摘要：欧盟国家在近几十年发展沼气的过程中，经历了从以处理生活污水无害化产生的污泥为主，到以获取优质可再生能源为主、能源和环保兼顾的战略性转折，原料范围显著扩大，规模迅速向产业化方向发展。欧盟2007年沼气总量达到约100×
关键词：生物天然气，欧盟，发酵技术，能源作物，减排温室气体，天然气自给率
1 前言
某些欧盟国家如瑞典，早在20世纪40年代就开始出现沼气用于车用燃料的个案。70年代，少数城市用厌氧发酵处理城市下水道污水无害化过程产生的活性污泥，并获取沼气用于发电。本世纪以来，沼气利用在欧盟国家发生了重大转折，不但在全世界率先实现了产业化，而且利用的主要目的已经从以往单纯地为环保服务，转变为能源、环保“双赢”。欧盟以沼气大规模替代煤和天然气直接发电和供热(热电联产，CHP)，乃至经济地替代天然气。究其推动力，一是相应国家的政府希望扩大清洁能源的使用，特别是充分利用“生物天然气”(沼气经净化和提纯，甲烷含量≥95%)的温室气体减排效应(车用生物天然气比天然气和柴油分别减少CO2排放53%和63%)；二是减少对天然气进口的依赖；三是为了妥善处理畜禽类粪便、城市垃圾以及城市污水处理后产生的活性污泥。而沼气成功产业化的基本条件则是原料扩充、技术创新、储运销等物流基础设施完备以及法律和政策上的大力扶持。
2 欧盟国家近10年生物天然气的发展趋势和现状
沼气技术早年被用于处理城市生活污水无害化过程产生的大量活性污泥，是为了缩小活性污泥的体积和避免二次污染，沼气只是副产品，数量也很有限。其后，经过20世纪70年代的世界能源危机、80～90年代城市空气污染状况恶化和世纪之交以来应对全球气候变化三次重大事件的推动，终于成为有规模的新能源产业。2008年1月，欧盟制定了应对全球气候变化的2020年三大目标：减排温室气体20%；提高能源使用效率20%；可再生能源替代全部能源消费量的20%。第三个目标中，交通运输燃料中要有10%是可再生燃料，而生物天然气要占到这个数的一半。
联合国工业发展组织的《生物能源战略(2007)》指出，沼气可提纯为生物天然气，从而与现已存在的区域性乃至跨国的天然气管网并网；也可通过压缩(CNG)用于驱动各类汽车以至火车。报告还说，近年来，沼气早已摆脱了仅仅是对废弃物，包括粪便、厩粪和生活有机垃圾作厌氧发酵处理的形象，而成为一个新能源产业，至少在欧洲已是如此。它已经可以从现代能源作物如玉米、小麦，以至加入到能源作物轮作体系中的古老作物种(如牧草)中直接提取出来，而且其净能产出效率完全可与堪称最佳的能源作物甘蔗与油棕媲美[1]。
2.1 当前欧盟国家沼气主要原料和产量
欧盟2007年沼气总量达到约100×
2005年欧盟国家生产的沼气总计折合5Mt标油，其中英国(1.8Mt标油)和德国(1.6Mt标油)分别占36%和32%；瑞典产0.11Mt标油，排第七位，但在沼气车用方面全世界领先；当年瑞士车用天然气的37%已由生物天然气替代。
2.2 欧盟主要沼气生产国现状
2005年瑞典有233家沼气工厂和31家提纯厂，主要沼气类型为活性污泥再厌氧发酵和有机垃圾填埋产出的沼气。2007年共使用车用生物天然气2800×
瑞典在全球率先开发车用生物天然气，其大中城市主要分布在中、南部，而它们与欧洲大陆天然气管网有一海之隔，因此在1991年政府决定不投资敷设连接管道后，哥德堡、林可平和乌普萨拉等大城市加速开发可替代天然气的生物天然气。沼气的主要原料仍是城市生活污水处理产生的活性污泥。首都斯德哥尔摩从2003年起开始使用以生物燃气为动力的公交车，目前已占到所有运营公共汽车的1/3以上，居世界领先地位。该市的目标是，到2025年全市所有公共汽车都使用清洁能源。2006年瑞典燃气协会宣布，全国沼气总产量的1/4净化提纯后作车用燃料，用量已超过天然气；2009年达到4400×
德国在发展生物天然气方面在欧盟中一马当先，特别是2000年颁布对可再生能源发电实行补贴的法律后发展迅速。2000年时德国只有1000家沼气厂，2005年增至2700家，2010年已有约5000家，发电产能为2700MW(10TW·h，相当于年产沼气17×
