歐盟沼氣產(chǎn)業(yè)的新資源_能源作物

1、可再生能源Ren ewableEn ergy Resources第29卷第5期2011年10月Vol.29 No.5Oct. 2011歐盟沼氣產(chǎn)業(yè)的新資源一一能源作物程序，朱萬斌，崔宗均中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 生物質(zhì)工程中心 ，農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院 ，北京 100193)摘 要：近十年來，歐盟國家的沼氣產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成形。乍為傳統(tǒng)原料的活性污泥、填埋垃圾和畜禽糞便資源已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足沼氣的發(fā)展，沼氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)原料提出了更高的要求，沼氣專用能源作物應(yīng)運(yùn)而生。文章介紹了德國、奧地利和丹麥等國的學(xué)者對(duì)沼氣專用能源作物的篩選、發(fā)酵產(chǎn)氣技術(shù)和工藝、替代石化燃油的潛力、CQ的減排效應(yīng)以及合理地插入輪作制度等方面的研究進(jìn)展

2、。關(guān)鍵詞：沼氣資源；專用能源作物；石化燃油替代潛力中圖分類號(hào)：TK6 ； S216.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1671-5292 2011)05-0133-04Research achievements on dedicated energy crops forbiogas in the EU countriesCHENG Xu，ZHU Wan-bin , CUI Zong-junBiomass Engineering Center，China Agricultural University，College of Agronomy and Biotechnology, Beijing 10

3、0193, China)Abstract : Biogas industry has been developed fast during the recent ten years in EU countries. Scaled product ion of biogas requires so much feedstuff that those traditi onal materials in cludi ng active sludge from sewagetreatme nt, la ndfill and livestock excreti on are in far in adeq

4、uate. Researches and application of dedicated energy crops for biogas is thus put into agenda. The research achieveme nts on the areas of breed ing, sievi ng, tech no logies of ferme ntatio n, bioe nergy pote ntials, CO2 reduction effects and involvement into rotation system of biogas crop in German

5、,Austria,Den- mark was introduced.Key words : biogas resources; dedicated energy crops; substitution potential for fossil fuel可再生能源Ren ewableEn ergy Resources第29卷第5期2011年10月Vol.29 No.5Oct. 2011可再生能源Ren ewableEn ergy Resources第29卷第5期2011年10月Vol.29 No.5Oct. 2011，教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)樯锬茉春娃r(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)Academic Journal El

6、ectronic0引言近年來，沼氣在歐盟國家的利用態(tài)勢(shì)發(fā)生了 重大的轉(zhuǎn)折，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化和商品化。沼氣不但替代煤發(fā)電和供熱熱電聯(lián)產(chǎn)，CHP)提純后的沼氣還替代天然氣作為車用燃料和民用燃?xì)狻Ｏ鄳?yīng)于這種轉(zhuǎn)折的需求，若干技術(shù)變革應(yīng)運(yùn) 而生。除了研發(fā)岀產(chǎn)氣-貯氣一體化發(fā)酵罐和高 效產(chǎn)氣技術(shù)之外，最重大的創(chuàng)新是開拓了沼氣的 新資源。由于傳統(tǒng)制取沼氣的原料一一生活污水處理產(chǎn)生的活性污泥、填埋垃圾和畜禽糞便已經(jīng) 不能滿足沼氣發(fā)展所需，為此，歐盟國家培育了沼氣專用能源作物，主要有玉米、甜菜，多年生或一年生牧草如蘇丹草、芒草、黑麥草等，經(jīng)過全株青收稿日期：2010-05-12 o 作者簡介：程 序(1944-)，

