沼氣/生物天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和前景評(píng)述

周旭健

(浙能集團(tuán) 浙江天地環(huán)?？萍加邢薰?，浙江 杭州 311121)

沼氣是有機(jī)物經(jīng)微生物厭氧消化而產(chǎn)生的可燃性氣體，其中甲烷(CH4)含量通常在50%～70%，其余為二氧化碳，以及少量的氮、氫和硫化物，是一種氣體燃料，其特性與天然氣相似。沼氣經(jīng)簡(jiǎn)單的凈化處理后可直接用于發(fā)電，或經(jīng)提純制備成生物天然氣(CH4含量達(dá)95%以上)，熱值與常規(guī)天然氣一致。

我國(guó)從20世紀(jì)50年代就開始發(fā)展農(nóng)村沼氣，主要是為了解決農(nóng)村地區(qū)的能源問題和糞污處理。沼氣作為一種農(nóng)業(yè)廢棄物處置過程中產(chǎn)生的補(bǔ)充性能源，一直未形成較大的規(guī)模和產(chǎn)業(yè)。我國(guó)沼氣工程以農(nóng)村戶用小沼氣為主，呈現(xiàn)“小”而“散”的特點(diǎn)。無論是沼氣的生產(chǎn)技術(shù)、應(yīng)用模式，還是沼氣在能源消費(fèi)中的占比都與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家差距較大。但是，隨著國(guó)家能源需求的增加和能源、環(huán)保形勢(shì)的日益嚴(yán)峻，沼氣作為一種可再生的清潔能源正逐漸受到關(guān)注和重視。沼氣工程的功能被重新定位。

根據(jù)沼氣發(fā)展面臨的新形勢(shì)，從2015年開始，中央調(diào)整了沼氣的投資方向，重點(diǎn)鼓勵(lì)發(fā)展規(guī)?；笮驼託夤こ蹋_展規(guī)?；锾烊粴夤こ?。2016年7月，國(guó)家能源局就《關(guān)于促進(jìn)生物天然氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展指導(dǎo)意見》向各相關(guān)單位征求建議。2018年8月，國(guó)家能源局發(fā)布《關(guān)于請(qǐng)上報(bào)生物天然氣產(chǎn)業(yè)化示范儲(chǔ)備項(xiàng)目的通知》，首次提出“將生物天然氣納入能源發(fā)展戰(zhàn)略和天然氣發(fā)展戰(zhàn)略，建立生物天然氣優(yōu)先利用機(jī)制”。2018年12月，國(guó)家能源局《關(guān)于請(qǐng)編制生物天然氣發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃的通知》，不僅要求各省統(tǒng)籌所在區(qū)域能源發(fā)展生物質(zhì)天然氣產(chǎn)業(yè)，而且還要求中國(guó)船舶重工集團(tuán)有限公司、中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司、中國(guó)華電集團(tuán)有限公司、中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司、中國(guó)廣核集團(tuán)有限公司等9家有環(huán)保能源業(yè)務(wù)板塊的央企根據(jù)自身情況，統(tǒng)籌全國(guó)資源和項(xiàng)目布局，制定本企業(yè)的生物天然氣發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃，正式開啟了生物天然氣產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。

1 生物天然氣產(chǎn)業(yè)化的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)

沼氣/生物天然氣工程涉及能源、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、市政、氣候等多個(gè)領(lǐng)域。我國(guó)是個(gè)人口大國(guó)、能源消費(fèi)大國(guó)、農(nóng)業(yè)大國(guó)、碳排放大國(guó)，能源供給側(cè)的改革、生態(tài)綠色農(nóng)業(yè)的建設(shè)、新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的趨勢(shì)、國(guó)際和國(guó)內(nèi)碳減排的需求等都為我國(guó)沼氣的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程提供了內(nèi)在驅(qū)動(dòng)。

