沼气是未来可持续发展的最佳生态能源

□昆明市农业科学院 650034 毛中民

1 问题

当今世界，传统能源的大规模生产使用并趋向枯竭,风电、水电、核能、地热能、太阳能、潮汐能、生物质能等各种新能源纷纷涌现，可谓天下能源群雄并起。人类必须选择一种合适的新能源，以该能源为基础创造一种新型能源的工业化生产系统，同时解决能源和环境这两大问题，保证人类的可持续发展。那么何种能源将成为未来世界的主宰能源？

2 分析

1）从可持续发展的立场看，能源的最佳利用方式是生物质能源。

地球上的能源主要有两大类，第一类来自太阳：包括煤、石油、天然气、生物质能源、阳光、风流、河流、海流等。人类目前的传统能源是埋藏于地下的煤、石油、天然气等矿物能源，这是古代生物所吸收的太阳能在地球上的历史积累，由于储量有限，开采一点少一点。第二类来自地球内部：包括铀、钍、钋、氘、氚等核燃料和地热、地震、火山等。核裂变能源在技术上可行，但地球上的核裂变燃料铀、钍等同样储量有限，开采一点少一点，并且核电站的安全性和核废料的放射性污染问题始终是人类生存的严重威胁，前苏联及日本311地震核泄露造成无数的灾民无家可归、大面积土地废弃已经向人类利用核能提出警示。而氘、氚等核聚变能源的利用在技术上还遥遥无期，可以预料其大规模生产将破坏地球生物圈的热平衡；地热能源亦然。

地球的生物圈夹在高温地幔地核层和高温大气电离层两团火焰之间，其厚度仅几十公里，相对于整个地球来说显得非常单薄脆弱，一旦被上下两团高温火焰淹没，所有的生物将面临灭顶之灾。生物圈一方面接受来自太阳的光能，一方面向宇宙空间散发热辐射，形成一个动态的热平衡系统，保持着生物圈的平均温度在15℃，适合于生物生存。矿物能源的使用，已经使得生物圈的平均温度有明显上升，产生了严重的后果。核能和地热能源的利用，将进一步把新的能源带入生物圈，并最终以热能的形式扩散到空气中，这将进一步使得生物圈温度升高，气候变暖，无异于引火自焚。因此，新能源的开发还是要着眼于来自太阳的生物质能源、阳光、风流、河流、海流等可再生能源，它们不会破坏生物圈的热平衡。

根据生物圈热平衡的理论创新，我们可以把能源分为三类：

①趋热型能源，如矿物能源、核能、地热能源，可使生物圈温度升高。

②趋冷型能源，如生物能源，由于把太阳光变成可存储的化学能，可使生物圈温度降低。

③中性型能源，如水能、风能、光伏发电、太阳能、潮汐能。

在当前全球气候变暖的威胁下，遵循生物圈热平衡规律，优先发展趋冷型的生物质能源，以更多地吸收大气中过量的二氧化碳和热量，这应成为人类社会合理利用能源的科学共识。

水力发电技术成熟，可有效利用，但数量有限，即受地理地带位置的限制，即使全部开发，也无法成为人类的主要能源。而且水力发电也会带来一定的生态负面效应，埃及的阿斯旺水坝就是一个典型的实例。

风力发电将阻滞大气层对流，破坏中国的季风性自然气候，若大规模开发，我们将生活在一个没有风的世界中。城市上空的污浊空气将长时间笼罩着城市，因为没有风吹散它们；许多依靠风力传播花粉或种子的植物（如水稻）也将面临繁殖困难。中国冬季盛行西北季风，夏季盛行东南季风，尤其是来自海洋的湿润的东南季风，给中国大陆带来大量的降水，若东南季风被大量的风力发电机拦截，中国大陆将陷入干旱的深渊，2010年受季风的影响不同地区遭遇了严重干旱。

而太阳能，是一种与植物争夺阳光和土地的能源，在生物圈内也只能是小规模的生产。试想：即使经济技术上可行，若大规模进行生产，地球表面上覆盖的将不再是大面积的植物，而是大面积的太阳能平板装置。那么，地球的生态环境必将受到毁灭性的破坏。有人主张在沙漠中搞太阳能开发，但如何保证太阳能平板不受沙漠风暴破坏和流沙掩埋却又是一个难题，而且沙漠中特有的耐旱植物品种也将面临浩劫之灾，人类也将永远失去把沙漠改造成绿洲的可能性。从颜色上来看，海洋是蓝色，植物是绿色，沙漠荒原是黄色，而太阳能平板是黑色的，黑色几乎不反射太阳光，所有的阳光都被吸收并最终转化成热能，这将间接加剧全球气候变暖。

因此，大规模工业化的新能源开发只能着眼于地球上辽阔宽广郁郁葱葱的森林、草地、农田——生物质能源，生态能源，通过种植植物而获得能源，这才是人与自然和谐发展的最佳选择。

2）利用生物质发酵生产沼气，是大规模利用生物质能源的最佳方向：

目前，生物质能源的开发主要有以下五个方向：

利用含油脂的植物生产植物柴油。

利用植物中的淀粉和糖生产乙醇。

利用植物厌氧发酵分解产生沼气。

利用植物高温受热分解产生可燃气体。

利用机械方法把植物加工成固体燃料进行燃烧。

这五个方向中，前两个方向是利用植物果实中的油脂、淀粉和糖进行能源生产，而植物中的油脂、淀粉和糖的含量通常不足植物整株重量的百分之十，并且是人类和动物的食物主要来源。所以，大规模进行植物柴油和乙醇的工业化生产将造成食物危机，能源与人类争食物是不可行的。

