吳家福，蘇 娟，杜松懷，魏 健，陳緒城

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京 海淀 100083）

0 引言

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)在我國(guó)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)遠(yuǎn)景過(guò)程中有著舉足輕重的地位。在我國(guó)，農(nóng)業(yè)發(fā)展過(guò)程中存在著眾多的碳排放源，尤其以種植業(yè)和畜牧養(yǎng)殖業(yè)碳排放占比最大。其中種植業(yè)方面，以化肥、農(nóng)藥等化學(xué)物質(zhì)的使用為主，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中化石能源的消耗占比同樣巨大，在畜牧養(yǎng)殖業(yè)方面，聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）在《Livestock's Long Shadow》2016 年報(bào)告中指出：若以CO2當(dāng)量計(jì)算，畜牧業(yè)是造成溫室效應(yīng)的主要參與者，占溫室氣體排放量的 18%，這一比例明顯高于運(yùn)輸業(yè)，畜牧養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)碳排放量的主要來(lái)源是動(dòng)物糞便。碳減排、碳中和技術(shù)多種多樣，其中以能源電力技術(shù)最為有效且易于推廣。

我國(guó)現(xiàn)有的碳減排措施主要分為能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、模式升級(jí)、能效提升、碳捕獲與存儲(chǔ)技術(shù)（CCS）4類[1]。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，我國(guó)農(nóng)業(yè)以種植和養(yǎng)殖為主，與碳排放和我國(guó)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)關(guān)系不大，但事實(shí)卻截然相反，農(nóng)業(yè)碳排放量巨大，在碳減排任務(wù)艱巨[2]。政策激勵(lì)有助于碳減排的發(fā)展，新能源發(fā)電，運(yùn)輸電氣化，氫能利用，智能電網(wǎng)走廊近幾年得到大力發(fā)展，并取得顯著效果[3]。以可再生能源為主的低碳能源系統(tǒng)、交通電氣化將有助于實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)，近幾年，可再生能源發(fā)電，包括光伏、風(fēng)能、水力、生物發(fā)電等，以及智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能等，成本在持續(xù)下降，這將更有利于能源電力技術(shù)的推廣[4]。有研究表明，部分農(nóng)地碳排放呈上升趨勢(shì)，各地碳排放差異懸殊，在農(nóng)地碳排放中，化肥和農(nóng)藥占比最大[5]。糞便的碳排放在養(yǎng)殖業(yè)中占比巨大，糞便問(wèn)題的解決，將極大減少養(yǎng)殖業(yè)的碳排放量[6]。

1 農(nóng)業(yè)中的碳排放源

我國(guó)農(nóng)業(yè)中的碳排放源眾多，其中占比最大的為以下3項(xiàng)：農(nóng)地利用化學(xué)化，包括化肥、農(nóng)藥等化學(xué)物質(zhì)在生產(chǎn)和使用過(guò)程中帶來(lái)的碳排放；生產(chǎn)過(guò)程中化石能源的消耗，包括農(nóng)業(yè)機(jī)械使用過(guò)程中能源消耗，灌溉所耗用電能以及在其他生產(chǎn)和使用過(guò)程中化石能源的消耗；畜牧養(yǎng)殖過(guò)程中糞便的管理，糞便管理是長(zhǎng)期困擾畜牧養(yǎng)殖業(yè)的重大難題，如表1所示。

表1 1 農(nóng)業(yè)碳排放源總結(jié)

1.1 種植業(yè)化肥、農(nóng)藥等化學(xué)物質(zhì)的使用

對(duì)于種植業(yè)而言，化肥和農(nóng)藥的使用是必不可少的，但隨著社會(huì)的發(fā)展，化肥、農(nóng)藥生產(chǎn)方式變得不合理，碳排放巨大。我國(guó)是唯一以煤為原料制造氮肥的國(guó)家，有數(shù)據(jù)表明，生產(chǎn)1 t的氮，消耗9.2×107J的熱量，相當(dāng)于3 t標(biāo)準(zhǔn)煤，大約會(huì)產(chǎn)生6 t的CO2

[7]，農(nóng)藥碳排放量更大，而且人們過(guò)量使用化肥、農(nóng)藥的問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。

