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自2015年开始，经国务院领导批准，国家发改委和农业部利用三年的时间，每年从中央预算内基本建设专项投资20亿元，在全国范围内开展农村沼气转型升级试点，其中支持了1400多处日产沼气500m3以上的大型沼气工程，以及64处日产生物天然气10000m3以上的规模化生物天然气工程试点。经过多年的建设与示范，生物天然气工程建设取得了一定的成效，不少生物天然气工程的建设与运行创新了新的政策机制、提升了技术与装备水平、探索了相应的商业运维模式，为未来更大规模的推广应用奠定了很好的基础。
但是，由于种种原因，部分生物天然气工程试点项目也遇到了各种挑战与障碍，使得整个行业的发展并未达到预期目的。近日，中国城市燃气协会分布式能源委员会主办的《分布式能源》2023年第2期/总第42期上刊登了一篇独家文章《中国生物天然气产业发展浅析》，现转发给同行们，供参考。
一、生物天然气产业发展背景
1. 发展生物天然气，有助于实现“双碳“目标、提高能源安全保障
生物天然气是以农作物秸秆、畜禽粪污、餐厨垃圾、农副产品加工废水等各类城乡有机废弃物为原料，经厌氧发酵和净化提纯产生的以甲烷为主要成分，热值满足常规天然气标准的绿色低碳清洁可再生燃料。甲烷是一种重要的温室气体，国际能源署的研究表明，虽然大气层中甲烷浓度要远低于二氧化碳，但是甲烷的温室效应是二氧化碳的80多倍，对全球变暖的贡献率高达30%。如果在未来30年内减少50%的甲烷排放，将有助于在2050年前让全球平均气温下降0.2℃。在格拉斯哥举行的COP26会议上，欧盟和美国共同发起了“全球甲烷承诺”协定，旨在到2030年使甲烷排放水平较2020年降低30%，有120多个国家签署了正式的甲烷减排承诺。COP27边会上，各国专家呼吁采取紧急措施加强全球甲烷排控。各大行业中，农业和畜牧业是甲烷的最大来源，其次是能源行业和废物的排放。发展生物天然气产业，不仅从源头减少了因农业畜牧业废弃物及城乡废弃物无序堆放导致的大量甲烷排放，其产品的应用可替代部分煤炭，进一步减少煤炭消耗带来的碳排放，这对实现“双碳”目标意义重大。
我国天然气消费量逐年增长，根据国家发改委公布的数据，2021年我国天然气消费量为 3726亿立方米，同比增长12.7%。从一次能源结构来看，尽管我国天然气占比已由 2000 年的 2.2%提升至 2021年的8.9%，但相比全球24%的平均水平仍有较大发展空间。根据国家能源局预测数据，预计我国2025年天然气消费规模有望达到 4300-4500 亿立方米，2030年天然气消费规模将达到 5500-6000亿立方米。
根据国家统计局及国家能源局发布数据，2021年我国天然气产量为 2,075.8亿立方米，同比增长 7.8%，其增速落后于天然气消费需求增长速度，使得近五年我国天然气进口量逐年提升。根据《世界能源统计年鉴 2022》发布数据，2021 年我国天然气进口量为 1627 亿立方米，2017-2021 天然气进口量年均增长比例达 15%，天然气供应对外依存度维持在40%以上。
发展生物天然气产业，既有利于“双碳”目标的实现，也有利于补齐我国天然气供需短板，降低进口依存度，提高能源安全保障，同时还解决城乡有机废弃物带来的环境污染问题。
2. 生物质资源丰富，生物天然气产能潜力大
