未來歐洲沼氣：畜禽糞便、秸稈和牧草促進(jìn)歐洲沼氣生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的潛力

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

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

歐盟2030年的氣候能源的政治目標(biāo)是減少溫室氣體排放40%，可再生能源的裝機容量占整個歐盟能源供應(yīng)的27%，能效將提高27%。由于沼氣作為一種能源載體不僅靈活易儲存，而且生物來源多樣，應(yīng)用廣泛且成熟(供熱、交通、發(fā)電)，因此預(yù)測沼氣將在實現(xiàn)這些能源目標(biāo)方面發(fā)揮重要作用。厭氧發(fā)酵技術(shù)產(chǎn)沼氣由于其主要設(shè)計配置和途徑穩(wěn)定，仍然是生產(chǎn)生物質(zhì)能的有效路徑，應(yīng)用廣泛。厭氧消化有多種用途，它提供處理平臺減少復(fù)雜有機物，把大部分分子轉(zhuǎn)化成單體，即甲烷和二氧化碳(沼氣)，能用于各種能源領(lǐng)域。第二，厭氧發(fā)酵過程中產(chǎn)生營養(yǎng)豐富的沼渣沼液能夠回收用作農(nóng)田的有機肥，替代使用日益頻繁的化肥，減少對環(huán)境的負(fù)面影響(即營養(yǎng)物質(zhì)管理和控制不當(dāng)造成的淡水系統(tǒng)富營養(yǎng)化)。

表1 1990年～2015年歐盟28國主要沼氣產(chǎn)量 (PJ·a-1)

在2000年到2015年期間，歐盟的沼氣產(chǎn)量增長了七倍(見表1)。2015年，污水污泥氣和填埋氣分別占總產(chǎn)氣量的17%和9%，而厭氧消化中(分散式農(nóng)業(yè)廢棄物沼氣工程、集中式多元物料混合消化工程、城市固體廢棄物甲烷化)產(chǎn)生的沼氣占總產(chǎn)量的74%。

自2010年起，歐洲沼氣產(chǎn)量的50%來自德國。由于德國的上網(wǎng)電價補貼政策很具吸引力，該國的沼氣生產(chǎn)發(fā)展迅速。然而德國的沼氣生產(chǎn)的主要原料是玉米，令人擔(dān)心的是集約種植單一品種的能源作物對環(huán)境存在潛在危害。所以近年來的討論集中于選擇沼氣生產(chǎn)的原料，特別是是否應(yīng)該使用能源作物。之前的大量研究顯示使用能源作物產(chǎn)沼氣會引起負(fù)面的環(huán)境和經(jīng)濟問題。因此，能源作物作為沼氣生產(chǎn)的主要原料將逐漸退出舞臺，需要找到替代來源。為確保沼氣生產(chǎn)的可持續(xù)性，對環(huán)境、自然、氣候和當(dāng)前的食物生物材料生產(chǎn)鏈產(chǎn)生積極影響，應(yīng)該慎重考慮原料供應(yīng)，以支撐歐洲沼氣發(fā)展。