德国发展生物天然气的理由是：应对气候变化(减排温室气体)；提高能源自给率(德国年消耗天然气1000×
前些年德国的沼气一直是(不经提纯)直接用于驱动发电机组热电联产。但近几年来意识到沼气厂大多建在农村，而当地对热能很少有大量需求，如果不能充分利用所产热能，则沼气总能的2/3会被浪费掉，如果转为燃气形式，就可以彻底避免这种浪费。因而德国政府开始重视生物天然气，制定了2020年和2030年产量分别达到60×
2009年1月德国拥有汽车5195万辆，其中用天然气驱动的有90397辆。在860座天然气加气站中，生物天然气加气站有3座，但沼气净化、提纯厂已有40家(生物天然气并网)。规划到2020年生物天然气要替代天然气消费量的6%(60×
相比于德国，另一个近年来沼气利用进展突出的国家——瑞士，虽然在经济激励手段上没有那么多，但却非常重视可持续的原料供应(特别是农业废弃物和沼气专用能源作物)及沼气发酵技术的研究创新和开发。2005～2008年间，压缩车用生物天然气加气站从60座增加为100座，已大大超过德国。瑞士燃气行业协会与沼气协会签订协议，给予生物天然气并网费用优惠。
瑞士近年来在生物天然气的车用方面正急起直追领先国瑞典。利用好氧污泥加其他有机废弃物生产沼气，既解决二次污染问题，又可取得可观的CO2减排效应。以首都伯尔尼市(30万居民)为例，2010年已有1.5万多辆汽车使用生物天然气(主要是大型公交车)，沼气生产厂之一是该市的城市污水处理厂。该厂日处理下水道生活污水10×
英国现有38座沼气厌氧工程，每年可处理物料44×104t。其中11座为大型工程，使用多种物料共发酵，包括畜禽粪便、能源作物和厨余垃圾等；其余的中型工程建在农场。垃圾填埋气占全部沼气产量的约90%，主要用于燃气轮机发电和供热[9]。法国议会于2010年7月通过新环保法案(Grenelle 2Law)，强制性收购生物天然气并给予并入天然气管网的优惠性补贴，将在2011年春正式生效。这个法案历时6年，经过建立工业标准、应用生物天然气的安全性及对人体健康影响的评估后方才通过[8]。
2.3 欧盟生物天然气发展趋势和中期目标
减少对天然气进口的依赖是欧盟国家大力开发产业沼气的强大动力之一。当前欧盟天然气消费自给率只有不到20%，而且预测在未来几十年还将大幅增长，自给率会越来越低(见图1)。
生物天然气是难得的“碳中性”、某种情况下甚至是碳负净排放的车用燃料，而交通运输是仅次于燃煤发电和土地利用变化的第三大温室气体的排放源，占全球温室气体年排放总量的13.5%(其中23%的CO2来自交通运输业)。瑞典隆德大学Pal Borjesson等[10]比较了每获得用于汽车行驶做功1MJ能量，需要投入的不同能源所释放的CO2当量，汽油和柴油分别为
图1 欧盟天然气产量与消费量缺口的发展趋势
资料来源：IEA，2008
欧盟在生物燃气的生产方面，由于有极丰富的森林资源，不少国家早有用木质原料气化热解生产生物气的传统，但这种生物气的规模现已不再增长。2005年时气化法(折合1116TW·h)的重要性尚略大于沼气法(折合971TW·h)，但从长远看，生物天然气将发挥更加重要的作用。预计到2020年沼气法生产的生物天然气产量将猛增至1930TW·h，而气化法生产的生物燃气只增加约30TW·h[11]。
在欧盟制定的到2020年可再生能源必须占能源消费总量20%的强制性目标中，要求至少25%的份额将依靠沼气。
3 欧盟沼气原料类型及沼气专用能源作物的兴起
欧盟国家发展产业沼气，首先是从利用城市生活污水在环保处理后形成的活性污泥做起的。由于在法规上对畜禽粪便还田有诸多严格的限制，直到上世纪末“解禁”前，畜禽粪便一直未成为产业沼气的主要原料。有的国家则更多依靠有机垃圾填埋规模化地获取沼气。由图2可见，以德国为例，上述传统原料加上工业有机废弃物、自然保护区和景观区产出的生物质(如剪下的草和枝条)等，资源潜力为每年181PJ，而沼气专用能源作物(德国目前种植能源作物的面积为200×104hm2)一项就有236P)，合计为每年417PJ[12]。