作为人口大国和农业大国，我国有丰富的可用于生物天然气生产的有机废弃物资源，据《中国沼气行业双碳发展报告》统计预测，我国2025年畜禽粪便产量约36.5亿吨，作物秸秆9亿吨，果蔬垃圾2.6亿吨，餐厨垃圾2.2亿吨，农村生活垃圾1.6亿吨，工业废水74亿吨。其中畜牧养殖主要分布在中东部，包括东三省、河北、河南、湖北、湖南、四川等，秸秆供应量最大的省份是黑龙江、内蒙、河南、安徽、河北等，城市有机垃圾以超大城市产生量最多。
如果将上述资源全部用于生物天然气高效生产，可产生生物天然气的最大潜力为3200亿立方米。但是，考虑到不同阶段社会经济发展状况、技术进步水平，预测2025年可获得生物天然气生产潜力约为600多亿立方米，到2060年，可获得生物天然气生产潜力2200亿立方米，相当于可以替代2021年全国60%的天然气消费量，或2021年天然气进口量的1.3倍以上。这不仅我国能源安全提供充分保障，还可以为我国有机废弃物资源化综合利用、生态环境保护及温室气体减排做出重要贡献。
二、生物天然气产业发展现状
1. 政策支持，推动生物天然气产业发展
自2015年，国家发展改革委和农业农村部连续三年利用中央预算资金，每年投资20亿元，在全国范围内先后共支持1400多个大型沼气工程建设和64个规模化生物天然气试点项目。2016年12月，中央财经领导小组第十四次会议针对畜禽粪污处理和资源化利用问题明确提出 “以沼气和生物天然气为主要处理方向，以就地就近用于农村能源和农用有机肥为主要使用方向”。2018年12月，国家能源局向各省及九家央企下发了《关于请编制生物天然气发展中长期规划的通知》，首次将生物天然气纳入能源发展战略及天然气产供储销体系，提出将建立优先利用生物天然气的发展机制。2019年全国首批申报的生物天然气产业化示范储备项目有489个，涉及25个省（市），总投资约900亿元。2019年12月6日，国家十部委联合下发的《关于促进生物天然气产业化发展的指导意见》指出，生物天然气对构建分布式可再生清洁燃气生产消费体系，有效替代农村散煤具有重要意义，并明确了生物天然气的发展目标，到2025年年产量超过100亿立方米，到2030年超过200亿立方米。同时提出了多项促进生物天然气产业化发展的政策措施，如将生物天然气纳入能源管理体系，纳入促进天然气协调稳定发展工作方案、天然气产供销储工作方案、北方地区冬季清洁取暖规划方案，制定生物天然气优先利用政策措施等。这些政策的落地，吸引行业龙头企业纷纷加入生物天然气产业发展中来，为我国生物天然气产业的发展创造良好条件。
2. 生物天然气产业技术基本成熟，部分装备有待突破
生物天然气产业技术可以简单划分为沼气生产技术及沼气提纯技术。我国的沼气生产技术最早起源于农村沼气，从建国以后到2000年左右是沼气发展初始阶段，农村沼气鼎盛时期，我国户用沼气池达到4200万户。与此同时，工业沼气也得到了迅速发展。2000年以后，国家持续支持沼气行业，从每年支持10亿，到支持40亿，最高到60亿，农村农业沼气在国家政策的大力支持下取得长足发展。从2010年开始，国家发改委相继支持了五批共100多个餐厨垃圾城市处理试点项目。这其中有90%以上采用厌氧工艺，巨量的资金投入也直接推动了城市沼气迅速发展。
从 2014 年起，沼气行业开始转型升级，国家政策逐步转向支持大型、工业化、规模化沼气及生物天然气项目。国家农业部、财政部大力推进实施农业农村废弃物综合利用试点项目及大型生物天然气试点项目，先后在全国各地支持了一批试点项目，培育了一批从事沼气产业技术研发、装备制造及工程建设的骨干企业，工业化沼气技术水平在此阶段得到迅速提升，国内技术研发及装备配套能力也得以迅速发展。截止目前，我国工业化沼气技术已基本成熟，大部分装备已实现国产化，但是在特殊原料的预处理设备、沼气提纯装备、监测及自动化装备方面还有待进一步突破。