2010年，歐洲生物質(zhì)能項目(BEE)發(fā)布了一項報告，該報告比較了70多篇評估生物質(zhì)能的文章。其中42篇涉及全球和國家層面農(nóng)業(yè)和有機廢棄物的潛力，也重點關(guān)注了歐盟的能源潛力。BEE發(fā)現(xiàn)其中許多研究沒有明確定義農(nóng)業(yè)廢棄物的具體類型(例如畜禽糞便的類型)，只有少量研究運用了空間數(shù)據(jù)繪制出生物質(zhì)的分布地圖。2012年，生物質(zhì)未來項目發(fā)布了《歐盟生物質(zhì)潛力地圖集》。作者總結(jié)出生物質(zhì)的最大潛力在于農(nóng)業(yè)廢棄物，包括糞便、秸稈、永生作物的剪枝?？傮w來說，到2030年農(nóng)業(yè)生物質(zhì)的潛力大約在4400 PJ。畜禽糞便是生產(chǎn)沼氣的理想原料，因為與傳統(tǒng)的糞便處理方式相比，利用畜禽糞便產(chǎn)沼氣能夠結(jié)合能源生產(chǎn)、營養(yǎng)回收、甲烷和二氧化氮減排等目的。由于畜禽糞便含水率高，因此以畜禽糞便作為沼氣工程的唯一原料經(jīng)濟可行度不高。有資料顯示，綠色蔬菜即喬本科與畜禽糞便混合消化時能提高沼氣產(chǎn)量18%～40%，與小麥秸稈、水稻秸稈、玉米秸稈等農(nóng)作物廢棄物混合消化時能提高10%～80%，具體取決于預(yù)處理條件和干物質(zhì)含量。因此，為維持和推動歐洲沼氣領(lǐng)域的發(fā)展，能否獲得這種農(nóng)業(yè)廢棄物及其分布是值得探尋的方面。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物能很好的與歐盟關(guān)于推動可再生能源的指導(dǎo)相結(jié)合。關(guān)于固態(tài)和氣態(tài)生物質(zhì)發(fā)電、供熱和制冷有一系列非約束性的建議： 1)與化石燃料相比，生物質(zhì)能應(yīng)確保降低溫室氣體至少35%(2017年這一比例提高到50%，2018年新建的沼氣工程應(yīng)減少60%溫室氣體排放)。 2)不應(yīng)使用高碳儲量的土地和生物多樣性豐富的土地生產(chǎn)的資源。

歐盟委員會的第2條建議指出不能因為生產(chǎn)能源作物給土地帶來負(fù)面影響，導(dǎo)致生物多樣性喪失和物種滅絕。但這些建議都沒有考慮在農(nóng)田生產(chǎn)生物質(zhì)(直接和間接)會引發(fā)大量施肥、大量使用淡水和土壤侵蝕，從而導(dǎo)致斯特芬等人提出的邊界跨越。

與現(xiàn)有研究不同，本研究關(guān)注的焦點僅在于選取的具體農(nóng)業(yè)廢棄物的生物質(zhì)和沼氣能源潛力，研究顯示這些農(nóng)業(yè)廢棄物在沼氣生產(chǎn)中混合消化能提高沼氣產(chǎn)量。研究中評估的原料是源于永久和輪作草地的多余牧草、谷物秸稈和牛糞、豬糞、以及禽糞。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 生物質(zhì)類型

評估生物質(zhì)能生產(chǎn)或生物質(zhì)原料的可持續(xù)性是重要的，特別是考慮上述顧慮與生物質(zhì)可持續(xù)生產(chǎn)相關(guān)。本研究評估的生物質(zhì)不能說各方面都是可持續(xù)的，因為它們的最終使用效果取決于當(dāng)?shù)胤N植條件、收割、運輸、儲存和最終轉(zhuǎn)化技術(shù)等因素。然而，這些生物質(zhì)的總體情況是它們對環(huán)境的影響較小，如果以高效、尊重自然和環(huán)境的方式處理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物，那么它們具有可持續(xù)性。本研究不涉及僅用于能源生產(chǎn)的能源作物，強調(diào)農(nóng)田因優(yōu)先種植糧食、原料(生物基)和生產(chǎn)飼料。

