未来欧洲沼气：畜禽粪便、秸秆和牧草促进欧洲沼气生产可持续发展的潜力

A K P Meyer, E A Ehimen, J B Holm-Nielsen

(Aalborg University, Department of Energy Technology, Flemish Institute of Technological Research)

欧盟2030年的气候能源的政治目标是减少温室气体排放40%，可再生能源的装机容量占整个欧盟能源供应的27%，能效将提高27%。由于沼气作为一种能源载体不仅灵活易储存，而且生物来源多样，应用广泛且成熟(供热、交通、发电)，因此预测沼气将在实现这些能源目标方面发挥重要作用。厌氧发酵技术产沼气由于其主要设计配置和途径稳定，仍然是生产生物质能的有效路径，应用广泛。厌氧消化有多种用途，它提供处理平台减少复杂有机物，把大部分分子转化成单体，即甲烷和二氧化碳(沼气)，能用于各种能源领域。第二，厌氧发酵过程中产生营养丰富的沼渣沼液能够回收用作农田的有机肥，替代使用日益频繁的化肥，减少对环境的负面影响(即营养物质管理和控制不当造成的淡水系统富营养化)。

表1 1990年～2015年欧盟28国主要沼气产量 (PJ·a-1)

在2000年到2015年期间，欧盟的沼气产量增长了七倍(见表1)。2015年，污水污泥气和填埋气分别占总产气量的17%和9%，而厌氧消化中(分散式农业废弃物沼气工程、集中式多元物料混合消化工程、城市固体废弃物甲烷化)产生的沼气占总产量的74%。

自2010年起，欧洲沼气产量的50%来自德国。由于德国的上网电价补贴政策很具吸引力，该国的沼气生产发展迅速。然而德国的沼气生产的主要原料是玉米，令人担心的是集约种植单一品种的能源作物对环境存在潜在危害。所以近年来的讨论集中于选择沼气生产的原料，特别是是否应该使用能源作物。之前的大量研究显示使用能源作物产沼气会引起负面的环境和经济问题。因此，能源作物作为沼气生产的主要原料将逐渐退出舞台，需要找到替代来源。为确保沼气生产的可持续性，对环境、自然、气候和当前的食物生物材料生产链产生积极影响，应该慎重考虑原料供应，以支撑欧洲沼气发展。

2010年，欧洲生物质能项目(BEE)发布了一项报告，该报告比较了70多篇评估生物质能的文章。其中42篇涉及全球和国家层面农业和有机废弃物的潜力，也重点关注了欧盟的能源潜力。BEE发现其中许多研究没有明确定义农业废弃物的具体类型(例如畜禽粪便的类型)，只有少量研究运用了空间数据绘制出生物质的分布地图。2012年，生物质未来项目发布了《欧盟生物质潜力地图集》。作者总结出生物质的最大潜力在于农业废弃物，包括粪便、秸秆、永生作物的剪枝。总体来说，到2030年农业生物质的潜力大约在4400 PJ。畜禽粪便是生产沼气的理想原料，因为与传统的粪便处理方式相比，利用畜禽粪便产沼气能够结合能源生产、营养回收、甲烷和二氧化氮减排等目的。由于畜禽粪便含水率高，因此以畜禽粪便作为沼气工程的唯一原料经济可行度不高。有资料显示，绿色蔬菜即乔本科与畜禽粪便混合消化时能提高沼气产量18%～40%，与小麦秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆等农作物废弃物混合消化时能提高10%～80%，具体取决于预处理条件和干物质含量。因此，为维持和推动欧洲沼气领域的发展，能否获得这种农业废弃物及其分布是值得探寻的方面。农业生产废弃物能很好的与欧盟关于推动可再生能源的指导相结合。关于固态和气态生物质发电、供热和制冷有一系列非约束性的建议： 1)与化石燃料相比，生物质能应确保降低温室气体至少35%(2017年这一比例提高到50%，2018年新建的沼气工程应减少60%温室气体排放)。 2)不应使用高碳储量的土地和生物多样性丰富的土地生产的资源。

