“双碳”背景下生物天然气行业的机遇与挑战

2021年10月24日，国务院印发了《2030年前碳达峰行动方案》，提出“因地制宜发展生物质发电、生物质能清洁供暖和生物天然气”，经过多年发展，生物天然气行业已经成为解决有机废弃物，实现农村能源替代、促进农村能源清洁化发展的主力军。本文将就生物天然气的发展历程以及减排潜力展开分析，并尝试分析“双碳”背景下生物天然气行业的机遇与挑战。

1、什么是生物天然气？

以生物质为原料，通过热化学转化或生物化学转化产生的可燃气体，经重整、分离、提纯等处理后得到的，以甲烷为主要成分，且符合GB 17820（天然气标准）规定的气体。

生物天然气来源于沼气净化提纯，一般以农作物秸秆、畜禽粪污、餐厨垃圾、农副产品加工废水等各类城乡有机废弃物为原料，经厌氧发酵得到，是一种绿色低碳清洁可再生燃料。

我国生物天然气行业自20世纪50年代发展农村沼气开始，到现在实现了从户用沼气到各类沼气工程及规模化生物天然气的升级，并且通过餐厨垃圾厌氧发酵处置城市有机固废、通过有机废水沼气工程处理工业废水，形成了农业工业领域及城市生活多维度有机废弃物处理格局，实现环境处置、资源利用及可再生能源生产的协同效果。

2、生物天然气的工艺路线

本文就采用粪污与秸秆协同制备生物天然气展开介绍，如下为工艺全图。

生物天然气制备工艺图

生物天然气工程生物质转化与纯化包括原料预处理、厌氧发酵、沼气提纯净化和沼液沼渣处置四个部分，同时衍生出二氧化碳产品与有机肥料等附属产物。

3、生物天然气工程减排核算

本文通过调研我国北方的部分农业废弃物处置生物天然气工程，得到如下的生产数据（注：由于调研仅获得大致数据，无法匹配到具体项目，此处供读者参考）。

年产1000万立方米生物天然气的沼气工程，为便于核算，本文仅讨论秸秆+牛粪的工艺农业废弃物，预计年利用5万吨玉米秸秆，1万吨的牛粪（含水量80-90%），同时在使用过程中为保证发酵罐体温度，采用生物质颗粒锅炉加热约需8000吨，沼气提纯、搅拌机运转、厂区照明、原料预处理等环节耗电1000万度。

本文计算采用能源替代的方式核算所调研项目的减排量。核算方法如下：

主要减排环节图

在计算生物天然气工程项目减排时整个计算分为三个环节：

源头端，畜禽粪污堆积自然发酵产生甲烷和氧化亚氮造成碳排放。农作物秸秆如果自然堆积或还田使用，微生物作用也会产生碳排放。通过生物天然气工程，将畜禽粪污和农作物秸秆作为原料，其原处理方式造成的排放量可算做减排量；

生产环节，为维持厂区发酵罐温度及各类设备正常运转，需要使用生物质成型燃料与电力，本部分则归为碳排放；

终端替代，当所产的生物天然气进入居民生活或车用燃气，则能替代相应量的化石天然气使用，替代量可算作减排量。

综上所述，计算方法如下：

减排量计算公式

根据上述方法，计算所调研项目的减排量。

源头减排：牛粪自然堆放将产生甲烷和氧化亚氮，产生碳排放0.09万吨二氧化碳当量，而农作物秸秆自然环境发酵产生的甲烷由于数据获取及计算方法的限制，本文暂不做计算。

终端替代：按照年产1000万立方米生物天然气替代居民生活天然气使用量，预计能够减少2.17万吨二氧化碳排放。

生产环节：在生产过程中使用生物质燃料预计产生碳排放0.12万吨二氧化碳当量，生产环节用电排放预计产生间接排放0.58万吨二氧化碳当量。

经核算，从有机物的原料处置及终端能源替代角度来看，项目运营一年预计能够产生减排量1.56万吨二氧化碳当量。

以上核算结果可展示为下图所示：

本项目减排量核算示意

注：基线排放指玉米秸秆、牛粪自然堆积及天然气利用会造成的排放；项目排放指生物天然气工程生产制备过程产生的排放；减排量指本项目实施一年所产生的减排效果。

按照国家《关于促进生物天然气产业化发展的指导意见》对于未来生物天然气发展目标的规划，到2025年生物天然气年产量超过100亿立方米。到2030年生物天然气年产量超过200亿立方米。按照上述办法类比计算，预计能够产生减排量1560万吨、3120万吨（此处采用农业废弃物处置潜力进行核算）。

