农村沼气开发与温室气体减排

摘要 随着中央和地方政府的大力推动，农村沼气建设在过去的30多年中蓬勃发展。沼气利用不仅 为农村节省了大量能源，也减少了温室气体的排放，这对加强农村生态建设与新农村建设有 重要意义。在过去15年中，沼气总共提供了2.84×107 t标准煤的能源量，净减少温室气 体 排放量约73 157.59 Gg（千吨）二氧化碳当量（CO₂-eq），年均减排量为4 877 Gg，相当 于 全国总排放量的0.07%～0.16%。因能源替代而减少的温室气体中，二氧化碳为84 243.9 4 Gg， 甲烷为3 560.01 Gg CO₂-eq，氧化亚氮则为260.08 Gg CO₂-eq。预测结果表明：沼气产 气 量将在2010年与2020年分别达到156亿m³和385亿m³，减少的温室气体将分别为29 328 G g和79 380 Gg CO₂-eq，开发农村沼气是我国应对气候变化的重要措施。

关键词 户用沼气池；温室气体；农村能源；气候变化

中图分类号 TK6，X511 文献标识码 A 文章编号1002-2104（2008）03-0048-06

自工业革命以来，化石燃料的使用和土地利用变化使得大气中二氧化碳等温室气体浓度显著 增加，迫使人类开始采取行动减少温室气体排放。作为《京都议定书》的签约国之一，中国 积极应对气候变化，公布了《中国应对气候变化国家方案》，提出要改善能源结构，发展可 再生能源，并明确指出要大力加强农村沼气建设和城市垃圾填埋气回收利用以控制温室气体 排放。

发展农村沼气，不仅可以解决农村能源短缺问题、改善农业生态环境和农村卫生面貌、促进 农村经济发展，而且在减少温室气体排放方面也具有重要作用。由于沼气具有较高的热值， 并能替代煤炭、石油、天然气等化石能源及薪材、秸秆等生物质能源，可减少温室气体排放 ［1,2］。此外，农村户用沼气池通过集中管理人和牲畜的粪便，进行厌氧消化处理 ，从而避免温室气体尤其是甲烷的排放［3,4］。

本文从沼气利用能缓解农村能源短缺问题及减少温室气体排放两个方面出发，利用1991以来 中国农村利用沼气的数据，分析其在农村能源可持续发展和温室气体减排中的作用。

1 农村沼气建设成就

中国农村家庭能源消费约占国家一次性能源消费的16.7%, 广大农村地区由于难以获得商品 性能源, 农村居民66. 7%以上的生活用能依靠传统的生物质能［5］。沼气是一种可 再生能源，在中国广大农村地区得到推广，作为农村炊事、照明等生活用能，成为农村居民 重要的非商品性能源。

我国农村沼气建设起步于20世纪70年代，初期阶段主要是解决农村地区严重的能源短缺问题 ［6］。80年代中后期，为满足广大农民对清洁、方便和低成本能源的需求，沼气 建设以燃料 改进和优质化能源开发为主要目标。进入90年代，沼气技术与农业生产技术紧密结合，形成 了以南方“猪-沼-果”和北方“四位一体”为代表的能源生态模式，随着国家“生态家园 工程”和“能源环境工程”的开展，沼气建设在保护植被资源、农业废弃物污染防治和资源 高效利用等方面发挥重要作用。2002年以来，随着国家“小型公益设施补助资金农村能源项 目”和国债沼气建设项目的实施，农村沼气建设标志着进入了一个新的发展阶段。2005年中 央安排10亿元国债资金继续实施农村沼气国债项目，并将沼气建设与改圈、改厕、改厨相结 合，将沼气技术与高效生态农业技术相结合，改变农民传统的生产和生活方式，形成良性循 环。

2 计算方法

2.1 沼气利用节约的能源量计算

刘?宇等：农村沼气开发与温室气体减排 2008年 第3期首先计算历年生产的沼气能源量，即：以1991年到2005年中 国农村户用沼气建设所产生的沼气量数据为基础，根据沼气的平均低位发热量（20 908 kJ/ m³）、折标煤系数（0.714 kg coal-e/m³）、沼气密度(1.22 kg/m³)依次换算成沼气 的热值、标煤当量、沼气质量。

