周旭健

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

沼氣是有機物經(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95%以上)，熱值與常規(guī)天然氣一致。

我國從20世紀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)生的補充性能源，一直未形成較大的規(guī)模和產(chǎn)業(yè)。我國沼氣工程以農(nóng)村戶用小沼氣為主，呈現(xiàn)“小”而“散”的特點。無論是沼氣的生產(chǎn)技術、應用模式，還是沼氣在能源消費中的占比都與歐美等發(fā)達國家差距較大。但是，隨著國家能源需求的增加和能源、環(huán)保形勢的日益嚴峻，沼氣作為一種可再生的清潔能源正逐漸受到關注和重視。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，從2015年開始，中央調(diào)整了沼氣的投資方向，重點鼓勵發(fā)展規(guī)?；笮驼託夤こ蹋_展規(guī)?；锾烊粴夤こ?。2016年7月，國家能源局就《關于促進生物天然氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展指導意見》向各相關單位征求建議。2018年8月，國家能源局發(fā)布《關于請上報生物天然氣產(chǎn)業(yè)化示范儲備項目的通知》，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)先利用機制”。2018年12月，國家能源局《關于請編制生物天然氣發(fā)展中長期規(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)，而且還要求中國船舶重工集團有限公司、中國海洋石油集團有限公司、中國華電集團有限公司、中國長江三峽集團有限公司、中國廣核集團有限公司等9家有環(huán)保能源業(yè)務板塊的央企根據(jù)自身情況，統(tǒng)籌全國資源和項目布局，制定本企業(yè)的生物天然氣發(fā)展中長期規(guī)劃，正式開啟了生物天然氣產(chǎn)業(yè)化的進程。

1 生物天然氣產(chǎn)業(yè)化的內(nèi)在驅(qū)動

沼氣/生物天然氣工程涉及能源、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、市政、氣候等多個領域。我國是個人口大國、能源消費大國、農(nóng)業(yè)大國、碳排放大國，能源供給側的改革、生態(tài)綠色農(nóng)業(yè)的建設、新型城鎮(zhèn)化建設的趨勢、國際和國內(nèi)碳減排的需求等都為我國沼氣的產(chǎn)業(yè)化進程提供了內(nèi)在驅(qū)動。

1.1 能源結構轉變和優(yōu)化的需求

世界能源低碳化進程進一步加快，天然氣和非化石能源成為世界能源發(fā)展的主要方向。我國是原煤生產(chǎn)大國，煤炭占能源消費總量的比重始終保持第一。近年來，為應對國內(nèi)外嚴峻的環(huán)保和氣候形勢，我國政府一直著力優(yōu)化能源結構，提高天然氣和可再生能源的消費比重，把發(fā)展清潔低碳能源作為調(diào)整能源結構的主攻方向。但我國天然氣資源相對匱乏，進口依存度高。據(jù)鄒才能等[1]的估算，到2030年我國的天然氣消費將達到5 500億～6 000億m3，對外依存度或?qū)⒊^50%。

發(fā)展沼氣/生物天然氣，構建分布式清潔燃氣生產(chǎn)消費體系，增加國內(nèi)天然氣的自主供應，是提高能源安全保證程度的必然要求。我國生物天然氣資源豐富，具有彌補天然氣缺口的巨大潛力。截至2015年，全國沼氣年生產(chǎn)能力已達到158億m3，折算成生物天然氣(CH4含量按95%計)約為100億m3，約為年天然氣消費量的5%?！犊稍偕茉粗虚L期發(fā)展規(guī)劃》指出，到2020年，沼氣年利用量達到440億m3。我國生物天然氣的生產(chǎn)潛力還遠未完全釋放，根據(jù)《全國農(nóng)村沼氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》數(shù)據(jù)，僅在農(nóng)業(yè)領域，2015年我國可供沼氣生產(chǎn)的有機廢棄物約為15億t，沼氣(CH4含量按60%計)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)領域外，市政領域的餐廚垃圾、污泥，以及工業(yè)領域的高濃度有機廢水、工業(yè)有機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)機構的數(shù)據(jù)顯示，2015年我國餐廚垃圾(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%。隨著我國垃圾分類的實施，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。餐廚垃圾市場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)村戶用的補充性能源向著戰(zhàn)略結構性能源(生物天然氣)的方向轉變和發(fā)展。《生物質(zhì)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》表明，“十三五”期間要大力推動生物天然氣規(guī)模化發(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)建設的必然要求

近年來，環(huán)保形勢趨于嚴峻，我國頻出政策推動生物天然氣產(chǎn)業(yè)化。

在大氣領域，2018年6月發(fā)布的《中共中央國務院關于全面加強生態(tài)環(huán)境保護堅決打好污染防治攻堅戰(zhàn)的意見》提出要實施生物天然氣工程，同年7月國務院印發(fā)的《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》也提出，在具備資源條件的地方鼓勵發(fā)展生物天然氣。

