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摘自《中國沼氣》第5期 A K P Meyer, E A Ehimen, J B Holm-Nielsen

歐盟2030年的氣候能源的政治目標是減少溫室氣體排放40%,可再生能源的裝機容量占整個歐盟能源供應的27%,能效將提高27%。由于沼氣袋沼氣作為一種能源載體不僅靈活易儲存,而且生物來源多樣,應用廣泛且成熟(供熱、交通、發電),因此預測沼氣袋沼氣將在實現這些能源目標方面發揮重要作用。厭氧發酵技術產沼氣袋沼氣由于其主要設計配置和途徑穩定,仍然是生產生物質能的有效路徑,應用廣泛。厭氧消化有多種用途,它提供處理平臺減少復雜有機物,把大部分分子轉化成單體,即甲烷和二氧化碳(沼氣袋沼氣),能用于各種能源領域。第二,厭氧發酵過程中產生營養豐富的沼渣沼液能夠回收用作農田的有機肥,替代使用日益頻繁的化肥,減少對環境的負面影響(即營養物質管理和控制不當造成的淡水系

在2000年到2015年期間,歐盟的沼氣袋沼氣產量增長了七倍(見表1)。2015年,污水污泥氣和填埋氣分別占總產氣量的17%和9%,而厭氧消化中(分散式農業廢棄物沼氣袋沼氣工程、集中式多元物料混合消化工程、城市固體廢棄物甲烷化)產生的沼氣袋沼氣占總產量的74%

自2010年起,歐洲沼氣袋沼氣產量的50%來自德國。  由于德國的上網電價補貼政策很具吸引力,該國的  沼氣袋沼氣生產發展迅速。然而德國的沼氣袋沼氣生產的主要原  料是玉米,令人擔心的是集約種植單一品種的能源  作物對環境存在潛在危害。所以近年來的討論集中  于選擇沼氣袋沼氣生產的原料,特別是是否應該使用能源作物。之前的大量研究顯示使用能源作物產沼氣袋沼氣會引起負面的環境和經濟問題。因此,能源作物作為沼氣袋沼氣生產的主要原料將逐漸退出舞臺,需要找到替代來源。為確保沼氣袋沼氣生產的可持續性,對環境、自然、氣候和當前的食物生物材料生產鏈產生積極影響,應該慎重考慮原料供應,以支撐歐洲沼氣袋沼氣發展。

2010年,歐洲生物質能項目(BEE)發布了一項報告,該報告比較了70多篇評估生物質能的文章。其中42篇涉及全球和國家層面農業和有機廢棄物的潛力,也重點關注了歐盟的能源潛力。BEE發現其中許多研究沒有明確定義農業廢棄物的具體類型(例如畜禽糞便的類型),只有少量研究運用了空間數據繪制出生物質的分布地圖。2012年,生物質末來項目發布了《歐盟生物質潛力地圖集》。作者總  結出生物質的最大潛力在于農業廢棄物,包括糞便、  秸稈、永生作物的剪枝。總體來說,到2030年農業  生物質的潛力大約在4400PJ。畜禽糞便是生產沼  氣的理想原料,因為與傳統的糞便處理方式相比,列

用禽糞便產沼氣袋沼氣能夠結合能源生產、營養回收、甲  嫦和二氧化氮減排等目的。由于畜禽糞便含水率  高,因此以畜禽糞便作為沼氣袋沼氣工程的唯一原料經濟  可行度不高。有資料顯示,綠色蔬菜即喬本科與畜  糞便混合消化時能提高沼氣袋沼氣產量18%-40%,與  麥秸稈、水稻秸稈、玉米秸桿等農作物廢棄物混合  化時能提高10%~80%,具體取決于預處理條件  和干物質含量。因此,為維持和推動歐洲沼氣袋沼氣領域  的發展,能否獲得這種農業廢棄物及其分布是值得  探尋的方面。農業生產廢棄物能很好的與歐盟關于  推動可再生能源的指導相結合。關于固態和氣態生  物質發電、供熱和制冷有一系列非約束性的建議1)與化石燃料相比,生物質能應確保降低溫室氣體至少35%(2017年這一比例提高到50%,2018年新建的沼氣袋沼氣工程應減少60%溫室氣體排放)。2)不應使用高碳儲量的土地和生物多樣性豐富的土地生產的資源。