1.2 評估畜禽糞便量和沼氣能源潛力

為估算出2030年歐盟28國的糞便量，取歐盟統(tǒng)計局登記的2011年至2015年期間牛(頭數(shù))、豬(頭數(shù))、家禽(被屠宰的數(shù)量)的平均數(shù)量作為基值。以歐洲和中亞肉、奶、和奶制品的預(yù)計量估算2030年的牲畜數(shù)量。預(yù)計牛肉和奶牛的年增長率分別為0.32%和0.33%,而豬肉和家禽的年增長率分別為0.47%和1.24%。根據(jù)動物年齡和飼養(yǎng)目的(產(chǎn)奶或產(chǎn)肉)區(qū)分豬和牛的糞便量。評估家禽糞便量時要區(qū)分家禽的種類：雞、肉雞、鴨、火雞、鵝。使用美國農(nóng)業(yè)工程師學(xué)會(ASAE)的標(biāo)準(zhǔn)估算畜禽糞便量(糞尿)。糞便總量用總固體表示(TS)，代表糞尿中的干物質(zhì)。產(chǎn)肉動物的糞便產(chǎn)量根據(jù)每個“成品動物”的排便量來估算。其他動物的糞便產(chǎn)量根據(jù)每頭動物每天的排出的糞便計算。然而，只有動物存欄期間收集的糞便能用于能源轉(zhuǎn)化。而存欄期取決于當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)方式，因此跟隨具體的農(nóng)場飼養(yǎng)方式有所變化。傳統(tǒng)的飼養(yǎng)方法意味著動物的大部分生命周期都在牲畜棚里度過。但牛是例外。放牧是喂養(yǎng)牛的傳統(tǒng)方式。但根據(jù)氣候、地形、牛種和農(nóng)場基礎(chǔ)設(shè)施不同，歐洲各國的放牧飼養(yǎng)方式也有所不同。然而，正因為養(yǎng)牛有放牧的傳統(tǒng)，因此牛的存欄時間比豬和家禽短?？紤]到這一點，設(shè)想了3種不同的糞便可用性，見表2。然而厭氧發(fā)酵中獲得的沼氣實際產(chǎn)量會根據(jù)幾個因素而變化，即糞便在沼氣工程中的停留時間、飼料組分、用作沼氣生產(chǎn)之前的儲存時間和管理。根據(jù)估計的沼氣量，取21.6 MJ kg-1的低熱值來估算能源潛力。假設(shè)沼氣用于轉(zhuǎn)化效率為85%的熱電聯(lián)產(chǎn)工程中，則能源潛力下降15%。

表2 假設(shè)的糞便可用性和沼氣產(chǎn)量

1.3 評估輪作和永久草地中未使用的牧草量和沼氣能源潛力

草地在歐洲農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中扮演重要角色，是牲畜生產(chǎn)的飼料來源。草地在防止?jié)撛谪?fù)面環(huán)境影響方面也有至關(guān)重要的作用，例如防止土壤碳存量減少、溫室氣體排放、水土流失、促進(jìn)生物多樣性等方面。

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，牧草主要用于養(yǎng)牛(肉?；蚰膛?和養(yǎng)羊。能用于產(chǎn)沼氣的多余牧草還包括未利用或低產(chǎn)量草地中的牧草，以及太過成熟而用作動物飼料價值太低的牧草。如果牧草沒有其他經(jīng)濟用途，則是多余的副產(chǎn)品或廢棄物。以下部分重點討論兩種類型草地的預(yù)計生物質(zhì)量和能源潛力。

1.3.1 輪作草地

歐盟統(tǒng)計局登記了歐盟成員國的臨時性輪作草地。利用這些數(shù)據(jù)估算該來源的能源潛力。輪作草地的產(chǎn)草量會根據(jù)氣候條件變化。土壤類型和管理措施也會影響草的產(chǎn)量。臨時草地的產(chǎn)草量主要用作反芻動物的飼料，因此不是所有的牧草能都用于能源生產(chǎn)。

為了評估數(shù)量，設(shè)想了3種情況來估算從輪作型草地中獲得的且能用于能源生產(chǎn)的草量。3種情況假設(shè)見表3。所有前景都假設(shè)儲存過程中會有25%的總固體(TS)流失，揮發(fā)性固體占總固體中的比例為92%。假定常溫常壓下(298 K和101.3 kPa)298 L·kg-1的揮發(fā)性固體的甲烷產(chǎn)量。根據(jù)估算的甲烷量，取較低熱值6 MJ·kg-1估算能源潛力。假設(shè)把甲烷運用于轉(zhuǎn)化效率為85%的熱電聯(lián)產(chǎn)工程中，則能源潛力下降15%。