其次，根据历年农村生活能源消费结构计算出不同能源所占比重，然后由第一步所得 的沼气 能源量按照每年的能源结构比例分配到不同能源，得到每年沼气所替代的能源量。由此可以 分析农村沼气利用对于减少煤炭、油品、秸秆、薪柴、电力等能源的消费情况。

具体来说，以2005年为例，沼气产气量为65.0亿m³，其热值、标煤当量、沼气质量分别为 135 902 TJ、4.64×106 t标煤、7.93×106 t。而根据农村生活能源消费结构，可以计 算出如果没有这部分沼气，农村将消耗更多的其它能源，也就是说，2005年沼气利用节约的 能源量为：秸秆(44 928 TJ)、薪柴(32 057 TJ) 、煤炭(43 839 TJ)、电力(10 220 TJ ) 、成品油(2 834 TJ)、液化石油气(1 279 TJ)、天然气(57.32 TJ)、煤气(38.26 TJ)。

2.2 温室气体减排量计算

沼气使用在节约能源消费的同时，还能够减少温室气体的排放。其一，煤炭、秸秆、薪柴等 农村普遍使用的生活能源的排放因子大于甲烷（沼气的主要成分），因此同样热量的能源消 耗，使用沼气所排放的温室气体较少，如果沼气能替代煤炭等高排放潜力的能源，自然 达 到减少温室气体排放量的效果，减少的这部分温室气体量为ERES（Emission Reductio n from Energy Substitution）；其二，在农村利用沼气过程中，往往通过“一池三改” 实现了人 与牲畜粪便的集中管理，利用其在厌氧环境下产生的沼气，从而避免了分散或露天管理粪便 而逸散到大气中的甲烷，减少的这部分温室气体（主要是甲烷）为ERMM（Emission Reduct ion from Manure Management）。此外，沼气作为生活能源燃烧也会释放出二氧化碳等温 室 气体，这部分温室气体本文称为EBC(Emission from Biogas Combustion)。扣除EBC之后的 ERES与ERMM总和即为沼气利用净减少的温室气体排放量。

ERES的计算参考IPCC推荐的方法，即能源利用导致的温室气体的排放量由能源利用量(FS)及 其排放因子(EF)决定［7,8］：

ERESGHG，fuel=FSfuel×EFGHG，fuel（1）

ERES的计算关键在于排放因子的合理选取，由于不同国家和地区农村生活能源利用效率、炉 灶结构、农民生活习惯不同，因此IPCC推荐的默认值针对不同国家可能会产生较大误差，必 须采用本国甚至本地区的排放因子。Zhang J et al 公布了中国家庭炉灶温室气体的排放因 子 ，通过实验分析了不同能源使用过程中排放的温室气体［9］，本文计算以他们确定 的排 放因子为主，此外，还搜集了其他一些国别的温室气体排放因子［10,11,12］及 2006年国家发改委(NDRC)公布的《关于确定中国电网基准线排放因子的公告》。

由于不同作者提供的排放因子单位不一致，有的是以燃烧的能源量（g gas/kg）为单位，有 的是以消耗的能源热量（kg gas/TJ）,在后者的计算中需要考虑到炉灶的能源利用效率问题 ，因此排放因子需要乘以能源利用效率得到单位能源排放的实际温室气体的量。

农村粪便主要排放的温室气体是甲烷，因此在粪便管理减少的排放量(ERMM)的估算中 ，N2O的排放量可以忽略。农村户用沼气池的原料以人畜粪便为绝大部分，因此，本文以如下公式计算粪便管理过程中甲烷的排放量［8］,具体指标可参看 IPCC报告：

其中，1991-1999年农村每户平均养猪数从2000年中国统计年鉴数据获得，由于每年平均每 户有沼气池的农民家庭养猪数基本不变，故其它年份采用1991-1999年的平均值。对于MCF的 取值，根据中国所处的纬度及其气候特征，采用温带的最低值，农村采用的粪便管理方式一 般是液体/泥浆或者是粪池储存，因此采用IPCC 2006提供的数据MCF=27%［8］。由于 两种管理方式的MCF值相同，可以视为MS全部由一种管理系统，即MS＝1。