1.1 能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變和優(yōu)化的需求

世界能源低碳化進(jìn)程進(jìn)一步加快，天然氣和非化石能源成為世界能源發(fā)展的主要方向。我國(guó)是原煤生產(chǎn)大國(guó)，煤炭占能源消費(fèi)總量的比重始終保持第一。近年來，為應(yīng)對(duì)國(guó)內(nèi)外嚴(yán)峻的環(huán)保和氣候形勢(shì)，我國(guó)政府一直著力優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提高天然氣和可再生能源的消費(fèi)比重，把發(fā)展清潔低碳能源作為調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的主攻方向。但我國(guó)天然氣資源相對(duì)匱乏，進(jìn)口依存度高。據(jù)鄒才能等[1]的估算，到2030年我國(guó)的天然氣消費(fèi)將達(dá)到5 500億～6 000億m3，對(duì)外依存度或?qū)⒊^50%。

發(fā)展沼氣/生物天然氣，構(gòu)建分布式清潔燃?xì)馍a(chǎn)消費(fèi)體系，增加國(guó)內(nèi)天然氣的自主供應(yīng)，是提高能源安全保證程度的必然要求。我國(guó)生物天然氣資源豐富，具有彌補(bǔ)天然氣缺口的巨大潛力。截至2015年，全國(guó)沼氣年生產(chǎn)能力已達(dá)到158億m3，折算成生物天然氣(CH4含量按95%計(jì))約為100億m3，約為年天然氣消費(fèi)量的5%。《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》指出，到2020年，沼氣年利用量達(dá)到440億m3。我國(guó)生物天然氣的生產(chǎn)潛力還遠(yuǎn)未完全釋放，根據(jù)《全國(guó)農(nóng)村沼氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》數(shù)據(jù)，僅在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，2015年我國(guó)可供沼氣生產(chǎn)的有機(jī)廢棄物約為15億t，沼氣(CH4含量按60%計(jì))生產(chǎn)潛力為1 227億m3，折算成生物天然氣為775億m3。

除農(nóng)業(yè)領(lǐng)域外，市政領(lǐng)域的餐廚垃圾、污泥，以及工業(yè)領(lǐng)域的高濃度有機(jī)廢水、工業(yè)有機(jī)污泥等都是沼氣生產(chǎn)的原料。以餐廚垃圾為例，據(jù)行業(yè)機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)顯示，2015年我國(guó)餐廚垃圾(主要是餐飲垃圾)產(chǎn)生量約為9 500萬t，而有效處理率不足10%。隨著我國(guó)垃圾分類的實(shí)施，餐廚垃圾(餐飲垃圾和廚余垃圾)的產(chǎn)量將呈現(xiàn)爆發(fā)式的增長(zhǎng)。餐廚垃圾市場(chǎng)存在巨大的處置缺口和沼氣生產(chǎn)潛力。

近年來，從中央高層的表態(tài)到政府各相關(guān)部門的政策和規(guī)劃，都表明沼氣正在從一種農(nóng)村戶用的補(bǔ)充性能源向著戰(zhàn)略結(jié)構(gòu)性能源(生物天然氣)的方向轉(zhuǎn)變和發(fā)展。《生物質(zhì)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》表明，“十三五”期間要大力推動(dòng)生物天然氣規(guī)?；l(fā)展，生物天然氣新增投資約1 200億，占生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)新增投資的61.2%。

1.2 環(huán)保和生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)的必然要求

近年來，環(huán)保形勢(shì)趨于嚴(yán)峻，我國(guó)頻出政策推動(dòng)生物天然氣產(chǎn)業(yè)化。

在大氣領(lǐng)域，2018年6月發(fā)布的《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于全面加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)堅(jiān)決打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的意見》提出要實(shí)施生物天然氣工程，同年7月國(guó)務(wù)院印發(fā)的《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》也提出，在具備資源條件的地方鼓勵(lì)發(fā)展生物天然氣。