表3 假定的從輪作草地獲得的總固體產(chǎn)量和能收割用作能源生產(chǎn)的草地比例

關(guān)于輪作草地未來的發(fā)展沒有具體預(yù)測。但預(yù)計牲畜數(shù)量會增多，因此草量也將會增長。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域0.33%的年增長率是指牛肉和奶制品的年增長率，利用這個增長率預(yù)測2030年輪作草地的潛力。

1.3.2 永久草地和草甸

歐盟統(tǒng)計局登記了歐盟國家所有的永久草地和草甸。本研究使用這個數(shù)據(jù)估算永久草地的生物質(zhì)能潛力。部分登記的永久草地和草甸被認(rèn)定為未使用，因此假設(shè)整個區(qū)域的牧草都可收割作為生物質(zhì)產(chǎn)沼氣。永久草地和草甸是許多動植物的開放式棲息地。如果由于牲畜數(shù)量減少，這些地區(qū)不用于生產(chǎn)飼料，則可為能源生產(chǎn)提供原料，以維持草地的特征和生物多樣性。

而歐盟統(tǒng)計局定義為“已使用”的永久草地和草甸則只能部分用于能源生產(chǎn)，因為它們要為牲畜提供飼料。根據(jù)歐洲共同農(nóng)業(yè)政策，歐盟成員國農(nóng)業(yè)區(qū)域中至少5%的土地應(yīng)為永久草地。未來幾十年，如果這一政策不發(fā)生改變，那么永久草地和草甸的面積將與2011年到2015年的平均面積持平。永久草地和草甸的面積大幅增長的可能性很小，因為要使用更多的土地滿足農(nóng)業(yè)目標(biāo)。為評估永久草地產(chǎn)草的未來能源潛力，本研究設(shè)想了3種前景，反應(yīng)出能夠用于能源生產(chǎn)的草量。這些前景背后的假設(shè)見表4。所有前景都假設(shè)儲存階段會丟失25%總固體，并假定總固體中的揮發(fā)性固體為92%。運用常溫常壓(298 K和101.3 kPa)下總揮發(fā)性固體150 L·kg-1的甲烷產(chǎn)量估算能源潛力，與之前的研究中總揮發(fā)固體物質(zhì)為60～309 L·kg-1和155～293 L·kg-1得到的甲烷含量相似。得到甲烷的估計量之后，再用36 MJ kg-1的低熱值來估算能源潛力。假設(shè)甲烷用于轉(zhuǎn)化效率為85%的熱電聯(lián)產(chǎn)工程，那么能源潛力會下降15%。

表4 假定的從永久草地獲得的總固體產(chǎn)量和能收割用作能源生產(chǎn)的草地比例

1.4 評估谷物生產(chǎn)的秸稈量和能源潛力

谷物生產(chǎn)中獲得的秸稈廢棄物通常被認(rèn)為是農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品。秸稈的營養(yǎng)價值低，因此不適合用作牲畜飼料，人們常常把秸稈留在田地增加土壤碳存量，或用于牲畜棚和床，或者園藝方面。秸稈即使是用于牲畜棚，也需要定期處理。

盡管與其他原料相比，秸稈要達(dá)到最高甲烷產(chǎn)量，需要更多的機械、熱化學(xué)和生物等預(yù)處理，以減少停留時間，但它仍然是適合厭氧發(fā)酵的原料。