欧盟委员会的第2条建议指出不能因为生产能源作物给土地带来负面影响，导致生物多样性丧失和物种灭绝。但这些建议都没有考虑在农田生产生物质(直接和间接)会引发大量施肥、大量使用淡水和土壤侵蚀，从而导致斯特芬等人提出的边界跨越。

与现有研究不同，本研究关注的焦点仅在于选取的具体农业废弃物的生物质和沼气能源潜力，研究显示这些农业废弃物在沼气生产中混合消化能提高沼气产量。研究中评估的原料是源于永久和轮作草地的多余牧草、谷物秸秆和牛粪、猪粪、以及禽粪。

1 数据和方法

1.1 生物质类型

评估生物质能生产或生物质原料的可持续性是重要的，特别是考虑上述顾虑与生物质可持续生产相关。本研究评估的生物质不能说各方面都是可持续的，因为它们的最终使用效果取决于当地种植条件、收割、运输、储存和最终转化技术等因素。然而，这些生物质的总体情况是它们对环境的影响较小，如果以高效、尊重自然和环境的方式处理农业生产废弃物，那么它们具有可持续性。本研究不涉及仅用于能源生产的能源作物，强调农田因优先种植粮食、原料(生物基)和生产饲料。

1.2 评估畜禽粪便量和沼气能源潜力

为估算出2030年欧盟28国的粪便量，取欧盟统计局登记的2011年至2015年期间牛(头数)、猪(头数)、家禽(被屠宰的数量)的平均数量作为基值。以欧洲和中亚肉、奶、和奶制品的预计量估算2030年的牲畜数量。预计牛肉和奶牛的年增长率分别为0.32%和0.33%,而猪肉和家禽的年增长率分别为0.47%和1.24%。根据动物年龄和饲养目的(产奶或产肉)区分猪和牛的粪便量。评估家禽粪便量时要区分家禽的种类：鸡、肉鸡、鸭、火鸡、鹅。使用美国农业工程师学会(ASAE)的标准估算畜禽粪便量(粪尿)。粪便总量用总固体表示(TS)，代表粪尿中的干物质。产肉动物的粪便产量根据每个“成品动物”的排便量来估算。其他动物的粪便产量根据每头动物每天的排出的粪便计算。然而，只有动物存栏期间收集的粪便能用于能源转化。而存栏期取决于当地的生产方式，因此跟随具体的农场饲养方式有所变化。传统的饲养方法意味着动物的大部分生命周期都在牲畜棚里度过。但牛是例外。放牧是喂养牛的传统方式。但根据气候、地形、牛种和农场基础设施不同，欧洲各国的放牧饲养方式也有所不同。然而，正因为养牛有放牧的传统，因此牛的存栏时间比猪和家禽短。考虑到这一点，设想了3种不同的粪便可用性，见表2。然而厌氧发酵中获得的沼气实际产量会根据几个因素而变化，即粪便在沼气工程中的停留时间、饲料组分、用作沼气生产之前的储存时间和管理。根据估计的沼气量，取21.6 MJ kg-1的低热值来估算能源潜力。假设沼气用于转化效率为85%的热电联产工程中，则能源潜力下降15%。

表2 假设的粪便可用性和沼气产量

1.3 评估轮作和永久草地中未使用的牧草量和沼气能源潜力

草地在欧洲农业生产中扮演重要角色，是牲畜生产的饲料来源。草地在防止潜在负面环境影响方面也有至关重要的作用，例如防止土壤碳存量减少、温室气体排放、水土流失、促进生物多样性等方面。

在农业领域，牧草主要用于养牛(肉牛或奶牛)和养羊。能用于产沼气的多余牧草还包括未利用或低产量草地中的牧草，以及太过成熟而用作动物饲料价值太低的牧草。如果牧草没有其他经济用途，则是多余的副产品或废弃物。以下部分重点讨论两种类型草地的预计生物质量和能源潜力。