7、男，江蘇無錫人© 1992012 匸hi2貯后應(yīng)用于沼氣發(fā)酵 。此外，還開發(fā)了與糧油作物 和飼料作物輪作的種植制度 ，以及使用專用能源 作物的新工藝 摻混以及單獨(dú)發(fā)酵)1 o 2007年，德國種植專用能源作物的面積達(dá)到75萬hm2,預(yù)計(jì)2020年將增至 250萬-500萬hm2。2008年，德國 已有15%的沼氣產(chǎn)量來自沼氣專用能源作物。1沼氣專用能源作物對(duì)替代歐洲化石能源所做 的貢獻(xiàn)歐盟長期實(shí)行抑制糧食生產(chǎn)過剩及防止易被侵蝕土壤水土流失的農(nóng)地休耕政策CAP)這為拓展專用沼氣能源作物種植面積提供了理想的條 件。因?yàn)橛眯莞胤N植能源作物既不違反法規(guī)休耕地不得種植谷物)又能增加農(nóng)民收入和

8、減輕政Publishing ouse. AH rights reserved, http:/A 133 E-mail :chengxu可再生能源2011,29 5)府財(cái)政負(fù)擔(dān)。此外，雖然北歐種植糧油作物的熱量 條件不足，但卻可以滿足能源牧草的要求。近年來歐盟限制甜菜糖生產(chǎn)，甜菜價(jià)格大幅下跌，而種植 能源甜菜制備沼氣是一條很好的替代途徑。1.1沼氣能源作物的土地-能量凈產(chǎn)出率和能量轉(zhuǎn)化率高研究表明，厭氧反應(yīng)是各種生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化方 式中能耗最少的一種。同樣1 hm2的農(nóng)地，用于種 植能源玉米種并整株青貯，再制沼氣并提純，可驅(qū)動(dòng)轎車行駛 7萬km，是同樣土地面積用于種植油 菜制成生物柴油行駛公里數(shù)的3

9、倍2。對(duì)比馬鈴薯 全株）制乙醇和制沼氣的能量效率發(fā)現(xiàn)，后者比前者要高岀65.4%。1.2專用能源作物產(chǎn)沼氣的潛力奧地利學(xué)者對(duì)玉米、小麥、小黑麥、冬黑麥、向日葵和多年生牧草制沼氣的潛力進(jìn)行了系統(tǒng)的研 究，采用綜合兼顧食物、飼料和生物能源的輪作 制，取6種能源作物和牧草產(chǎn)沼氣率的平均中值4 000 m3-hm-2 - a-1）在歐盟 25 國 9 300 萬 hm2 耕 地上實(shí)施，沼氣的CH4理論年產(chǎn)量可達(dá) 3 720億 m3,相當(dāng)于每年 3.3億t標(biāo)準(zhǔn)油。也就是說，歐盟25國每年用于交通運(yùn)輸?shù)氖加偷?6%可被生物能源所替代3o丹麥學(xué)者研究了歐盟27國生物能源產(chǎn)沼氣的潛力。在歐盟法定的 202

10、0年可再生能源目標(biāo)占 比必須達(dá)到總能消費(fèi)的20%中，一半以上要來自生物質(zhì)能，而生物質(zhì)能的25%要來自沼氣。占20%耕地的能源作物在單產(chǎn)TS）達(dá)20 t/hm2的情況下，可年產(chǎn)約 180 X106t的沼氣能量 ，相當(dāng)于 2030年歐盟交通運(yùn)輸用燃油能的50%。來自能源作物的最大產(chǎn)沼氣潛力為 507億m3,廄糞為205 億m3,每年共計(jì)生產(chǎn)沼氣734億m34。國際應(yīng)用系統(tǒng)分析所IIASA ）在歐盟支持的REFUEL 歐盟生物燃料路線圖）項(xiàng)目5的結(jié)論認(rèn)為，從長遠(yuǎn)看，如能充分發(fā)揮多年生能源作物的潛 力，并利用好每年農(nóng)作物殘余物的一半2.46億t生物質(zhì)，余下的還田）則生物能源將能夠替代歐 盟27國總能源

