德国沼气工程现状分析
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Current status of biogas projects in Germany
LI Zi-fu1， YU Min-na1，2， FAN Xiao-lin1
（1.School of Civil & Environmental, University of Science & Technology Beijing, Beijing 100083, China； 2. Environmental Protection, Stuttgart University of Applied Sciences， Stuttgart 70174， Germany）
德国沼气的主要利用方式为发电并网。 为了 有效利用沼气发电产生的热能， 沼气工程大多采 用热电联产模式，增加发电余热的利用率。有些工 程将沼气脱水脱硫和纯化后并入天然气网络。 截 至 2008 年底，根据总装机容量估算德国沼气年发 电量达到 9.2 TWh。 发电能力的明显提高，主要是 因为对发电机组进行了技术改进。 大中型沼气工 程主要采用燃气发电机进行沼气发电， 功率一般 高于 250 kW，发电机达到最大功率时的发电效率 为 42%。 9.7%的沼气发电量用于工程自身运行的 需要。 装机容量小于 50 kW 的沼气工程，其自身 运行时对能源的需求量相对更高， 占总发电量的 25%左右。
表 1 为德国沼气工程规模分类参考标准。 德 国 98%的沼气工程都产气发电，因此在工程规模 上往往根据发电机装机容量进行分类。
表 1 德国沼气工程规模分类 Table 1 Classification of the biogas plants in Germany
工程规模 小型沼气工程 中型沼气工程 大型沼气工程
第 28 卷 第 4 期 2010 年 8 月
可再生能源
Renewable Energy Resources
Vol.28 No.4 Aug. 2010
德国沼气工程现状分析
李子富 1， 余敏娜 1，2， 范晓琳 1 （1.北京科技大学 土木环境学院， 北京 100083； 2.斯图加特应用技术大学 环境保护系， 斯图加特 70174）
自 2009 年起，沼气工程基本发电并网补助为 8.25～11.67 欧分/kWh。 利用可再生能源作物发电 的沼气工程可额外享受 3 欧分/kWh 的补助，这比 2004 年增加了 1 欧分/kWh。 技术创新补助金额为 2 欧分/kWh。
在德国， 装机容量小于 500 kW 的沼气工程 得到的补助比装机容量为 500 kW ～5 MW 的沼气 工程更高一些。 装机容量低于 70 kW 的沼气工程 还可获得 15 000 欧元的补助金以及低息贷款，这 大大促进了小型沼气工程发电上网。 3 沼气发电与热能利用
在德国， 可利用的发酵原料分为有机垃圾、 再生原料、工农业废弃物、动物粪便等。 德国的沼 气工程普遍采用混合原料进行发酵，进料中干物 质含量为 10%～15%。 能源作物作为发酵原料在 德国得到广泛使用。 德国《可 再 生 能 源 法 2009》 继续鼓励种植能源作物，目前，全国能源作物的 种植面积为 56 万～58 万 hm2， 与 2008 年相比增 加了 6 万～8 万 hm2。 根据政策规定，每种植 1 hm2 能源作物可获得 45 欧元的补助。 但是考虑到较 高的种植管理费用，许多沼气工程放弃采用能源 作物来进行沼气发酵。图 3 为德国沼气发酵原料 的使用情况。
摘 要： 介绍了德国沼气工程应用现状，包括沼气工程数量、地域分布情况、发电装机容量等。 从发酵原 料、发酵工艺、沼气净化、沼渣及沼液利用等方面对德国沼气技术进行了综合介绍。 德国的沼气工程普遍 采 用 混 合 原 料 进 行 发 酵 ， 德 国 政 府 很 重 视 装 机 容 量 为 150 kW 以 下 的 小 型 沼 气 工 程 的 建 设 ， 沼 气 被 有 效 用 于发电、供热，并入天然气网络等。 通过加大政府扶持可再生能源的力度，鼓励全国广泛使用沼气，不仅可 以使沼气运营商从中获得可观的经济效益，而且可以达到减少排放有机废物的目的，减少温室气体对环 境的污染。 关键词： 沼气工程； 混合发酵； 能源作物； 沼气发电 中图分类号： TK6； S216.4 文献标志码： C 文章编号： 1671-5292（2010）04-0141-04