谷物生產(chǎn)中獲得的未使用的秸稈是未來歐洲沼氣領(lǐng)域發(fā)展的資源。1990到2013年之間，歐洲谷物生產(chǎn)占?xì)W洲農(nóng)業(yè)用地的26%～38%，而2000到2013年之間，這一比例上升至31%～38%之間。因此谷物生產(chǎn)的秸稈是沼氣生產(chǎn)的一大原料來源。利用谷物到秸稈的總固體的比率估算歐洲秸稈的熱產(chǎn)量。本研究發(fā)現(xiàn)比率在1∶0.62到1∶10之間。然而，技術(shù)產(chǎn)量預(yù)計低一些，取決于收割機械和與土壤有機物相關(guān)的環(huán)境制約因素。

運用2011年到2015年的谷物年均生產(chǎn)數(shù)據(jù)作為基值估算歐盟28國的秸稈潛力。根據(jù)歐洲和中亞谷物生產(chǎn)的預(yù)測，谷物生產(chǎn)的年增長率為1.1%。選擇研究中最低糧食秸稈比率1∶0.62，為了反映能獲得多少秸稈的樂觀前景。而中等和悲觀的情況下秸稈產(chǎn)量會分別下降10%到20%。如果部分秸稈用于其他用途，那么估計產(chǎn)量將分別下降10%，20%和30%。所有前景都假設(shè)儲存過程中的總固體損失率為15%。揮發(fā)性固體占總固體的比例為95%。估算歐盟國家秸稈潛力的各種假設(shè)見表5。

表5 假設(shè)的谷物生產(chǎn)的谷草比和用于其他途徑的比列

在所有前景中假設(shè)在常溫常壓(298 K和101.3 kPa)下總固體揮發(fā)物242 L·kg-1的甲烷產(chǎn)量，以估算沼氣產(chǎn)量。根據(jù)估算的甲烷量，取低熱值36 MJ·kg-1來估算能源潛力。假設(shè)甲烷用于能源轉(zhuǎn)化率為85%的熱電聯(lián)產(chǎn)工程，則能源潛力下降15%。

2 結(jié)果和討論

2.1 畜禽糞便的生物質(zhì)潛力

2030年，歐盟成員國糞便中總固體的潛力預(yù)計在83～122 MJ kg-1之間，取決于使用的生物質(zhì)可用性前景?？色@得的糞便分布見圖1～圖3。

圖1 2030年歐盟成員國牛、豬、禽糞的估計量(高可用性)

牛糞(以總固體表示)的潛力在63～88 Mt·y-1之間，而豬糞和禽糞(以總固體表示)分別為18～23 Mt·y-1和8～11 Mt·y-1。根據(jù)使用的可用性前景，2030年歐洲的牛、豬、禽糞通過厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的總能源潛力在670～890 PJ·y-1之間。其中豬糞在320～420 PJ·y-1之間，牛糞在280～390 PJ·y-1之間，禽糞在60～80 PJ·y-1之間。歐盟成員國畜禽糞便產(chǎn)沼氣的能源潛力分布見圖4～圖6。

圖2 2030年歐盟成員國牛、豬、禽糞的估計量(中等可用性)

圖3 2030年歐盟成員國牛、豬、禽糞的估計量(低可用性)

圖4 2030年歐盟成員國牛、豬、禽糞厭氧發(fā)酵的潛力(高可用性)

圖5 2030年歐盟成員國牛、豬、禽糞厭氧發(fā)酵的潛力(中等可用性)

圖6 2030年歐盟成員國牛、豬、禽糞厭氧發(fā)酵的潛力(低可用性)

圖7 2030年歐盟28國輪作和永久草地中牧草的生物質(zhì)潛力(高可用性)

畜禽糞便是沼氣的主要碳來源。畜禽糞便厭氧發(fā)酵不會減少沼液沼渣中的營養(yǎng)物，而且沼肥特性甚至優(yōu)于糞便原料。因此使用畜禽糞便厭氧發(fā)酵不會與農(nóng)業(yè)需要糞肥的訴求相互競爭或發(fā)生沖突。使用畜禽糞便的實際溫室氣體平衡取決于原料地到沼氣工程的運輸距離。因此這一過程中的溫室氣體排放量取決于當(dāng)?shù)厍闆r。然而，在有效管理的情況下，畜禽糞便可作為產(chǎn)沼氣的可持續(xù)原料。