歐盟委員會的第2條建議指出不能因為生產能  源作物給土地帶來負面影響,導致生物多樣性喪失  和物種滅絕。但這些建議都沒有考慮在農田生產生  物質(直接和間接)會引發大量施肥、大量使用淡水  和土壤侵蝕,從而導致斯特芬等人提出的邊界跨越。  與現有研究不同,本研究關注的焦點僅在于選  取的具體農業廢棄物的生物質和沼氣袋沼氣能源潛力,研  究顯示這些農業廢棄物在沼氣袋沼氣生產中混合消化能提  高沼氣袋沼氣產量。研究中評估的原料是源于永久和輪作  草地的多余牧草、谷物秸稈和牛糞、豬糞、以及禽糞。

數據和方法

1.1生物質類型

評估生物質能生產或生物質原料的可持續性是重要的,特別是考慮上述顧慮與生物質可持續生產相關。本研究評估的生物質不能說各方面都是可持續的,因為它們的最終使用效果取決于當地種植條件、收割、運輸、儲存和最終轉化技術等因素。然而,這些生物質的總體情況是它們對環境的影響較小,如果以高效、尊重自然和環境的方式處理農業生產廢棄物,那么它們具有可持續性。本研究不涉及僅  用于能源生產的能源作物,強調農田因優先種植糧食、原料(生物基)和生產飼料。

1.2評估畜禽糞便量和沼氣袋沼氣能源潛力  為估算出2030年歐盟28國的糞便量,取歐盟  統計局登記的2011年至2015年期間牛(頭數)、豬

(頭數)、家禽(被屠宰的數量)的平均數量作為基  值。以歐洲和中亞肉、奶、和奶制品的預計量估算  2030年的牲畜數量。預計牛肉和奶牛的年增長率  分別為0.32%和0.33%,而豬肉和家禽的年增長率  分別為0.47%和1.24%。根據動物年齡和飼養目  的(產奶或產肉)區分豬和牛的糞便量。評估家禽  糞便量時要區分家禽的種類:雞、肉雞、鴨、火雞、鵝。  使用美國農業工程師學會(ASAE)的標準估算畜禽  糞便量(糞尿)。糞便總量用總固體表示(TS),代表  糞尿中的干物質。產肉動物的糞便產量根據每個  “成品動物”的排便量來估算。其他動物的糞便產  量根據每頭動物每天的排出的糞便計算。然而,只  有動物存欄期間收集的糞便能用于能源轉化。而存  欄期取決于當地的生產方式,因此跟隨具體的農場  飼養方式有所變化。傳統的飼養方法意味著動物的  大部分生命周期都在牲畜棚里度過。但牛是例外。  放牧是喂養牛的傳統方式。但根據氣候、地形、牛種  和農場基礎設施不同,歐洲各國的放牧飼養方式也  有所不同。然而,正因為養牛有放牧的傳統,因此牛  的存欄時間比豬和家禽短。考慮到這一點,設想了  3種不同的糞便可用性,見表2。然而厭氧發酵中獲  得的沼氣袋沼氣實際產量會根據幾個因素而變化,即糞便  在沼氣袋沼氣工程中的停留時間、飼料組分、用作沼氣袋沼氣生產  之前的儲存時間和管理。根據估計的沼氣袋沼氣量,取  21.6MJkg-的低熱值來估算能源潛力。假設沼氣袋沼氣  用于轉化效率為85%的熱電聯產工程中,則能源潛

力下降15%

1、3評估輪作和永久草地中未使用的牧草量和沼氣袋沼氣能源潛力  草地在歐洲農業生產中扮演重要角色,是牲畜  生產的飼料來源。草地在防止潛在負面環境影響方  面也有至關重要的作用,例如防止土壤碳存量減少  溫室氣體排放、水土流失、促進生物多樣性等方面。  在農業領域,牧草主要用于養牛(肉牛或奶牛)  和養羊。能用于產沼氣袋沼氣的多余牧草還包括未利用或  低產量草地中的牧草,以及太過成熟而用作動物飼

料價值太低的牧草。如果牧草沒有其他經濟用途,則是多余的副產品或廢棄物。以下部分重點討論兩種類型草地的預計生物質量和能源潛力。

1.3.1輪作草地

歐盟統計局登記了歐盟成員國的臨時性輪作草地。利用這些數據估算該來源的能源潛力。輪作草地的產草量會根據氣候條件變化。土壤類型和管理措施也會影響草的產量。臨時草地的產草量主要用作反芻動物的飼料,因此不是所有的牧草能都用于能源生產。

