借鑒國外先進經驗推動我國沼氣應用

哈爾濱工業大學市政環境工程學院 ■ 焦文玲 劉珊珊 唐勝楠

0 引言

近年來，能源短缺和環境惡化已成為危及人類生存與發展的全球化問題，以煤炭、石油等不可再生能源為主導的能源利用模式不符合可持續發展的要求，并導致了嚴重的環境污染。由于工業生產、機動車尾氣排放和冬季燃煤等因素的影響，2013年我國遭遇史上最嚴重的霧霾天氣，嚴重危害人體健康。改善能源結構，開發可再生的清潔能源成為我國當前的首要任務。

沼氣是由有機廢物、廢水經過厭氧發酵后產生的，其主要成分為甲烷，與天然氣性質相似[1]，屬于清潔、可再生資源。大力發展沼氣事業可實現資源循環利用，改善能源結構，有效減少環境污染。中國屬于農業大國，農業廢棄物年產量高達40多億t，其中畜禽糞便排放量26.1億t，農作物秸稈7.0億t[2]，具備得天獨厚的沼氣發展條件。我國生產和應用沼氣已有近一個世紀的歷史，以往的生產模式大多以戶用沼氣池為主，沼氣用于做飯和照明，在國家替代能源中發揮的作用不大。近20年來，隨著社會主義新農村建設步伐的加快，農村沼氣逐漸轉型，大中型沼氣工程因能量利用率、產品多樣性比戶用沼氣池更具競爭力的特點而得到大力推廣，我國沼氣脫離“自產自銷”型的低值利用，向規模化和產業化方向發展。

我國大中型沼氣工程發展迅速，沼氣產量已十分可觀，但多數沼氣用于企業內部供熱發電，沼氣的深加工水平較差，在有效、合理利用方面與發達國家仍存在較大差距。本文在調研和文獻檢索基礎上，總結了我國沼氣應用中存在的問題，對發達國家的沼氣應用技術、管理體系及政策進行了分析，為我國沼氣應用的發展提供借鑒。

1 我國沼氣應用現狀

沼氣的應用領域十分廣泛，與天然氣的應用方式相似，可用于產熱、發電、車用燃料、化學品制造等，其應用推廣與國家政策、應用技術和管理模式等密切相關。

我國內蒙古地區的大中型沼氣工程建設始于2003年，在政府的大力支持下發展迅速，2013年該地區已得到政府批復投資補助的大中型沼氣工程81座，已建成40余座。但由于建設初期為了節省投資而忽略了工程質量的重要性，多數沼氣工程完全或部分失效，難以修復和重建[3]。

該地區的多數沼氣工程采用“養殖企業”管理模式，由畜牧養殖企業投資并負責沼氣工程的建設和運行管理，工程主要出發點是養殖場的污染治理。由于缺乏統一的技術指導和完善的運行與管理體系，工人缺乏售后服務及系統綜合指導與培訓，導致沼氣產量不穩定且質量較差。沼氣應用以熱電聯產為主，但由于該地區沼氣工程多建在遠離城鎮的農村，發電上網受到距離、規模及市場價格的影響，多數沼氣工程所產電量僅供內部使用，幾乎不會上傳至國家電網。因此，該地區的沼氣并未在地區性能源結構中發揮應有的作用。

內蒙古地區沼氣工程應用情況并不是個案，一定程度上反映了我國政府積極推動沼氣發展的政策和管理水平，以及目前我國沼氣應用技術存在的問題。

1.1 利用生物質資源生產的燃氣和熱力等有望入網——政策現狀

政府出臺系列政策推動沼氣應用。“十二五”期間，我國探索對沼氣工程發電上網、熱能回收、沼肥利用等開展補貼；在投資結構方面，以集中供氣為重點，完善運行機制。近年來，政府出臺了鼓勵沼氣并入燃氣管網的法律措施，2005年2月第十屆全國人民代表大會常務委員會第十四次會議通過的《中華人民共和國可再生能源法》第十六條規定：利用生物質資源生產的燃氣和熱力，符合城市燃氣管網、熱力管網技術標準的，經營燃氣管網、熱力管網的企業應當接收其入網。