圖8 2030年歐盟28國輪作和永久草地中牧草的生物質(zhì)潛力(中等可用性)

圖9 2030年歐盟28國輪作和永久草地中牧草的生物質(zhì)潛力(低可用性)

圖10 2030年歐盟28國輪作和永久草地中牧草的能源潛力(高可用性)

圖11 2030年歐盟28國輪作和永久草地中牧草的能源潛力(中等可用性)

圖12 2030年歐盟28國輪作和永久草地中牧草的能源潛力(低可用性)

2.2 多余牧草的生物質(zhì)和能源潛力

2030年歐盟28國的永久性和輪作性草地的多余牧草以總固體表示在20～111Mt之間，具體取決于潛力的分布(圖7～圖12)，這個分布圖顯示，歐洲利用多余牧草來生產(chǎn)能源的潛力巨大，其中法國、英國和西班牙的潛力最大，而從永久草地和草甸中獲得的能源潛力為70～370 PJ·y-1，占牧草生產(chǎn)的最大比例。

3種前景背后的假設(shè)對結(jié)果有重大影響?？捎糜谏a(chǎn)沼氣的實際可獲得的牧草取決于當(dāng)?shù)厍闆r、管理措施、未來趨勢和反芻動物的發(fā)展趨勢。遺憾的是，歐盟地區(qū)已經(jīng)用于沼氣生產(chǎn)的牧草的比例沒有得到普遍確認(rèn)。但一些國家已經(jīng)使用牧草作為沼氣生產(chǎn)的原料，即德國。

另一個因素會影響未來牧草的可用性，即當(dāng)前人類的飲食消費結(jié)構(gòu)。人們的飲食普遍以肉為主，歐盟國家尤為如此，每日能量攝入高于平均而越來越受到爭議。減少這種飲食模式可能會減少對種植牲畜飼料的肥沃土地的需求。長期來看，到2050年人類飲食消費結(jié)構(gòu)會轉(zhuǎn)變?yōu)槿馐硿p少和素食增多。

2.3 谷物生產(chǎn)獲得的秸稈

2030年歐盟的秸稈的生物質(zhì)和能量潛力見圖13～圖18。該圖表顯示，整個歐洲會大面積生產(chǎn)谷物，總共有4900萬公頃的土地將用于種植谷物。秸稈廢棄物的生物質(zhì)潛力(以總固體表示)大約在70到135 Mt之間，取決于使用的秸稈可用性前景。歐盟國家谷物生產(chǎn)中可獲得的秸稈相應(yīng)的能源產(chǎn)量在440～850 PJ·y-1之間，取決于使用的秸稈可用性前景。即使設(shè)想低秸稈可用性，潛在的能源產(chǎn)量也巨大，幾乎相當(dāng)于整個歐盟2015年的沼氣產(chǎn)量?？紤]到秸稈通常被認(rèn)為是廢棄物或副產(chǎn)品，沒有或農(nóng)業(yè)使用價值低，通過厭氧消化或其他復(fù)雜的技術(shù)處理，歐洲秸稈的實際潛力將在可再生能源生產(chǎn)中扮演重要角色。

圖13 2030年歐盟成員國谷物秸稈的生物質(zhì)潛力(高可用性)

正如2.4討論的那樣，只有可通過技術(shù)手段收割和環(huán)境可持續(xù)的秸稈才能可用作能源生產(chǎn)。實際的秸稈產(chǎn)量根據(jù)本研究中的假設(shè)產(chǎn)量的變化而變化，取決于生產(chǎn)場地條件和收割機械。但本研究中假設(shè)的產(chǎn)量范圍還是有可能實現(xiàn)的。沒有其他用途的秸稈比例也隨估算的不同而變化。實際用于能源生產(chǎn)的比例取決于歐洲國家農(nóng)場的傳統(tǒng)，也取決于他們是否愿意使用秸稈生產(chǎn)沼氣。因此難以評估實際能源潛力的確切范圍。然而在歐盟使用秸稈生產(chǎn)能源無疑是潛力巨大的，能幫助該地區(qū)達(dá)到可再生能源的政策目標(biāo)。

