沼氣是未來(lái)可持續(xù)發(fā)展的最佳生態(tài)能源

□昆明市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 650034 毛中民

1 問(wèn)題

當(dāng)今世界，傳統(tǒng)能源的大規(guī)模生產(chǎn)使用并趨向枯竭,風(fēng)電、水電、核能、地?zé)崮堋⑻?yáng)能、潮汐能、生物質(zhì)能等各種新能源紛紛涌現(xiàn)，可謂天下能源群雄并起。人類(lèi)必須選擇一種合適的新能源，以該能源為基礎(chǔ)創(chuàng)造一種新型能源的工業(yè)化生產(chǎn)系統(tǒng)，同時(shí)解決能源和環(huán)境這兩大問(wèn)題，保證人類(lèi)的可持續(xù)發(fā)展。那么何種能源將成為未來(lái)世界的主宰能源？

2 分析

1）從可持續(xù)發(fā)展的立場(chǎng)看，能源的最佳利用方式是生物質(zhì)能源。

地球上的能源主要有兩大類(lèi)，第一類(lèi)來(lái)自太陽(yáng)：包括煤、石油、天然氣、生物質(zhì)能源、陽(yáng)光、風(fēng)流、河流、海流等。人類(lèi)目前的傳統(tǒng)能源是埋藏于地下的煤、石油、天然氣等礦物能源，這是古代生物所吸收的太陽(yáng)能在地球上的歷史積累，由于儲(chǔ)量有限，開(kāi)采一點(diǎn)少一點(diǎn)。第二類(lèi)來(lái)自地球內(nèi)部：包括鈾、釷、釙、氘、氚等核燃料和地?zé)帷⒌卣?、火山等。核裂變能源在技術(shù)上可行，但地球上的核裂變?nèi)剂镶?、釷等同樣儲(chǔ)量有限，開(kāi)采一點(diǎn)少一點(diǎn)，并且核電站的安全性和核廢料的放射性污染問(wèn)題始終是人類(lèi)生存的嚴(yán)重威脅，前蘇聯(lián)及日本311地震核泄露造成無(wú)數(shù)的災(zāi)民無(wú)家可歸、大面積土地廢棄已經(jīng)向人類(lèi)利用核能提出警示。而氘、氚等核聚變能源的利用在技術(shù)上還遙遙無(wú)期，可以預(yù)料其大規(guī)模生產(chǎn)將破壞地球生物圈的熱平衡；地?zé)崮茉匆嗳弧?/p>

地球的生物圈夾在高溫地幔地核層和高溫大氣電離層兩團(tuán)火焰之間，其厚度僅幾十公里，相對(duì)于整個(gè)地球來(lái)說(shuō)顯得非常單薄脆弱，一旦被上下兩團(tuán)高溫火焰淹沒(méi)，所有的生物將面臨滅頂之災(zāi)。生物圈一方面接受來(lái)自太陽(yáng)的光能，一方面向宇宙空間散發(fā)熱輻射，形成一個(gè)動(dòng)態(tài)的熱平衡系統(tǒng)，保持著生物圈的平均溫度在15℃，適合于生物生存。礦物能源的使用，已經(jīng)使得生物圈的平均溫度有明顯上升，產(chǎn)生了嚴(yán)重的后果。核能和地?zé)崮茉吹睦?，將進(jìn)一步把新的能源帶入生物圈，并最終以熱能的形式擴(kuò)散到空氣中，這將進(jìn)一步使得生物圈溫度升高，氣候變暖，無(wú)異于引火自焚。因此，新能源的開(kāi)發(fā)還是要著眼于來(lái)自太陽(yáng)的生物質(zhì)能源、陽(yáng)光、風(fēng)流、河流、海流等可再生能源，它們不會(huì)破壞生物圈的熱平衡。