1.2 由“村委會”和“企業”型轉向托管運營模式——管理現狀

我國沼氣工程傳統管理模式主要為“村委會”和“企業”型，前者的管理主體為村委會，主要依靠國家財政支持，資金利用率差，同時缺乏具有專業知識的管理人員和完善的管理制度；后者的管理主體和投資主體為企業，管理水平較高，制度也較完善，但受沼氣發電上網難的影響，產品收入保障低。近年來，在現有運行管理模式的基礎上開始向市場化運行管理方向探索，并提出大中型沼氣工程托管運營模式，由托管運營公司為沼氣站提供運營管護服務，確保沼氣站長期穩定運行和效益最大化。

1.3 沼氣應用技術開始向多樣化方向發展——技術現狀

我國大中型沼氣工程多采用熱電聯產技術，已建成多座規模超過1 MW的沼氣發電廠，并研制出不同型號的沼氣發動機，但工作過程方面的基礎研究相對滯后。我國在車用沼氣方面的研究才剛剛起步，完善的基礎設施網絡、成熟的產銷市場、配套的激勵政策尚未形成，但在汽車市場迅速發展及燃油價格不斷飆升雙重因素的促進下，以提純沼氣替代燃油和天然氣作為車用燃料將會有十分廣闊的發展前景。2006年我國首次提出了“產業沼氣”概念，2010年國內首例沼氣并入燃氣管網工程在鄭州施行，近年來相關科研院所開展了沼氣與天然氣的互換性問題研究，然而由于我國沼氣凈化處理技術起步較晚，該項技術目前仍處于發展階段。沼氣用作燃料電池的技術也開始在我國應用，在日本通產省新能源產業技術綜合開發機構的技術支持下，已建成200 kW的沼氣燃料電池裝置項目，然而我國燃料電池技術在裝機容量、應用范圍、核心技術等領域與西方國家還存在較大差距，如何降低投資成本、提高系統經濟性、改善制造工藝及性能、加強基礎設施建設、積極擴展市場都是亟待解決的問題。

2 國外先進沼氣應用經驗

歐洲發達國家的沼氣應用發展早、規模大，已形成較為完善的產業化體系，在沼氣應用技術、相關政策和管理體系等方面走在世界前列。各國沼氣應用方式不同，但其核心技術、政策及管理體系均各有特色，以下按沼氣主要應用方式對具有代表性的發達國家的沼氣應用進行詳述。

2.1 德國的熱電聯產

沼氣用于熱電聯產(CHP)可提高沼氣工程的綜合效益，生產的電能提高了能源品味和能源轉換率，并且便于輸送；熱能可有效解決沼氣發生器的增溫、保溫及系統其他熱能耗，提高沼氣工程產量和運行穩定性。沼氣CHP應用發展領先的國家是德國，沼氣廠生產的沼氣98%是通過CHP來利用[4]。截止到2013年，德國沼氣發電量約20.5億kWh，相當于總發電量的3.4%。德國沼氣發電領域取得的成就一方面源于先進的技術設備和管理體系，另一方面源于國家政策的大力支持。

2.1.1 技術與標準

沼氣用于熱電聯產首先需進行預處理，避免沼氣中雜質氣體對發動機產生不良影響。德國在質檢控制體系方面擁有一套完整的質量控制法規和標準，標準要求沼氣生產廠提供沼氣預處理的數據清單。

德國的沼氣基本用于發電，所產電量可輸送至公共電網。200 kW以下的機組主要為雙燃料機組，附加8%～15%的柴油機燃料用于點火，發電效率可達33%～37%，適于甲烷含量低時使用；200 kW以上機組多選用點燃式沼氣發動機，發電效率為34%～37%，無需輔助燃料[5]。德國熱電聯產平均發電效率為45%，其中約10%的發電量和45%的余熱用于沼氣發生器的保溫、增溫[6]，扣除沼氣工程自身熱能需求，還可有54%的發電余熱被外部有效利用，目前德國有為數不多的沼氣工程采用有機朗肯循環技術(ORC)將余熱繼續用于發電。另外，德國十分重視沼氣相關技術的研究開發，充分考慮沼氣應用涉及到的居民供暖、用電需求，沼氣工程數據分析、系統研究和交叉學科成果共享，建立了完善的研發體系。