1.2 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化石能源的消耗

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，往往涉及到農(nóng)產(chǎn)品的運(yùn)輸，土地的耕作，保暖措施，土地灌溉等生產(chǎn)活動(dòng)，而這些生產(chǎn)生活活動(dòng)須要消耗大量的化石能源，多以煤炭、石油、天然氣等為主[8]。大量化石能源的消耗，使得原本存儲(chǔ)在其中的碳元素大量排放到大氣中，進(jìn)一步加重碳排放，影響氣候變化。

就目前而言，在農(nóng)業(yè)農(nóng)村的化石能源消費(fèi)中，煤炭所占比例最大，電力應(yīng)用較廣，但電力應(yīng)用的缺陷明顯，機(jī)械化程度相比于發(fā)達(dá)國(guó)家仍處在較低水平?；茉聪M(fèi)在促進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的同時(shí)也排放了大量的CO2、CH4等溫室氣體，同樣是農(nóng)業(yè)農(nóng)村碳排放的重要源頭。

農(nóng)用機(jī)械方面。農(nóng)用機(jī)械在運(yùn)行過(guò)程中，完全燃燒時(shí)，柴油產(chǎn)生大量CO2、CO、碳?xì)浠衔铮约捌渌廴经h(huán)境近百種有害成分；而一旦柴油含有雜質(zhì)或發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障，會(huì)有未燃燒或燃燒不全的碳粒、碳?xì)浠衔镆萆⒖罩校瑢?dǎo)致大氣進(jìn)一步污染[9]。

農(nóng)用電力方面。電力方面帶來(lái)的污染主要由發(fā)電部分造成。目前我國(guó)大部分農(nóng)業(yè)地區(qū)仍然是火力發(fā)電，碳排放量巨大。

灌溉方面。灌溉須要大規(guī)模的能源電力作為動(dòng)力支撐，目前，我國(guó) 80%以上的電力都是化石能源燃燒發(fā)電，這就在一定程度上加劇了碳排放[10]。

1.3 畜牧養(yǎng)殖過(guò)程中的糞便問(wèn)題

畜牧養(yǎng)殖業(yè)中的動(dòng)物糞便問(wèn)題，長(zhǎng)期困擾著畜牧養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，糞便的堆積同樣會(huì)造成大量CH4等污染物的排放。

目前動(dòng)物糞便的典型問(wèn)題表現(xiàn)為：隨意堆放、處理不及時(shí)、簡(jiǎn)單處理?yè)]灑于種植用地。糞便的處理不及時(shí)與隨意堆放，使得糞便的發(fā)酵進(jìn)一步加劇，CH4等氣體大肆揮發(fā)于空氣之中；簡(jiǎn)單處理?yè)]灑于種植用地的做法，并不能很好的對(duì)種植作物提供養(yǎng)料，反而大量的溫室氣體揮發(fā)加劇碳排放。

但是畜牧養(yǎng)殖業(yè)中的糞便問(wèn)題是必然存在的，如何解決畜牧養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展過(guò)程中的糞便問(wèn)題[11]，以降低畜牧養(yǎng)殖業(yè)的碳排放，是我國(guó)畜牧養(yǎng)殖業(yè)整體提升的重要一面，也是新時(shí)代雙碳目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵一步。

2 農(nóng)業(yè)發(fā)展中傳統(tǒng)的碳減排方案

2.1 化肥、農(nóng)藥合理生產(chǎn)和使用

針對(duì)化肥農(nóng)藥問(wèn)題，傳統(tǒng)碳減排方案，注重改善化肥農(nóng)藥的生產(chǎn)過(guò)程，合理定量使用化肥農(nóng)藥。其中生產(chǎn)過(guò)程主要針對(duì)廢氣、廢物的凈化與收集，以及化肥農(nóng)藥本身的改良和升級(jí)。但是生產(chǎn)企業(yè)本身以營(yíng)利為目的，對(duì)于環(huán)保設(shè)備與措施始終難以完全落實(shí)，農(nóng)民本身對(duì)于化肥農(nóng)藥的合理使用認(rèn)識(shí)不到位，落實(shí)困難。

2.2 規(guī)?；?jīng)營(yíng)