1.3.1 轮作草地

欧盟统计局登记了欧盟成员国的临时性轮作草地。利用这些数据估算该来源的能源潜力。轮作草地的产草量会根据气候条件变化。土壤类型和管理措施也会影响草的产量。临时草地的产草量主要用作反刍动物的饲料，因此不是所有的牧草能都用于能源生产。

为了评估数量，设想了3种情况来估算从轮作型草地中获得的且能用于能源生产的草量。3种情况假设见表3。所有前景都假设储存过程中会有25%的总固体(TS)流失，挥发性固体占总固体中的比例为92%。假定常温常压下(298 K和101.3 kPa)298 L·kg-1的挥发性固体的甲烷产量。根据估算的甲烷量，取较低热值6 MJ·kg-1估算能源潜力。假设把甲烷运用于转化效率为85%的热电联产工程中，则能源潜力下降15%。

表3 假定的从轮作草地获得的总固体产量和能收割用作能源生产的草地比例

关于轮作草地未来的发展没有具体预测。但预计牲畜数量会增多，因此草量也将会增长。农业领域0.33%的年增长率是指牛肉和奶制品的年增长率，利用这个增长率预测2030年轮作草地的潜力。

1.3.2 永久草地和草甸

欧盟统计局登记了欧盟国家所有的永久草地和草甸。本研究使用这个数据估算永久草地的生物质能潜力。部分登记的永久草地和草甸被认定为未使用，因此假设整个区域的牧草都可收割作为生物质产沼气。永久草地和草甸是许多动植物的开放式栖息地。如果由于牲畜数量减少，这些地区不用于生产饲料，则可为能源生产提供原料，以维持草地的特征和生物多样性。

而欧盟统计局定义为“已使用”的永久草地和草甸则只能部分用于能源生产，因为它们要为牲畜提供饲料。根据欧洲共同农业政策，欧盟成员国农业区域中至少5%的土地应为永久草地。未来几十年，如果这一政策不发生改变，那么永久草地和草甸的面积将与2011年到2015年的平均面积持平。永久草地和草甸的面积大幅增长的可能性很小，因为要使用更多的土地满足农业目标。为评估永久草地产草的未来能源潜力，本研究设想了3种前景，反应出能够用于能源生产的草量。这些前景背后的假设见表4。所有前景都假设储存阶段会丢失25%总固体，并假定总固体中的挥发性固体为92%。运用常温常压(298 K和101.3 kPa)下总挥发性固体150 L·kg-1的甲烷产量估算能源潜力，与之前的研究中总挥发固体物质为60～309 L·kg-1和155～293 L·kg-1得到的甲烷含量相似。得到甲烷的估计量之后，再用36 MJ kg-1的低热值来估算能源潜力。假设甲烷用于转化效率为85%的热电联产工程，那么能源潜力会下降15%。

表4 假定的从永久草地获得的总固体产量和能收割用作能源生产的草地比例

1.4 评估谷物生产的秸秆量和能源潜力

谷物生产中获得的秸秆废弃物通常被认为是农业副产品。秸秆的营养价值低，因此不适合用作牲畜饲料，人们常常把秸秆留在田地增加土壤碳存量，或用于牲畜棚和床，或者园艺方面。秸秆即使是用于牲畜棚，也需要定期处理。

尽管与其他原料相比，秸秆要达到最高甲烷产量，需要更多的机械、热化学和生物等预处理，以减少停留时间，但它仍然是适合厌氧发酵的原料。

谷物生产中获得的未使用的秸秆是未来欧洲沼气领域发展的资源。1990到2013年之间，欧洲谷物生产占欧洲农业用地的26%～38%，而2000到2013年之间，这一比例上升至31%～38%之间。因此谷物生产的秸秆是沼气生产的一大原料来源。利用谷物到秸秆的总固体的比率估算欧洲秸秆的热产量。本研究发现比率在1∶0.62到1∶10之间。然而，技术产量预计低一些，取决于收割机械和与土壤有机物相关的环境制约因素。