2.1.2 管理模式

德國沼氣工程走的是市場化、產業化之路。前期工程建設依靠20年不變的銀行低息貸款，沼氣應用與產品銷售依賴于政策保障下的沼氣市場發展機制。德國具備健全的沼氣社會化專業技術服務體系，相關企業近百家，為沼氣產業化發展奠定了基礎[6]。德國將農場的經營模式引入沼氣工廠，形成了人員少、效率高、操作規范、專業技術強、機械化作業的運行管理模式，使得沼氣工程管理有保障且運行費用低。

2.1.3 政策

沼氣在德國的應用受到德國聯邦政府的促進政策及各州扶持政策的大力支持。政策基本可分為3個方面：1)基本補助政策，依據原料、規模和使用技術對沼氣工程給予相應額度的補助，其電價補貼高達21.5歐分/kWh，對裝機低于70 kW的沼氣工程可獲得15000歐元的補助金及低息貸款；2)可再生能源作物補助；3)熱電聯產優惠政策，采用固定電價制，提供長期電價優惠，建立全國共同分擔機制，沼氣熱電聯產電量可被附近電力運營商義務有償接納，由此產生的收購成本由全國所有的電網運營商共同分擔，最終轉嫁給電力消費者。

2.2 瑞典的車用燃料

沼氣經凈化提純后可替代燃油和天然氣作車用燃料。瑞典是使用沼氣作車用燃料最先進的國家[7]，沼氣被廣泛用于大、中、小型汽車，甚至火車的驅動。1995年瑞典首都斯德哥爾摩出現了第一輛沼氣汽車，2005年6月世界上第一輛沼氣火車在瑞典東海岸的Linkoping和Vastenvik之間成功運行。

瑞典先進的沼氣純化技術、車輛燃氣技術，以及完善的加氣設備、商業供應有效推動了沼氣車用燃料的發展。瑞典應汽車制造商的要求頒布了沼氣作為車用燃料的國家標準，要求甲烷含量不低于97%，水含量不超過32 mg/m3，總硫含量不超過23 mg/m3。沼氣汽車可由常規燃料汽車改裝而來，將沼氣加壓至200～250 bar儲存到汽車后備箱內的沼氣罐中，發動機通常為雙燃料型，當沼氣燃盡時自動轉換為燃油。純化后的沼氣和天然氣性質相似，在-162 ℃低溫下可變為液態，液化沼氣密度是壓縮沼氣的3倍，運輸成本降低。2012年8月瑞典在Linkoping投產一新型沼氣廠，專為中型車生產液化沼氣。瑞典的加氣站按氣源接入方式可分為兩種類型：一種是通過低壓管道接入，另一種是通過移動儲氣裝置運送。瑞典的公共汽車使用慢充裝系統，燃氣噴嘴可直接和公共汽車相連為其補給燃料，該充氣方式降低了燃氣儲存容量和對燃氣壓縮機容量的要求。

瑞典沼氣車用燃料的成功應用是政府一系列激勵政策的直接結果。瑞典對建設沼氣工程企業給予工程投資30%的補貼，并減征企業增值稅；對使用純化沼氣替代常規燃料者免征化石燃油使用稅，減征車輛擁堵稅，免征能源消費稅、H2S排放稅、CO2排放稅，所有生物天然氣汽車在大中城市免收擁堵稅和停車費；對生物天然氣車輛生產企業給予補貼，購買生物天然氣汽車的車主一次性可獲補貼1萬克朗(約合人民幣9368元)，中央地方政府80%～100%的公務用車燃料使用中含有生物天然氣；2004年瑞典政府通過一項法案，規定所有大型燃料供應站必須提供一種生物替代能源，自2009年起所有小型加氣站及每年銷售量超過1000 m3的加氣站也要提供。

