中国沼气学会学术年会暨德国沼气技术专场
绿色燃气 绿色经济 绿色发展2024年10月23-25日 安徽·阜阳
【编者按】2022年12月15-22日，由中国沼气学会、德国农业协会、哈尔滨工业大学共同主办的2022中国沼气学会学术年会暨中德沼气合作论坛召开，并举办了德国沼气技术专场，中德两国沼气领域的权威专家和领先的沼气工程及设备企业相聚云端，共商中德沼气产业合作。
德国农业协会（DLG）沼气版块业务总监 Mr. Marcus Vagt 就“环境友好型沼气——通过沼气和生物甲烷生产减少二氧化碳排放”话题进行报告，介绍了欧洲沼气和生物甲烷领域的最新发展和趋势展望，包括绿色黑色解决方案、ORC有机生产系统、低二氧化碳制氢等最新创新技术产品，以期为通过信息沟通为行业提供发展动能。希望能为德国与中国的合作交流与商业模式带来一些新理念和推动力。
气候变化与环境保护
目前，每天都有大量的化石燃料被燃烧，以不可回收的形式释放到环境中。至少从欧洲的角度来看，这种发展方式不应该继续下去。总的来说，环境保护是供应充分的欧洲的首要任务之一，应该优先推进。因此，必须追踪温室气体排放和二氧化碳释放，并有针对性地加以考虑。
为了减少二氧化碳的排放，欧洲在大力宣传和推广可再生能源如风能和太阳能，越来越多的系统正在转向使用电力而不是化石燃料。德国日前已经决定淘汰燃煤发电，非清洁能源被广泛拒绝。
未来的交通工具将是电动的，从2035年起，整个欧洲已经决定禁止使用内燃机的客车。预计将有近100万辆全电动汽车和约75万辆充电式汽车。在德国注册的汽车将大大增加对电力的需求。
用于家庭可持续供暖的热泵非常受欢迎，并得到了政府的补贴。
然而，在没有太阳和风的时候，电力的供应和由于部门耦合而增加的电力需求在欧洲仍然存在问题。
在当前形势下，除去其他影响因素外，俄乌冲突也导致了能源价格的大幅上涨。高能源成本也是影响发展和创新的一个重要因素。
沼气 —— 通过可再生气体弹性过渡到净零排放
从整体上看，沼气生产已经在很大程度上实现了二氧化碳的中和。只要在沼气生产中考虑种植、收获、运输和能源投入在二氧化碳方面尽可能地中立，二氧化碳的平衡就会形成循环。
欧洲的沼气/生物甲烷生产
由于前述原因，使用沼气比化石燃料更可取，而且近年来的立法已经在整个欧洲推广和扩大了沼气。此外，沼气可以储存，与光伏和风力发电不同，它具有基本负荷能力，这也是需要特别考虑的特性。
德国目前有大约9600个沼气厂，每年电力输出超过5600兆瓦。为900多万户家庭提供足够的电力，并覆盖了德国电力消费的约5.4%。
意大利是欧洲第二大沼气生产国，目前有大约2000个工厂和大约25亿m³的产量。
截至2022年1月1日，法国有1308家厌氧消化厂，包括371家生物甲烷工厂和759家热电联产工厂。
另外一个非常重要的国家是丹麦，到2021年底丹麦输入天然气系统的沼气产量相当于丹麦天然气消费量的约25%。自2013年以来，已有51家沼气厂与天然气网连接。丹麦的规划是到2030年沼气生产能够覆盖75%的天然气消费，到2034年预计将完全覆盖丹麦每年的天然气消费。
绿色 - 黑色解决方案 —— 以最环保的方式利用泥浆和沼渣
根据德国目前的肥料法规，发酵的固液残余物必须被覆盖储存至少9个月，然后才能撒到田里用于施肥。此外，产出的技术投入很高，还有大量的文件和财务工作。
在今年的EnergyDecentral分布式能源展上，BIATEX公司因其生产植物碳的工艺被授予创新银奖。
通过绿色-黑色解决方案，粪便和沼渣在一个纯生物过程中被分离成固相和液相。由于铵的降解率为85-95 %，只有微量的铵、钾和其他溶解盐留在液相中，因此，几乎全年都可以在离现场不远的地方施用。将含有营养物质的固体发酵残渣碳化，从而浓缩到70%以上的干物质。这样的转化方式使铵、磷酸盐和碳被稳定为生物炭，只有经过很长一段时间才能被冲刷掉。此外，生物炭具有非常大的表面积，有了生物炭土壤中可以储存更多的养分甚至水。碳化过程中产生的水在沼气厂中是理想的可降解物，有助于节省其他投入材料。