而中国沼气学会发布的《中国沼气行业“双碳”发展报告》显示，当前可用于沼气生产的农业废弃物、城市有机废弃物和工业废水资源分别为42.7亿吨、3.6亿吨、65.4亿吨，全部用于沼气高效生产，产生沼气最大潜力为5400亿立方米，能够实现减排潜力9.6亿吨二氧化碳当量，减排潜力巨大。考虑到经济发展状况和技术发展，预测2025年、2030年沼气生产潜力和实现温室气体减排量数据如下图所示。

2025-2060年有机废弃物可获得沼气生产潜力

2025-2060年有机废弃物可实现温室气体减排潜力预测

4、生物天然气行业在双碳浪潮下的机遇与挑战

为生物天然气工程发展提供了新平台

随着“双碳”目标的制定，能源结构将进一步得到优化，清洁能源消费比重也将稳步提升，新能源与节能工程迎来新的发展机遇，为生物天然气工程搭建了广阔的发展平台，国家“双碳”策略的实施与未来区域减排的需求将合力推动生物天然气行业发展

废弃物源头减量进一步提高

生物天然气工程作为农业废弃物、工业废水及城市有机固废处置的重要处理措施，将加速废弃物源头减量化，为国家实施严格的生态环境保护政策提供有力支撑，助力生态文明建设有序推进。

功能互补促进区域能源融合发展

当前为了实现“双碳”目标，风电、光电、水电等可再生能源得到长足发展，但限于地域、自然条件的差异，不能覆盖全部需求。生物天然气工程具备一定程度的灵活性，赋能区域多能互补，有效提升农村及偏远地区的能源清洁化发展水平。

生物天然气工程尚需进一步发展

当前，国家已先后支持64个规模化生物天然气工程和1400多个规模化大型沼气工程的建设，但是受困于原料稳定收集、沼渣沼液有效处置、区域天然气管网并网要求等多方面的因素的影响，还需要有长足的发展。同时，为解决区域性能源协同发展的根本问题，需要打破固有思维，形成新形势下的成体系解决方案，进一步发挥生物天然气工程的优势，为促进区域能源清洁化、低碳化发展贡献力量。

5、国内部分生物天然气工程

梁家河沼气工程

项目规模：每日处理畜禽粪污5-6吨，每日产生沼气200立方米，沼渣每年产生100吨，沼液1500吨，每年减排温室气体800吨二氧化碳当量。

中广核河北衡水生物天然气项目

项目规模：项目每年可处理玉米秸秆15万吨、畜禽粪便15万吨、酒糟16万吨。衡水项目可年产生物天然气3300万m3、固液态生物有机肥20万吨，生产的天然气每年可代替标煤4.2万吨，减排二氧化碳32万吨。

山东民和鸡粪沼气工程

项目规模：日处理鸡粪300吨，冲洗鸡舍污水300吨，日产沼气3万立方米。

参考文献：

[1]GB/T 40506-2021 《生物天然气 术语》

[2] GB/T 40510-2021《车用生物天然气》

[3]杨红男,张驭舟,熊炜,邓良伟.牛粪厌氧消化效率提升技术研究进展[J].中国乳业,2021(11):56-64.

[4]石晓晓,郑国砥,高定,陈同斌.中国畜禽粪便养分资源总量及替代化肥潜力[J].资源科学,2021,43(02):403-411.

[5]《中国沼气行业“双碳”发展报告》

[6]《中国天然气发展报告》