在后两个方向中，把植物加工成固体燃料，能源利用率低，且使用范围大受限制。而植物高温热解气化，则存在一定的污染，热解燃气热值低，燃气成分各不相同，也不利于大规模工业化生产。

最关键的原因是：前两个和后两个方向都是只关注如何从土地上获得更多的生物质能源，而没有给土地以任何回报，若长期大规模生产，地球上的土壤将会越来越贫瘠！

第三个方向，利用生物质发酵生产沼气，在获得能源的同时，还产生大量有机肥料，并把植物吸收的部分二氧化碳和能源以有机肥料的形式固定到土壤中，若大规模生产，地球上的土壤将会越来越肥沃！大气中的二氧化碳浓度将逐渐降低，地球的温室气体效应将得以缓解。沼气不仅可实现零污染生产，还可改善自然环境，这是其他新能源所没有的优点。

另外,沼气发酵几乎适用于所有植物，不会破坏生物的多样性，更不会因为需要种植某种特定的植物而去砍伐森林或开垦草地，避免了其他生物质能源存在的环境隐患。

3）目前沼气利用所存在的主要问题及解决方案。

地球陆地上每年的生物质产量为1450亿t，若把这些生物质发酵产生沼气，则产生的沼气能源是目前全人类每年能源消耗总量的5倍。人类虽然对沼气能源进行了积极的开发，并发明了许多有效的沼气发酵方法和设备，但一直没有实现大规模工业化生产。其主要技术原因有两个：

原因一：热值偏低。由于沼气中含有大量二氧化碳气体，所以沼气是一种低热值能源，只能满足饮食、取暖等生活性的能源需求，无法满足工业和交通动力设备的能源需求。因此要针对性的提纯。

原因二：运输困难。沼气生产所需要的原料主要来自农村，而能源消费的主要市场在城市，沼气难以液化罐装运输，又没有建立专门的输气管网，无法进行大规模的商品集散交易——市场交易，这是沼气能源没有实现大规模工业化生产的关键原因。

尽管如此，沼气能源的应用技术还是在不断发展中，现已经历了三代技术过程：第一代，普通沼气，即直接利用沼气作饭、取暖、照明，基本属于自给自足型；第二代，沼气发电，实现了商品化，但只有不到30%的沼气能源转化为电能，成本偏高；第三代，车用沼气，把沼气提纯净化成高热值气体能源，作为机动车辆燃料使用，其生产技术成熟，但采用容器罐装运输，运输成本偏高；使用范围狭窄，仅限于车辆燃料，销售成本偏高。车用沼气在欧洲已实现工业化生产，德国的沼气工厂是产业型的。

目前，由发明专利“人造天然气的工业化生产”提出的第四代技术已经出现，该技术以车用沼气技术为基础，把沼气加工成天然气，提出了人造天然气“并网供气”的工业化方案。按每亩土地每年可收获1t植物计算，利用100万km2的荒山荒地来植树种草，既绿化了国土，又可每年生产3000亿m3的人造天然气，相当于2.5亿t石油的能源，比2006年中国石油天然气年产量的总和还要多。

另外，由发明专利“厌氧粮食食物及其生产方法”提出了一种全新的粮食生产方式：采用干净的植物为原料，经过厌氧消化发酵后，得到沼气、沼渣和沼液，其中的沼渣和沼液就是可以食用的固态和液态粮食食物，我们称之为沼粮和沼奶，而沼气则是清洁的可再生能源。这意味着：即使把所有的耕地都退耕还林，通过采集森林中的树叶、嫩枝和青草，人类也可以获得足够的粮食食物来养活自己，并同时获得大量的沼气能源和森林木材。若把十亿亩耕地退耕还林，这十亿亩森林可每年生产4亿t粮食和5000亿m3的沼气和大量的木材。这将实现粮食、能源、环境的完美统一和可持续发展，可谓一箭三雕！中国将成为森林大国、粮食大国、能源大国，人类将重返森林。

3 结论

1）能源利用应遵循生物圈热平衡规律、生态平衡规律。

2）沼气是人类可持续发展的最佳能源。

数千年前，随着野生食物的枯竭，人类的食物生产从狩猎时代进入了农耕时代。现代，随着能源的枯竭和环境的恶化，人类的能源生产必将从探矿开采时代进入现代农业生产时代。但目前可再生能源中最易实施的应是气化技术，利用气化技术代替工业上的燃油燃气,我认为是目前我国及其他国家的最佳方案。气化技术的综合利用是关键，沼气发展应该像集中供气的方向发展，这样有利于沼气经济合理的利用。

沼气的利用现在主要是以农村家用沼气池生产为主，这样的产气方式有很多优点但是也暴露许多问题，例如产气不稳定、产气量低、原料利用率低、受低温影响较大、由于多使用湿法发酵需要大量水造成成本较高等问题使得沼气利用并不理想。所以现在的研究重点在三大领域：即筛选培养广适性的发酵微生物，并对原料进行有效预处理；研发新型的发酵装置便于加快集中化和自动化控制；对发酵后产物的综合利用。如研制开发周边有机生物产品，肥料和种植的新型土壤。这将是造福子孙后代的大事。