由于越来越多的沼气工程使用能源作物进 行发酵， 从而发展出新型的干湿同步发酵工艺。 干湿同步发酵工艺由两个主要部分组成：一是用 钢筋混凝土建造的干式发酵柜，二是大体积的循 环水储存池。 发酵原料经过好氧预处理后温度上 升，然后进入干式发酵柜中，利用渗滤液回流原 理，在发酵罐顶部增加一排喷头，为干物质含量 高的发酵原料增加水分，为微生物提供一个较为 潮湿的生长环境。 干式发酵柜有很好的隔热设 施，不需要外部加热设施提供热量。 从干式发酵 柜中流出的渗滤液中含有丰富的有机酸，这些渗 滤液经过集中收集后储存在循环水储存池中，有 机酸在储存池中分解生成甲烷气体。
目前，德国的大部分沼气用于发电上网。截至
收稿日期： 2009-10-13。 基金项目： “十一五”国家科技支撑计划重大项目（2008BADC4B10）。 作者简介： 李子富（1964-），男，博士，教授，博士生导师，主要从事环境工程技术研究。 E-mail：zifulee@yahoo.com.cn
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随着全球人口数量的不断增加， 经济的快速 发展，世界各国的能源需求总量日益上升。预计到 2020 年，全球能源需求量将增加 40%，未来 50 年 可能会增加 3 倍。大力发展沼气工程，对解决能源 危机，改善人民生活质量，保护自然环境都有着重 要的现实意义。 通过对德国沼气工程运行状态的 分析，了解世界先进沼气技术的发展水平，可为我 国沼气技术的进一步发展和推广应用提供一些有 意义的指导和借鉴 。 [1]～[4]
可再生能源
2010，28（4）
2008 年 底 ， 德 国 沼 气 工 程 总 装 机 容 量 为 1 435 MW， 其 中 装 机 容 量 大 于 500 kW 的 工 程 占 19.5%， 装机容量为 70～500 kW 的工程占 65.6%， 装机容量为 70 kW 以下的工程占 14.9%。 相关报 告显示， 今后建设重点将会放在装机容量为 150 kW 以下的小型沼气工程[6]，[7]。
单个发酵柜容积为 150～300 m3，一般使用 4～ 8 个发酵柜并排作业。 发酵柜中的原料先经过干 发酵的水解和酸化阶段后进入湿发酵罐，进入产 乙 酸 和 产 甲 烷 阶 段 。 湿 发 酵 罐 容 积 为 1 000 ～ 2 000 m3。采用干湿同步发酵工艺能有效解决秸秆 等有机物干物质含量高的问题，提高厌氧分解效 果。 该工艺产气稳定，保证了沼气发电的持续稳 定性。 厌氧发酵结束时，通过换气系统向干式发 酵柜中通入空气，避免沼渣产生异味污染空气环 境。
由于热电联产优惠政策的刺激作用， 沼气发 电余热利用率将进一步得到提高。 扣除沼气工程 自身运行的热能需求外，还有 54%的发电余热可 被外部有效利用。目前，德国沼气发电厂的发电效 率为 38%左右，热能转换率为 45%左右。
发电余热主要用于公共建筑、房屋的供暖，农
李子富，等 德国沼气工程现状分析
舍供热、农作物干燥和沼渣烘干，也有少部分用 于制冷和园艺需求。 4 沼气发酵工艺
德国沼气工程普遍采用湿式完全混合发酵 工艺。虽然有技术促进政策的支持，干发酵工艺 还是没有得到广泛的接受和应用。 因此，《可再 生 能 源 法 2009》废 除 了 支 持 干 发 酵 工 艺 的 相 关 技术优惠政策。 采用湿式发酵工艺的沼气项目 占 总 数 的 89%，只 有 40 个 左 右 的 沼 气 工 程 采 用 了干发酵法，占总数的 8%。 沼气发酵罐以地上 立式圆形发酵罐为主。 罐体材料为钢筋混凝土 或搪瓷材料。 罐体内部侧面或顶部中央安装有 搅拌器。 德国沼气工程的发酵罐平均容积为 1 000 m3 左 右 。 产 气 、贮 气 一 体 化 发 酵 罐 得 到 了 普遍的使用， 发酵罐顶部一般为双层沼气贮气 膜结构。
