发展生物天然气产业，既能解决农业发展用能问题，又可化解农村环境保护问题，已成为推动农村能源革命、助力乡村振兴的重要发力点和关键突破口。
然而，受多重因素影响，生物质能发展受到制约。国家能源局数据显示，截至2023年一季度末，全国可再生能源发电装机容量为12.58亿千瓦，其中生物质能源发电装机容量为4195万千瓦，占比仅为3%。如何发展生物质能，让生物天然气产业叫好又叫座，业界专家学者提供了新的路径和实践经验。
发展生物天然气助力减碳
“虽说统计口径不同，我国生物质资源接近10亿吨标准煤这一判断是被广泛接受的。”上海林海双碳生态研究院院长、同济大学生物质能源研究中心主任朱洪光，在2023碳中和·零碳中国峰会上发表观点。
朱洪光在生物质能研发领域已经深耕20多年。他认为，制约生物质能源开发的因素包括四个方面。一是生物质能源能量密度比较小，热值比较低，转化规模难以提升。以农田秸秆为例，其能量体积比与煤炭的能量体积比相比仅为1/20。如果建同样装机容量的火电厂，秸秆电厂的占地面积一定远大于燃煤电厂，秸秆电厂要求的储存和加工空间更大。二是生物质能源原料来源和成分比较复杂，开发路径繁多，难成规模。以生物质为原料或燃料，可以发电、生产乙醇和沼气，也可以做成型燃料，其中大部分技术路径难以同时消纳不同种类的生物质原料，规模化开发生物质能源存在障碍。三是处理生物质原料所含的高氮、高磷成分的经济性问题。生物质中富含的氮、磷等元素，是农作物所需肥料的主要成分，但其中所含比例与化肥相比太低，与环境承载能力相比又太高，因此对氮和磷的处理是一笔不划算的经济账。四是生物质原料供应主体高度分散，来源包括农业、工业、市政等各个领域，特别是农业生物质原料更是来自千家万户，导致收购和运输成本高昂，同样拉高了生物质能源的开发成本。
“生物天然气作为生物质能发展的重要方向，有一个非常内在的逻辑，可以突破上述几个瓶颈的制约。”朱洪光表示。
“生产生物天然气的核心技术是厌氧发酵技术，只需要这一种技术就可以处理所有的有机废弃物，而不必为处理不同种类的生物质原料去建设多种处理设施。”朱洪光介绍，“厌氧发酵技术的另一个优点是，全过程都处在一个密闭空间内，避免了转换过程中的原料和能量损耗，并且对环境十分友好。”他指出，生物天然气生产设施的体量比较灵活，能够在村镇范围内建设。“同时，生物天然气产业还是一种潜在的负碳产业，可以通过替代化石能源、处理农林废弃物、打造循环农业等来实现减碳降碳。”
“以餐厨垃圾为例，分别对其采取直接填埋、堆肥、制作沼气及其他方式进行处理，结果显示，碳足迹最小的是采用厌氧发酵技术制作沼气的处理方式。”在2023碳中和·零碳中国峰会上，瑞典环境科学研究院中国代表处高级项目经理王瑞，通过图表说明了生物天然气技术的减碳效益。
多种优势的存在，让发展生物天然气成为生物质能利用的不二选择。在国外，生物天然气已经得到充分的开发利用。比如瑞典，一个仅有千万人口的小国，却坐拥281座生物天然气工厂。王瑞介绍，瑞典生产生物天然气的原料与我国不同，瑞典早期开发生物天然气是为了处理污水处理厂的污泥，后续才不断把养殖场的禽畜粪污以及餐厨垃圾纳进来。“整个欧盟也非常重视生物天然气的发展，规划到2030年把产量提升到350亿立方米。”
产业化探索持续推进
《关于促进生物天然气产业化发展的指导意见》提出，到2030年生物天然气年产量超过200亿立方米。《“十四五”可再生能源发展规划》明确提出，在河北、山东、河南、安徽、内蒙古、吉林、新疆等有机废弃物丰富、禽畜粪污处理紧迫、用气需求量大的区域，开展生物天然气示范县建设，每县推进1~3个年产千万立方米级的生物天然气工程。
地处安徽省西北部的阜南县，是一个农牧大县，每年产生约140万吨农作物秸秆、200万吨禽畜粪污，日产生活垃圾20吨，符合开展生物天然气示范县建设的条件。由朱洪光团队提供技术支持的林海生物天然气工程项目便坐落于此。该项目以国内首创全县域站田式全量化先进处理方式为支撑，按照“8+1站田式”模式，在阜南全县布局8个生物天然气生产站和1个中心站，并铺设接近300千米的主干管网。中心站统筹调度8个生产站点生产的生物天然气，实现县城及全县城乡的燃气供应全覆盖。
“工程总投资15亿元，分两期建设，可解决20万吨秸秆、177万头猪的粪污处理当量，年生产20万吨农作物肥料、5000万立方米天然气。”朱洪光介绍，5000万立方米只是一个县的年产量，全国有2800多个县级行政区，也就是说每年有大约1400亿立方米的生物天然气替代潜力，而当前我国天然气年消费量是3600多亿立方米。
今年，瑞典环境科学研究院将一套移动式中试设备引入我国，并投入使用。该设备的主要功能是给有机废弃物全规模利用项目做前期工作，包括开发潜力分析、反应条件测试以及对比不同原料的生产效果等，可以为相关方后续大规模投入提供更精细化的设计与支撑。
生物天然气技术不断升级
如今的生物天然气技术，已经不再是传统制作沼气的概念了。朱洪光用“从小舢板到航母”来比喻传统沼气项目到现在的生物天然气工程项目的嬗变。
“在瑞典，有超过一半的沼气被提纯为生物天然气后作为车用燃料。”王瑞介绍，瑞典大部分公交车所使用的燃料都是生物天然气。另外，瑞典还将沼气液化后作为重卡的燃料，“加气一次，可以跑1600千米”。
此外，生物天然气项目已经不仅仅是新能源项目，同时还能产出一部分新型材料。过去沼气开发，最令人头疼的就是沼液的处理。如今的技术条件下，沼液已经变身为一种新型材料来源，可以从中梯级提取甲烷、小分子碳肥、纳米碳酸钙、石墨烯导电材料。“所以，生物天然气技术已经跳出传统沼气工程的理念。”朱洪光进一步介绍，生物天然气项目的综合效益包括环保服务、政府采购、燃气及二氧化碳供应、有机肥销售、碳基新材料生产、“绿电”生产与储能、绿氢生产和碳交易等方面，能够达到以开发新能源为中心的循环经济和绿色经济共同发展的效果。
朱洪光介绍，阜南生物天然气工程项目生产的天然气不仅能够满足本县的消费需求，剩余部分还可以供应其他三线城市使用。同时，项目以20%的资金撬动了其他金融资本的踊跃参与，增加直接就业300多人，并间接带动上千人实现就业，推动了当地种植业和养殖业的快速发展。据测算，项目还可以实现每年70万~80万吨二氧化碳的减排量。
此外，朱洪光还透露，随着新型能源体系建设的深入推进，生物天然气产业开发又有了新方向。通过生物天然气生产设施可以将氢气和二氧化碳进行反应并转化为生物天然气，这样就可以依托天然气管网实现远距离输送，有效推进氢能输、储、运等难题的解决。他表示，未来还可以通过生物天然气管网在县域内实现气电双调峰功能，以提升整个能源系统的灵活性。