為了評估數量,設想了3種情況來估算從輪作型草地中獲得的且能用于能源生產的草量。3種情況假設見表3。所有前景都假設儲存過程中會有25%的總固體(T)流失,揮發性固體占總固體中的比例為92%。假定常溫常壓下(298K和101.3kPa)298Lkg的揮發性固體的甲烷產量。根據估算的甲烷量,取較低熱值6MJ·kg-估算能源潛力。假設把甲烷運用于轉化效率為85%的熱電聯產工程中,則能源潛力下降15%

關于輪作草地未來的發展沒有具體預測。但預計牲畜數量會增多,因此草量也將會增長。農業領域0.33%的年增長率是指牛肉和奶制品的年增長率,利用這個增長率預測2030年輪作草地的潛力。1.3.2永久草地和草甸

歐盟統計局登記了歐盟國家所有的永久草地和草甸。本研究使用這個數據估算永久草地的生物質能潛力。部分登記的永久草地和草甸被認定為未使用,因此假設整個區域的牧草都可收割作為生物質產沼氣袋沼氣。永久草地和草甸是許多動植物的開放式棲息地。如果由于牲畜數量減少,這些地區不用于生產飼料,則可為能源生產提供原料,以維持草地的特征和生物多樣性。

而歐盟統計局定義為“已使用”的永久草地和草甸則只能部分用于能源生產,因為它們要為牲畜提供飼料。根據歐洲共同農業政策,歐盟成員國農

業區域中至少5%的土地應為永久草地。未來幾十  年,如果這一政策不發生改變,那么永久草地和草甸  的面積將與2011年到2015年的平均面積持平。永  久草地和草甸的面積大幅增長的可能性很小,因為  要使用更多的土地滿足農業目標。為評估永久草地  產草的未來能源潛力,本研究設想了3種前景,反應出能夠用于能源生產的草量。這些前景背后的假設  見表4。所有前景都假設儲存階段會丟失25%總固體,并假定總固體中的揮發性固體為92%。運用常溫常壓(298K和101.3kPa)下總揮發性固體150L·kg的甲烷產量估算能源潛力,與之前的研究中總揮發固體物質為60~309L·kg和155-293L…kg得到的甲烷含量相似。得到甲烷的估計量之后,再用36MJkg-的低熱值來估算能源潛力。假設甲烷用于轉化效率為85%的熱電聯產工程,那么能源潛力會下降15%。

1.4評估谷物生產的秸稈量和能源潛力  谷物生產中獲得的秸稈廢棄物通常被認為是農  業副產品。秸稈的營養價值低,因此不適合用作牲  畜飼料,人們常常把秸稈留在田地增加土壤碳存量,  或用于牲畜棚和床,或者園藝方面。秸桿即使是用于牲畜棚,也需要定期處理。

盡管與其他原料相比,秸稈要達到最高甲烷產量,需要更多的機械、熱化學和生物等預處理,以減少停留時間,但它仍然是適合厭氧發酵的原料。

谷物生產中獲得的未使用的秸稈是未來歐洲沼氣袋沼氣領域發展的資源。1990到2013年之間,歐洲谷物生產占歐洲農業用地的26%~38%,而2000到2013年之間,這一比例上升至31%-38%之間。因此谷物生產的秸稈是沼氣袋沼氣生產的一大原料來源。利用谷物到秸稈的總固體的比率估算歐洲秸稈的熱產量。本研究發現比率在1:0.62到1:10之間。然而,技術產量預計低一些,取決于收割機械和與土壤有機物相關的環境制約因素。

運用2011年到2015年的谷物年均生產數據作  為基值估算歐盟28國的秸稈潛力。根據歐洲和中  亞谷物生產的預測,谷物生產的年增長率為1.1%。  選擇研究中最低糧食秸稈比率1:0.62,為了反映能  獲得多少秸稈的樂觀前景。而中等和悲觀的情況下秸稈產量會分別下降10%到20%。如果部分秸稈用于其他用途,那么估計產量將分別下降10%,20%和30%。所有前景都假設儲存過程中的總固體損失率為15%。揮發性固體占總固體的比例為95%。估算歐盟國家秸稈潛力的各種假設見表

在所有前景中假設在常溫常壓(298K和101.3  kPa)下總固體揮發物2421kg的甲烷產量,以估  算沼氣袋沼氣產量。根據估算的甲烷量,取低熱值36  Mkg來估算能源潛力。假設甲烷用于能源轉化  率為85%的熱電聯產工程,則能源潛力下降15%。2結果和討論