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所提高。 2 相关优惠政策框架
目前，德国主要实行 3 种能源优惠政策：一是 基本补助政策；二是可再生能源作物补助政策；三 是热电联产优惠政策。此外，还有鼓励创新等优惠 政策。 在德国，15%的沼气工程享受基本补助 政 策；28%的沼气工程同时享受基本补助政策和 可 再 生 能 源 作 物 补 助 政 策 ；4% 的 沼 气 工 程 同 时 享 受 基本补助政策和热电联产政策；46%的沼气工 程 同时享受这 3 项能源优惠政策； 只有 7%的工程 除了享受 3 项主要优惠政策外， 还享受了鼓励创 新政策。
沼气工程数量/处 发 电 机 装 机 容 量/MW
4500 4000
大于500 kW 70～500 kW
1600 1400
3500 3000
小于 70 kW 发 电 机 装 机 容 量 /MW
1200 1000
2500
800
2000 600
1500 400
1000 200
500
0 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 0
自 2004 年 德 国 颁 布 《可 再 生 能 源 法 2004》 （Erneuerbare Energie Gesetz,EEG 2004）以来，全国 沼气工程数量由 20 世纪 90 年代的几百处， 增加 到 2008 年的 4 100 多处。
由图 1 可以看出，自 2004 年起，德国沼气工 程数量显著增加。 2005 年 沼 气 工 程 数 量 增 加 最 多，仅一年内就新建了 700 多处。 2008 年新建沼 气项目略有减少，只有 350 处左右。 根据 2009 年
图 3 沼气发酵原料使用情况 Fig.3 The use of raw material for biogas 目前来看， 德国沼气工程发酵原料的组成 结构不会发生很大的变化， 仍然会以动物粪便 作为主要的发酵原料。 使用动物粪便不会产生 原料成本问题，但考虑到粪便的运输成本，原料 收益可能不会太大。相比之下，选择有机垃圾和 食品垃圾作为发酵原料， 可能会获得较大的原 料收益。
干湿同步发酵法的优点： ①水力停留时间 短，沼气产量大；②原料处理能力高，每年处理的 原料的体积是发酵柜容积的 16.5 倍；③无需外部
加热装置，运行过程能耗低；④沼渣、沼液异味污 染减轻。
沼气工程数量的迅猛增长，带动了沼气发酵、 发电、热能利用等一系列技术的发展，同时也产生 了市场竞争，比如工程承包商、材料提供商等之间 的竞争。 5 发酵原料
Fra Baidu bibliotek
装机容量 ≤ 150 kW 150 ～ 500 kW > 500 kW
1 沼气工程地域分布 德国共有 16 个州，每个州的经济、工业发展
水平存在一定差异，沼气发展状况也有所不同。根 据沼气行业联盟及各地区政府提供的信息， 制作 出德国沼气工程分布图（图 2），该图涵盖了德国 75%的沼气项目。
图 2 德国沼气工程地域分布 Fig.2 Geographical distribution of biogas plants in Germany
年份
图 1 德国沼气工程数量以及总装机容量
Fig.1 The number of biogas plants in Germany and installed
capacity
修订的《可再生能源法 2009》，今后德国沼气工程 将继续稳步发展。 《可再生能源法 2009》将出台更 多的能源利用优惠政策， 进一步促进沼气的开发 和发电上网[5]。
调查显示，巴伐利亚州的沼气工程数量最多， 占 全 国 的 36%，下 萨 克 森 州 占 17%，巴 登 符 腾 堡 州占 14%。 汉堡地区的沼气发电装机容量居德国 之首，平均每处装机容量为 1 MW 左右。 下萨克森 州的沼气发电装机容量占总装机容量的 26%，巴 伐利亚州占总量的 21%。 根据分析，装机容量较 大的沼气工程大多集中在德国东部和北部。 2008 年，德国沼气发电平均装机容量为 350 kW 左右， 比 2007 年 的 330 kW 和 2006 年 的 290 kW 均 有
