中国沼气学会学术年会暨中德沼气合作论坛

聚焦乡村振兴战略、高质量发展和碳达峰、碳中和目标
2021年10月20-21日 | 江苏 · 南京
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年会专家观点 | 朱洪光:区域农业有机废弃物生物天然气产业对双碳目标支撑

作者: 发布时间:01/05/2022 来源:

文章来源:中国沼气学会


【编者按】2021年10月20-21日,2021年中国沼气学会学术年会暨中德沼气合作论坛在南京举行。近500位沼气领域的专家学者及企业界同仁齐聚一堂,共话新时代沼气行业新发展。与会代表在研讨中一致认为,沼气技术及其应用将会成为有机废弃物资源化利用、生态环境保护和可再生能源发展的主战场,沼气科研教学和产业队伍将会成为实现乡村振兴战略和“双碳”战略目标的主力军。


同济大学生物质能源研究中心主任朱洪光教授应邀与会并进行“区域农业有机废弃物生物天然气产业对双碳目标支撑”的主题分享,包括单站处理模式的运营困境、“站田式”区域整体解决方案的思考、区域解决方案对碳达峰和碳排放的贡献,同时也为生物天然气产业发展提出了很好的建议。本文根据其发言整理。



同济大学生物质能研究中心主任 朱洪光 教授



一、历史单一原料和单站处理模式的运营困境


沼气行业现在的主导产业已经到了生物天然气阶段,从沼气到生物天然气是一个华丽的转身,是小舢板到航空母舰的跨越;从过去自然的利用厌氧体系产生甲烷,到目前的复杂产业体系同步解决环境、能源和卫生,这个体系已经不是简单的厌氧技术。但是,从沼气到生物天然气,发展已经遇到很多可持续性困难,为什么不可持续?


历史单一原料、单站处理模式的运营困境源于家庭联产承包带来的种养分离客观现实。规模化养殖场粪污因交易主体过多,直接还田利用已经难以操作;单纯达标排放,技术和成本养殖业均无法维持;仅收集固粪的养殖粪污第三方处理模式,不能够消除环境污染;养殖业主无序的粪污粗放外拖施肥,甚至加剧区域疫病防控困境。家庭联产承包,土地破碎也造成秸秆资源化困境;不仅秸秆传统利用途径失效,同时秸秆原料收集主体也缺失。双碳背景下,简单的秸秆还田不可能长期维持,但是新型秸秆利用产业化最大困境是原料供需季节不平衡。实践证明,秸秆经纪人无法承担这一责任。


综上,单一原料、纯商业行为的废弃物处理因为未能根本解决政府的环境治理困境,政府无法针对这些项目授予可靠的收益保障措施。



二、“站田式”区域整体解决方案的思考


(一)什么是“站田式”区域整体解决方案


“站田式”区域整体推进,借鉴石油、天然气的“井田模式”,抛弃传统的“散户沼气池”,以及大型农场“单点规模沼气工程”建设模式;以村镇基础的行政单位为依托,建设废弃物片区处理生物天然气工程,提升原料稳定、可靠度;以区县行政单位为依托,对所有工程联网,实现生物天然气网络化调度,提高资源使用率。




从2009年到2016年,在上海市农委支持下,在崇明建设并托管运营畜禽养殖业粪污处理沼气工程53处(29处单体沼气、19处片沼气和5处规模养殖场沼气),总投资1.6亿,解决40万头存栏猪的环保问题。在探索过程中,意识到单一原料和所谓的依赖农村能源对产业构成最大瓶颈;十三期间养殖业调整,崇明不能养殖了,就影响很大,工程目前处于废弃的状态,但是在过去的阶段项目已经对整个崇明生态环境改善形成了很大的支撑。产生的沼气,对农村集中供气,85%以上的无法消纳,且因为外出务工人员季节性返乡,对供气系统的稳定性构成非常大的压力,吃力不讨好。




区域整体解决方案实践的提升是在安徽省阜南县,该县1800万平方公里、170多万人口、200多万亩年种植量,典型的农牧业大县。项目在28个乡镇范围内,规划了8个站点,一个中心调度站,实现了传统能源和新能源的融合,生物天然气融入整个县域能源体系里面和城市管网打通。8个站点围绕县城分两圈建设,每个站点收集半径在15-20公里,燃气通过270公里生物天然气官网联络起来,建成有机整体;项目总投资10.44亿,解决全县177万头猪当量粪污治理、20万吨秸秆资源化、年产生物天然气5000万m³,目前4个站点已经投入运行。




(二)区域化解决方案的内在逻辑是什么


区域化解决方案重构了县级区域农业废弃物生态循环结构,使政府能够彻底解脱区域有机废弃物处理困境。首先是循环主体的结构重构:同一农业生产主体内部—不同专业生产主体之间;其次是区域空间的结构重构:小尺度的村域——大尺度镇域乃至县域;再者是组织方式的结构调构:有机养分循环从产业链条捆绑——产业链交易松散结合。区域化解决方案,政府作为项目相关利益主体之一,通过行政体系配合,传统商业模式面临的交易成本不确定问题迎刃而解;在企业市场能力基础上,充分发挥政府的宣传和监督功能;由企业和政府共同建立,可彻底打破项目原料来源和产品出路多主体谈判,交易成本居高和措施落实不力的难题。


这些问题解决之后,产业可持续发展的基础就奠定了。县乡村三级联动,网格化推进;秸秆收储和畜禽粪污收处模式,吹响了向阜南县农业废弃物全域全量化解决进军的号角,不存在老百姓和你谈判的问题。崇明探索和阜南实践证明,初步探索出一条符合农业农村领域产业需求的碳达峰碳中和产业路径,即生物天然气产业区域解决方案。





