导读
近几十年来，人们通过小型沼气系统在垃圾填埋场、污水处理厂和农场收集甲烷。如今，在欧美地区的国家，随着越来越多的能源企业开始加入到沼气生产项目中，并且在相关政策的鼓励下，形成了一条从粪便、餐厨垃圾和其他来源中获取大量的甲烷的成熟产业链，为何可再生天然气（Renewable Natural Gas）的市场前景被越来越多的发达国家看好？国际环保在线带您一探究竟。
位于美国马萨诸塞州迪尔菲尔德（Deerfield）的巴威农场（Bar-Way Farm）的一个肥料和食物垃圾焚烧发电厂。图片来源：先锋可再生能源
在美国佛蒙特州（Vermont）西部的古德里奇家庭农场（the Goodrich Family Farm），施工人员将在接下来的几周内建造一个厌氧消化池，将牛粪和当地收集来的餐厨垃圾转化为可再生天然气（RNG），通过管道输送至附近的米德尔伯里学院（Middlebury College）和其他愿意为低碳能源支付溢价的用户。
对于开发商——先锋可再生能源公司（Vanguard Renewables）来说，该项目既是一个新起点，也是一个战略赌注。该公司已经在马萨诸塞州（Massachusetts）拥有并运营了五个基于农场的沼气系统：每个沼气系统每时每刻都在发电，然后送至电网，并根据该州的净计量法出售。然而，佛蒙特州项目是先锋集团第一次尝试生产可再生天然气，这是一种经过提纯后的沼气，其甲烷（CH4）成分接近100%，这些气体被注入到天然气管线中，用于燃烧发电、取暖、汽车燃料或者其他化工工业。先锋集团首席执行官约翰·汉瑟曼（John·Hanselman）表示：“生产可用于管道收集、输送和车辆燃料的可再生天然气是目前沼气行业的发展方向”。
实际上沼气行业在美国已经存在了很长一段时间，主要是从垃圾填埋场和污水处理厂收集沼气，并用其生产少量的电能。或是在乳制品厂使用沼气池收集的沼气并用于发电，为当地农场提供电力，然后将一些剩余的电力输送到电网。
但是，随着近年来新一波大规模可再生天然气项目的兴起，传统的沼气项目正迅速变得过时且落后。在美国，有许多企业正在开发迄今为止尚未开发的能源，例如：一些企业正在从遍布在北卡罗来纳州东部的2300个养猪场中获取粪便产生的大量甲烷；一些企业正在建造生物消化器，将加州大型奶牛场转化为能源中心。此外，还有一部分人正试图将垃圾填埋场的餐厨垃圾转移，并将其转化为汽车和加热用的燃料。
沼气系统可以产生足够的可再生能源，为美国300万户家庭供电
可再生天然气行业正到达一个转折点，原因有几个：1. 越来越多的第三方运营商（如先锋集团），正在减轻农民和垃圾填埋场自身能源系统运行的负担，并正在引进更先进的技术来收集和泵送甲烷；2. 在美国，包括加利福尼亚在内的一些州正在通过法律，要求开发可再生天然气；3. 全美各地的公共事业公司开始支持这些新举措，这一点可以从多米尼加能源公司（Dominion Energy）和世界上最大的猪肉生产商史密斯菲尔德农场（Smithfield Farms）建立新的合作伙伴关系来证明，它们正在开发新的猪粪沼气项目。对于支持者来说，最终的目标是用人类垃圾、动物和农业废物产生的纯甲烷取代目前大量从自然界开采的化石天然气，最终遏制大气中碳总量增加的趋势。
“如果你能在把废弃物送回土壤之前获得更多的能量，那就非常棒了”，生物循环杂志（BioCycle Magazine）的常驻编辑诺拉·戈尔茨坦（Nora·Goldstein）说道，“你看着所有这些益处，再说，‘为什么没有更多的人这样做呢？’但关键是你要做得正确才行。”该杂志几十年来一直报道有机物回收和厌氧消化行业。
目前，可再生天然气有巨大的开发潜力。在美国每年有数十亿加仑（1加仑≈3.8升）的动物粪便和数百万吨食物垃圾产生，可为生产可再生天然气提供巨量的原料。根据美国环境保护署、农业部和能源部编制的“沼气发展机遇路线图”（Biogas Opportunities Roadmap）报告，美国可以支持至少13000个沼气设施，这些设施的原料由粪肥、垃圾填埋气和污水处理产生的生物固废供给。而这些新的沼气设施系统每年可以产生6540亿立方英尺（约185.2亿立方米）的可再生天然气，足够为300万户家庭提供能源。世界资源研究所（World Resources Institute）的一项研究估计，每年运往美国垃圾填埋场或焚烧的5000万吨有机废弃物的能源量大约相当于60亿加仑（约227.1亿升）柴油，占重型卡车和公共汽车消耗柴油的15%。