生物天然气的制取过程一般分为原料预处理、厌氧发酵产沼气、沼气净化贮存、沼气提纯及沼肥综合利用等几个部分。
生物天然气生产技术路线
预处理单元主要目的是去除物料中的杂质，通过破碎、水解、制浆等各种适应不同原料特性的预处理技术，改善物料的均质性，提高原料转化效率和产沼气能力；厌氧发酵是有机物在厌氧条件下通过微生物的代谢活动而被稳定化，同时生成CH4和CO2的过程，厌氧转化效率受多因素影响，包括原料养分配比、发酵温度、PH值、有毒物质等。目前用于畜禽粪便及餐厨垃圾的主流厌氧发酵技术是湿式厌氧发酵，其相关技术比较成熟，且装备均已实现国产化。新兴的适用于高含固原料（如作物秸秆、城市垃圾）的半干式及干式厌氧发酵技术目前国内尚处于起步阶段，虽然已有少数示范项目落地，但核心设备供应仍依赖进口；沼气净化单元主要目的是脱除沼气中的硫化氢和水，以满足沼气提纯装备的进气要求，相关技术在国内已非常成熟，设备已完全实现国产化并得到广泛应用推广；沼气提纯技术目前市场上有水洗、膜分离、化学吸收、变压吸附等主流工艺，其中水洗、化学吸附及变压吸附技术是化工行业的成熟技术在不同领域的新应用，在沼气提纯领域也已成功应用多年，装备基本国产化。但是沼气膜分离装备中膜材目前主要由国外供应商垄断，装备国产化亟需在膜材研发上的技术突破。沼气提纯后甲烷浓度可达97%以上，甲烷回收率可达97%；提纯后生物天然气品质可达到《车用压缩天然气》GB 18047-2017标准及GB17820-2018《天然气》气质标准。
3. 生物天然气产业体系不够完善，产业标准有待健全
自2014年沼气行业转型升级以来，生物天然气在我国发展近10年，目前尚处于起步阶段，生物天然气行业年产能仅3亿立方米左右，规模较小，还没有形成完善的政策及产业标准体系，市场也缺乏成熟的可复制推广的商业模式。
生物天然气产业跨多个领域，涉及环境、化工、生物、能源、环卫、汽车、机械加工制造等多个传统行业。其上游是有机废弃物的生产者，包括农村种植养殖、城市餐饮经营者，农贸市场、农副产品加工企业等。虽然有机废弃物资源总量大，但资源种类多且分布散，市场上缺乏覆盖城乡的农业废弃物、畜禽粪污、餐厨垃圾等原料收集保证体系，从而使得巨量的城乡有机废弃物未能得到统筹利用；其下游是城市燃气公司、车用加气站、燃气发电站、工业制造业等用气用能单位及肥料生产加工及使用单位。目前国内尚未建立完善的生物天然气多元化消费体系。随着国家能源体系逐步建立，我国将逐步形成将生物天然气并入城市燃气管网以及车辆用气、锅炉燃料、发电等领域的多元能源应用模式。生物天然气产业既是能源产业，也是生态生产，通过沼肥链接种植业与养殖业，目前国内沼肥从产品到加工设备都还没有行业标准，沼肥进入肥料消费体系存在技术标准壁垒。
跨领域的上下游产业衔接存在一定困难，导致行业之间存在一定的技术和市场壁垒，生物天然气产业的上游原料供应和下游产品都缺乏专门的标准和技术规范。2022年由中国中化旗下企业西南院牵头制定的国家标准《生物天然气》正式实施，填补了国内生物天然气标准领域空白。我国的生物天然气产业相关标准体系多来源于沼气系统，虽然近几年国内已在传统天然气产品标准基础上形成了部分生物天然气产品标准，但在生物天然气的质量控制、管网混输、管网交接、环保安全等方面，宜根据生物天然气自身质量特点和输送使用要求制定相关标准，健全生物天然气产业的标准体系。