LI Zi-fu1， YU Min-na1，2， FAN Xiao-lin1
（1.School of Civil & Environmental, University of Science & Technology Beijing, Beijing 100083, China； 2. Environmental Protection, Stuttgart University of Applied Sciences， Stuttgart 70174， Germany）
德国沼气的主要利用方式为发电并网。 为了 有效利用沼气发电产生的热能， 沼气工程大多采 用热电联产模式，增加发电余热的利用率。有些工 程将沼气脱水脱硫和纯化后并入天然气网络。 截 至 2008 年底，根据总装机容量估算德国沼气年发 电量达到 9.2 TWh。 发电能力的明显提高，主要是 因为对发电机组进行了技术改进。 大中型沼气工 程主要采用燃气发电机进行沼气发电， 功率一般 高于 250 kW，发电机达到最大功率时的发电效率 为 42%。 9.7%的沼气发电量用于工程自身运行的 需要。 装机容量小于 50 kW 的沼气工程，其自身 运行时对能源的需求量相对更高， 占总发电量的 25%左右。
表 1 为德国沼气工程规模分类参考标准。 德 国 98%的沼气工程都产气发电，因此在工程规模 上往往根据发电机装机容量进行分类。
表 1 德国沼气工程规模分类 Table 1 Classification of the biogas plants in Germany
工程规模 小型沼气工程 中型沼气工程 大型沼气工程
第 28 卷 第 4 期 2010 年 8 月
可再生能源
Renewable Energy Resources
Vol.28 No.4 Aug. 2010
德国沼气工程现状分析
李子富 1， 余敏娜 1，2， 范晓琳 1 （1.北京科技大学 土木环境学院， 北京 100083； 2.斯图加特应用技术大学 环境保护系， 斯图加特 70174）
自 2009 年起，沼气工程基本发电并网补助为 8.25～11.67 欧分/kWh。 利用可再生能源作物发电 的沼气工程可额外享受 3 欧分/kWh 的补助，这比 2004 年增加了 1 欧分/kWh。 技术创新补助金额为 2 欧分/kWh。
在德国， 装机容量小于 500 kW 的沼气工程 得到的补助比装机容量为 500 kW ～5 MW 的沼气 工程更高一些。 装机容量低于 70 kW 的沼气工程 还可获得 15 000 欧元的补助金以及低息贷款，这 大大促进了小型沼气工程发电上网。 3 沼气发电与热能利用
在德国， 可利用的发酵原料分为有机垃圾、 再生原料、工农业废弃物、动物粪便等。 德国的沼 气工程普遍采用混合原料进行发酵，进料中干物 质含量为 10%～15%。 能源作物作为发酵原料在 德国得到广泛使用。 德国《可 再 生 能 源 法 2009》 继续鼓励种植能源作物，目前，全国能源作物的 种植面积为 56 万～58 万 hm2， 与 2008 年相比增 加了 6 万～8 万 hm2。 根据政策规定，每种植 1 hm2 能源作物可获得 45 欧元的补助。 但是考虑到较 高的种植管理费用，许多沼气工程放弃采用能源 作物来进行沼气发酵。图 3 为德国沼气发酵原料 的使用情况。
摘 要： 介绍了德国沼气工程应用现状，包括沼气工程数量、地域分布情况、发电装机容量等。 从发酵原 料、发酵工艺、沼气净化、沼渣及沼液利用等方面对德国沼气技术进行了综合介绍。 德国的沼气工程普遍 采 用 混 合 原 料 进 行 发 酵 ， 德 国 政 府 很 重 视 装 机 容 量 为 150 kW 以 下 的 小 型 沼 气 工 程 的 建 设 ， 沼 气 被 有 效 用 于发电、供热，并入天然气网络等。 通过加大政府扶持可再生能源的力度，鼓励全国广泛使用沼气，不仅可 以使沼气运营商从中获得可观的经济效益，而且可以达到减少排放有机废物的目的，减少温室气体对环 境的污染。 关键词： 沼气工程； 混合发酵； 能源作物； 沼气发电 中图分类号： TK6； S216.4 文献标志码： C 文章编号： 1671-5292（2010）04-0141-04