此外，沼气的使用过程仍然会排放温室气体，主要的来源是作为生活能源提供者甲烷的燃 烧 会产生二氧化碳和甲烷（由于氧化亚氮的排放量极少本文没有计算），计算方法与ERES的计 算公式相同，由沼气燃烧量与其对应得排放因子决定（见公式1）。

以2005年为例，在各种能源节约量已知的基础上，根据每种能源对应的排放因子（表2）， 并 结合其燃烧效率与低位发热值，利用公式(1)可以计算出CO₂、CH4、N2O三种温室气体 的减排量，汇总可知ERES为：秸秆3 801.97 Gg、薪柴2 909.08 Gg、煤炭4 939.55 Gg、成 品油 213.77 Gg、液化石油气78.84 Gg、天然气3.88 Gg、煤气1.62 Gg、电力2 461.54 Gg， 合计2005年沼气利用因节约能源而减少14 410.25 Gg温室气体排放。

采用同样的计算方法，可知2005年沼气燃烧释放出5 931.64 Gg CO₂与4.19 Gg二氧化 碳当量的CH4，共计5 835.83 Gg温室气体。

此外，利用公式(2)与公式(3)可计算出2005年1 700万拥有沼气池的农户由于粪便管理而减 少的温室气体为3 063.53 Gg，其中猪粪管理减少2 296.18 Gg CO₂-eq CH4，人的粪便 管 理减排767.35 Gg CO₂-eq CH4。因此，由以上2005年的ERES、ERMM及EBC数据可以计算 出全年净减少温室气体量（NER）为11 537Gg。

沼气池使用过程中，由于管道的老化和操作失误等原因，有可能会有甲烷的泄漏问题，如果 有详细的数据需要进一步考虑这个问题。不过这部分泄漏量非常少，农户为了 提 高沼气的利用率，会经常检查管道的密闭性，减少泄漏的可能性，因此计算时沼气泄漏量可 以忽略不计。

3 沼气利用效果分析

3.1 沼气利用节约的能源量

15年来，农村户用沼气产气量总计达398亿m³，提供能源量832 749TJ，由1991年 的23 251 TJ增加到2005年的135 902 TJ，年均供能55 517TJ，约占农村生活用能的0.4 8%。

由图1知，15年来，沼气利用节约的能源主要是秸秆273 199.24 TJ、煤炭270 292.99 TJ、薪柴19 7 492. 66 TJ、电力61 370.13 TJ、成品油17 619.04 TJ，其他能源节约量较少。秸秆、煤炭 、薪材、 电力的年平均替代量为18 213 TJ、18 020 TJ、13 166 TJ、4 091 TJ，而对于其它农 村生活用 能源，沼气的替代作用不明显。总体而言，由于沼气建设的推广，沼气产气量增加，使得沼 气在农村生活用能的比重逐渐增大。

3.2 沼气利用减少的温室气体排放量

3.2.1 能源替代减少排放量(ERES)

1991-2005年15年中沼气利用减少的温室气体共计88 064.02 Gg（千吨）二氧化碳当量，其 中 ，各种替代的能源减排量分别为：秸秆23 119.30 Gg，薪材17 921 Gg, 煤炭30 455.46Gg，油 品1 328.87 Gg, 沼气181.51 Gg, LPG494.58 Gg，NG24.42 Gg，煤气9.59 Gg，电力14709.89 Gg 。可见，煤炭的减排量最大，其次为秸秆、薪材、电力。每年沼气替代能源减排量由1991年 的2 467.24 Gg增加到了2005年的14 410.25 Gg，增长了484.06％。