根據(jù)生物圈熱平衡的理論創(chuàng)新，我們可以把能源分為三類(lèi)：

①趨熱型能源，如礦物能源、核能、地?zé)崮茉?，可使生物圈溫度升高?/p>

②趨冷型能源，如生物能源，由于把太陽(yáng)光變成可存儲(chǔ)的化學(xué)能，可使生物圈溫度降低。

③中性型能源，如水能、風(fēng)能、光伏發(fā)電、太陽(yáng)能、潮汐能。

在當(dāng)前全球氣候變暖的威脅下，遵循生物圈熱平衡規(guī)律，優(yōu)先發(fā)展趨冷型的生物質(zhì)能源，以更多地吸收大氣中過(guò)量的二氧化碳和熱量，這應(yīng)成為人類(lèi)社會(huì)合理利用能源的科學(xué)共識(shí)。

水力發(fā)電技術(shù)成熟，可有效利用，但數(shù)量有限，即受地理地帶位置的限制，即使全部開(kāi)發(fā)，也無(wú)法成為人類(lèi)的主要能源。而且水力發(fā)電也會(huì)帶來(lái)一定的生態(tài)負(fù)面效應(yīng)，埃及的阿斯旺水壩就是一個(gè)典型的實(shí)例。

風(fēng)力發(fā)電將阻滯大氣層對(duì)流，破壞中國(guó)的季風(fēng)性自然氣候，若大規(guī)模開(kāi)發(fā)，我們將生活在一個(gè)沒(méi)有風(fēng)的世界中。城市上空的污濁空氣將長(zhǎng)時(shí)間籠罩著城市，因?yàn)闆](méi)有風(fēng)吹散它們；許多依靠風(fēng)力傳播花粉或種子的植物（如水稻）也將面臨繁殖困難。中國(guó)冬季盛行西北季風(fēng)，夏季盛行東南季風(fēng)，尤其是來(lái)自海洋的濕潤(rùn)的東南季風(fēng)，給中國(guó)大陸帶來(lái)大量的降水，若東南季風(fēng)被大量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)攔截，中國(guó)大陸將陷入干旱的深淵，2010年受季風(fēng)的影響不同地區(qū)遭遇了嚴(yán)重干旱。

而太陽(yáng)能，是一種與植物爭(zhēng)奪陽(yáng)光和土地的能源，在生物圈內(nèi)也只能是小規(guī)模的生產(chǎn)。試想：即使經(jīng)濟(jì)技術(shù)上可行，若大規(guī)模進(jìn)行生產(chǎn)，地球表面上覆蓋的將不再是大面積的植物，而是大面積的太陽(yáng)能平板裝置。那么，地球的生態(tài)環(huán)境必將受到毀滅性的破壞。有人主張?jiān)谏衬懈闾?yáng)能開(kāi)發(fā)，但如何保證太陽(yáng)能平板不受沙漠風(fēng)暴破壞和流沙掩埋卻又是一個(gè)難題，而且沙漠中特有的耐旱植物品種也將面臨浩劫之災(zāi)，人類(lèi)也將永遠(yuǎn)失去把沙漠改造成綠洲的可能性。從顏色上來(lái)看，海洋是藍(lán)色，植物是綠色，沙漠荒原是黃色，而太陽(yáng)能平板是黑色的，黑色幾乎不反射太陽(yáng)光，所有的陽(yáng)光都被吸收并最終轉(zhuǎn)化成熱能，這將間接加劇全球氣候變暖。

因此，大規(guī)模工業(yè)化的新能源開(kāi)發(fā)只能著眼于地球上遼闊寬廣郁郁蔥蔥的森林、草地、農(nóng)田——生物質(zhì)能源，生態(tài)能源，通過(guò)種植植物而獲得能源，這才是人與自然和諧發(fā)展的最佳選擇。

2）利用生物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)沼氣，是大規(guī)模利用生物質(zhì)能源的最佳方向：

目前，生物質(zhì)能源的開(kāi)發(fā)主要有以下五個(gè)方向：

利用含油脂的植物生產(chǎn)植物柴油。

利用植物中的淀粉和糖生產(chǎn)乙醇。

利用植物厭氧發(fā)酵分解產(chǎn)生沼氣。

利用植物高溫受熱分解產(chǎn)生可燃?xì)怏w。

利用機(jī)械方法把植物加工成固體燃料進(jìn)行燃燒。

這五個(gè)方向中，前兩個(gè)方向是利用植物果實(shí)中的油脂、淀粉和糖進(jìn)行能源生產(chǎn)，而植物中的油脂、淀粉和糖的含量通常不足植物整株重量的百分之十，并且是人類(lèi)和動(dòng)物的食物主要來(lái)源。所以，大規(guī)模進(jìn)行植物柴油和乙醇的工業(yè)化生產(chǎn)將造成食物危機(jī)，能源與人類(lèi)爭(zhēng)食物是不可行的。