2.1畜禽糞便的生物質潛力

2030年,歐盟成員國糞便中總固體的潛力預計在83-122MJkg之間,取決于使用的生物質可用性前景。可獲得的糞便分布見圖1-圖3。

牛糞(以總固體表示)的潛力在63-88Mty1之間,而豬糞和禽糞(以總固體表示)分別為18-23My和8-11My。根據使用的可用性前景,

2030年歐洲的牛、豬、禽糞通過厭氧發酵產生的總能源潛力在60~890PJy之間。其中豬糞在320420PJ·y之間,牛糞在280~390時y之間,禽糞在60~80PJy1之間。歐盟成員國畜禽糞便產沼氣袋沼氣的能源潛力分布見圖4~圖6

畜禽糞便是沼氣袋沼氣的主要碳來源。畜禽糞便厭氧

發酵不會減少沼液沼渣中的營養物,而且沼肥特性甚至優于糞便原料。因此使用畜禽糞便厭氧發酵不

會與農業需要糞肥的訴求相互競爭或發生沖突。使  用畜禽糞便的實際溫室氣體平衡取決于原料地到沼  氣工程的運輸距離。因此這一過程中的溫室氣體排  放量取決于當地情況。然而,在有效管理的情況下,  禽糞便可作為產沼氣袋沼氣的可持續原料

2.2多余牧草的生物質和能源潛力  2030年歐盟28國的永久性和輪作性草地的多余牧草以總固體表示在20-11M之間,具體取決于潛力的分布(圖7~圖12),這個分布圖顯示,歐  洲利用多余牧草來生產能源的潛力巨大,其中法國  英國和西班牙的潛力最大,而從永久草地和草甸中  獲得的能源潛力為70~370Py,占牧草生產的最大比例。  3種前景背后的假設對結果有重大影響。可用  于生產沼氣袋沼氣的實際可獲得的牧草取決于當地情況、  管理措施、未來趨勢和反芻動物的發展趨勢。遺憾

的是,歐盟地區已經用于沼氣袋沼氣生產的牧草的比例沒  有得到普遍確認。但一些國家已經使用牧草作為沼氣袋沼氣生產的原料,即德國。

另一個因素會影響未來牧草的可用性,即當前  人類的飲食消費結構。人們的飲食普遍以肉為主,歐盟國家尤為如此,每日能量攝入高于平均而越來越受到爭議。減少這種飲食模式可能會減少對種植牲畜飼料的肥沃土地的需求。長期來看,到2050年人類飲食消費結構會轉變為肉食減少和素食增多。2.3谷物生產獲得的秸稈

2030年歐盟的秸稈的生物質和能量潛力見圖13-圖18。該圖表顯示,整個歐洲會大面積生產谷物,總共有4900萬公頃的土地將用于種植谷物。秸稈廢棄物的生物質潛力(以總固體表示)大約在70到135Mt之間,取決于使用的秸稈可用性前景。歐盟國家谷物生產中可獲得的秸稈相應的能源產量在440~850PJ·y-之間,取決于使用的秸稈可用性前景。即使設想低秸稈可用性,潛在的能源產量也巨大,幾乎相當于整個歐盟2015年的沼氣袋沼氣產量。考慮到秸稈通常被認為是廢棄物或副產品,沒有或農業使用價值低,通過厭氧消化或其他復雜的技術處理,歐洲秸稈的實際潛力將在可再生能源生產中扮演重要角色。

正如2.4討論的那樣,只有可通過技術手段收割和環境可持續的秸稈才能可用作能源生產。實際的秸稈產量根據本研究中的假設產量的變化而變化,取決于生產場地條件和收割機械。但本研究中假設的產量范圍還是有可能實現的。沒有其他用途的秸稈比例也隨估算的不同而變化。實際用于能源

生產的比例取決于歐洲國家農場的傳統,也取決于他們是否愿意使用秸稈生產沼氣袋沼氣。因此難以評估實

際能源潛力的確切范圍。然而在歐盟使用秸稈生產  能源無疑是潛力巨大的,能幫助該地區達到可再生  能源的政策目標。

4畜禽糞便、秸稈和多余牧草的能源潛力

圖19~圖21呈現了各國2030年各種生物質  的能源潛力。表6中呈現了具體數據。在2030年,  歐盟28國從這些資源中獲得的總能源潛力在1.2  103PJy1-2.3×103PJy之間,取決于各種類  型生物質的可用性。前景中預計的能源潛力代表低  原料可用性,相比2015年歐洲的沼氣袋沼氣生產翻了  番。法國、德國和英國擁有最大的能源潛力,分別為  300-540P·y-,250~400PJ·y-和90-~20P·y-1  就德國來說,這意味著在不降低沼氣袋沼氣總產量的情況  下,這一能源潛力足夠可持續地替代或補充能源玉  米。2015年,法國和英國生產的沼氣袋沼氣分別為20PJ  和90P。因此,本研究評估的生物質代表了能擴大

