源战略的亮点之一。
 

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