中德沼气工程发展过程比较分析

徐 慧 ,韩智勇, 吴 进, 施国中

(1.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室， 成都 610059； 2.成都理工大学 国家环境保护水土污染协同控制与联合修复重点实验室， 成都 610059； 3.成都理工大学 环境学院， 成都 610059； 4.农业部沼气科学研究所， 成都 610041)

在化石能源日渐匮乏的今天，能源紧张已成为全球重大问题。为缓解能源压力，世界各国积极将能源发展转至可再生资源领域。沼气作为安全、稳定的可再生能源在全球得到了快速发展。虽然沼气工程在中国受到了极大的重视，取得了迅速的发展，但也存在着沼气产品补贴力度不够、沼气配套技术、沼气行业产业化和规范化程度低等问题[1-3]。德国是当今沼气工程技术发展和实践应用最成功的国家之一，在政策法规、发酵工艺、技术设备、管理体系上积累了丰富的经验[4]。与德国相比，我国沼气工程在发展政策、发酵工艺、技术创新、管理模式、沼渣沼液利用等方面均存在明显的差异，刘伟伟、颜丽、邓良伟等人根据我国沼气工程现状提出了提高沼气产品政策补贴、引进先进工艺技术、加强技术创新等建议[5-7]。在这些研究中，大多学者仅从政策、发展现状、发展技术等某一方面对两国进行对比分析，并且德国在2017年修订了《可再生能源法》之后，对整个沼气产业产生了巨大的影响。因此，本文在前人分析的基础上，结合德国沼气工程最新的政策及发展现状对中德沼气工程在政策、沼气发展现状、沼气发酵原料、发酵工艺及技术设备、管理服务体系等方面进行了详细对比分析并提出相应的建议，以期为我国沼气工程更好地发展提供一定的借鉴。

1 中德沼气工程政策法律框架比较

1.1 德国政策法律框架

德国沼气工程发展建立在德国《可再生能源法》(EEG)基础之上，该法案从2000年至2017年共进行了五次修订(详见表1)。法案在2000年颁布之初就规定了可再生能源发电上网的电价补贴机制——电网必须优先考虑可再生能源电力，并且从表1可以看出，《可再生能源法》(EEG)囊括了整个沼气工程产业，也推动了德国可再生能源的蓬勃发展，其颁布和修订对德国沼气产业发电数量、总装机容量、能源作物种植面积及种植量、政策补贴、市场化程度等方面均产生了重大影响[8,9]。在2017年最新的一次修订中，EEG-2017引入了可再生能源招标制度，取消了能源作物奖励，进一步加速了可再生能源市场化进程，促进了德国可再生能源在技术上的提升[10]。

根据EEG修订情况(见表1)可以看出，德国沼气工程政策具有灵活的变动性，会根据沼气工程在发展过程中存在的实际问题进行整改、修订。同时，法案的修订逐步削弱了政府在可再生能源发展过程中的主导作用，将可再生能源逐步推向市场，推动了可再生能源产品的市场化进程，也使德国沼气工程盈利方式由依赖政府对能源作物补贴、上网发电补贴向通过技术提升转变。

表1 德国《可再生能源法》(EEG)修订历程

1.2 中国政策法律框架

我国沼气工程发展起步于20世纪20年代末，在国家的大力支持下，沼气行业得到了迅速的发展。从表2和表3可以看出，我国沼气产业政策形式多样，国家通过法律、各部委发展规划、产业政策指导、财税政策、规范与标准等形式来鼓励沼气工程的发展，这些政策囊括了沼气工程建设、原料利用、技术开发、补贴费用等各方面[1]。

与德国相比，虽然我国沼气工程在政策上得到了国家的大力支持，国家、各省市通过财政补贴来支持沼气工程的发展建设，但政策形式较为分散，尚未形成系统化的支持政策。虽然对沼气发电上网和沼气工程建设有明确的补贴政策，但从沼气产业链来看，国家欠缺对原料收运、沼气发电、拓展沼气应用领域及技术创新等相应的政策补贴。国家对沼气的发展具有明确的规划，但是我国对沼气工程存在的主要问题缺少探究，在政策上缺乏灵活变动。近几年，虽然也开始将我国沼气工程逐步引入市场，但是由于技术、设备和市场欠成熟，使得现今的沼气产品市场化程度低。

表2 我国沼气相关的法律、发展规划及产业指导等政策

表3 我国对沼气工程产业链各环节的具体补贴政策

2 中德沼气工程利用现状

2.1 德国沼气工程利用现状

德国沼气工厂主要分布于德国西北部和南部的巴伐利亚州、下萨克森州和巴登-符腾堡州的联邦州，是目前欧洲乃至世界沼气工程技术最发达的国家[18]。从图1可知，德国沼气工程在过去的20年中得到了快速发展，其中沼气工程的数量从1999年的850处增长到2016年的9004处，增长了10倍以上，约占欧洲的62%[20]；总装机容量也从1999年的55 MW增至2016年的4018 MW。