在后兩個(gè)方向中，把植物加工成固體燃料，能源利用率低，且使用范圍大受限制。而植物高溫?zé)峤鈿饣?，則存在一定的污染，熱解燃?xì)鉄嶂档停細(xì)獬煞指鞑幌嗤?，也不利于大?guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

最關(guān)鍵的原因是：前兩個(gè)和后兩個(gè)方向都是只關(guān)注如何從土地上獲得更多的生物質(zhì)能源，而沒(méi)有給土地以任何回報(bào)，若長(zhǎng)期大規(guī)模生產(chǎn)，地球上的土壤將會(huì)越來(lái)越貧瘠！

第三個(gè)方向，利用生物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)沼氣，在獲得能源的同時(shí)，還產(chǎn)生大量有機(jī)肥料，并把植物吸收的部分二氧化碳和能源以有機(jī)肥料的形式固定到土壤中，若大規(guī)模生產(chǎn)，地球上的土壤將會(huì)越來(lái)越肥沃！大氣中的二氧化碳濃度將逐漸降低，地球的溫室氣體效應(yīng)將得以緩解。沼氣不僅可實(shí)現(xiàn)零污染生產(chǎn)，還可改善自然環(huán)境，這是其他新能源所沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)。

另外,沼氣發(fā)酵幾乎適用于所有植物，不會(huì)破壞生物的多樣性，更不會(huì)因?yàn)樾枰N植某種特定的植物而去砍伐森林或開(kāi)墾草地，避免了其他生物質(zhì)能源存在的環(huán)境隱患。

3）目前沼氣利用所存在的主要問(wèn)題及解決方案。

地球陸地上每年的生物質(zhì)產(chǎn)量為1450億t，若把這些生物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，則產(chǎn)生的沼氣能源是目前全人類(lèi)每年能源消耗總量的5倍。人類(lèi)雖然對(duì)沼氣能源進(jìn)行了積極的開(kāi)發(fā)，并發(fā)明了許多有效的沼氣發(fā)酵方法和設(shè)備，但一直沒(méi)有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。其主要技術(shù)原因有兩個(gè)：

原因一：熱值偏低。由于沼氣中含有大量二氧化碳?xì)怏w，所以沼氣是一種低熱值能源，只能滿(mǎn)足飲食、取暖等生活性的能源需求，無(wú)法滿(mǎn)足工業(yè)和交通動(dòng)力設(shè)備的能源需求。因此要針對(duì)性的提純。

原因二：運(yùn)輸困難。沼氣生產(chǎn)所需要的原料主要來(lái)自農(nóng)村，而能源消費(fèi)的主要市場(chǎng)在城市，沼氣難以液化罐裝運(yùn)輸，又沒(méi)有建立專(zhuān)門(mén)的輸氣管網(wǎng)，無(wú)法進(jìn)行大規(guī)模的商品集散交易——市場(chǎng)交易，這是沼氣能源沒(méi)有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵原因。

盡管如此，沼氣能源的應(yīng)用技術(shù)還是在不斷發(fā)展中，現(xiàn)已經(jīng)歷了三代技術(shù)過(guò)程：第一代，普通沼氣，即直接利用沼氣作飯、取暖、照明，基本屬于自給自足型；第二代，沼氣發(fā)電，實(shí)現(xiàn)了商品化，但只有不到30%的沼氣能源轉(zhuǎn)化為電能，成本偏高；第三代，車(chē)用沼氣，把沼氣提純凈化成高熱值氣體能源，作為機(jī)動(dòng)車(chē)輛燃料使用，其生產(chǎn)技術(shù)成熟，但采用容器罐裝運(yùn)輸，運(yùn)輸成本偏高；使用范圍狹窄，僅限于車(chē)輛燃料，銷(xiāo)售成本偏高。車(chē)用沼氣在歐洲已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，德國(guó)的沼氣工廠是產(chǎn)業(yè)型的。