运用2011年到2015年的谷物年均生产数据作为基值估算欧盟28国的秸秆潜力。根据欧洲和中亚谷物生产的预测，谷物生产的年增长率为1.1%。选择研究中最低粮食秸秆比率1∶0.62，为了反映能获得多少秸秆的乐观前景。而中等和悲观的情况下秸秆产量会分别下降10%到20%。如果部分秸秆用于其他用途，那么估计产量将分别下降10%，20%和30%。所有前景都假设储存过程中的总固体损失率为15%。挥发性固体占总固体的比例为95%。估算欧盟国家秸秆潜力的各种假设见表5。

表5 假设的谷物生产的谷草比和用于其他途径的比列

在所有前景中假设在常温常压(298 K和101.3 kPa)下总固体挥发物242 L·kg-1的甲烷产量，以估算沼气产量。根据估算的甲烷量，取低热值36 MJ·kg-1来估算能源潜力。假设甲烷用于能源转化率为85%的热电联产工程，则能源潜力下降15%。

2 结果和讨论

2.1 畜禽粪便的生物质潜力

2030年，欧盟成员国粪便中总固体的潜力预计在83～122 MJ kg-1之间，取决于使用的生物质可用性前景。可获得的粪便分布见图1～图3。

图1 2030年欧盟成员国牛、猪、禽粪的估计量(高可用性)

牛粪(以总固体表示)的潜力在63～88 Mt·y-1之间，而猪粪和禽粪(以总固体表示)分别为18～23 Mt·y-1和8～11 Mt·y-1。根据使用的可用性前景，2030年欧洲的牛、猪、禽粪通过厌氧发酵产生的总能源潜力在670～890 PJ·y-1之间。其中猪粪在320～420 PJ·y-1之间，牛粪在280～390 PJ·y-1之间，禽粪在60～80 PJ·y-1之间。欧盟成员国畜禽粪便产沼气的能源潜力分布见图4～图6。

图2 2030年欧盟成员国牛、猪、禽粪的估计量(中等可用性)

图3 2030年欧盟成员国牛、猪、禽粪的估计量(低可用性)

图4 2030年欧盟成员国牛、猪、禽粪厌氧发酵的潜力(高可用性)

图5 2030年欧盟成员国牛、猪、禽粪厌氧发酵的潜力(中等可用性)

图6 2030年欧盟成员国牛、猪、禽粪厌氧发酵的潜力(低可用性)

图7 2030年欧盟28国轮作和永久草地中牧草的生物质潜力(高可用性)

畜禽粪便是沼气的主要碳来源。畜禽粪便厌氧发酵不会减少沼液沼渣中的营养物，而且沼肥特性甚至优于粪便原料。因此使用畜禽粪便厌氧发酵不会与农业需要粪肥的诉求相互竞争或发生冲突。使用畜禽粪便的实际温室气体平衡取决于原料地到沼气工程的运输距离。因此这一过程中的温室气体排放量取决于当地情况。然而，在有效管理的情况下，畜禽粪便可作为产沼气的可持续原料。

图8 2030年欧盟28国轮作和永久草地中牧草的生物质潜力(中等可用性)

图9 2030年欧盟28国轮作和永久草地中牧草的生物质潜力(低可用性)

图10 2030年欧盟28国轮作和永久草地中牧草的能源潜力(高可用性)

图11 2030年欧盟28国轮作和永久草地中牧草的能源潜力(中等可用性)

图12 2030年欧盟28国轮作和永久草地中牧草的能源潜力(低可用性)

2.2 多余牧草的生物质和能源潜力

2030年欧盟28国的永久性和轮作性草地的多余牧草以总固体表示在20～111Mt之间，具体取决于潜力的分布(图7～图12)，这个分布图显示，欧洲利用多余牧草来生产能源的潜力巨大，其中法国、英国和西班牙的潜力最大，而从永久草地和草甸中获得的能源潜力为70～370 PJ·y-1，占牧草生产的最大比例。