图1 1999年～2016年德国沼气工程数量增长情况

德国沼气工程产业普遍采用“沼气发电、余热生温、中高温发酵、气囊储气、自动控制、沼渣沼液施肥”的模式[20]。沼气产品主要用于发电和热电联产发电，并开始拓展沼气应用领域，将沼气提纯后并入天然气管网或作为汽车燃料[11,21-22]，制定了到2020年提纯沼气占到天然气总用量20%的目标[23]。根据德国相关统计数据显示，2016年德国沼气-热电联产厂(包括生物甲烷-热电联产)共计10344个，电厂装机容量为4538MW，沼气发电量为333689 GWh (占可再生能源总发电量近8%)，其中沼气总发电量的92%被污水处理厂消耗，其余8%输入至公共电网[19,23,-24]。

然而EEG-2017修订后，德国将沼气工程扩展量限制在150 MV以内(2017～2019年)，预计到2025年新的沼气厂的规模的扩大将受到限制[25]。尽管如此，德国沼气工程总量预计到2020年将达12000个，装机总量将达4800 MW，沼气发电量将占全国发电总量的7.5%。到2035年德国沼气工程的装机容量将达到1.5 GW，并且到2050年农民收入将有1/4来自于沼气工程[24]。

对于德国沼气发酵残留物，由于其性质不稳定，德国政府规定，必须经过180天(含发酵时间)保存后才能农用，故残留物一般需要在发酵罐经过3～6个月存贮，然后作为有机肥喷施至周围农田进行综合利用，并且不存在二次污染的问题[5,21]。

2.2 中国沼气工程利用现状

根据我国农村可再生能源统计(见表4)可以看出我国沼气工程主要用于处理农业废弃物和净化生活污水，较少用于处理工业废弃物。表5显示出我国从2000年～2016年农村户用沼气池的数量上增长了约5.5倍，并且存在新增量、报废量、户用沼气利用量和总产气量均较大，年户均产气量较低的特点。截至2015年底，中小型沼气工程有103898处，大型沼气工程6737处，特大型沼气工程34处，以秸秆为主要原料的沼气工程有458处，以畜禽粪污为主要原料的沼气工程110517处[26]。至2012年底，我国沼气工程装机容量达165731 KW，年发电量达43280.02万KW·h。

通过《可再生能源中长期发展规划》可知，至2020年，我国沼气年利用量将达44亿m3，而且据2016年国家发布的《生物质能发展“十三五”规划》，预计到2020年生物质发电总装机容量达1500万KW，其中沼气发电量占50万KW，沼气发电利用将得到迅速发展。

在我国，大中型沼气工程的沼渣通常进行堆肥化处理、直接销售或与其他化肥混合作为复合肥出售，沼液则主要提供给当地农民作为肥料和灌溉用水，但由于沼渣沼液肥效欠佳且使用不便，没能得到农户的普遍认同和施用[27-28]。户用沼气池产生的沼渣常作为优质的基肥，沼液则主要用于灌溉进行利用。

表4 2015年我国沼气工程利用情况

表5 我国农村户用沼气池情况(2000年～2016年)

从德国沼气工程利用现状可以看出，德国的沼气工程发展模式非常成熟。我国沼气工程则主要为分散的户用沼气池，对大中型沼气建设和应用起步则相对较晚，还存在沼气产品综合利用率低、报废量大、沼气发电及利用率低值化、农户对沼渣沼液的施用接受度较低等问题，可见我国沼气工程在沼气利上还有很大的提升空间。

3 中德沼气工程技术比较

3.1 沼气发酵原料

3.1.1 德国沼气发酵原料

在德国，沼气工程发酵原料主要为畜禽粪便、能源作物，约占所有发酵原料的92%。青贮玉米作为能源作物约占发酵原料总量的70%，青贮谷物等青贮植物约占8%[19]。生物废弃物、工业有机废弃物、工农业残余物作为原料在沼气工程中使用率不高，不足3%，其中城市生物废弃物和工业、农业、商业废弃物主要用于装机容量(>500 KW)的沼气工厂[19]。根据沼气工厂实际情况，大多沼气工厂都采用混合原料进行发酵，这有利于发酵系统的稳定运行，有效提升了发酵效率。

3.1.2 中国沼气发酵原料

我国沼气原料十分丰富，主要为畜禽粪便和农作物秸秆，其产生量分别为7亿吨和30亿吨，而相比之下，以畜禽粪便作为发酵原料使用更为广泛[29,30,31]。随着技术的发展、市场需求的转变，沼气工业化进程不断加快，沼气发酵原料也趋于多样化，工业有机废水、市政污泥和生活垃圾等不同种类的废弃物也开始用作沼气发酵原料。