大,分別為40-840P·y和670~890P…y。  永久草地和草甸的牧草預計為10-60Py  使用從永久草地和草甸的牧草很有優勢,因為  不用專門培養土壤,還能防止因不使用土地造成的  生物多樣性丟失。水久草地和草甸的獲取的牧草有

以下作用:1)保護自然;2)提供可再生能源原料;  3)通過沼渣沼液把永久草地的營養循環至耕作的

畜禽糞便厭氧發酵對環境有很多益處,但由于  糞便中含水率高,因此,從經濟角度來說,僅用糞便

運行沼氣袋沼氣工程不可行。在以畜禽糞便為主的沼氣袋沼氣設

備中使用多元物料混合消化能提高沼氣袋沼氣和甲烷產  量,因而得到大力推廣。歐盟成員國中的大部分國

家都使用本研究評估的畜禽糞便、牧草和秸稈,因此

采用多元物料混合消化的方式是可能的,能提高沼

氣生產效率和經濟可行性

2.5總結討論和前景

歐盟委員會的目標是到2030年可再生能源占  歐盟總能源供應的27%-30%。如果本研究預測的能源潛力能夠實現,沼氣袋沼氣則能比當前發揮更大的作用。廢棄物產沼氣袋沼氣的潛力相當于2002到2015年平均總能源消耗的2%~3%,相當于2015年的可再生能源總消耗的14%-26%。

如果沼氣袋沼氣領域繼續快速增長,那么畜禽糞便、秸稈或牧草的能源潛力能將占整個未來沼氣袋沼氣生產的很大部分。如果沼氣袋沼氣生產要像過去幾十年那樣持續增長,那么還需要其他資源。沼氣袋沼氣領域的實際發展仍然深對受歐洲沼氣袋沼氣生產者的監管框架的影響,并且今天仍然很大程度上依靠補貼。評估的生物質都是作物和農產品生產的廢棄物,那么它的可用性取決于未來歐洲農業領域的發展趨勢。人口數量變化、組成、飲食偏好會降低一些作物的可用性,并創造新的生物質資源和能源廢棄物。這個發展深受歐洲政治局勢的影響,因此難以預測未來的變化。但由于氣候和環境面臨著重要挑戰,推動可持續能源供應的行動不可能減不

除了這些資源的可用性,資源的能源潛力還取決于農戶獲得這些資源的技術和經濟可行性。如果要有效利用生物質資源,需要進一步發展技術,推動執行。與大量種植能源作物相比,使用農業廢棄物是可持續的,因此為有效使用農業廢棄物提供財政補貼是合情合理的。這將會刺激公私合作的經濟模式,讓收割自然草地或使用廢棄物產沼氣袋沼氣經濟上更

可行。

正如之前部分討論的那樣,一系列不確定因素制約本研究的結果。本研究呈現出的結果基于歐盟統計局的數據,這也是一項不確定因素。歐盟統計局從各國收集并完善數據,各成員國負責核實和分析數據。盡管歐盟統計局對數據進行全面管理,數據的準確性高,但由于全國統計方式不一致等因素導致數據有一些不確定性。成員國向歐盟統計局報告本國數據的準確性,但這些數據不會公開。因此,應注意本研究的結果有一定不確定性。

3結論

2030年,歐盟地區畜禽糞便、牧草和秸稈的能源潛力在1.2×10到2.3×103Py1之間,取決于  廢棄物的可用性。法國、德國和英國能源潛力最大,  分別為300~540P·y,250~400P·y和90  220Py。結果顯示整個歐洲都適合使用農業廢

棄物多元物料混合消化,它是能源作物的理想替代  原料。前景中預測的能源潛力僅以低原料可用性為  基礎,得出的結論是能源潛力相當于2015年的歐洲  沼氣袋沼氣生產的兩倍。利用畜禽糞便、牧草和秸稈多元  物料混合消化能提高2030年歐洲沼氣袋沼氣生產的效率  和經濟可行性。如果要更高效地使用生物質資源需要進一步推動技術發展和執行。如果要充分發揮潛力,就要解決生物質資源獲取和處理面臨的重重重重挑戰。獲取和處理生物質資源盡管面臨挑戰,但考慮到本研究中呈現出的能源潛力,用廢棄物生產能源是發展歐盟沼氣袋沼氣的可持續、安全和經濟可行的方法