由于越来越多的沼气工程使用能源作物进 行发酵， 从而发展出新型的干湿同步发酵工艺。 干湿同步发酵工艺由两个主要部分组成：一是用 钢筋混凝土建造的干式发酵柜，二是大体积的循 环水储存池。 发酵原料经过好氧预处理后温度上 升，然后进入干式发酵柜中，利用渗滤液回流原 理，在发酵罐顶部增加一排喷头，为干物质含量 高的发酵原料增加水分，为微生物提供一个较为 潮湿的生长环境。 干式发酵柜有很好的隔热设 施，不需要外部加热设施提供热量。 从干式发酵 柜中流出的渗滤液中含有丰富的有机酸，这些渗 滤液经过集中收集后储存在循环水储存池中，有 机酸在储存池中分解生成甲烷气体。
目前，德国的大部分沼气用于发电上网。截至
收稿日期： 2009-10-13。 基金项目： “十一五”国家科技支撑计划重大项目（2008BADC4B10）。 作者简介： 李子富（1964-），男，博士，教授，博士生导师，主要从事环境工程技术研究。 E-mail：zifulee@yahoo.com.cn
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随着全球人口数量的不断增加， 经济的快速 发展，世界各国的能源需求总量日益上升。预计到 2020 年，全球能源需求量将增加 40%，未来 50 年 可能会增加 3 倍。大力发展沼气工程，对解决能源 危机，改善人民生活质量，保护自然环境都有着重 要的现实意义。 通过对德国沼气工程运行状态的 分析，了解世界先进沼气技术的发展水平，可为我 国沼气技术的进一步发展和推广应用提供一些有 意义的指导和借鉴 。 [1]～[4]
可再生能源
2010，28（4）
2008 年 底 ， 德 国 沼 气 工 程 总 装 机 容 量 为 1 435 MW， 其 中 装 机 容 量 大 于 500 kW 的 工 程 占 19.5%， 装机容量为 70～500 kW 的工程占 65.6%， 装机容量为 70 kW 以下的工程占 14.9%。 相关报 告显示， 今后建设重点将会放在装机容量为 150 kW 以下的小型沼气工程[6]，[7]。
单个发酵柜容积为 150～300 m3，一般使用 4～ 8 个发酵柜并排作业。 发酵柜中的原料先经过干 发酵的水解和酸化阶段后进入湿发酵罐，进入产 乙 酸 和 产 甲 烷 阶 段 。 湿 发 酵 罐 容 积 为 1 000 ～ 2 000 m3。采用干湿同步发酵工艺能有效解决秸秆 等有机物干物质含量高的问题，提高厌氧分解效 果。 该工艺产气稳定，保证了沼气发电的持续稳 定性。 厌氧发酵结束时，通过换气系统向干式发 酵柜中通入空气，避免沼渣产生异味污染空气环 境。
由于热电联产优惠政策的刺激作用， 沼气发 电余热利用率将进一步得到提高。 扣除沼气工程 自身运行的热能需求外，还有 54%的发电余热可 被外部有效利用。目前，德国沼气发电厂的发电效 率为 38%左右，热能转换率为 45%左右。
发电余热主要用于公共建筑、房屋的供暖，农
李子富，等 德国沼气工程现状分析
舍供热、农作物干燥和沼渣烘干，也有少部分用 于制冷和园艺需求。 4 沼气发酵工艺
德国沼气工程普遍采用湿式完全混合发酵 工艺。虽然有技术促进政策的支持，干发酵工艺 还是没有得到广泛的接受和应用。 因此，《可再 生 能 源 法 2009》废 除 了 支 持 干 发 酵 工 艺 的 相 关 技术优惠政策。 采用湿式发酵工艺的沼气项目 占 总 数 的 89%，只 有 40 个 左 右 的 沼 气 工 程 采 用 了干发酵法，占总数的 8%。 沼气发酵罐以地上 立式圆形发酵罐为主。 罐体材料为钢筋混凝土 或搪瓷材料。 罐体内部侧面或顶部中央安装有 搅拌器。 德国沼气工程的发酵罐平均容积为 1 000 m3 左 右 。 产 气 、贮 气 一 体 化 发 酵 罐 得 到 了 普遍的使用， 发酵罐顶部一般为双层沼气贮气 膜结构。
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所提高。 2 相关优惠政策框架