規(guī)?；?jīng)營(yíng)本身?yè)碛泻芏鄡?yōu)勢(shì)，不僅會(huì)使能源利用率提升，也會(huì)使經(jīng)營(yíng)者更長(zhǎng)遠(yuǎn)的考慮土地利用行為，降低高強(qiáng)度使用化肥及農(nóng)藥帶來(lái)的碳排放增加，機(jī)械化水平提高，有利于打造完善的灌溉、殺蟲(chóng)、除菌、保溫一體化的智慧農(nóng)業(yè)，但是在我國(guó)受到各種因素的制約，規(guī)?；?jīng)營(yíng)僅在少部分地區(qū)實(shí)行，并且短時(shí)間內(nèi)很難大范圍實(shí)施。

2.3 糞便有機(jī)肥分撒于種植用地

有相關(guān)學(xué)者對(duì)不同堆放高度的奶牛糞便產(chǎn)生的CH4排放量進(jìn)行測(cè)算，發(fā)現(xiàn)CH4排放量與糞便堆放的高度、溫度以及堆放方式均有明顯關(guān)系[12]。研究發(fā)現(xiàn)在奶牛糞便堆肥過(guò)程中進(jìn)行攪拌會(huì)導(dǎo)致碳排放量增加，因此建議不攪拌或4周之后再混合堆肥[13]。

但是在實(shí)際調(diào)查過(guò)程當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)大部分的養(yǎng)豬場(chǎng)將糞便隨意堆放或分撒于種植地當(dāng)中，將其作為有機(jī)肥。這些糞便并沒(méi)有經(jīng)過(guò)相關(guān)的處理，進(jìn)而對(duì)周圍土壤和水源造成進(jìn)一步污染，絕大多數(shù)養(yǎng)殖場(chǎng)缺乏相關(guān)的糞便處理設(shè)備和措施，不僅不能很好地解決糞便問(wèn)題，而且進(jìn)一步加劇了碳排放。

3 電力碳減排技術(shù)

對(duì)于農(nóng)村而言，很難短時(shí)間內(nèi)大幅降低碳排放量，但是能源電力技術(shù)的創(chuàng)新和推廣可以減少化肥、農(nóng)藥以及化石能源的消耗，提升糞便的能量利用率，減少碳排放量。

3.1 等離子體技術(shù)

等離子體固氮技術(shù)。等離子體固氮技術(shù)是一種完全依靠陽(yáng)光、水、空氣產(chǎn)生氮肥，模擬自然雷電固氮的技術(shù)[14]。其原理是通過(guò)光伏發(fā)電，在固氮裝置中對(duì)空氣進(jìn)行電解，形成活性氧成分和活性氮成分，進(jìn)而在水中形成硝酸根離子和亞硝酸根離子，從而形成對(duì)氮的固定。等離子體固氮法的理論效率比Haber-Bosch法更高[15]，其工作環(huán)境為常溫常壓，從根本上避免了溫室氣體的排放，加之其所用的能源僅為電能，量產(chǎn)的規(guī)模可大可小，因此可以兼容各類新型的能源發(fā)電站。現(xiàn)有研究表明最低的固氮能耗：每固定1 mol氮消耗 4.867×107J[16]，這將極大降低氮肥生產(chǎn)能耗，減小碳排放。等離子體固氮技術(shù)對(duì)于農(nóng)作物增產(chǎn)具有重要意義，同時(shí)對(duì)減少化肥碳排放具有積極效果[17-19]。這種技術(shù)可以進(jìn)行光伏消納，轉(zhuǎn)化為氮肥。它適用于大部分種植用地、偏遠(yuǎn)地區(qū)、海島等，其特點(diǎn)是分布式固氮，精準(zhǔn)供氮，吸收率高，改善土壤鹽堿化，減少碳排放。目前等離子體固氮樣機(jī)已應(yīng)運(yùn)而生。

等離子體殺菌消毒技術(shù)。等離子體殺菌消毒技術(shù)主要涉及食品的保鮮，涉及的細(xì)菌種類多，不會(huì)破壞食物本身的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和口感，甚至可以對(duì)包裝好的食品進(jìn)行消毒，殺菌消毒效果要高于紫外線殺菌消毒效果[20-22]。對(duì)于牛奶和果汁中的大腸埃希菌、沙門菌，食品存儲(chǔ)，水質(zhì)的凈化也有很好的殺菌消毒的作用，水質(zhì)凈化效果遠(yuǎn)高于次氯酸鈉消毒[23]，其殺菌消毒效果在食品保鮮行業(yè)應(yīng)用前景巨大[24]。等離子體處理水不僅可以很好的殺菌消毒，而且有助于種子萌發(fā)與增產(chǎn)[25-27]。