3种前景背后的假设对结果有重大影响。可用于生产沼气的实际可获得的牧草取决于当地情况、管理措施、未来趋势和反刍动物的发展趋势。遗憾的是，欧盟地区已经用于沼气生产的牧草的比例没有得到普遍确认。但一些国家已经使用牧草作为沼气生产的原料，即德国。

另一个因素会影响未来牧草的可用性，即当前人类的饮食消费结构。人们的饮食普遍以肉为主，欧盟国家尤为如此，每日能量摄入高于平均而越来越受到争议。减少这种饮食模式可能会减少对种植牲畜饲料的肥沃土地的需求。长期来看，到2050年人类饮食消费结构会转变为肉食减少和素食增多。

2.3 谷物生产获得的秸秆

2030年欧盟的秸秆的生物质和能量潜力见图13～图18。该图表显示，整个欧洲会大面积生产谷物，总共有4900万公顷的土地将用于种植谷物。秸秆废弃物的生物质潜力(以总固体表示)大约在70到135 Mt之间，取决于使用的秸秆可用性前景。欧盟国家谷物生产中可获得的秸秆相应的能源产量在440～850 PJ·y-1之间，取决于使用的秸秆可用性前景。即使设想低秸秆可用性，潜在的能源产量也巨大，几乎相当于整个欧盟2015年的沼气产量。考虑到秸秆通常被认为是废弃物或副产品，没有或农业使用价值低，通过厌氧消化或其他复杂的技术处理，欧洲秸秆的实际潜力将在可再生能源生产中扮演重要角色。

图13 2030年欧盟成员国谷物秸秆的生物质潜力(高可用性)

正如2.4讨论的那样，只有可通过技术手段收割和环境可持续的秸秆才能可用作能源生产。实际的秸秆产量根据本研究中的假设产量的变化而变化，取决于生产场地条件和收割机械。但本研究中假设的产量范围还是有可能实现的。没有其他用途的秸秆比例也随估算的不同而变化。实际用于能源生产的比例取决于欧洲国家农场的传统，也取决于他们是否愿意使用秸秆生产沼气。因此难以评估实际能源潜力的确切范围。然而在欧盟使用秸秆生产能源无疑是潜力巨大的，能帮助该地区达到可再生能源的政策目标。

图14 2030年欧盟成员国谷物秸秆的生物质潜力(中等可用性)

图15 2030年欧盟成员国谷物秸秆的生物质潜力(低可用性)

图16 2030年欧盟成员国谷物秸秆的能源潜力(高可用性)

图17 2030年欧盟成员国谷物秸秆的能源潜力(中等可用性)

图18 2030年欧盟成员国谷物秸秆的能源潜力(低可用性)

2.4 畜禽粪便、秸秆和多余牧草的能源潜力

图19～图21呈现了各国2030年各种生物质的能源潜力。表6中呈现了具体数据。在2030年，欧盟28国从这些资源中获得的总能源潜力在1.2×103PJ·y-1～2.3×103PJ·y-1之间，取决于各种类型生物质的可用性。前景中预计的能源潜力代表低原料可用性，相比2015年欧洲的沼气生产翻了一番。法国、德国和英国拥有最大的能源潜力，分别为300～540 PJ·y-1，250～400 PJ·y-1和90～220 PJ·y-1。就德国来说，这意味着在不降低沼气总产量的情况下，这一能源潜力足够可持续地替代或补充能源玉米。2015年，法国和英国生产的沼气分别为20 PJ和90 PJ。因此，本研究评估的生物质代表了能扩大沼气生产的未开发利用的潜力。

图19 2030年欧盟28国畜禽粪便、秸秆和牧草厌氧发酵产生的总能源潜力(高可用性)

大部分欧盟成员国的秸秆和粪便的能源潜力最大，分别为440～840 PJ·y-1和670～890 PJ·y-1。永久草地和草甸的牧草预计为10～60 PJ·y-1。

图20 2030年欧盟28国畜禽粪便、秸秆和牧草厌氧发酵产生的总能源潜力(中等可用性)