一辆卡车把食物垃圾送到马萨诸塞州一座农场的厌氧消化池。图片来源：先锋可再生能源
专家们表示，不断利用沼气有助于降低运输、工业和建筑供热等部门的二氧化碳排放量，同时也能减少能够强烈导致温室效应的甲烷的排放量。此外，还可以减少有机废弃物进入垃圾填埋场，防止粪便流入河流和水源造成污染。通过厌氧消化，可以将任何有机物质（包括食物残渣、农业废弃物，甚至是酿造啤酒留下的废渣等）制成沼气，这些物质以浆料的形式被送到密封储槽，微生物会在缺氧的条件下分解它们，并消灭其中的病原体，产生甲烷和其他气体，最终留下营养丰富的肥料作为副产品。
在可再生天然气领域，美国正逐步赶超欧洲。目前欧洲拥有17400多家沼气发电厂，占世界15千兆瓦沼气发电量的三分之二。仅丹麦这个有580万人口的国家就拥有160多个沼气系统。去年夏天，丹麦18%的天然气消耗来自其厌氧消化器产生的可再生天然气。尽管已经取得了巨大的成就，但是丹麦生物能源公司（Danish bioenergy）认为在内用可再生天然气完全替代该国的化石天然气是可行的。
前美国环保署厌氧消化项目经理克里斯·沃尔（Chris·Voell）对丹麦的沼气项目印象非常深刻，该项目经过精心设计，能够消化家庭食物残渣、食品加工企业的残余物和牲畜粪便的混合物。目前沃尔现在就职于丹麦贸易委员会（Danish Trade Council），将丹麦厌氧消化器技术和商业模式引入美国市场。
为了响应全球气候倡议，加利福尼亚州成了美国沼气行业研究的领头羊。该州施行的低碳燃料标准（LCFS）为燃料生产商提供了增加其供应和销售低碳或可再生燃料数量的激励措施，这项政策是加州大气环境保护的一个关键组成部分。联合国气候规划署（UCA）的气候保护计划促进了可再生天然气在利润丰厚的汽车燃料市场的快速增长。
近几年，在美国建造和运营厌氧消化反应器的专业公司犹如雨后春笋一般增长
像马斯能源工程（Maas Energy Works）和加州生物能源（California Bioenergy）这样的公司通过在加州的奶牛场快速安装厌氧消化器来响应当地的激励政策。据马斯能源网站报道，到目前为止，马斯能源已经建造了17座厌氧消化器，另有12座在建，另有32座正在开发中。两家公司都在竞相利用有价值的低碳燃料标准激励措施，并且都是在全美众多安装及运营厌氧消化器的公司中成长起来的，这些公司受到了许多专业投资者的支持。“随着每天的发展，这个行业的可行性将越来越高，”克里斯·沃尔（Chris·Voell）说道。“我们看到更多专业的第三方公司，以及专业人士来建造10个、20个、50个可再生天然气项目，并从中接触到了大量的股权投资者。他们甚至希望投资多个项目组合，而不仅仅是一个项目。”
北卡罗来纳州（North Carolina）是全美第二大猪肉生产州（仅次于爱荷华州），猪粪是当地生产可再生天然气最丰富的原料之一。每天，超过2000个养猪场将900万头猪的粪便冲入当地大量的污水贮留池中，这些污水贮留池同样会释放出大量的甲烷。最近参加可再生天然气竞赛（the RNG race）的是世界上最大的猪种植者史密斯菲尔德（Smithfield Farms）。在北卡州，有90%的农场是史密斯菲尔德的合同种植者。去年年底，史密斯菲尔德成立了一家名为Align RNG的合资公司，与一家弗吉尼亚州的公共事业公司——多米尼克能源公司（Dominion Energy）合作，投资2.5亿美元，计划在未来内覆盖所有污水贮留池，并在北卡罗来纳州、犹他州和密苏里州的大部分养猪场安装厌氧消化器。目前四个项目的建设已经开始，这些项目将产生足够的可再生天然气，为14000户家庭和企业供电。
加利福尼亚州加尔特市范温默丹奶牛场（Van Warmerdam Dairy）的一个由污水贮留池改造成的粪肥消化池。图片来源：马斯能源工程