11、需求量的1/4 o1.3專用能源作物產(chǎn)沼氣的潛力比較研究發(fā)現(xiàn)，不同的能源作物發(fā)酵制沼氣的的Baxter）的最大土地沼氣產(chǎn)岀率可達(dá)12 390 m3/ hm2-a）o若單用玉米籽?；蜃蚜?穗軸制沼氣，產(chǎn)氣量將分別減少70%和43% o表1沼氣專用能源作物的生物量單產(chǎn)和沼氣產(chǎn)率Table 1 Biomass single per unit and biogas yields ofdedicated energy crops種類生物量單產(chǎn)t/hm2沼氣產(chǎn)出率L/kg沼氣年產(chǎn)率m3/ hm2- a）玉米整株青貯）15.123905 897大麥秸稈青貯）3.81189720甜菜青貯）14.364306

12、173三葉草2.71335906向日葵整株青貯)11.023003 300資料來源：J. Murphy, 2011. Sustainable Energy Research Network1.4沼氣產(chǎn)業(yè)的溫室氣體減排潛力在部分替代化石能源的同時(shí) ，沼氣產(chǎn)業(yè)正顯 示出巨大的溫室氣體減排潛力 。據(jù)瑞典哥德堡市 交通運(yùn)輸局 2000年的資料，以公共汽車每行駛1km排岀的溫室氣體包括NOx和CQ）當(dāng)量計(jì)，柴油為3 486 g，純化沼氣為1 583 g，與柴油相比減少了 55%的溫室氣體排放量o另據(jù)瑞典隆德大學(xué)的一項(xiàng)研究，以每獲得用于汽車行駛做功1 MJ的能量，按投入不同能源所釋放的CO2當(dāng)量計(jì)，汽油和

13、柴油分別為80 g和75 g，生物柴油和生物乙醇分別為30 g和23 g;如果用畜禽糞尿產(chǎn)生的沼 氣純化）考慮到生物質(zhì)全生命周期的碳通量以 及如不及時(shí)處理畜禽糞便釋放的CH4溫室氣體當(dāng)量為 CO2的21倍），則其CO2當(dāng)量排放量為- 62 g6 o比利時(shí)魯汶大學(xué)的研究結(jié)果表明，用煤和天然氣為燃料的氣輪發(fā)電機(jī)組熱效率55%）每發(fā)電1 MWh，產(chǎn)生456 kgCO2；如用整株玉米或牧草 經(jīng)厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣后發(fā)電1 MWh所釋放岀的 CO2 只有 31704kg7o1.5能源作物產(chǎn)沼氣在能源效率上的優(yōu)越性據(jù)瑞典隆德大學(xué)的研究，在地處寒溫帶的瑞典，采用整株玉米和整株能源甜菜制沼氣，單位土地年產(chǎn)岀的能量幾

14、乎與巴西的甘蔗制乙醇）相當(dāng)。即每公頃農(nóng)地年產(chǎn)的乙醇或沼氣可驅(qū)動(dòng)汽車行駛4.5萬75.0萬km。W Parawira對(duì)比了用馬鈴 薯制生物乙醇和沼氣的凈能產(chǎn)出，如制成乙醇，能-134 -可再生能源2011,29 5)產(chǎn)岀率相差較大表1 ）o產(chǎn)沼氣潛力最大的是沼氣能源玉米專用種°奧地利玉米專用種 晚熟 換效率為4.3 kWh/kgTS問。19*>4卻13 China Academic Journal Electronic Publishing llouse All rights reserved, http：/A量轉(zhuǎn)換效率為 2.6 kWh/kgTS;如制成沼氣，能量轉(zhuǎn)-# -可再