图21 2030年欧盟28国畜禽粪便、秸秆和牧草厌氧发酵产生的总能源潜力(低可用性)

使用从永久草地和草甸的牧草很有优势，因为不用专门培养土壤，还能防止因不使用土地造成的生物多样性丢失。永久草地和草甸的获取的牧草有以下作用： 1)保护自然； 2)提供可再生能源原料； 3)通过沼渣沼液把永久草地的营养循环至耕作的土地。

畜禽粪便厌氧发酵对环境有很多益处，但由于粪便中含水率高，因此，从经济角度来说，仅用粪便运行沼气工程不可行。在以畜禽粪便为主的沼气设备中使用多元物料混合消化能提高沼气和甲烷产量，因而得到大力推广。欧盟成员国中的大部分国家都使用本研究评估的畜禽粪便、牧草和秸秆，因此采用多元物料混合消化的方式是可能的，能提高沼气生产效率和经济可行性。

2.5 总结讨论和前景

欧盟委员会的目标是到2030年可再生能源占欧盟总能源供应的27%～30%。如果本研究预测的能源潜力能够实现，沼气则能比当前发挥更大的作用。废弃物产沼气的潜力相当于2002到2015年平均总能源消耗的2%～3%，相当于2015年的可再生能源总消耗的14%～26%。

如果沼气领域继续快速增长，那么畜禽粪便、秸秆或牧草的能源潜力能将占整个未来沼气生产的很大部分。如果沼气生产要像过去几十年那样持续增长，那么还需要其他资源。沼气领域的实际发展仍然深对受欧洲沼气生产者的监管框架的影响，并且今天仍然很大程度上依靠补贴。评估的生物质都是作物和农产品生产的废弃物，那么它的可用性取决于未来欧洲农业领域的发展趋势。人口数量变化、组成、饮食偏好会降低一些作物的可用性，并创造新的生物质资源和能源废弃物。这个发展深受欧洲政治局势的影响，因此难以预测未来的变化。但由于气候和环境面临着重要挑战，推动可持续能源供应的行动不可能减不。

除了这些资源的可用性，资源的能源潜力还取决于农户获得这些资源的技术和经济可行性。如果要有效利用生物质资源，需要进一步发展技术，推动执行。与大量种植能源作物相比，使用农业废弃物是可持续的，因此为有效使用农业废弃物提供财政补贴是合情合理的。这将会刺激公私合作的经济模式，让收割自然草地或使用废弃物产沼气经济上更可行。

正如之前部分讨论的那样，一系列不确定因素制约本研究的结果。本研究呈现出的结果基于欧盟统计局的数据，这也是一项不确定因素。欧盟统计局从各国收集并完善数据，各成员国负责核实和分析数据。尽管欧盟统计局对数据进行全面管理，数据的准确性高，但由于全国统计方式不一致等因素导致数据有一些不确定性。成员国向欧盟统计局报告本国数据的准确性，但这些数据不会公开。因此，应注意本研究的结果有一定不确定性。

3 结论

2030年，欧盟地区畜禽粪便、牧草和秸秆的能源潜力在1.2×103到2.3×103PJ·y-1之间，取决于废弃物的可用性。法国、德国和英国能源潜力最大，分别为300～540 PJ·y-1，250～400 PJ·y-1和90～220 PJ·y-1。结果显示整个欧洲都适合使用农业废弃物多元物料混合消化，它是能源作物的理想替代原料。前景中预测的能源潜力仅以低原料可用性为基础，得出的结论是能源潜力相当于2015年的欧洲沼气生产的两倍。利用畜禽粪便、牧草和秸秆多元物料混合消化能提高2030年欧洲沼气生产的效率和经济可行性。如果要更高效地使用生物质资源，需要进一步推动技术发展和执行。如果要充分发挥潜力，就要解决生物质资源获取和处理面临的重重重重挑战。获取和处理生物质资源尽管面临挑战，但考虑到本研究中呈现出的能源潜力，用废弃物生产能源是发展欧盟沼气的可持续、安全和经济可行的方法。