等離子體活性水技術(shù)。其機(jī)理是等離子體中對(duì)活性物質(zhì)與微生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)和核酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，能夠摧毀微生物和擾亂微生物的生存功能，對(duì)水果、蔬菜進(jìn)行農(nóng)藥降解、毒素分解處理[28]。等離子體活性水技術(shù)在降解農(nóng)藥方面，降解率在70%以上，對(duì)于某些特定的農(nóng)藥甚至可以達(dá)到96.24%～99.38%[29]。

3.2 電能替代技術(shù)

在現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，非清潔能源（煤炭、石油、天然氣等）的使用占比仍然巨大[30]，然而非清潔能源的碳排放系數(shù)非常大，所以非清潔能源的使用是農(nóng)業(yè)碳排放的重要來(lái)源之一，也是近幾年國(guó)家大力治理的一個(gè)難題。

3.2.1 煤改電(氣)

煤改電（氣）主要涉及供熱問(wèn)題，現(xiàn)階段我國(guó)實(shí)施的煤改電（氣）主要涉及以下5種技術(shù)：蓄聯(lián)熱泵技術(shù)、熱泵熱風(fēng)機(jī)技術(shù)、熱水型空氣源熱泵技術(shù)、電磁加熱式相變蓄熱技術(shù)、碳晶電熱板技術(shù)。

國(guó)網(wǎng)青海省電力公司在2019年表示，近3年期間，三江源地區(qū) 16縣（市）推進(jìn)地采暖“煤改電”項(xiàng)目，每年可減少燃煤約 7.73 萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤，減少CO2排放 19.26 萬(wàn)t[31]，如表2所示。

“煤改電”是京津冀地區(qū)整治大氣污染、減少碳減排的重要措施，當(dāng)電力消費(fèi)占比提高20%時(shí)能夠減少18%的工業(yè)SO2排放， “煤改氣”可以有效減少CO2、顆粒物、SO2等的排放[32-33]?！半p碳目標(biāo)”將極大激發(fā)煤改電（氣）的潛力，為煤改電（氣）提速[34-36]。

煤改電（氣）是目前農(nóng)業(yè)農(nóng)村較為推廣的方式之一，其優(yōu)勢(shì)在于，國(guó)家可以統(tǒng)一調(diào)度電力和天然氣的使用，滿足農(nóng)業(yè)的電力使用需要，同時(shí)合理使用煤炭資源，減少煤炭的不必要浪費(fèi)，有利于煤炭的集中處理，從源頭實(shí)施碳捕獲與存儲(chǔ)（CCS）或者碳捕集、利用與封存（CCUS），以此達(dá)到碳減排的目的。

3.2.2 新能源發(fā)電技術(shù)

隨著新能源技術(shù)的大力發(fā)展，使得新能源發(fā)電技術(shù)的推廣成為可能?，F(xiàn)階段大力發(fā)展的新能源發(fā)電主要包括：太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電及潮汐發(fā)電等。其中以太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電為主。

未來(lái)10年，太陽(yáng)能將成為全球最大的一次能源。碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的提出為新能源發(fā)展帶來(lái)了新的契機(jī)，“雙碳目標(biāo)”將全面推動(dòng)綠色低碳新能源技術(shù)的發(fā)展，尤其是風(fēng)電和光伏將是未來(lái)新能源行業(yè)發(fā)展的重要方向[37]。2030 年風(fēng)電、太陽(yáng)能裝機(jī)達(dá)到12億 kW以上目標(biāo)，是實(shí)現(xiàn) 2030 年碳達(dá)峰和2060 年碳中和的重要舉措[38-40]。作為實(shí)現(xiàn)碳減排、碳中和的重要抓手，風(fēng)電、太陽(yáng)能等新能源被賦予更加重大的歷史使命。