圖14 2030年歐盟成員國谷物秸稈的生物質(zhì)潛力(中等可用性)

圖15 2030年歐盟成員國谷物秸稈的生物質(zhì)潛力(低可用性)

圖16 2030年歐盟成員國谷物秸稈的能源潛力(高可用性)

圖17 2030年歐盟成員國谷物秸稈的能源潛力(中等可用性)

圖18 2030年歐盟成員國谷物秸稈的能源潛力(低可用性)

2.4 畜禽糞便、秸稈和多余牧草的能源潛力

圖19～圖21呈現(xiàn)了各國2030年各種生物質(zhì)的能源潛力。表6中呈現(xiàn)了具體數(shù)據(jù)。在2030年，歐盟28國從這些資源中獲得的總能源潛力在1.2×103PJ·y-1～2.3×103PJ·y-1之間，取決于各種類型生物質(zhì)的可用性。前景中預(yù)計的能源潛力代表低原料可用性，相比2015年歐洲的沼氣生產(chǎn)翻了一番。法國、德國和英國擁有最大的能源潛力，分別為300～540 PJ·y-1，250～400 PJ·y-1和90～220 PJ·y-1。就德國來說，這意味著在不降低沼氣總產(chǎn)量的情況下，這一能源潛力足夠可持續(xù)地替代或補充能源玉米。2015年，法國和英國生產(chǎn)的沼氣分別為20 PJ和90 PJ。因此，本研究評估的生物質(zhì)代表了能擴大沼氣生產(chǎn)的未開發(fā)利用的潛力。

圖19 2030年歐盟28國畜禽糞便、秸稈和牧草厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的總能源潛力(高可用性)

大部分歐盟成員國的秸稈和糞便的能源潛力最大，分別為440～840 PJ·y-1和670～890 PJ·y-1。永久草地和草甸的牧草預(yù)計為10～60 PJ·y-1。

圖20 2030年歐盟28國畜禽糞便、秸稈和牧草厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的總能源潛力(中等可用性)

圖21 2030年歐盟28國畜禽糞便、秸稈和牧草厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的總能源潛力(低可用性)

使用從永久草地和草甸的牧草很有優(yōu)勢，因為不用專門培養(yǎng)土壤，還能防止因不使用土地造成的生物多樣性丟失。永久草地和草甸的獲取的牧草有以下作用： 1)保護自然； 2)提供可再生能源原料； 3)通過沼渣沼液把永久草地的營養(yǎng)循環(huán)至耕作的土地。

畜禽糞便厭氧發(fā)酵對環(huán)境有很多益處，但由于糞便中含水率高，因此，從經(jīng)濟角度來說，僅用糞便運行沼氣工程不可行。在以畜禽糞便為主的沼氣設(shè)備中使用多元物料混合消化能提高沼氣和甲烷產(chǎn)量，因而得到大力推廣。歐盟成員國中的大部分國家都使用本研究評估的畜禽糞便、牧草和秸稈，因此采用多元物料混合消化的方式是可能的，能提高沼氣生產(chǎn)效率和經(jīng)濟可行性。

2.5 總結(jié)討論和前景

歐盟委員會的目標(biāo)是到2030年可再生能源占?xì)W盟總能源供應(yīng)的27%～30%。如果本研究預(yù)測的能源潛力能夠?qū)崿F(xiàn)，沼氣則能比當(dāng)前發(fā)揮更大的作用。廢棄物產(chǎn)沼氣的潛力相當(dāng)于2002到2015年平均總能源消耗的2%～3%，相當(dāng)于2015年的可再生能源總消耗的14%～26%。