在農(nóng)業(yè)領域，目前我國存在嚴重的農(nóng)業(yè)面源污染，農(nóng)業(yè)已超過工業(yè)成為我國最大的面源污染產(chǎn)業(yè)，總體狀況不容樂觀。據(jù)統(tǒng)計，就農(nóng)業(yè)面源污染中總氮和總磷的貢獻度而言，化肥施用和畜禽養(yǎng)殖當屬前2位[2]。我國畜禽養(yǎng)殖每年產(chǎn)生糞污38億t，目前綜合利用率不足60%。大力推進畜禽糞污處理和資源化，是落實黨中央、國務院戰(zhàn)略部署的重要舉措。2016年12月，習近平總書記主持召開中央財經(jīng)工作領導小組第十四次會議，重點研究了加快推進畜禽養(yǎng)殖廢棄物處理和資源化問題，強調(diào)和明確了“推進畜禽養(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，國務院及各部門發(fā)布的相關政策充分體現(xiàn)和落實了這一會議精神。表1列舉了近年中央及各部門發(fā)布的重要政策。政府對畜禽糞污處置的重視和決心，極大地推動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)建設的重要紐帶。為應對化肥過度施用帶來的農(nóng)業(yè)面源污染，國家正大力推廣有機肥替代化肥，以及水肥一體化等行動。2017年農(nóng)業(yè)部印發(fā)《開展果菜茶有機肥替代化肥行動方案》，對有機肥的銷售和利用進行了較大力度的補貼。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肥替代傳統(tǒng)化肥。據(jù)測算，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111座已知技術路線的餐廚垃圾處理設施(處理量50 t·d-1以上)的統(tǒng)計，采用厭氧發(fā)酵技術制備沼氣的有80座，處理能力1.60萬t·d-1，處理能力占比76.1%。

1.3 碳排放交易的機遇

“碳排放”是當今世界關注的主要問題之一。據(jù)報道，2015年，我國CO2的排放量約占當年全球CO2排放總量的27%，年排放量已躍居世界第一。中國在《巴黎協(xié)定》中承諾“將于2030年左右，使CO2排放達到峰值，非化石能源占一次能源消費比重達到20%左右”。中國在經(jīng)濟的高速發(fā)展中面臨著巨大的碳減排壓力。2017年12月，國家發(fā)改委宣布全國碳市場正式啟動，并于12月20日正式印發(fā)了《全國碳排放權交易市場建設方案(發(fā)電行業(yè))》，積極應對國內(nèi)的碳減排壓力，履行國際責任。碳減排為我國的產(chǎn)業(yè)和能源結構優(yōu)化升級提供了契機。

沼氣是一種可再生的生物質(zhì)能源，有機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。《全國農(nóng)村沼氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出，“積極探索碳排放權交易機制，開展碳排放權交易試點”。其實早在《京都議定書》的框架內(nèi)，中國就已有較多的沼氣工程項目成功注冊了“清潔發(fā)展機制(CDM)項目”，在國際市場進行碳排放交易。

2009年，湖北恩施州戶用沼氣項目是我國第一個成功注冊CDM的戶用沼氣工程[3]。恩施全州累計建成戶用沼氣池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)。該項目涵蓋湖北恩施8個縣的33 000個農(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)電項目(3 MW)成為我國第一個注冊CDM的大型沼氣發(fā)電項目，該項目每年可減排CO26.64萬t，碳交易價為14美元·t-1，每年碳減排收益約為634.85萬元[4]。

隨著我國國內(nèi)碳市場的啟動和碳減排交易體系的建立和完善，任何企業(yè)都不會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)報道，國內(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，同時國家碳排放的需求也將進一步推動沼氣和生物天然氣工程產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，為國家的碳減排行動做出貢獻。

1.4 新型城鎮(zhèn)化建設的必然趨勢

黨的十八大明確提出了“新型城鎮(zhèn)化”的概念。中國的新型城鎮(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)化給新時代的新農(nóng)村建設、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、城鄉(xiāng)一體化帶來了新的發(fā)展機遇。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，都對未來區(qū)域循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展和清潔能源的應用提出了新的要求。而以生物質(zhì)為基礎的沼氣是“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，對新城鎮(zhèn)化區(qū)域供電、供熱、供氣具有優(yōu)勢。農(nóng)村戶用小沼氣向著集中化、規(guī)模化的發(fā)展是大勢所趨。

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家能源安全；沼氣具有綠色環(huán)保的特點，可以有效減少溫室氣體排放；沼氣技術可以高效環(huán)保地處理廢棄物。從全球發(fā)展來看，在歐美等發(fā)達國家的能源結構朝著綠色低碳發(fā)展的進程中，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)達的地區(qū)。在歐洲各國中，德國一直是沼氣生產(chǎn)和使用大國，沼氣產(chǎn)業(yè)在其能源體系的構建中處于重要位置[5]。截至2014年，德國建成沼氣工程10 786個，占歐洲的62.6%，沼氣發(fā)電裝機容量超過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]。丹麥為應對能源危機，在20世紀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利進入天然氣管網(wǎng)進行輸配[7-8]。沼氣是丹麥到2050年實現(xiàn)無化石能源目標的重要一環(huán)。瑞典是利用沼氣作為汽車燃料最普遍的國家，26%的沼氣提純后用作車用燃料[7]。英國自2002年實行綠色證書系統(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)量占歐洲首位。此外，美國、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]。

與歐洲各國相比，我國沼氣的產(chǎn)業(yè)化開展較晚，但生產(chǎn)潛力巨大，無論是農(nóng)業(yè)領域的秸稈、畜禽糞污，市政領域的餐廚垃圾、市政污泥，還是工業(yè)領域高濃度有機廢水、有機污泥等，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)擁有堅實的原料基礎。近年來，從國家和各地方出臺的相關政策可以看出，政府對沼氣的能源定位和態(tài)度發(fā)生了較大的轉變。與歐洲各國一樣，我國政府同樣逐漸地在建設補貼、上網(wǎng)電價、稅收優(yōu)惠等多方位對沼氣產(chǎn)業(yè)進行支持和培育，投資方向要求從戶用小沼氣轉向大型化沼氣工程，利用方向從沼氣發(fā)電引導到提純生物天然氣。沼氣/生物天然氣在國家能源戰(zhàn)略和生物質(zhì)循環(huán)經(jīng)濟中的地位在逐漸提升。

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