我國(guó)風(fēng)能和太陽(yáng)能的資源儲(chǔ)量沒(méi)有“天花板”，足以支撐新能源的快速增長(zhǎng)。光伏發(fā)電有望成為全球第一大能源來(lái)源[41]。光伏發(fā)電的優(yōu)勢(shì)在于，使用條件相對(duì)寬泛，對(duì)于農(nóng)業(yè)而言，基本可以做到每家每戶、每一個(gè)農(nóng)場(chǎng)牧場(chǎng)都安裝太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備，而且太陽(yáng)能發(fā)電的碳排放系數(shù)非常小，發(fā)電成本在逐年下降，補(bǔ)貼金額逐年上升，民眾接受程度也大大提高，所以太陽(yáng)能發(fā)電對(duì)于實(shí)現(xiàn)我國(guó)“雙碳目標(biāo)”，是一支強(qiáng)有力的推進(jìn)劑。風(fēng)力發(fā)電同樣是十分綠色環(huán)保的發(fā)電技術(shù)，其技術(shù)相對(duì)于太陽(yáng)能發(fā)電更為成熟，但使用條件相對(duì)嚴(yán)格，須要有較好的風(fēng)力資源，目前大多分布于西部以及東部沿海地區(qū)[42]。

3.2.3 電解水制氫技術(shù)

風(fēng)電、光伏和儲(chǔ)能已成為未來(lái)工業(yè)的“新煤炭”的同時(shí)，動(dòng)力電池和氫燃料將成為“新石油”[43]。最具潛力及發(fā)展前景的零碳制氫技術(shù)是利用可再生能源發(fā)電電解水制氫。

僅從物料平衡計(jì)算，生產(chǎn)1 kg氫，若是煤制氫，會(huì)伴生11 kg CO2；若是油制氫，也會(huì)伴生7 kg CO2；然而 可再生能源通過(guò)電解水可以制取無(wú)碳綠氫[44-46]。電解水制氫具有3方面核心優(yōu)勢(shì)：綠色環(huán)保，因其主要雜質(zhì)是水和O2；生產(chǎn)靈活，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模分布式利用；產(chǎn)品純度高，H2純度可達(dá) 99%～99.9%。因此，光伏、風(fēng)電等可再生能源制氫是主攻方向[47]。

據(jù)專家預(yù)測(cè)，到 2050 年，我國(guó)可再生能源電解水制氫將占制氫總量的 70%，現(xiàn)有化石燃料制氫將從 2020 年的 67% 降至 20%。但氫能是一個(gè)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，在制儲(chǔ)運(yùn)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)上還有一些瓶頸亟待突破[48-49]。光伏發(fā)電制氫全生命周期CO2排放主要來(lái)自于光電設(shè)備的制造研發(fā)[50]。

新能源制氫可以有效解決新能源消納問(wèn)題，并從源端和終端同時(shí)大幅降低碳排放[51]。氫能源是目前已知最綠色清潔的能源，通過(guò)太陽(yáng)能電解水所生產(chǎn)的 H2是真正意義上的“綠色氫氣”[52]。

有研究表明，清潔能源制氫的全生命周期CO2排放量比非清潔能源制氫少得多[53]。同時(shí)有研究表明，基于水電的制氫系統(tǒng)效率可達(dá)58.02%，但存在明顯的地域性，發(fā)展應(yīng)用受限；基于風(fēng)電、光伏、光熱發(fā)電的制氫系統(tǒng)效率較低，但資源分布廣泛，具有廣闊的應(yīng)用前景；基于核能發(fā)電的制氫系統(tǒng)效率較高，最高可達(dá)41.33%，同時(shí)不產(chǎn)生碳排放，對(duì)環(huán)境污染小，具有良好的推廣前景[54]。

現(xiàn)有技術(shù)電解1 m3H2須要5 kW·h電能，未來(lái)可以下降到2.8 kW·h，同時(shí)電解水設(shè)備成本也將明顯下降。當(dāng)光伏發(fā)電成本下降到0.15元/kW·h以下時(shí)，用電解水制氫來(lái)供應(yīng)化工品生產(chǎn)，其成本可以和既有供氫技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)[55-57]。預(yù)計(jì)2025年太陽(yáng)能富集地區(qū)的光伏發(fā)電成本將使電解水制氫技術(shù)具備成本競(jìng)爭(zhēng)力。這將極大促進(jìn)我國(guó)“雙碳目標(biāo)”的提前實(shí)現(xiàn)。