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，目前我國(guó)存在嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)面源污染，農(nóng)業(yè)已超過工業(yè)成為我國(guó)最大的面源污染產(chǎn)業(yè)，總體狀況不容樂觀。據(jù)統(tǒng)計(jì)，就農(nóng)業(yè)面源污染中總氮和總磷的貢獻(xiàn)度而言，化肥施用和畜禽養(yǎng)殖當(dāng)屬前2位[2]。我國(guó)畜禽養(yǎng)殖每年產(chǎn)生糞污38億t，目前綜合利用率不足60%。大力推進(jìn)畜禽糞污處理和資源化，是落實(shí)黨中央、國(guó)務(wù)院戰(zhàn)略部署的重要舉措。2016年12月，習(xí)近平總書記主持召開中央財(cái)經(jīng)工作領(lǐng)導(dǎo)小組第十四次會(huì)議，重點(diǎn)研究了加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物處理和資源化問題，強(qiáng)調(diào)和明確了“推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物處理與資源化要以沼氣和生物天然氣為主要處理方向，以農(nóng)用有機(jī)肥和農(nóng)村能源為主要利用方向”“支持集中化大型沼氣工程的發(fā)展”。其后，國(guó)務(wù)院及各部門發(fā)布的相關(guān)政策充分體現(xiàn)和落實(shí)了這一會(huì)議精神。表1列舉了近年中央及各部門發(fā)布的重要政策。政府對(duì)畜禽糞污處置的重視和決心，極大地推動(dòng)了畜禽糞污的主要處理方向——沼氣和生物天然氣的發(fā)展。

表1 近年畜禽糞污處置方面的重要政策

沼氣工程上聯(lián)養(yǎng)殖業(yè)，下促種植業(yè)，是生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)的重要紐帶。為應(yīng)對(duì)化肥過度施用帶來的農(nóng)業(yè)面源污染，國(guó)家正大力推廣有機(jī)肥替代化肥，以及水肥一體化等行動(dòng)。2017年農(nóng)業(yè)部印發(fā)《開展果菜茶有機(jī)肥替代化肥行動(dòng)方案》，對(duì)有機(jī)肥的銷售和利用進(jìn)行了較大力度的補(bǔ)貼。畜禽糞污集中化處置的沼氣工程，一方面，可以制備沼氣和提純生物天然氣；另一方面，沼渣和沼液可加工成有機(jī)肥替代傳統(tǒng)化肥。據(jù)測(cè)算，農(nóng)村沼氣年可生產(chǎn)沼肥7 100萬t，按氮素折算可減施310萬t化肥，每年可為農(nóng)民增收節(jié)支近500億元。

在市政領(lǐng)域，沼氣和生物天然氣也逐漸成為市政餐廚、污泥等行業(yè)的主要處理方向。據(jù)公開資料顯示，根據(jù)對(duì)111座已知技術(shù)路線的餐廚垃圾處理設(shè)施(處理量50 t·d-1以上)的統(tǒng)計(jì)，采用厭氧發(fā)酵技術(shù)制備沼氣的有80座，處理能力1.60萬t·d-1，處理能力占比76.1%。

1.3 碳排放交易的機(jī)遇

“碳排放”是當(dāng)今世界關(guān)注的主要問題之一。據(jù)報(bào)道，2015年，我國(guó)CO2的排放量約占當(dāng)年全球CO2排放總量的27%，年排放量已躍居世界第一。中國(guó)在《巴黎協(xié)定》中承諾“將于2030年左右，使CO2排放達(dá)到峰值，非化石能源占一次能源消費(fèi)比重達(dá)到20%左右”。中國(guó)在經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展中面臨著巨大的碳減排壓力。2017年12月，國(guó)家發(fā)改委宣布全國(guó)碳市場(chǎng)正式啟動(dòng)，并于12月20日正式印發(fā)了《全國(guó)碳排放權(quán)交易市場(chǎng)建設(shè)方案(發(fā)電行業(yè))》，積極應(yīng)對(duì)國(guó)內(nèi)的碳減排壓力，履行國(guó)際責(zé)任。碳減排為我國(guó)的產(chǎn)業(yè)和能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)提供了契機(jī)。

