年会专家观点 | 朱洪光：持续科技创新，推动生物天然气产业建设

作者：中国沼气学会 发布时间：11/27/2023 来源：

【编者按】2023年10月23-25日，由中国沼气学会、江南大学、长江生态环保集团有限公司共同主办的2023中国沼气学会学术年会在江苏连云港圆满举行。本届年会以“科技创新、工程实践、循环发展”为主题，行业权威专家、优秀企业代表、业界同仁共聚一堂，聚焦政策解读、前沿技术、工程运营实践、沼气能源开发利用、先进装备制造等热点话题，开展了深入的交流与探讨。会议期间，同期举行主旨论坛、青年、环太湖有机废弃物处理利用示范区建设、厌氧发酵与后处理技术、双碳战略下的沼气发展与沼渣沼液高效利用、先进工程示范与技术装备论坛及“中持杯”2023“沼气+”创新挑战赛年度总决赛等系列活动。同济大学教授、生物质能源研究中心主任朱洪光应邀出席，并发表以“持续科技创新，推动生物天然气产业建设”为题的主旨报告。

报告梳理了生物天然气产业前景、困境和三大技术进步趋势等内容，同与会者重点分享了基于站田式生物天然气系统的绿电绿氢产输储供新体系。

沼气产业发展迅速，经过几十年的科技与产业协同创新，沼气到生物天然气的变革已经取得革命性进步，从户用沼气池到规模化沼气工程，再到生物天然气工程，围绕工程技术创新、产业创新，实现了从“小舰板到航母”的变化。

01 我国生物天然气产业前景广阔，但整体困境不容忽视，必须持续科技创新，方能推动产业可持续健康发展

2015年，国家发改委明确支持日产生物天然气1万立方米以上的工程开展试点，这一政策为沼气产业奠定了基础。而后特别是2023年，中央全面深化改革委员会《关于推动能耗双控逐步转向碳排放双控的意见》的出台，为行业发展描绘了巨大的想象空间。沼气工程已经开始向区域环境治理与生物天然气清洁能源产业方向转型升级，且事关乡村振兴、新能源与双碳国家战略。

与此同时，我国有机废弃物厌氧发酵工程数量多（指规模化沼气工程）于德国，但产能却远低于德国。主要原因是：第一、我国区域气候差异大，有机废弃物的场景多变，产业缺环断链问题严重，这是导致产能难以有效发挥的重要因素；第二、上世纪70年代，欧洲就凭借工业化基础高的起点来推进沼气工业化，而我国沼气是从因陋就简的户用沼气起步，直到2015年实现真正的工业化才开始真正重视；第三、项目未经过长周期的运营实践，技术就绪度低，技术先进性未能有效发挥。因此，我们必须持续科技创新，特别是要开展深入的基础理论研究，方能推动产业可持续健康发展。

02 生物天然气产业三大技术进步趋势：产业技术完备性、注重区域化发展、关注全产业链综合效益

▮ 技术进步趋势一：产业技术完备性

从单一关注厌氧到多维可控技术体系，包括多源有机废弃物混合协同发酵、工程热效率可靠、燃气与电力多梯度综合能源利用及碳减排、沼渣沼液资源化及环境风险防范、区域站点布局科学规划、生物天然气产供联动数字化、智能化等完整技术体系。产业技术进步既要突破现有技术短板，更要通过工程示范验证产业技术的完备性、匹配性和先进性。

▮ 技术进步趋势二：生物天然气产业区域发展已成为客观需求

生物天然气产业需注重区域化发展，否则将面临如下困境：种养分离、规模化养殖场粪污交易主体过多，直接还田利用难以操作，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，无序的粪污粗放外拖施肥甚至加剧区域疫病防控困境；新型秸秆利用产业化最大困境是原料供需季节不平衡，需要区域统筹加有组织的秸秆经纪人模式，方可承担秸秆原料可靠收集这一重任；单一原料、纯商业行为的废弃物处理，未能有效解决政府环境治理困境，政府无法针对这些项目授予可靠收益保障措施。

▮ 技术进步趋势三：关注生物天然气全产业链综合效益

要站在全产业链的角度来思考，首先从原料端把人居废弃物、种植废弃物、工业有机废弃物、养殖废弃物综合收集处理后，然后确定生成的有机源肥料是否能够还田。所以，要破解人居环境困境，需根植乡村振兴与县域经济转型，实现新能源可靠替代，重构现代循环经济。这些工作无法靠一家团队全面完成，必须要有一个产业的大平台，将产业与技术协同，才能够把路走的更远。

只有产业体量的扩展，方可支撑产业链的健全。跳出单一能源收益路径，实现以新能源为核心，循环经济与绿色经济共同发展。生物天然气产业的最终问题是收益问题。过去只关注燃气供应，现在站在全产业链的角度去看，还可以考虑养殖排污处理费等环保服务收费、餐厨垃圾处理费等政府采购服务、有机肥销售、鸟粪石、PHA、可降解生物质材料联产等新材料销售、绿氢和碳交易等，从单一的收入来源变为七个收益来源，这样，产业就有可能突破依赖于政府补贴，走向产业自循环。