目前，由發(fā)明專(zhuān)利“人造天然氣的工業(yè)化生產(chǎn)”提出的第四代技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)，該技術(shù)以車(chē)用沼氣技術(shù)為基礎(chǔ)，把沼氣加工成天然氣，提出了人造天然氣“并網(wǎng)供氣”的工業(yè)化方案。按每畝土地每年可收獲1t植物計(jì)算，利用100萬(wàn)km2的荒山荒地來(lái)植樹(shù)種草，既綠化了國(guó)土，又可每年生產(chǎn)3000億m3的人造天然氣，相當(dāng)于2.5億t石油的能源，比2006年中國(guó)石油天然氣年產(chǎn)量的總和還要多。

另外，由發(fā)明專(zhuān)利“厭氧糧食食物及其生產(chǎn)方法”提出了一種全新的糧食生產(chǎn)方式：采用干凈的植物為原料，經(jīng)過(guò)厭氧消化發(fā)酵后，得到沼氣、沼渣和沼液，其中的沼渣和沼液就是可以食用的固態(tài)和液態(tài)糧食食物，我們稱(chēng)之為沼糧和沼奶，而沼氣則是清潔的可再生能源。這意味著：即使把所有的耕地都退耕還林，通過(guò)采集森林中的樹(shù)葉、嫩枝和青草，人類(lèi)也可以獲得足夠的糧食食物來(lái)養(yǎng)活自己，并同時(shí)獲得大量的沼氣能源和森林木材。若把十億畝耕地退耕還林，這十億畝森林可每年生產(chǎn)4億t糧食和5000億m3的沼氣和大量的木材。這將實(shí)現(xiàn)糧食、能源、環(huán)境的完美統(tǒng)一和可持續(xù)發(fā)展，可謂一箭三雕！中國(guó)將成為森林大國(guó)、糧食大國(guó)、能源大國(guó)，人類(lèi)將重返森林。

3 結(jié)論

1）能源利用應(yīng)遵循生物圈熱平衡規(guī)律、生態(tài)平衡規(guī)律。

2）沼氣是人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展的最佳能源。

數(shù)千年前，隨著野生食物的枯竭，人類(lèi)的食物生產(chǎn)從狩獵時(shí)代進(jìn)入了農(nóng)耕時(shí)代?，F(xiàn)代，隨著能源的枯竭和環(huán)境的惡化，人類(lèi)的能源生產(chǎn)必將從探礦開(kāi)采時(shí)代進(jìn)入現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時(shí)代。但目前可再生能源中最易實(shí)施的應(yīng)是氣化技術(shù)，利用氣化技術(shù)代替工業(yè)上的燃油燃?xì)?我認(rèn)為是目前我國(guó)及其他國(guó)家的最佳方案。氣化技術(shù)的綜合利用是關(guān)鍵，沼氣發(fā)展應(yīng)該像集中供氣的方向發(fā)展，這樣有利于沼氣經(jīng)濟(jì)合理的利用。

沼氣的利用現(xiàn)在主要是以農(nóng)村家用沼氣池生產(chǎn)為主，這樣的產(chǎn)氣方式有很多優(yōu)點(diǎn)但是也暴露許多問(wèn)題，例如產(chǎn)氣不穩(wěn)定、產(chǎn)氣量低、原料利用率低、受低溫影響較大、由于多使用濕法發(fā)酵需要大量水造成成本較高等問(wèn)題使得沼氣利用并不理想。所以現(xiàn)在的研究重點(diǎn)在三大領(lǐng)域：即篩選培養(yǎng)廣適性的發(fā)酵微生物，并對(duì)原料進(jìn)行有效預(yù)處理；研發(fā)新型的發(fā)酵裝置便于加快集中化和自動(dòng)化控制；對(duì)發(fā)酵后產(chǎn)物的綜合利用。如研制開(kāi)發(fā)周邊有機(jī)生物產(chǎn)品，肥料和種植的新型土壤。這將是造福子孫后代的大事。