固液分离可以将运输距离和应用区域减少70%以上。此外，储存成本也会降低。
电力生产
现在来看看前面提到的基本负荷能力，以及同一时期在能源价格方面沼气厂的系统相关性。
根据德国能源转型机构 (Agora Energiewende) 的数据，下图中黄色和蓝色的部分来自光伏和风能，还有灰色部分“飘忽不定的动力”，说飘忽不定是因为它不是一个稳定的生产状态。因此，在中期内需要用俄罗斯的天然气来平衡这里的剩余节点。目前的政治议程反对这种情况。然而，沼气厂仍然非常适合这一目的。在图中可以看到多年来一直有一个几乎恒定的绿色横条，代表来自沼气，有4.5至5千兆瓦的容量。
* Agora是一家以推动德国以及全球能源体系在本世纪中叶实现气候中性及经济繁荣为目标的专业化研究机构。Agora通过支持清洁能源框架计划的起草，直接推动了德国乃至整个欧洲地区的能源政策与章则的形成与完善。
神奇的灵活性
如果沼气工厂有足够的灵活性，想象一下，这里有5千兆瓦的稳定电力。那么在晚上没有太阳照耀的时候，5千兆瓦的电力在4倍的容量下，对应的电力将达到20千兆瓦。同样值得一提的是电力价格。如果德国在缺乏风能和光伏发电的情况下不得不购买昂贵的能源，电价将攀升至每兆瓦时400欧元的峰值。到了这个价格任何沼气厂都轻松进行生产。
本届德国政府必须解决这个问题，并大幅简化立法。现在迫切需要采取行动，例如暂停最大额定产量，并能够压低最低泥浆含量等规定。同时，必须调整许可证法，以允许增加天然气生产。总之，有很多问题需要在法律和立法框架内解决。
电价已经大幅上涨。在短期内，沼气有望提供20%以上的能源。灵活化为热电联产机组以及相关的备用电源和润滑油提供了巨大的市场。此外，还需要巨大的储气设施来储存沼气几个小时，而不是连续燃烧。
2G ORC系统 ——每一个额外的千瓦时发电量，都值得为之奋斗
在今年的EnergyDecentral上，2G公司的ORC系统（有机朗肯循环）获得了银奖，这并不令人惊讶。
来自工业过程以及热电联产工厂的过剩热能只能在一定的限制下转化为电能。实现这一点的一个常见的技术选择是有机朗肯循环（ORC），其中蒸汽涡轮机使用低蒸发温度的有机流体，即水蒸气以外的工质来运行。然而，就成本和效益而言，以前的ORC系统的效率并不令人感兴趣。
现在，2G公司在其ORC系统中，已经成功地将热电联产工程的整体效率提高了4%，投资回报期可以缩短至2年。当然，高昂的电价在这里也起到了决定性的作用。
沼气升级2.0 ——生物甲烷是一种绿色独立气体
但是并不是所有东西都适合电气化。一个持续的趋势是用生物材料代替燃料。
目前，法规对这种商业模式的促进作用大于发电。这也是有原因的。例如，在2020年5月14日的会议上，德国联邦议院以多数票赞成将原本到2020年底的天然气卡车免收通行费的规定再延长三年，直至2023年。这一延长免收通行费的决定是在中期内为货运建立切实可行的气候保护措施的一个重要推动力。政府的这一信号已被德国卡车制造商采纳，这一技术已经得到进一步发展。尤其是依维柯公司，其计划中就有采用天然气驱动的卡车。现在已经围绕着使用生物甲烷作为柴油替代品建立了必要的基础设施和相应的汽车加油站。
现在，这一趋势已经扩大到农业部门。纽荷兰公司已经推出了完全由生物甲烷驱动的拖拉机和轮式装载机。
生物液化天然气
在沼气升级方面，有很多新的参与者。其中大多数涉及沼气升级的膜工艺，尤其是赢创的膜技术是行业领先的。当然，根据沼气的来源，传统的PSA（变压吸附）系统、加压水洗法（DWW）以及物理和化学洗涤还在被使用。低温工艺的沼气升级技术还没有大规模使用。
目前，已经有第一批供应商不仅将生物甲烷输入现有的天然气网络，而且已经将其液化为BIO LNG生物液化天然气并提供给重载运输车辆。
ETW SmartCool®系统