2.3 荷蘭的沼氣并網

沼氣經過凈化和提純后達到管道天然氣的質量標準(目前無國際統一標準)即可注入燃氣管網，這大幅提升了沼氣的應用價值及當地天然氣管道供應的可靠性。沼氣并網是否會傳播疾病一度引起廣泛關注，瑞典農業科技大學和疾病控制協會對此展開研究，得到的結論是沼氣純化后進入燃氣管網或用于車用燃料時傳播疾病的概率極低[8]。歐美等國家已具備了實現沼氣提純并網的各項條件，其中荷蘭最具代表性，其天然氣管網敷設覆蓋范圍廣，每1000個居民平均占據9 km的燃氣管網，成功地將沼氣純化后作為天然氣的替代能源。

荷蘭沼氣并網在技術上主要分為沼氣凈化、提純和沼氣并網混合。在科研領域，荷蘭的Shell-Paques脫硫工藝是目前最有代表性的生物脫硫技術[9]，相關學者在原位提純技術上取得了重要成果，并對沼氣內微生物對燃氣管網完整性、人體健康和環境的影響展開研究；工程應用中，荷蘭使用特殊高效微粒空氣過濾器HEPA阻止微量元素進入燃氣管網。沼氣并網混合前管網運營商需依據前一年的管網運行數據對用氣負荷進行預測，以保證安全供氣，只有供需平衡時沼氣才可并入管網，沼氣注入量和管網壓力被實時監測以免管網壓力超限，沼氣接入口處設置閥門來控制和切斷沼氣混入量。

沼氣生產商負責將沼氣凈化提純直至滿足燃氣法規規定的凈化標準，相關法規由能源管理辦公室和荷蘭競爭局一同制定和調整。沼氣被注入管網前由管網運營商檢測沼氣重要成分的濃度，監測系統的信號傳送至中央管網控制中心，當沼氣不滿足質量要求時，閥門自動關閉，沼氣被返回至凈化提純設備，燃氣分輸站提供備用天然氣以保證下游用戶用氣穩定。

荷蘭政府出臺系列政策支持沼氣并網，法律規定燃氣管網運營商應盡可能支持沼氣并網，荷蘭可再生能源激勵政策(SDE，Stimulering Duurzame Energieproductie)支持沼氣生產和應用[10]。

2.4 美國的燃料電池

沼氣燃料電池是一種效率高、清潔、噪音低的發電裝置，其應用范圍逐漸拓展，用于可移動電源、發電站、分布式發電、熱電聯產和熱電氫聯產等領域。沼氣既可通過高溫燃料電池直接發電，也可經過重整后轉換為氫氣作為燃料電池的傳統燃料。由于不受卡諾循環的限制，燃料電池的能量轉換綜合效率可達60%～80%，與沼氣發電機組相比具有很大發展優勢。盡管在融資、技術和相關政策法規上面臨巨大挑戰，沼氣燃料電池在一些發達國家已得到較好發展。

沼氣燃料電池在美國一些對環境污染和能源供給格外重視的地區得以推廣應用。圣地亞哥市將污水處理廠生產的沼氣凈化提純后作為燃料電池的原材料，發電量達2.4 MW，預計10年內可節省78萬美元的電力成本；懷俄明州的夏延市干溪谷污水處理廠建設了沼氣燃料電池項目，該項目配置獨立電網，從而在斷電時可為微軟公司數據中心持續供電(微軟公司向該項目投資了500萬美元)。

美國十分重視沼氣燃料電池技術的研發與創新，馬里蘭大學能源研究中心研發了一種突破性的固體氧化物燃料電池技術(SOFC)，Redox公司在此技術基礎上研發了PowerSERG2-80型燃料電池，可直接與天然氣管道連接將甲烷轉化為電力；密歇根州立大學的研究人員在美國國家科學基金會的支持下，研究如何有效降低SOFC性能提升和壽命延長時的運行溫度和成本。

沼氣燃料電池在美國得以迅速發展與政策支持密切相關。2013年5月，加利福尼亞能源委員會對2013～2014投資計劃進行了修正以支持綠色汽車和替代能源的發展，并于7月批準了1800萬美元用于氫燃料站建設；2013年2月，康乃狄克州發布了其綜合能源策略，將含燃料電池在內的1級能源容量增加到3 GW，且推動稅收股權融資為本州燃料電池企業融資；新澤西州經濟開發署和公共事業委員會對發電容量高于1 MW的燃料電池項目給予300萬美元的補助。