綜上，清潔能源發(fā)電可以直接使用，同時(shí)可以取暖、存儲(chǔ)，考慮到儲(chǔ)能成本的問(wèn)題，對(duì)于部分光伏、風(fēng)力、水利發(fā)達(dá)地區(qū)，可以大力開(kāi)發(fā)零碳制氫技術(shù)。核能發(fā)電雖然會(huì)產(chǎn)生核廢料，但是其優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于缺點(diǎn)，未來(lái)發(fā)展前景仍然巨大。由于水力發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電及潮汐發(fā)電等受自然條件限制大，本文不再一一闡述。

3.3 農(nóng)機(jī)電氣化

現(xiàn)階段電動(dòng)汽車行業(yè)發(fā)展迅猛，農(nóng)機(jī)的電氣化同樣勢(shì)在必行。與汽車相比，農(nóng)機(jī)的工作環(huán)境更加惡劣，機(jī)器振動(dòng)大，工作環(huán)境溫差大，雨水、塵土的侵襲，電磁干擾嚴(yán)重等。所以，農(nóng)機(jī)電氣的可靠性比汽車要求更高?，F(xiàn)階段我國(guó)在農(nóng)用儀表盤(pán)創(chuàng)新、聯(lián)合收割機(jī)新型漏糧檢測(cè)裝置等方面，做出了不錯(cuò)的成績(jī)，農(nóng)用儀表的創(chuàng)新包括抵抗儀表盤(pán)霧化專利技術(shù)等，并且聯(lián)合收割機(jī)漏糧檢測(cè)裝置應(yīng)用效果不錯(cuò)。往后在CAN總線控制、電磁液控制等新技術(shù)方面還須進(jìn)一步突破，因?yàn)榭偩€技術(shù)是發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)證實(shí)的先進(jìn)實(shí)用技術(shù)，包括機(jī)器故障診斷、遠(yuǎn)程控制、精準(zhǔn)定位和測(cè)產(chǎn)等方面的應(yīng)用[58]。

3.4 生物質(zhì)沼氣發(fā)電技術(shù)

生物質(zhì)沼氣發(fā)電技術(shù)。生物質(zhì)沼氣發(fā)電技術(shù)是利用農(nóng)村地區(qū)的禽畜糞便、農(nóng)作物秸稈和果蔬落葉等廢棄物，經(jīng)厭氧發(fā)酵處理產(chǎn)生沼氣，驅(qū)動(dòng)沼氣發(fā)電機(jī)組發(fā)電的技術(shù)。沼氣發(fā)電機(jī)將可燃?xì)怏w——CH4燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行發(fā)電，具體的工作原理為將收集的畜舍糞污進(jìn)行脫硫處理，然后與空氣混合后在內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)進(jìn)行壓縮，再通過(guò)火花塞進(jìn)行點(diǎn)燃工作使被壓縮的混合氣體膨脹推動(dòng)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)與內(nèi)燃機(jī)相連的發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，同時(shí)也可利用發(fā)電機(jī)組的余熱輔助于沼氣生產(chǎn)，使綜合熱效率達(dá)80%左右，大大高于一般30%～40%的發(fā)電效率，用戶的經(jīng)濟(jì)效益顯著。

2010年和2015年福建省規(guī)?；B(yǎng)豬場(chǎng)排泄物干物質(zhì)總量分別為169.93萬(wàn)t和163.29萬(wàn)t，其產(chǎn)沼氣潛力分別為7.14億m3和6.86億m3。假設(shè)規(guī)?；B(yǎng)豬場(chǎng)糞便所產(chǎn)沼氣全部用于替代薪柴，則分別可替代薪柴245.42萬(wàn)t和235.84萬(wàn)t，減少CO2排放量分別為268.74萬(wàn)t和258.25萬(wàn)t；假設(shè)規(guī)模化養(yǎng)豬場(chǎng)糞便所產(chǎn)沼氣全部用于替代煤炭，則分別可替代煤炭130.85萬(wàn)t和125.74萬(wàn)t，減少CO2排放量110.89萬(wàn)t和106.56萬(wàn)t[59-61]。如果養(yǎng)豬場(chǎng)糞便全部用于沼氣工程，則分別可減少CH4排放3.59萬(wàn)t和3.45萬(wàn)t。沼氣工程在有效處理禽畜糞便的同時(shí)生產(chǎn)了優(yōu)質(zhì)燃料，沼氣替代傳統(tǒng)能源減少了CO2排放，禽畜糞便厭氧消化減少了CH4排放，帶來(lái)了顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)及環(huán)境效益[62]。