03 技术进步与产业融合的两个阶段：站田模式的探索与实践

探索阶段：2007-2017年，在上海崇明建设并托管运营的畜禽养殖业粪污处理沼气工程56处，初步探索出生物天然气站田模式，即通过网络化结合，实现资源统筹和技术协同。该模式成功探索的一个重要原因，是政府-同济大学-林海生态公司形成良好的政产学研合作体系，通过近10年持续积累，打造出可控沼气工程技术体系。

深入实践阶段：2016年开始，在安徽阜南实践全域全量化站田模式，从顶层设计规划建设8个生物天然气生产站点和1个应急调峰中心站，以应急调峰站为中心，通过270KM主干管网，有效统筹生物天气并纳入区域燃气能源系统，实现县域管网全覆盖。通过该项目实施，可处理全县177万头猪当量畜禽粪污、20万吨秸秆，病死动物、餐厨垃圾等协同处理；年产5000万m³生物天然气和20万吨有机肥；经初步测算，年贡献60多万吨CO₂交易指标。

阜南项目是站田模式的顶层设计和实践，实现从“小、散、低”的“小舢板”沼气模式走向了生物天然气产业集群式的“航母化”发展格局。该项目是我国探索碳达峰、践行减碳的典型案例之一。

04 建立基于站田式生物天然气系统的绿电绿氢产、输、储、供新体系，实现大量能源的调配

▮ 可再生能源发电存在严重的弃风、弃光、弃电现象，储能将成为解决新能源大规模并网带来电网效率和安全问题的关键

尽管可再生能源发电装机容量快速提升，但总发电量占比仍然较低，其中一个重要的原因在于，可再生能源发电特别是风电与光电存在明显季节性变化和日内变化，受环境因素影响大，波动频率大，对国家电网的稳定性造成很大影响。因此，风电、光电出力系数较低，存在严重的弃风、弃光、弃电现象。

为了实现双碳目标，必须降低火力发电的发电量，减少煤炭等一次能源的消耗，预计到2060年，可再生能源发电量占比增加到70%。储能将成为解决新能源大规模并网带来电网效率和安全问题的关键。

▮ 生物天然气冷热电气四元协同储能调峰新思路为区域能源调控提供了一个全新的视角

储能技术包括甲烷、甲醇等化学品的化学能、电解水制氢、压缩空气、储热蓄冷等。将不同的储能技术结合起来提出了生物天然气冷热电气四元协同储能调峰新思路。第一元：生物天然气本身就是目前唯一以化学能形势存在的可再生能源，针对太阳能的季节性储能可实现季节性能源调配，是典型超长时储能；第二元：生物天然气本身的燃气能源性质，又让其与传统天然气融合成为区域日内气电双调峰的一个重要载体，是典型的长时储能；第三元：依托于生物天然气液化储能，把冷热对冲提升冷能电转化效益，为区域冷热综合能源协同开发提供了出路；第四元：通过电解水产氢进而生产生物天然气，已经具备短时、长时和超长储能的综合体现。

总体看，虽然生物天然气无法实现瞬时储能，但只要适当的电化学电池的辅助并基于生物天然气的四元储能，就可以为区域能源调控提供一个全新的视角。

▮ 利用生物天然气结合能源管网，可建立基于站田式生物天然气产业的新能源及绿氢产、输、储、供新体系

氢能的储能方向主要有：（1）电解水制氢：能量转化效率较高，达65%～80%；（2）生物法制甲烷：中温条件下，99％的H2被食氢产甲烷菌利用，吸收69％的CO2，加氢提纯后沼气中甲烷含量提高27.6%。通过该技术，未来生物天然气不仅可作为生物可再生能源的载体，还可作为区域风电、光伏的储能载体；（3）水蒸汽重整制氢：中国工程院衣宝廉院士科研团队结合氢储运与电解制氢的技术特征研判，以及我国输氢需求，提出用氢端从天然气管道取气、重整制氢可解决绿色制氢与长距离输送问题。甲烷水蒸气重整反应是可逆、强吸热反应，在高温下运行，水蒸气重整制氢效率高达70%～90%。

由此可见，利用生物天然气结合能源管网，可建立基于站田式生物天然气产业的新能源及绿氢产、输、储、供新体系，实现大量能源的调配。这样的整合就实现了H2循环、CO2循环和电力循环三个绿色循环的有效耦合。

在转化效率方面，甲烷到氢的转化效率是70%～90%，从绿电到氢是49%～53%，而氢的液化有效能量转化率是62%～72%。由此可见，氢转甲烷进行管网输送比液氢更合理，且可靠性更强。

05 基于区域生物天然气系统的气电双调峰储能体系提出及冷热对冲冷能高效回收技术

第二个方案如下图，可利用谷时电把天然气制成LNG,并在用电高峰时段气化LNG获得天然气利用动力循环发电装置进行电力调峰，同时利用LNG气化冷能与动力循环内燃机废气热能来联合生产电力，实现冷能的有效回收。该组合系统的发电效率可将独立发电机系统的38%提升至46%，基于一座日产50000m³生物天然气站点来测算，每年可以减少约5100吨的二氧化碳排放，碳减排效果显著。

综上所述，基于生物天然气系统的技术体系不仅要考虑有机废弃物，还要综合各方面因素深入开展不同的研究。我就简要介绍到此，谢谢大家。

大会现场精彩图片

（本文根据2023中国沼气学会学术年会现场发言整理而成。）

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