3.2 发酵工艺及技术发展

3.2.1 德国发酵工艺及技术发展

在德国，湿式发酵工艺占德国整个沼气工厂的90%，固体发酵工艺约占10%[9]。最常采用的湿式发酵技术是中温(38℃～43℃)发酵，通过全混合产储气一体式反应器(CSTR)实现，料液浓度根据工程原料不同可分为低浓度(TS≥6%～12%)和高浓度(TS≥30%，农作物秸秆原料)，滞留期一般为30～60天[5,7,32]。

从技术发展来看，德国沼气工程热电联产技术可提升沼气工程综合效益、提升能源品味和能源转换率、提高沼气工程产量和维持设备运行的稳定性，因此德国沼气工程98%均采取热电联产方式利用沼气，并且德国沼气工程使用的内燃机发电技术世界领先，装机容量在200 KW以下使用双燃料机组，发电效率为33%～37%，装机容量在200 KW以上使用点燃式沼气发动机，发电效率约为34%～37%，现今也有少量沼气工程开始使用有机朗肯循环技术将余热用于发电[21]。同时，德国沼气工程自动化监控技术也非常成熟，主要采用分布式控制系统(DCS)、现场总线控制系统(FCS)等工业化控制系统，有了这些控制系统后，仅在物料进出时需要人工干涉，其余环节均能实现自动化运行[3]。

3.2.2 中国发酵工艺及技术发展

与德国不同的是，我国沼气工程对常规、高效的厌氧发酵工艺都有所应用。从发酵技术上来看，秸秆高效厌氧发酵固态化学预处理技术、秸秆及畜禽粪便干发酵技术、有机废弃物一体化两相发酵技术尚处于示范阶段，粪便厌氧发酵除沙技术、沼气发酵功能微生物强化技术均在实际的沼气工程中得到了推广应用[29]。表6显示了我国典型的沼气工程案例，可见我国沼气工程的发酵工艺选择主要根据发酵原料，不同的技术指标，实现对不同原料的资源化利用。在沼气工程自动化控制程度上，由于研发人员比较重视厌氧消化工艺本身的研究开发，忽视了配套设备的研制与引入，因此自动化程度较低[22]。

从我国近几年沼气热电联产相关报道可知，我国沼气发电机热电联产效率在20%～30%[33,34]。国家现阶段也开始大力发展沼气热电联产，其中国家能源局出台了“关于开展‘百个城镇’生物质热电联产县域清洁供热示范项目建设的通知”，为探索生物质发电全面转向热电联产、完善生物质热电联产政策措施提供依据。

表6 我国典型沼气工程案例[29]

由上述分析可知，中德沼气工程在发酵原料和工艺上差异不大。但从技术和设备上与德国相比，我国沼气工程的热电联产效率、自动化程度及技术设备水平均较低，这阻碍了我国沼气产业化的发展。

4 中德沼气工程管理模式

德国沼气工程经营管理引入了现代化的农场经营模式，具有人员少、效率高、操作规范、专业技术强、机械化程度高、运行费用低等特点[35]。在服务体系上，德国拥有专门的沼气产业协会和技术服务性企业，利用健全的沼气社会化专业技术服务体系来推动沼气产业化的发展[36]。

我国农村沼气工程的经营管理主体主要有政府、民间社会公益性或经济性团体、经济组织或其混合主体，对于农村大中型沼气工程则常通过系统集中化管理实现对资金、技术的保障[37-38]。

5 德国沼气工程对推进我国沼气产业发展的启示及建议

通过对德国与我国沼气工程在政策法规、发酵工艺和技术设备、沼渣沼液综合利用以及管理服务体系的对比分析，结合我国沼气工程发展现状，笔者对我国沼气工程今后的发展提出了以下建议：

(1)完善沼气产业链上的政策措施，特别是在沼气发展的初期，政府需加大补贴力度；同时，政策需要随着沼气产业的发展灵活调整，让大中小沼气工程运营业主有利可图，让使用沼气终端产品的用户看到使用沼气的便捷性、环保性，在沼气产业初具规模后，再通过政策引导，不断提升沼气行业的市场化程度。

(2)引进适用于我国沼气工程发展的技术，学习德国通过多学科交叉研发创新技术和拓展沼气产品的应用领域，实现沼气工程的自动化、机械化、产业化，提升我国沼气行业的核心竞争力。

(3)我国政府需要重视沼气工程的配套管理模式和后期服务体系的建设，同非政府团体相互协作，引进更多具有沼气工程管理经验的人员，将沼气建设和有效的管理服务体系运作起来，保障沼气工程长效发展。

(4)加强我国沼气工程在建设、运营、后期管理维护等环节的调研，针对具体的问题提出具体的对策和解决方案。