沼氣是一種可再生的生物質(zhì)能源，有機(jī)廢棄物制備沼氣的過程和沼氣替代傳統(tǒng)能源都可直接或者間接減少CO2的排放?！度珖?guó)農(nóng)村沼氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出，“積極探索碳排放權(quán)交易機(jī)制，開展碳排放權(quán)交易試點(diǎn)”。其實(shí)早在《京都議定書》的框架內(nèi)，中國(guó)就已有較多的沼氣工程項(xiàng)目成功注冊(cè)了“清潔發(fā)展機(jī)制(CDM)項(xiàng)目”，在國(guó)際市場(chǎng)進(jìn)行碳排放交易。

2009年，湖北恩施州戶用沼氣項(xiàng)目是我國(guó)第一個(gè)成功注冊(cè)CDM的戶用沼氣工程[3]。恩施全州累計(jì)建成戶用沼氣池54.5萬口，年核證減排量為58.4萬t CO2，CDM期限為10 a，買方為世界銀行社區(qū)發(fā)展碳基金(CDCF)。該項(xiàng)目涵蓋湖北恩施8個(gè)縣的33 000個(gè)農(nóng)戶，每年可獲得減排收入約82萬美元。同年，山東民和大型沼氣發(fā)電項(xiàng)目(3 MW)成為我國(guó)第一個(gè)注冊(cè)CDM的大型沼氣發(fā)電項(xiàng)目，該項(xiàng)目每年可減排CO26.64萬t，碳交易價(jià)為14美元·t-1，每年碳減排收益約為634.85萬元[4]。

隨著我國(guó)國(guó)內(nèi)碳市場(chǎng)的啟動(dòng)和碳減排交易體系的建立和完善，任何企業(yè)都不會(huì)被置于減排大潮之外，因此，提前做好企業(yè)的碳資產(chǎn)管理和低碳產(chǎn)業(yè)布局就顯得尤為重要。據(jù)報(bào)道，國(guó)內(nèi)的湖北、四川等省份已率先開展了農(nóng)村沼氣工程的核證自愿減排量(CCER)項(xiàng)目。隨著沼氣工程和生物天然氣工程大型化的發(fā)展，沼氣碳減排的作用、地位和效益將愈發(fā)突出，同時(shí)國(guó)家碳排放的需求也將進(jìn)一步推動(dòng)沼氣和生物天然氣工程產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，為國(guó)家的碳減排行動(dòng)做出貢獻(xiàn)。

1.4 新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的必然趨勢(shì)

黨的十八大明確提出了“新型城鎮(zhèn)化”的概念。中國(guó)的新型城鎮(zhèn)化，摒棄了原來資源掠奪型、能源利用高耗型、污染嚴(yán)重型的發(fā)展模式，其核心是要把生態(tài)文明理念和原則全面融入城鎮(zhèn)化全過程，走集約、智能、綠色、低碳的新型城鎮(zhèn)化道路。新型城鎮(zhèn)化給新時(shí)代的新農(nóng)村建設(shè)、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、城鄉(xiāng)一體化帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。大量農(nóng)村農(nóng)業(yè)人口的集聚、農(nóng)業(yè)規(guī)?；F(xiàn)代化的發(fā)展，都對(duì)未來區(qū)域循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和清潔能源的應(yīng)用提出了新的要求。而以生物質(zhì)為基礎(chǔ)的沼氣是“農(nóng)業(yè)-農(nóng)村-能源-生態(tài)”之間的紐帶，具有綠色、低碳、可再生等特點(diǎn)，對(duì)新城鎮(zhèn)化區(qū)域供電、供熱、供氣具有優(yōu)勢(shì)。農(nóng)村戶用小沼氣向著集中化、規(guī)模化的發(fā)展是大勢(shì)所趨。