由于煤炭在农村生活用能中的比重大，加上其二氧化碳的排放因子也大，导致其减排量最大 。秸秆的二氧化碳排放因子虽然小于煤炭，但是其消费量大，而且甲烷和氧化亚氮的排放系 数都大于煤炭，使得它的减排量也加大，居第二位。薪材和电力的减排量随后，而其它能 源在农村生活用能中份额很少，故其减排量比重不大。[KH+5mmD]注：N2O为7.24～42.32 Gg二氧化碳当量，相对于CO₂和CH4，数值太小 ，图中显示不明显。[KH+2.5mmD]从ERES不同温室气体的组成来看，CO₂占绝大部分，15年间CO₂减排量为84 243.94Gg，占总 排放量的95.66％，CH4减排量为3 560.01 Gg（4.04％），N2O的减排量最少，为26 0.08 Gg，只相当于总减排量的0.30%（图2）。

据《中国应对气候变化国家方案》公布，1994年中国温室气体排放总量为40.6亿 t二氧 化碳当量(4 060 000 Gg)，2004年排放总量约为61亿t二氧化碳当量(6 100 000 Gg)。本文数据表明， 在ERES中，1994年农村户用沼气建设避免了2 976.54 Gg温室气体排放，约占全国总排放量 的 0.07%，2004年沼气利用减少排放量为14 410.25 Gg，减排比重达到全国的0.24%，也就 是说 ，随着农村沼气的推广，节约的农村生活能源不断增加，减少的温室气体在全国总排放量的 比重越来越大，1994至2004年11年间增长了两倍多。

3.2.2 粪便管理减少排放量(ERMM)

由于将粪便集中在沼气池中处理，15年间总共避免了13 409.24 Gg二氧化碳当量的甲烷 直 接排放到空中，ERMM由1991年的383.05 Gg增加到2005年的1 932.00 Gg，平均每年减排 量为894 Gg CO₂-eq（图3）

3.2.3 沼气利用过程排放量(EBC)

沼气在农民生活使用过程仍然会排放温室气体，主要是二氧化碳和少部分甲烷，氧化亚氮的 排放量很小，可以忽略不计。由表3可知，沼气燃烧过程排放的主要为二氧化碳，随着沼气 产气量的增加，排放量逐渐增大，2005年达到了5 931.64 Gg，而甲烷当年的排放量仅仅为4 .19 Gg，为二氧化碳排放量的0.07％。总共的温室气体排放量在这15年间为36 372.25 Gg 。

3.2.4 净减排量(NER)

净排放量为能源替代减排量与粪便管理减排量之和减去沼气利用排放量的值，由图4可见，1 9 98年以前净减排量增速较缓，1998年到2001年增加幅度加大，2001年以后迅速增加，达到了 2005年的11 537.94 Gg，年均净减排量为4 877.17 Gg，十五年总共减排量为73 157.59 Gg 。单位沼气产量的年平均净减排量为1.88 kg/m³，变化范围为1.76-2.11 kg/m³（图4）。 从绝对值来看，ERES最大，EBC其次，ERMM最小。以往的文献一般仅仅考虑了ERES［1,1 3］, 但实际上，ERMM

仍然不能忽略，其对净排放量的贡献约为21.42％（18.52％～28.44％）， 由此说明，如果仅仅考虑沼气的利用 能减少温室气体排放量只是由于能替代煤炭、石 油、天然气、秸秆、薪材等燃烧的排放是不够的，将会产生较大的误差。

与全国现有的两个总排放量数据对比来看，1994年沼气利用净减少温室气体2692.16Gg，2004年为9906.12 Gg，分别占当年全国总排放量的0.07%与0.16%，表明仅农村 户用沼气建设这 一项内容就能减少全国0.07%～0.16%的温室气体，充分显示了沼气开发在保护农村生态环境 、遏制全球气候变化的重要作用。

3.2.5 各省市自治区沼气利用中的温室气体减排量根据各省市区的农村生活能源消费量和户用沼气总产气量，按照同样的计算方 法计算出各省 市自治区1991-2002年的沼气利用导致的温室气体减排量（由于缺少2003-2005年的各地 农村生活能源消费量故只计算到了2002年）。

1991-2002年，全国各省市总净减排量为38 623.35 Gg，其中，四川、湖南、广西、湖 北、云 南、江西、江苏等省区减排量均超过了2 000 Gg，特别是四川省一支独秀，总减排量高达10 268.44 Gg，占全国总减排量的26.59％。受气候条件制约，西藏、新疆、黑龙江、青海、内 蒙古等地的沼气开发很少，历年减排量之和都在24Gg以下(图5)。图5 1991-2002年各省市区净减排量