4. 生物天然气产业发展困境
产业发展初期，生物天然气项目大多都是政府主导型，重视政策制定和项目建设，但缺少对项目运营管理方面的有效激励和监管，企业通过建设工程获得国家补贴盈利，工程运营不佳，生物天然气行业普遍缺乏可持续性的商业模式。
随着产业的发展，近年来除了大型养殖业、加工业等排污企业迫于废弃物的处理投资建设生物天然气项目，也有越来越多第三方投资人及市场资本进入该行业。对于第三方投资企业，其常规的商业模式是收集上游产业的有机废弃物，经厌氧转化及提纯后生成的生物天然气产品一般用于车用燃气或并入燃气管网，也有直接就近进入工业园区用于制造业供气，其副产品沼渣沼液一般根据原料来源及当地条件可用于还田作为肥料等资源化产品或者进一步处理处置。
该商业模式可能存在生物天然气制取成本居高且不可控、生物天然气价格地域差异大且销售受限于基础设施条件、沼液出路难的问题。生物天然气项目运行成本主要包括原料收运、能耗、人工、设备维修等，其中原料收运成本是项目运行成本控制的关键，通常占50%以上。目前，城市餐厨垃圾收运处置基本已实现付费制，但是农业领域尚未建立“谁排污、谁付费”和“谁处理、谁受益”的废弃物有偿处理机制，农业有机废弃物的处理不仅不能向排污单位收费，通常还要花费成本购买收运废弃物，尤其是对于分散收集集中处理的生物天然气项目，其原料分布散，收储运成本更高，生物天然气的生产成本经常高达2.5-3元/立方米，而生物天然气的门站价格有的地区仅2元/立方米左右；其次，产品端对项目周边配套设施要求高，如果项目周边没有燃气管网或者用气终端，生物天然气的销售就需要通过压缩后罐装车运输，长距离的运输导致产品销售成本提升。不同地区燃气并网价格差异大，商业模式的可复制性较差。副产品沼液出路也是生物天然气项目面临的挑战之一，尤其是非农业源的沼液，虽然是很好的土壤改良剂，但因为不满足农业相关标准，需要进一步处理达标排放，从而增加了项目运行成本。
因此，虽然国内生物天然气技术已基本成熟，也具备了产业化发展条件，但受商业模式不清晰的制约，虽然新增投资不断增多，但投入产出不成正比，项目普遍存在盈利难问题。据农业农村部农业生态与资源保护总站2019年前后的调研报道，2015-2017三年间由中央财政资金支持的64个生物天然气项目中在运项目只有22个，即便是这22个在运项目，实际上也只有极少数是满负荷、稳定运行的，多数还处于试运行状态。这些试点项目每个项目至少有1000万的财政经费支持，但项目仍然面临困境，分析原因主要还是项目盈利能力差。少数在正常运行的项目地域特点突出，比如当地原料供应充足，原料收运成本低，产品市场价格高、当地政府配套政策支持，基础设施完善等，其商业模式难以复制推广。
国内生物天然气产业盈利难的根本原因在于行业顶层设计缺乏全产业链理念，未打通上下游行业间的壁垒，同时对生物天然气的产品简单定位为可再生能源，忽视了其生产过程的生态环保属性。生物天然气产业横跨农业、工业、交通运输业、服务业等多个领域，打通产业链上的行业壁垒对项目运营至关重要，比如：市政垃圾用于生产生物天然气后的副产品沼渣沼液如果可以作为农业肥料进入肥料市场，项目就可以减少沼渣沼液的处置成本，同时获得新的收入增长点；其次，利用有机废弃物生产生物天然气具有双向清洁功能，一方面能消除有机污染物，控制温室气体排放，另一方面生产的可再生燃气可以替代化石燃料，减少空气污染，节能减排作用显著，因此，生物天然气具有能源和生态环保双重属性，长期以来我们只关注其能源属性而忽视其生态环保属性，使得生物天然气作为“绿气”的末端价格补贴政策难产多年。中国沼气协会秘书长李景明指出，当前行业处于起步阶段，最需要的仍是国家政策特别是顶层设计层面的拉动，需要可落地的政策来保障产业链上的原料供应及产品市场消纳。