2 前景和展望

沼氣是一種重要的可再生的生物質(zhì)能源，可以在一定程度上保證國(guó)家能源安全；沼氣具有綠色環(huán)保的特點(diǎn)，可以有效減少溫室氣體排放；沼氣技術(shù)可以高效環(huán)保地處理廢棄物。從全球發(fā)展來看，在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的能源結(jié)構(gòu)朝著綠色低碳發(fā)展的進(jìn)程中，沼氣始終占據(jù)著一定的地位，并起著重要的作用。

歐洲是沼氣產(chǎn)業(yè)最發(fā)達(dá)的地區(qū)。在歐洲各國(guó)中，德國(guó)一直是沼氣生產(chǎn)和使用大國(guó)，沼氣產(chǎn)業(yè)在其能源體系的構(gòu)建中處于重要位置[5]。截至2014年，德國(guó)建成沼氣工程10 786個(gè)，占?xì)W洲的62.6%，沼氣發(fā)電裝機(jī)容量超過3 800 MW，并提出到2050年將可再生能源發(fā)電占發(fā)電總量的比例提高到80%[6]。丹麥為應(yīng)對(duì)能源危機(jī)，在20世紀(jì)80年代就建立了世界上第一座集中化大型沼氣工程，沼氣與天然氣享有同等權(quán)利進(jìn)入天然氣管網(wǎng)進(jìn)行輸配[7-8]。沼氣是丹麥到2050年實(shí)現(xiàn)無化石能源目標(biāo)的重要一環(huán)。瑞典是利用沼氣作為汽車燃料最普遍的國(guó)家，26%的沼氣提純后用作車用燃料[7]。英國(guó)自2002年實(shí)行綠色證書系統(tǒng)以來，沼氣一直是該系統(tǒng)中最具代表性的可再生能源，人均沼氣產(chǎn)量占?xì)W洲首位。此外，美國(guó)、日本等致力于研究沼氣燃料電池，已形成了一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模[9]。

與歐洲各國(guó)相比，我國(guó)沼氣的產(chǎn)業(yè)化開展較晚，但生產(chǎn)潛力巨大，無論是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的秸稈、畜禽糞污，市政領(lǐng)域的餐廚垃圾、市政污泥，還是工業(yè)領(lǐng)域高濃度有機(jī)廢水、有機(jī)污泥等，都存在無害化處置和環(huán)保消納的巨大需求，沼氣產(chǎn)業(yè)擁有堅(jiān)實(shí)的原料基礎(chǔ)。近年來，從國(guó)家和各地方出臺(tái)的相關(guān)政策可以看出，政府對(duì)沼氣的能源定位和態(tài)度發(fā)生了較大的轉(zhuǎn)變。與歐洲各國(guó)一樣，我國(guó)政府同樣逐漸地在建設(shè)補(bǔ)貼、上網(wǎng)電價(jià)、稅收優(yōu)惠等多方位對(duì)沼氣產(chǎn)業(yè)進(jìn)行支持和培育，投資方向要求從戶用小沼氣轉(zhuǎn)向大型化沼氣工程，利用方向從沼氣發(fā)電引導(dǎo)到提純生物天然氣。沼氣/生物天然氣在國(guó)家能源戰(zhàn)略和生物質(zhì)循環(huán)經(jīng)濟(jì)中的地位在逐漸提升。

沼氣擁有可再生、生物質(zhì)、綠色、低碳等多重標(biāo)簽，沼氣工程是能源供給側(cè)改革、現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)、生物質(zhì)循環(huán)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境保護(hù)間的紐帶。隨著政策支持力度的加強(qiáng)、厭氧發(fā)酵技術(shù)的完善，以及市場(chǎng)潛力的釋放，無論是基于對(duì)綠色能源的需求，還是對(duì)生物質(zhì)梯級(jí)的高值化利用的要求，我國(guó)的沼氣/生物天然氣的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程都已經(jīng)開始，且未來可期。