另一方面，二氧化碳捕获已成为提高经济效率的有力手段。根据技术的不同，提取的CO2可以被溶解和再利用。例如，在今年的EnergyDecentral上，ETW能源技术有限公司的SmartCool®系统获得了银奖。
以前的解决方案是在现有沼气净化设施的下游增加一个二氧化碳液化厂作为独立的解决方案——这两个过程和系统相互独立，但没有联系或没有明显联系，这是常见的问题。
作为一个“开箱即用”的解决方案，ETW SmartCool®系统首次完全集成到生物甲烷PSA中，并利用了两个过程的协同作用。只有一个控制和可视化系统，整个系统的服务仅由一个合作伙伴承担。在0.3 kWh/Nm³的粗制沼气中，ETW SmartCycle PSA和LCO2系统的组合是市场上所有系统中能量需求最低的。
ETW SmartCycle生物甲烷PSA集成了二氧化碳液化技术，为生物甲烷工程的经营者提供了一个额外的业务领域。使用该材料还可以减少从其他来源释放到环境中的二氧化碳，这进一步增加了生产和使用沼气的气候保护优势。
二氧化碳主要用于食品工业，如啤酒和饮料，也用于园艺/室内农业，以促进植物的生长。目前在欧洲，二氧化碳价格在每吨50欧元左右。
二氧化碳证书交易
在欧洲，二氧化碳的排放受到严格监管，石油行业必须向国家排放交易系统购买二氧化碳证书。
随着国家燃料排放交易计划（nEHS）的实施，自2021年1月1日起，德国在全国范围内对供热和运输部门实行二氧化碳价格。对于燃料燃烧过程中可能排放的每一吨二氧化碳，必须在德国排放交易局（DEHSt）的国家排放交易登记处（nEHS）登记，并购买和交出排放配额（"nEHS配额"）。在nEHS的框架内，最初将有一个法律规定的固定价格阶段，直到2025年。一个nEHS配额的固定价格，也就是一吨二氧化碳的固定价格将从今年开始的25欧元，到2025年逐渐增加到55欧元，并从2026年开始转为拍卖程序。在固定价格阶段，可用的nEHS证书的数量是无限的。
在nEHS中，能源税法的所有燃料都包括在内。汽油、柴油、取暖油、液化石油气、天然气，以及从2023年开始的煤炭。在市场上投放这类燃料的公司和组织，如天然气供应商或矿物油行业的公司，有义务参加nEHS。
氢气
那么，二氧化碳的甲烷化和捕获是否就是衡量一切的标准？
现在，至少在德国，可以看到未来对电力的需求可能会大幅增长。沼气可以通过灵活性和其服务于电网的特性为更多的供应安全做出有意义的贡献。然而，目前电力只能通过氢气进行合理的储存，因此需要通过电解将剩余电力转化为氢气。Mr. Vagt 特别提到，就在昨天，他从法兰克福坐火车回家的时候，很高兴地发现德国已经用上了使用纯氢气的火车，燃烧后只有水蒸气进入大气。
等离子体热解 —— 制氢的替代方法
二氧化碳和氢气反应产生甲烷，氢气是通过原热解的方式从甲烷中产生，然而它并不产生二氧化碳，而是产生固体形态的氮。
慕尼黑工业大学（TUM）的科学家们最近在《International Journal of Hydrogen Energy》上发表文章，提出了一种生产低二氧化碳氢气的新工艺。他们使用电子束等离子体甲烷热解，可以比以前的甲烷热解方法更有效、更环保地生产氢气。
二氧化碳排放控制™
来自热电联产装置的沼气燃烧产生的未经处理的废气，通过二氧化碳排放控制EMISSION CO2NTROL™专利工艺预净化到99.9%。以极低的电能输入，每吨二氧化碳不到60kWh，产生清洁的空气、包括碳和碳氢化合物在内的高热值浓缩物。
通过去除燃烧中的二氧化碳，我们在使用生物质的情况下实现真正的二氧化碳减排。
希望以上分享的资讯给您带来一些动力和对未来的积极展望。
下一届德国沼气大会将于2023年12月12-14日在纽伦堡召开，下一届的EnergyDecentral分布式能源展将于2024年11月12-15日在汉诺威举行，届时大量的创新技术及产品将在现场进行展示与分享。欢迎大家前来参加，期待明年在德国与大家相见！