3 存在的問題與展望

通過國內外沼氣應用的對比可看出，我國沼氣的應用相對落后，與國外差距還很大，主要表現在以下幾方面。

3.1 配套扶持政策不完善、力度不夠

我國支持沼氣應用的政策力度逐年增長，然而尚未形成系統化的政策支持，對發電并網有補貼，對原料收運、沼氣終端用戶等沒有相應的政策支持。而發展領先的德國對農作物種植企業、沼氣生產企業及沼氣發電均有配套政策與補貼；瑞典對沼氣燃料使用者給予減稅或免稅，對生物天然氣汽車企業及用戶給予一次性補貼；美國各州依據自身發展情況制定其相應扶持政策和發展戰略。我國沼氣政策制定多從宏觀角度出發，導致政策實施起來與實際需求不配套。

3.2 應用形式單一、利用率低

目前我國沼氣應用仍以分散的戶用沼氣池為主，大中型沼氣工程建設起步晚，應用方式以發電為主，產品利用處于低值化階段。而歐美發達國家應用途徑較廣、因地制宜，尤其注重對沼氣的多方位高值利用，如沼氣發電居于世界領先水平的德國也在不斷探索沼氣車用燃料及并網的推廣使用；美國沼氣應用形式以傳統熱電聯產為主，對于注重環境保護的地區大力推廣燃料電池。

3.3 技術成熟度差別大

德國的沼氣應用涉及的發電設備、自動控制系統和余熱利用等已進入專業化設計和制造階段，且建立了完善的研發體系；瑞典已掌握先進的沼氣提純凈化技術、車輛燃氣技術；而我國由于大中型沼氣工程建設起步晚、研發投入少、缺乏自主創新的核心技術，部分沼氣工程需引進國外技術，一定程度上阻礙了沼氣的高值利用。

總之，我國沼氣應用處于大有可為的重要戰略機遇期，在前進的道路上面臨許多挑戰，應立足于我國沼氣發展現狀，借鑒國外先進經驗，展望未來能源需求，制定符合我國基本國情的沼氣發展戰略與政策，實現資源的充分合理利用，使沼氣在我國能源可持續發展的進程中發揮應有的作用。

[1] B?rjesson M， Ahlgren E O. Cost-effective biogas utilisation-A modelling assessment of gas infrastructural options in a regional energy system[J]. Energy， 2012， 48(1)： 212 － 226.

[2]劉振東， 李貴春， 楊曉梅， 等. 我國農業廢棄物資源化利用現狀與發展趨勢分析[J]. 安徽農業科學， 2012， 40(26)： 1368－13070， 13076.

[3] Chang I， Zhao J， Yin X F， et al. Comprehensive utilizations of biogas in Inner Mongolia， China[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2011， 15(3)： 1442 － 1453.

[4]Weiland P. Production and energetic use of biogas from energy crops and wastes in Germany[J]. Applied Biochemistry and Biotechnology， 2003， 109(1-3)： 263 － 274.

[5]鄧良偉， 陳子愛， 龔建軍. 中德沼氣工程比較[J]. 可再生能源 ， 2008， 26(1)：110 － 114.

[6]肖濤. 德國沼氣工程發展現狀分析與借鑒[J]. 河南農業，2013， (7)： 27 － 28.

[7] 趙新波， 祝詩平. 沼氣研究和利用的現狀與發展趨勢[A].第十一屆中國科協年會論文集[C]， 重慶， 2009.

[8] Persson M， Wellinger A. Biogas upgrading to vehicle fuel standards and grid injection[R]. IEA-Bioenergy 12， 2006.

[9]陳祥， 梁芳， 盛奎川， 等. 沼氣凈化提純制取生物甲烷技術發展現狀 [J]. 農業工程 ， 2012， (7)： 38 － 42.

[10] Hardi E. Biogas injection in the local natural gas grid - issues and solutions， monitoring and control in pilot case[A]. World Gas Conference[C]， Argentina， 2009.