在北卡罗来纳州，沼气系统都将以Optima KV为样板，Optima KV是该州肯纳斯维尔（Kenansville）的一个沼气项目，也是在去年组建的第一个生产可再生天然气的项目，并成功将可再生天然气注入现有的管线系统中。据专业人士分析，Optima KV成功的因素还包括签署的国家可再生能源组合标准法，附近5个农场60000头猪的粪便作为原料，以及先进的清洁和升级天然气的集中设备系统。美国国家可再生能源组合标准法规定，到，公共事业至少有0.2%的电能是来自猪和家禽的废弃物。这项授权有助于推动杜克能源公司（Duke Energy，美国最大的公共事业公司之一）签署一项为期的协议，从Optima KV项目中购买8亿BTUs（英热单位，1BTU≈1.06KJ）的可再生天然气。这种沼气将直接取代化石天然气，在杜克的两个发电厂中产生11000兆瓦/时的电力。
先锋集团在佛蒙特州的新业务代表了扩大可再生天然气生产的另一种模式。该公司的厌氧消化器比在加州建造的系统更为复杂和昂贵，即使原料和其他条件发生变化，该厌氧消化器的也有稳定的气体输出。加州的沼气系统基本是涵盖了大量的用塑料膜覆盖的牛奶场污水贮留池，从中收集沼气，提取纯净的甲烷，最后通过管道输送给客户。首席执行官汉塞尔曼（Hanselman）表示：“我们必须采取更高科技的方法，用更少的原料生产更多的天然气。因为我们还没奢侈到拥有1万个奶牛场。”
美国尚未有慷慨的补贴计划，可再生天然气在欧洲蓬勃发展
在佛蒙特州，古德里奇农场（Goodrich farm）里的900头奶牛每天排出100吨的粪便和165吨的食物垃圾可为先锋集团生产沼气提供大量原料。在米德尔伯里学院（Middlebury College），先锋集团发现这个大客户正急于削减其碳足迹，准备转而使用清洁能源。另外，一项即将在佛蒙特州生效的新法律规定，从开始，食品垃圾禁止运到垃圾填埋场，这迫使食品从业者和食品加工厂要找到新的地方来处理垃圾。各种有利条件和因素聚集在一起，促使先锋集团的佛蒙特项目能够获得成功。
作为回报，古德里奇农场将获得免费供热，免去每月沼气系统的管理费用，以及利用剩余的消化固体为奶牛提供铺垫——这是一种成本节约方式，在牛奶价格极低的时期为奶农提供了生命线。先锋集团首席执行官汉塞尔曼（Hanselman）表示，扩大可再生天然气的一个关键因素是减轻农民运行该系统的负担。汉塞尔曼曾遇到过许多愤怒的农民，他们对上一代厌氧消化器有着负面的经验，以前这些厌氧消化器曾被作为一种低维护、低成本的固废处理设备出售给他们。事实上，厌氧消化器是一种精密的设备，对温度的变化和原料中有机物质的变化非常敏感。汉塞尔曼说，“我们告诉农民们，你们的工作是养健康的奶牛，生产优质的牛奶，照顾好你们的农田和土壤。让我们来运行这些机器。”
可再生天然气之所以在欧洲蓬勃发展，部分原因在于慷慨的补贴计划。而美国联邦政府缺乏此类全面的政策，美国的区域和州市场、公共事业、激励和政策错综复杂。但汉塞尔曼和其他人预计，在未来几年，更多的州将强制要求可再生天然气生产，进一步加强新兴的沼气市场的活力。
在加利福尼亚州汉福德（Hanford）的菲利普韦伊农场（Philip Verwey Farms），一个展示可再生天然气系统的开放式房子。图片来源：马斯能源工程
“这种感觉与太阳能的业务极为相似，”曾经经营过一家太阳能公司的汉塞尔曼说道。“我们在可再生天然气项目的早期。每个人都将从一个项目跑到另一个项目，试图找出哪些州的收益是最大的，以及如何更好地让可再生天然气进入市场。”
然而，单靠市场力量不足以引发沼气革命。大多数行业观察家和业内人士都认为，可以推动美国沼气和可再生天然气增长的单一政策是联邦立法的碳价格。但是考虑到碳税或全面的气候法案在现任政府的领导下不太可能很快出现，汉瑟曼表示，联邦政府能做的下一件最好的事情就是恢复厌氧消化系统的投资税收抵免，这项税收抵免在失效。
尽管面临这些挑战，克里斯·沃尔（Chris·Voell）认为现在有足够的理由相信沼气将作为美国的可再生能源获得最终广泛的市场吸引。沃尔表示：“现在我比以往任何时候都更受鼓舞，因为我看到一些项目正在建设中。各州正在加紧制定政策。我们现在看到了一场能源革命，天然气公共事业公司也将加入其中。公共事业每年使用大量电力，如果他们认为可再生天然气是他们希望看到的东西，那么我们将会看到政策前沿更积极的动向。”