如果沼氣領(lǐng)域繼續(xù)快速增長，那么畜禽糞便、秸稈或牧草的能源潛力能將占整個未來沼氣生產(chǎn)的很大部分。如果沼氣生產(chǎn)要像過去幾十年那樣持續(xù)增長，那么還需要其他資源。沼氣領(lǐng)域的實際發(fā)展仍然深對受歐洲沼氣生產(chǎn)者的監(jiān)管框架的影響，并且今天仍然很大程度上依靠補貼。評估的生物質(zhì)都是作物和農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的廢棄物，那么它的可用性取決于未來歐洲農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。人口數(shù)量變化、組成、飲食偏好會降低一些作物的可用性，并創(chuàng)造新的生物質(zhì)資源和能源廢棄物。這個發(fā)展深受歐洲政治局勢的影響，因此難以預(yù)測未來的變化。但由于氣候和環(huán)境面臨著重要挑戰(zhàn)，推動可持續(xù)能源供應(yīng)的行動不可能減不。

除了這些資源的可用性，資源的能源潛力還取決于農(nóng)戶獲得這些資源的技術(shù)和經(jīng)濟可行性。如果要有效利用生物質(zhì)資源，需要進(jìn)一步發(fā)展技術(shù)，推動執(zhí)行。與大量種植能源作物相比，使用農(nóng)業(yè)廢棄物是可持續(xù)的，因此為有效使用農(nóng)業(yè)廢棄物提供財政補貼是合情合理的。這將會刺激公私合作的經(jīng)濟模式，讓收割自然草地或使用廢棄物產(chǎn)沼氣經(jīng)濟上更可行。

正如之前部分討論的那樣，一系列不確定因素制約本研究的結(jié)果。本研究呈現(xiàn)出的結(jié)果基于歐盟統(tǒng)計局的數(shù)據(jù)，這也是一項不確定因素。歐盟統(tǒng)計局從各國收集并完善數(shù)據(jù)，各成員國負(fù)責(zé)核實和分析數(shù)據(jù)。盡管歐盟統(tǒng)計局對數(shù)據(jù)進(jìn)行全面管理，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性高，但由于全國統(tǒng)計方式不一致等因素導(dǎo)致數(shù)據(jù)有一些不確定性。成員國向歐盟統(tǒng)計局報告本國數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，但這些數(shù)據(jù)不會公開。因此，應(yīng)注意本研究的結(jié)果有一定不確定性。

3 結(jié)論

2030年，歐盟地區(qū)畜禽糞便、牧草和秸稈的能源潛力在1.2×103到2.3×103PJ·y-1之間，取決于廢棄物的可用性。法國、德國和英國能源潛力最大，分別為300～540 PJ·y-1，250～400 PJ·y-1和90～220 PJ·y-1。結(jié)果顯示整個歐洲都適合使用農(nóng)業(yè)廢棄物多元物料混合消化，它是能源作物的理想替代原料。前景中預(yù)測的能源潛力僅以低原料可用性為基礎(chǔ)，得出的結(jié)論是能源潛力相當(dāng)于2015年的歐洲沼氣生產(chǎn)的兩倍。利用畜禽糞便、牧草和秸稈多元物料混合消化能提高2030年歐洲沼氣生產(chǎn)的效率和經(jīng)濟可行性。如果要更高效地使用生物質(zhì)資源，需要進(jìn)一步推動技術(shù)發(fā)展和執(zhí)行。如果要充分發(fā)揮潛力，就要解決生物質(zhì)資源獲取和處理面臨的重重重重挑戰(zhàn)。獲取和處理生物質(zhì)資源盡管面臨挑戰(zhàn)，但考慮到本研究中呈現(xiàn)出的能源潛力，用廢棄物生產(chǎn)能源是發(fā)展歐盟沼氣的可持續(xù)、安全和經(jīng)濟可行的方法。