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        電能替代技術(shù)在農(nóng)業(yè)碳減排中的應(yīng)用綜述

        2023-11-25 03:28:44吳家福杜松懷陳緒城
        農(nóng)村電氣化 2023年10期
        關(guān)鍵詞:固氮制氫沼氣

        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。

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