沼氣發(fā)電有助于提升物質(zhì)的能源利用率，優(yōu)化農(nóng)業(yè)能源結(jié)構(gòu)，減少非可再生能源使用，進(jìn)而減少碳排放[63]，同時(shí)沼氣系統(tǒng)可以和供熱系統(tǒng)、供電系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，進(jìn)一步優(yōu)化農(nóng)業(yè)供能體系[64]，同時(shí)有研究表明，從經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)角度出發(fā)，生物質(zhì)發(fā)電的利益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于弊端[65-66]。

4 結(jié)束語(yǔ)

農(nóng)業(yè)碳排放占比較大的碳排放源包括種植業(yè)化肥、農(nóng)藥等化學(xué)物質(zhì)的使用、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中化石能源的消耗以及畜牧養(yǎng)殖業(yè)中的為糞便問(wèn)題。

傳統(tǒng)解決解決方案為化肥、農(nóng)藥的合理生產(chǎn)與使用，規(guī)?；?jīng)營(yíng)以及將糞便作為有機(jī)肥分撒于種植用地。

對(duì)于種植業(yè)化肥、農(nóng)藥等化學(xué)物質(zhì)的使用，提出等離子體能源電力技術(shù)。針對(duì)化肥使用，運(yùn)用等離子體固氮技術(shù)，依靠太陽(yáng)能發(fā)電，以空氣和水作為原材料，運(yùn)用等離子體固氮裝置，形成硝酸根和亞硝酸根，以此作為氮肥，其固氮原理類似生物固氮細(xì)菌[67-69]。針對(duì)農(nóng)藥使用，運(yùn)用等離子殺菌消毒技術(shù)，依靠等離子體，破壞微生物的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜等，進(jìn)而運(yùn)用活性物質(zhì)與微生物的DNA和蛋白質(zhì)反應(yīng)，使其氧化失活，從而達(dá)到破壞細(xì)菌病毒的目的。

對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中化石能源的使用，提出電能替代技術(shù)，包括煤改電、煤改氣、新能源發(fā)電和電解氫技術(shù)。煤改電、煤改氣技術(shù)在我國(guó)多個(gè)地區(qū)實(shí)施，對(duì)于碳減排和保護(hù)環(huán)境有重要意義[70]；新能源發(fā)電主要涉及太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電，其碳排放系數(shù)小，成本逐年降低，未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)巨大；電解氫技術(shù)主要用于太陽(yáng)能和風(fēng)能資源稟賦好的地區(qū)，其原理主要是電解水產(chǎn)生氧氣和氫氣[71-73]，通過(guò)分離技術(shù)得到純凈的氧氣和氫氣，進(jìn)而供應(yīng)于其他產(chǎn)業(yè)，隨著電解氫成本的持續(xù)下降，其競(jìng)爭(zhēng)力越來(lái)越大。

對(duì)于畜牧養(yǎng)殖業(yè)的糞便問(wèn)題，提出糞便電力處理技術(shù)，主要涉及等離子體動(dòng)物糞便固氮技術(shù)、畜牧養(yǎng)殖環(huán)境氨氣電分解技術(shù)和生物質(zhì)沼氣發(fā)電技術(shù)[74-75]。等離子體動(dòng)物糞便固氮技術(shù)，主要是利用糞便發(fā)酵產(chǎn)生的氨氣和硝酸反應(yīng)形成硝酸氨的化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)固氮電力設(shè)備進(jìn)行氮固定，形成氮肥；畜牧養(yǎng)殖環(huán)境氨氣電分解技術(shù)主要是將未凈化的氣體通過(guò)等離子反應(yīng)電極分解，將氨氣分解為氮?dú)夂蜌錃膺@種對(duì)環(huán)境友好的氣體[76-78]。

最后，真正推廣及落實(shí)相關(guān)能源電力技術(shù)以及減排方案，需要國(guó)家政策、市場(chǎng)部門、宣傳機(jī)構(gòu)、人民等共同的努力，實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”之路任重道遠(yuǎn)，但絕非不可能之事。