15、生能源2011,29 5)-# -程 序，等 歐盟產(chǎn)業(yè)沼氣的新資源 一一能源作物Journal Electronic Puhlistiing I loue. All rights, reserved.2牧草用作能源作物多年生和一年生牧草在歐洲正在成為重要的 沼氣能源作物。它們?cè)谳喿髦浦杏胁豢商娲淖?用，使能源作物與食用作物及飼料作物爭地的矛 盾減少到最小9。它們的主要優(yōu)點(diǎn)：（）多具有較 強(qiáng)的耐瘠/旱性和耐寒性，可以廣泛和充分地利用 邊際性土地；2）由于根系發(fā)達(dá)，能有效抵御土壤 侵蝕；3）適與谷物/飼料作物輪作，對(duì)食物安全保 障的影響最??；4）與禾谷類作物相比，生物量產(chǎn)岀高；5）與禾谷類作物如

16、玉米相比，獲得單位產(chǎn)出商品能所需投入的化石能生長、轉(zhuǎn)化）少，轉(zhuǎn)化生物能源的凈能產(chǎn)岀比高；6）由于根系發(fā)達(dá)入土深，生物量大，更新速率快，能完整地保存在土層 中，因此，對(duì)CO2的封存作用巨大。巨葦草、芒草、柳枝稷、象草和能源蔗等C4 植物在歐洲地區(qū)的生物學(xué)產(chǎn)量為23441/ hm2a）,都遠(yuǎn)高于其他牧草。其中，柳枝稷為多年生禾本科黍?qū)伲潜泵来蟛菰脑ㄈ悍N?？衫闷淠举|(zhì)纖維類成分加工成乙醇，而種植柳枝稷耗能很少。這種生產(chǎn)系統(tǒng)的能量效率可以是一年生玉米的 15倍，而對(duì)CQ的土壤封存能力則是玉米的2030倍。目前，在歐洲產(chǎn)業(yè)化沼氣中研究開發(fā)得最多 的是多年生或一年生黑麥草。在芬蘭寒溫帶氣候條件下，

17、1 hm2牧草地每年可獲得4 000 m3的 CH4O在篩選適合北歐氣候條件的沼氣能源作物 時(shí)還發(fā)現(xiàn)，沼氣能源作物CH4產(chǎn)率為0.170.49m3/kgVS o產(chǎn)氣量最大的作物為菊芋、梯莫三葉草和車L草，每公頃可年產(chǎn)CH42 9005 400 m3,可發(fā)電2853 MWh，可驅(qū)動(dòng)轎車行駛 4萬6萬km10。 3 單一青貯能源作物發(fā)酵和青貯-廄糞混合發(fā)酵產(chǎn)沼氣工藝青貯能源作物與廄糞混合發(fā)酵產(chǎn)沼氣工藝的 優(yōu)越性在于兩者可互相取長補(bǔ)短。單一廄糞作沼氣原料時(shí)，由于其干物TS）含量低，沼氣產(chǎn)岀量受到限制°而與能源作物混合發(fā)酵時(shí) ，TS濃度可 得到很大提高。反過來，單一能源作物作沼氣原料 時(shí)，其

18、C/N比過高，氮、磷含量偏少，厭氧微生物 的活動(dòng)受到抑制，混入廄糞后，就不存在這樣的問 題°而且?guī)S抗沖擊的緩沖力強(qiáng)，可緩解原料成分和化學(xué)性狀如酸堿度）劇烈變化對(duì)厭氧發(fā)酵穩(wěn)定 性造成的不利影響。© 19942盯 12 <' h i ru Acade m i cLindorfer H研究原料完全為青貯甜菜，在pH值為3.3P.4的條件下，能夠連續(xù)生產(chǎn)沼氣 。物料/ 液滯留期 HRT ）為975 d,有機(jī)負(fù)荷可達(dá) 6.3 70 g/ L-d）產(chǎn)氣率為 0.67 L/ g-d），沼氣的 CM含量 為74%，容積產(chǎn)氣率為 1.1 m3/ m3- d） 11oAmon