三、区域解决方案对碳达峰和碳排放的贡献


(一)农业农村领域碳排放模型


按照联合国粮农组织标准,农业农村领域碳排放包括两大领域,一是农业过程,二是能源消耗。农业过程:包括畜禽肠道发酵、粪便管理、牧场粪污残余、作物残茬、有机肥培肥、草原烧荒、作物残茬焚烧等10类行为。能源消耗包括种植业、养殖业和渔业的机械用能。不论是农业过程,还是能源消耗,农业领域中的温室气体排放均包括,二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)。农业即是温室气体的重要排放源,更是地区生态系统的巨大碳汇,具体包括作物种植的吸收、旱田土壤微生物活动对甲烷的吸收氧化、生物质能能源利用的能源替代等。


中国农业农村领域不同渠道碳排放占比(引自金书秦2021),粪便管理占比比较大。农业农村领域碳排放量是将以上三种温室气体折算成二氧化碳当量(CO2eq)的总数量。二氧化碳主要来自于能源消耗;甲烷主要来自于家畜反刍消化的肠道发酵、秸秆(及残茬)田间发酵、畜禽粪污及其他农业有机废弃物堆储、水稻田等;氮氧化物主要来自于化肥使用、秸秆(及残茬)田间发酵、畜禽粪污及其他农业有机废弃物处理等。




(二)生物天然气对农业农村碳减排贡献路径的综合分析


生物天然气对农业农村碳减排贡献路径可包括五个方面,前期我们关注的主要是能源替代、零碳化肥代替;之后要关注废弃物管理和施肥田间排放;最后是在五个方面综合后,还要减去自身温室气体排放。绝不能仅从能源减排看待生物天然气产业对双碳战略的支撑;除畜禽肠道发酵外,生物天然气产业可以在农业农村领域中发挥综合减排降碳支撑;即便从能源替代出发,不仅要重视对于区域居民和工商业能源替代,更要重视农机领域的生物天然气液化LNG替代柴油的潜力。




(三)碳减排潜力计算


目前还没有一个完整的生物天然气计算体系,对阜南案例碳减排潜力评估可先以能源和化肥替代减碳进行估算(1个2.4万立方生物天然气站点)。按IPCC定义,生物天然气站点原料来自生物质,其能源和肥料替代CO2折算为零。单个站点每天生产生物天然气1.73万立方,生物天然气替代标煤可以减排CO2达到58.4吨。每天回收各类有机废弃物(粪便、秸秆等)96吨(绝干)中氮、磷(P2O5)、钾(K2O)量分别为:1.68、0.48、1.92吨,有机肥料替代化肥CO2减排分别为17.4、0.76、1.27吨,综合减排19.43吨CO2;每天消耗能源折标煤约为11.14吨,二氧化碳排放量为29.2吨。每个站点每天实际减排二氧化碳量为77.8吨扣减29.2吨,结果为48.6吨,年减排贡献1.78万吨。阜南案例总有效池容18万m³,年能源和肥料减排贡献达到17.05万吨。


由于该项目是多源有机废物的消纳,缺乏方法支撑,有待加强研究。但是可以据国家发改委公布的方法学《CMS-021-V01 动物粪便管理系统甲烷回收》、《CM-086-V01 通过将多个地点的粪便收集后进行集中处理减排温室气体》等给出了粪污管理的减排计算方法。这里先参照IPCC2006年推荐的方法学计算,南方炎热地区,一个处理4头猪只产生的粪污的沼气池,每年最大可减排温室气体2.0~4.1tCO2当量。1个2.4万方池容工程,每天解决23.6万头猪当量粪污处理,每年减排5.9万吨。本项目解决177万头猪当量粪污处理,每年减排44.25万吨。


综上,阜南案例的综合减排能力,如果仅考虑能源与肥料替代仅17.05万吨;而综合考虑废弃物管理,高达61.30万吨;其中,废弃物管理的减排潜力占72.19%,与国际上研究成果近似。



四、生物天然气产业发展趋势


(一)区域解决方案要求可控技术体现,而不是单一技术


区域解决方案不是单一的技术,过去往往过分强调单一的技术,存在着盲区,只有多维可控的技术才是产业可持续发展的关键。首先是多元有机废弃物协同同步发酵,其次还要关注站点规划,全过程热工管理、沼渣沼液营养回收及组合强化处理,只要把6个体系综合考虑起来,各环节就可以从成本中心转化为利润中心。




(二)区域解决方案风险及发展趋势


区域解决方案的项目也需要进行风险规避,主要包括政策调整、原料来源、产品出路和不规范运营。产业发展从学术研究方面,会从单一关注厌氧发酵,扩展到关注全产业链的多学科多维技术体系的关注,展开协同创新;


从国家政策层面:在现有一县一法人相关鼓励与支持政策,例如项目管理、末端补贴、用地用电等基础上,出台有利于城乡有机废弃物协同处理的政策,并会研究出台基于多源协同发酵碳指标方法学;


从地方政府层面:会制订调控种、养、加与第三方处置平台间利益关系,协调生产、生活与生态间平衡方面的系列文件,保障种养有效结合、种养加健康发展,以及保障第三方平台可持续运行;


从投资者层面:会逐步认识到生物天然气产业的技术复杂性,进而尊重第三方专业技术体系、运营体系的力量,按照资产管理、建设管理和运营管理分离的思路,形成各类项目投建运联合体;从专业技术提供方层面:会从过去单纯提供技术和建造服务,向关注投资方的可持续盈利转变,否则项目无法可持续,产业就不可能壮大。




整理:刘越
编辑:刘秋琳
审核:李景明