Fig.5 Net GHG emission reductions in China from 1991 to 2002 4 温室气体减排前景分析

2005年，农村户用沼气建设沼气总产气量达到了65亿m³，拥有沼气池的农户达1 700多万 ，为农民提供了135 902 TJ，即相当于4.64×106 t标准煤的热量，部分的满足了农 村对于优 质燃料日益迫切的需求，适应了富裕起来的农民从满足人的“生存需求”向“享受需求”转 变的形势［14］。根据王效华等人在江苏和安徽农村调查的结果，由于能源利用效率 的提高，建设了沼气池的农户家庭耗能要比没有沼气池的农户家庭耗能少40％以上［15 ］，按照2005年沼气提供的能量为4.64×106 t标准煤计算，如果不利用沼气的话，这 1 700万户农民需要使用6.50×106 t其它能源来替代沼气。

“十一五”期间，中国通过实施生态家园富民行动，将在500个县(场)建设10 000个资源良 性循环的生态新村。根据中国农村沼气建设发展规划，到2010年，全国农村户用沼气达到4000万户，适宜农户普及率达到28.4%，到2020年力争使适宜农户普及率达到70%，基本普及 农村沼气。《规划》实施后，将有效提高农村优质能源的用能水平，使5 000多万农户使用 清洁燃料的比重达到80%以上，受益人口超过2亿。

由前文分析可知，单位沼气产量的年平均净减排量约为1.88 kg/m³，随着沼气建设和管理 技术的提高，户均产气量将会逐渐增加，取保守值2005年的390 m³/户，则2010年农村户 用 沼气总产气量将达到156亿 m³，温室气体净减排量将达到29 328 Gg，2020年户用沼气将 会到385亿m³，减排的温室气体将达到72 380 Gg。

5 结 论

农村沼气开发能提供清洁的非商品能源，节约煤炭、石油等化石燃料和秸秆、薪柴等低效率 生物质能的使用，缓解农村能源短缺困境，保护农村生态环境和保证农业可持续发展。在全 球气候变化形势越来越严峻的情况下，沼气开发还成为减少温室气体排放的一种途径。但是 ，目前的农村沼气普及率还不够（2005年为12%），需要多方面筹集资金，加大技术推广力 度和对农民扶持力度，以农村沼气建设为纽带，积极开展生态家园富民行动，并站在应对气 候变化的国家高度，促进户用沼气技术的发展，控制温室气体排放，不断提高应对气候变化 的能力，为保护全球气候做出新的贡献。（编辑：徐天祥）

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Rural Biogas Development and Greenhouse Gas Emission Mitigation

LIU Yu1，2 KUANG Yaoqiu1 HUANG Ningsheng1

(1.Key Laboratory of Marginal Sea Geology, Guangzhou Institute of Geochemistry,Chinese Academy of Sciences, Guangzhou

Guangdong 510640, China; 2.GraduateUniversity of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Abstract Biogas constructionenjoyed a great development in rural China since the cen tral and regional governments systematically popularized householdscale bioga sdigesters for meeting the rural energy needs in the 1970s. To reveal the whole r oleof biogas utilization on rural energy development and greenhouse gas emission re ductions, this study analyzed all types of energy substituted by biogas based onthe inventory of energies consumed in residential sector in the past 15 years,and found that biogas had supplied millions of households with 832 749.13 TJ ene r gy and reduced 73 157.59 Gg CO₂ equivalents (CO₂eq) of greenhouse gas emis sion s in total. The greenhouse gas emission reductions were contributed by energy su bstitution and manure management. The majority of the emission reductions by ene rgy substitution, 84 243.94 Gg, were in the form of CO₂, followed by 3560.01 G gCO₂eq of CH4 and 260.08 Gg CO₂-eq of N2O. The results also showed thatth e total yields of biogas would reach to 15.6 and 38.5 billion m³ in 2010 and 2 020, respectively. As the result, GHG emission reductions would reach to 79 38 0 Gg CO₂eq in 2020.

Key words householdscale biogas digester; greenhouse gas; ru ral energy; climate change

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