19、T用在肥沃土壤上生產(chǎn)的13個(gè)沼氣專用玉米品種與牛糞混合發(fā)酵產(chǎn)沼氣。研究表明，年平均產(chǎn)生物量>3萬kg/hm2折2 000 kg/667 m2） < 在乳熟期和完熟期收割，可分別產(chǎn) CH4 312 £65L/kgVS和268 -286 L/kgVS。用青貯制沼氣比用青 刈料直接作原料可多產(chǎn)氣25%12o研究還證明，由于原料中加入了能源作物，原料中豬糞與青貯玉米量的比例達(dá)到1 2，物料濃度TS）由原來的26.6%提高至 37.5% oPakarinen O M研究對(duì)比了青貯能源作物兩 相發(fā)酵與單相發(fā)酵的效果13，結(jié)果是用青貯牧草產(chǎn)沼氣時(shí)，要想提高產(chǎn)沼氣率，最好采用兩相發(fā)酵 法

20、。即在第一階段17 d）用高溫發(fā)酵，pH保持較低值，以利于水解和產(chǎn)酸菌的活動(dòng)，并產(chǎn)生一部分H2；第二階段 10-20d）用中溫發(fā)酵，pH保持7.0 上下，以利于產(chǎn)甲烷菌的活動(dòng)。如果用NaOH預(yù)處理青貯料，CH4產(chǎn)率將比單階段發(fā)酵法增加8%64%，每公斤 VS可產(chǎn)CH4 495 m3。4 能源作物插入輪作制度的研究生物能源與糧食生產(chǎn)爭地，一直是對(duì)生物能源可行性存在爭議的最主要原因 。歐盟國家的多 數(shù)學(xué)者認(rèn)為，今后適當(dāng)利用一部分耕地種植能源 作物是不可避免的。但為了妥善處理糧、油作物，飼料作物和能源作物的關(guān)系，對(duì)能源作物如何插入與糧、油作物、飼料作物輪作的制度，占多大比例為可持續(xù)的”等需要深入研究

21、 。A Bauer報(bào)道，用田間試驗(yàn)、室內(nèi)厭氧發(fā)酵試 驗(yàn)和理論測(cè)算相結(jié)合的方式，對(duì)比完全用于生物能源生產(chǎn)和兼顧能源作物與糧食作物、飼料作物的兩種輪作方式的多個(gè)方面的效應(yīng)。6種作物輪作的順序一樣，即豆科綠月肥、高粱、大麥、玉米、向 日葵和冬小麥。所不同的是專一型的輪作制中，作物 全株）主要用于制沼氣，小麥籽粒用于制乙醇；而兼顧型輪作制中，玉米、向日葵和大麥均為食用，高粱作飼用，小麥籽粒仍用于制乙醇，所有作物的秸稈和副產(chǎn)物都用于生產(chǎn)沼氣。結(jié)果表明，專一型輪作制可每公頃平均年產(chǎn)生物能190 GJ，兼httpLu'vv.cBki-135 -可再生能源2011,29 5)顧型輪作制是126 GJ。

22、盡管前者的產(chǎn)能高，但其可行性顯然受局限。他們的結(jié)論是歐盟27國的耕地，即便拿岀20%實(shí)施專一型輪作制，總的平均年產(chǎn)能也只有4 104 PJ；而如果用兼顧型輪作制，則可在全部耕地上推行，總平均年產(chǎn)能可達(dá)13 600 PJ,相當(dāng)于2005年歐盟27國能源消費(fèi)總 量的 27.8%14。5 結(jié)語綜上所述，歐盟國家在沼氣專用能源作物的 研發(fā)上已做了很多有價(jià)值的工作，能源作物在產(chǎn)業(yè)沼氣的生產(chǎn)中正在起著越來越重要的作用。雖然我們不能完全照搬他們的做法，但可從中汲取可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)。參考文獻(xiàn) ：1 程序，梁近光，馮孫正，等.高濃度有機(jī)廢液COD處理獲取產(chǎn)業(yè)化沼氣的技術(shù)開發(fā)進(jìn)展J.中外能源，20097) 30-3

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