干貨(huo) | 產業沼氣原料(liao)利(li)用(yong)新趨勢——沼氣專用(yong)能源作物 

歐盟國家發展產業沼氣，首先是從利用城市生活污水在環保處理后形成的活性污泥做起的。由于在法規上對畜禽糞便還田有諸多嚴格的限制，直到上世紀末“解禁”前，畜禽糞便一直未成為產業沼氣的主要原料。有的國家則更多依靠有機垃圾填埋規模化地獲取沼氣。隨著沼氣產業規模的不斷擴大，沼氣產量更大的新原料——沼氣專用能源作物，如玉米、甜菜、高粱、蘇丹草、黑麥草等應運而生，能源作物的潛力遠大于其他資源。

研究歐盟國家產業沼氣發展的成功經驗，總結如下：
1）發酵工藝和設備隨著原料的變化及對產氣率提高的需求不斷改進。
2）重視新原料，主要是沼氣專用能源作物的開發，為長遠的可持續發展奠定了基礎。
3）準確的市場定位，沼氣經過提純、用于經濟效益和社會效益好的應用方式——替代部分天然氣。
其中，歐盟國家沼氣專用能源作物的使用方式是全株青貯后在作發酵原料。中國雖然人多地少，但“地少”主要是耕地少，而草地面積和林地面積卻分別是耕地的3倍和2倍。其上生長各種生物質都是廣義的“能源作物”，特別是亞熱帶分布廣，溫度高且雨量大，生物產量可觀。包括降水量只有400mm的半干旱地區，中國上億公頃的退耕還林/草地及退化草原，如果實施“營養體農業”（即著眼于收獲可能的生物量而非谷物籽粒），則可充分利用充足的光照、雨熱同期及多年生草、灌木耐旱力極強的特性，生產出大量可作為沼氣原料的生物質。因此從長遠看，沼氣專用能源作物作為產業沼氣發展新契機的具有一定的開發價值。
此外，根據在奧地利Gussing地區的STREM“能源作物原料沼氣發電農場”的實踐，300h㎡土地全部種植專用玉米青貯，黑麥草/小黑麥，采用臘熟期整株青貯，2個厭氧反應罐容積各1500m3，采用高溫(49.5℃)發酵工藝。年耗青貯原料5940t，沼氣產量5150m3/d。沼氣直接發電，發電產能500kW(熱電聯產)。年發電和供熱量分別為415萬kW·h和4220MW·h；電全部售給電網；熱量出售1/3。不難發現，沼氣專用能源作物作為沼氣發酵原料具有較大的資源潛力。

常見能源作物原料特性及原料產氣率
下面從滿足沼氣產業化要求、產氣性能、生物量和栽培、生態環境影響等4個角度提出了沼氣專用能源作物應該具備的9個主要特征，作為篩選沼氣專用能源作物的依據。
01 產氣潛力大
作為能源作物，產氣潛力大是其基本且重要的特征，產氣潛力是指原料能夠轉變成沼氣的數量。產氣潛力大意味著從種植到發酵過程中運輸成本、發酵設施成本的降低，是體現產業沼氣發展水平和經濟性的重要指標。沼氣是多種微生物在厭氧條件下對有機物進行分解代謝的產物，沼氣原料產氣潛力的大小取決于其碳水化合物、蛋白質和脂類化合物等有機物的含量，這類有機物的含量越多，原料產氣潛力就越大。植物類原料，木質素含量是影響產氣量的主要因素。植物中的纖維素、半纖維素易被厭氧微生物分解利用，而木質素填充于纖維素骨架中較難降解，并且木質素在細胞壁中與纖維素及半纖維素相互交聯，使得纖維素及其他可發酵物質難以被厭氧微生物或酶降解利用，影響了生物質厭氧發酵的產氣率，因此木質素含量越低，植物的產氣量越高。另外植物的碳氮比(C/N)也影響產氣潛力，通常C/N介于20:1~30:1之間的植物原料，易于發酵利用。
02 主要產氣過程短
原料厭氧發酵產氣過程，一般是初期慢，之后逐步加快到高峰再逐漸減慢至結束。在產氣過程中后期，隨著產氣速度的減慢，發酵設備的利用效率逐漸降低，一旦超過經濟效益的臨界點，原料即失去了繼續發酵的價值，就應該終止發酵。從進料到經濟效益臨界點的過程就是原料的主要產氣過程。不同原料，其產氣速度和產氣過程不同，主要產氣過程越短，發酵設備的利用率就越高，經濟效益越好。
03 生物產量高
沼氣專用能源作物應具有生長快，生物產量高的特點。生物產量是指植物所累積的物質總干重，即植物體除去水分后留下的固體物質。植物通過光合作用把太陽能轉變成化學能儲存起來，按光合作用中碳同化過程分成C4植物和C3植物。C4植物比C3植物多了一個CO2吸收和放出過程，具有更高的CO2吸收能力，從而使光合作用效果更好，因此C4植物比C3植物生長快、生物產量高。
04 種源易得
無論是種子繁殖和種苗繁殖，都應具有能大量和易于獲得的特點，便于大面積推廣種植。
05 抗病害能力強
產業化制氣需要大面積種植專用產沼氣能源作物，需要沼氣專用能源作物具有較強的抗病蟲害的能力，才能**產量的穩定性。而農藥施用量的減少，又可提高種植的經濟性。當然，構建多品種的產業沼氣作物種植系統，也是增加生物多樣性，控制病蟲害的有效方法。
06 抗逆性強
在我國由于人多地少，發展生物質能源不能與人爭糧、與糧爭地，而盡可能地在荒山荒坡種植。因此，沼氣專用能源作物要具有較強的環境適應性，一般要耐旱耐澇、耐貧瘠，對當地的不好的天氣也要有一定耐受力。
07 收獲時間機動
原料的穩定性是生物制氣產業的基本要求，收獲時間機動性強的植物，將會在**原料的穩定性方面起著重要的作用。
08 非入侵性
有些作物雖然具有很強的適應性和高產量，但由于具有入侵性，在大面積種植后，會遏制其作物的生長，降低生物多樣性，破壞生態環境，因此，沼氣專用能源作物應具有非入侵性。
09 固碳能力強
多年生植物根系對碳有著很好的固定作用。相對于一年生作物，它們固定的碳更多，積累的能量也多，能減少溫室氣體排放。同時，多年生植物一次種植后，中間不需耕種，也能有效減少耕作引起的碳釋放和水土流失。


我國可借鑒歐盟和美國的經驗，在利用一部分土地、退化草地上種植專用能源牧草和能源作物，兼收生態和經濟效益。按20×108畝和每畝收獲0.15t生物質（干重）計，每年至少可產3×108t，再加上利用1×108t農作物秸稈制沼氣，共有4×108t新的沼氣資源，相當于沼氣的理論年產量為800×108~1000×108m3。以上兩大部分合計的天然氣替代潛力約為每年1500×108m3。