图2 德国各类可开发利用的沼气原料及资源潜力
随着沼气产业规模的不断扩大，上述传统原料资源量已日渐缺乏。在这种情况下，沼气产出量更大的新原料——沼气专用能源作物(Dedicated en-ergy crops》如玉米、甜菜、高粱、苏丹草、黑麦草等应运而生，能源作物的潜力远大于其他资源[11，12]。能源作物的沼气利用方式主要是与畜禽粪便混合发酵，好处是混合料的C/N比更符合厌氧发酵的需要，且可以比畜禽粪便大幅度提高产气量。近年来已有完全使用能源作物的大型沼气生产厂。能源作物青贮后可以长期不霉变、不腐烂，这对于大型沼气企业全年稳定生产具有决定性意义。
欧盟共同农业政策(CAP)对休耕地的补贴，实际上是变成了在休耕地上合法地种植能源作物。而在耕地上，则多采用夏、冬季插种填闲作物(多为能源牧草)的方式。
还应该指出的是，在所有依靠农作物原料的车用生物燃料中，沼气的单位土地能量产出率是最高的。如图3所示[10]，在瑞典，以每公顷土地产出的车用生物燃料可供行驶的里程计，用沼气专用能源作物(如甜菜)制成的沼气为
究其原因，一是沼气专用能源作物的选育目标是生物量产出最大化，不受像玉米或油菜那样必须追求籽粒产出的限制，可充分利用有限的温度、水分等条件；二是厌氧反应是一种自身耗能很少的暗反应，是各种生物质(碳水化合物、脂肪和蛋白质等)转化、降解生化反应方式中能耗最少的一种。
图3 不同车用生物燃料的单位土地能量产出率
4 欧盟沼气生产大国资源潜力
2010年5月，欧洲议会发布加强成员国城市有机废弃物管理和利用的文件——Waste Framework Directive，指出仅公共土地草坪产出的剪出物、厨余及食品工业废弃物三项每年就有1.18×108～1.38×108t，并且到2020年还将增加10%。目前这些有机废弃物约40%是进行填埋处理，但填埋处理方式会导致释放温室气体(甲烷及CO2)，污染土壤和地下水，并造成有价值的能源和植物营养元素的浪费。如果转化为生物天然气，到2020年，欧盟国家交通运输用燃油的30%可被生物天然气替代，这还不包括由厩粪和下水道污水处理后产生的活性污泥的产沼气潜力[13]。
瑞典车用燃油/气年消费量折合100TW·h，车用生物天然气理论上最多可替代90%。
德国沼气的传统资源潜力(包括垃圾填埋气、下水道污水活性污泥)为240×
英国学者一项研究表明，利用该国30×104hm2的休耕地(欧盟共同农业政策削减谷物和饲料产量的产物)合法地种植能源作物，如青贮玉米、甜菜和黑麦草等并进行轮作，每年所产沼气可折合成电力9.6TW·h，沼气发电后可以满足220万户居民的用电需求[14]。
根据奥地利自然资源和应用生命科学大学的T.Amon等人的研究[15]，欧盟(25国)现有农作物耕地9300×104hm2，按照兼顾食物、饲料和生物能源生产的需要布置可持续的轮作体系，能源作物占总面积的20%。其甲烷产率取中值
5 立法、政策激励和扶持
2009年4月，欧盟颁布要求扩大可再生能源的条令——Directive on the Promotion of the Use of Energy from Renewable Sources，规定成员国到2020年能源消费总量中须有不低于20%来自可再生能源，交通用能总量中可再生能源比例不低于10%。鉴于第一代生物乙醇和生物柴油的产量受到原料制约而不可能有显著的提高，生物天然气(并网和车用)正在发挥越来越大的作用[17]。
此外，早在2006年，欧盟为适应成员国日益增大使用车用生物天然气以改善城市空气质量和解决水/废弃物污染的需求，投资1700万欧元在包括意大利和法国等8个成员国设立了Biogasmax示范项目，起到了很好的示范推动作用[18]。