目前，德国主要实行 3 种能源优惠政策：一是 基本补助政策；二是可再生能源作物补助政策；三 是热电联产优惠政策。此外，还有鼓励创新等优惠 政策。 在德国，15%的沼气工程享受基本补助 政 策；28%的沼气工程同时享受基本补助政策和 可 再 生 能 源 作 物 补 助 政 策 ；4% 的 沼 气 工 程 同 时 享 受 基本补助政策和热电联产政策；46%的沼气工 程 同时享受这 3 项能源优惠政策； 只有 7%的工程 除了享受 3 项主要优惠政策外， 还享受了鼓励创 新政策。
沼气工程数量/处 发 电 机 装 机 容 量/MW
4500 4000
大于500 kW 70～500 kW
1600 1400
3500 3000
小于 70 kW 发 电 机 装 机 容 量 /MW
1200 1000
2500
800
2000 600
1500 400
1000 200
500
0 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 0
自 2004 年 德 国 颁 布 《可 再 生 能 源 法 2004》 （Erneuerbare Energie Gesetz,EEG 2004）以来，全国 沼气工程数量由 20 世纪 90 年代的几百处， 增加 到 2008 年的 4 100 多处。
由图 1 可以看出，自 2004 年起，德国沼气工 程数量显著增加。 2005 年 沼 气 工 程 数 量 增 加 最 多，仅一年内就新建了 700 多处。 2008 年新建沼 气项目略有减少，只有 350 处左右。 根据 2009 年
图 3 沼气发酵原料使用情况 Fig.3 The use of raw material for biogas 目前来看， 德国沼气工程发酵原料的组成 结构不会发生很大的变化， 仍然会以动物粪便 作为主要的发酵原料。 使用动物粪便不会产生 原料成本问题，但考虑到粪便的运输成本，原料 收益可能不会太大。相比之下，选择有机垃圾和 食品垃圾作为发酵原料， 可能会获得较大的原 料收益。
干湿同步发酵法的优点： ①水力停留时间 短，沼气产量大；②原料处理能力高，每年处理的 原料的体积是发酵柜容积的 16.5 倍；③无需外部
加热装置，运行过程能耗低；④沼渣、沼液异味污 染减轻。
沼气工程数量的迅猛增长，带动了沼气发酵、 发电、热能利用等一系列技术的发展，同时也产生 了市场竞争，比如工程承包商、材料提供商等之间 的竞争。 5 发酵原料
Fra Baidu bibliotek
装机容量 ≤ 150 kW 150 ～ 500 kW > 500 kW
1 沼气工程地域分布 德国共有 16 个州，每个州的经济、工业发展
水平存在一定差异，沼气发展状况也有所不同。根 据沼气行业联盟及各地区政府提供的信息， 制作 出德国沼气工程分布图（图 2），该图涵盖了德国 75%的沼气项目。
图 2 德国沼气工程地域分布 Fig.2 Geographical distribution of biogas plants in Germany
年份
图 1 德国沼气工程数量以及总装机容量
Fig.1 The number of biogas plants in Germany and installed
capacity
修订的《可再生能源法 2009》，今后德国沼气工程 将继续稳步发展。 《可再生能源法 2009》将出台更 多的能源利用优惠政策， 进一步促进沼气的开发 和发电上网[5]。
调查显示，巴伐利亚州的沼气工程数量最多， 占 全 国 的 36%，下 萨 克 森 州 占 17%，巴 登 符 腾 堡 州占 14%。 汉堡地区的沼气发电装机容量居德国 之首，平均每处装机容量为 1 MW 左右。 下萨克森 州的沼气发电装机容量占总装机容量的 26%，巴 伐利亚州占总量的 21%。 根据分析，装机容量较 大的沼气工程大多集中在德国东部和北部。 2008 年，德国沼气发电平均装机容量为 350 kW 左右， 比 2007 年 的 330 kW 和 2006 年 的 290 kW 均 有