近十年来国家投入了大量的资金发展生物天然气产业，但大量的建设补贴政策也间接引导了整个行业对于生物天然气项目普遍存在“重建设，轻运营”现象。在能源安全及碳减排的大背景下，生物天然气作为一个新兴行业备受关注，国家政策及市场资本高度关注行业产能建设投入，投入大量的资金支持项目建设，而对于行业相关运营所需配套的政策及设施建设重视程度不足，比如上游农业废弃物的收集运输的特许经营权及付费处理机制，下游绿色能源产品及沼肥的市场接入所需的基础管网设施及标准建设、碳交易市场重启等。目前出台的相关政策分比较散，难以形成合力推动产业向前发展；其次，生物天然气项目上游涉及到废弃物的收集运输，下游涉及到能源产品及副产品的销售处理等诸多环节，对运营主体要求高，既要有强大的技术支撑，维持项目的正常运行，还应具备专业化的、跨行业的运营管理团队以保证项目运行的可持续性。很多项目在政府及市场资本的支持下完成了建设，但是由于外部配套政策没到位、内部缺乏专业的运管团队，上下游问题未解决，项目投资产出比低，无法实现自身造血，从而导致项目停运。
三、生物天然气产业发展前景及趋势
生物天然气具有清洁、高效、可再生、减排四大特征,生物天然气的生产及综合利用是极具代表性的双向清洁过程。在日益严峻的能源供给形势及双碳战略目标推动下，中国生物天然气产业依仗丰富的生物质资源必将迎来迅速发展，而且随着经济发展，人们对生态环境改善的需求也日益强烈，在此背景下，发展生物天然气将成为经济社会发展的内在需要，已超越可再生能源的单一目的，对中国未来发展具有重要的战略意义。
虽然生物天然气产业起步阶段依赖国家政策支持，但商业化发展一定是产业可持续发展的最终目标，多元化、市场化的商业模式是生物天然气产业未来的必然趋势。包括上游原料来源及收运方式的多元化、市场化，以及下游产品消费多元化及市场化。鼓励支持传统能源企业以及其他有实力的企业，实行专业化投资、建设、运营管理和服务，开发建设生物天然气；鼓励燃气经营企业结合城镇燃气发展布局，开发生物天然气项目，建设分布式能源站，创新商业化模式。
生物天然气产业的商业化发展离不开从工艺技术、核心装备到运行管理的系统升级。多元化的原料必然催生多元化、组合式的工艺技术路线，实现工艺流程的优化创新；市场化的竞争将加速核心装备的研发及创新，降低装备生产成本，从而降低项目投资；商业化的运营也将倒逼生物天然气运营企业从粗放型的生产管理转向精细化的运营管控，物联网技术将是生物天然气项目精细化管理的重要技术支撑。
2022年俄乌冲突引发全球能源危机为我国生物天然气行业发展持续加码，相信随着更多生物天然气项目的逐渐落地以及业内骨干企业的持续技术创新，中国生物天然气产业必将朝着商业化的、可持续发展的道路不断前进，国内生物天然气产量将不断提升，行业供给能力持续增强。
（信息来源：中国城市燃气协会分布式能源委员会主办的《分布式能源》2023年第2期/总第42期。如果转载请务必注明作者和出处！）
作者简介
谭婧：高级工程师，从事有机废弃物资源化处理方向，有十多年的沼气及生物天然气行业从业经验，参与多个国内大型沼气及生物天然气项目的实施，多项沼气领域内国际合作及国外技术引进项目，现就职于维尔利环保科技集团股份有限公司。
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