沼氣是未來可持續(xù)發(fā)展的最佳生態(tài)能源

□昆明市農(nóng)業(yè)科學院 650034 毛中民

1 問題

當今世界，傳統(tǒng)能源的大規(guī)模生產(chǎn)使用并趨向枯竭,風電、水電、核能、地熱能、太陽能、潮汐能、生物質(zhì)能等各種新能源紛紛涌現(xiàn)，可謂天下能源群雄并起。人類必須選擇一種合適的新能源，以該能源為基礎(chǔ)創(chuàng)造一種新型能源的工業(yè)化生產(chǎn)系統(tǒng)，同時解決能源和環(huán)境這兩大問題，保證人類的可持續(xù)發(fā)展。那么何種能源將成為未來世界的主宰能源？

2 分析

1）從可持續(xù)發(fā)展的立場看，能源的最佳利用方式是生物質(zhì)能源。

地球上的能源主要有兩大類，第一類來自太陽：包括煤、石油、天然氣、生物質(zhì)能源、陽光、風流、河流、海流等。人類目前的傳統(tǒng)能源是埋藏于地下的煤、石油、天然氣等礦物能源，這是古代生物所吸收的太陽能在地球上的歷史積累，由于儲量有限，開采一點少一點。第二類來自地球內(nèi)部：包括鈾、釷、釙、氘、氚等核燃料和地熱、地震、火山等。核裂變能源在技術(shù)上可行，但地球上的核裂變?nèi)剂镶櫋⑩Q等同樣儲量有限，開采一點少一點，并且核電站的安全性和核廢料的放射性污染問題始終是人類生存的嚴重威脅，前蘇聯(lián)及日本311地震核泄露造成無數(shù)的災民無家可歸、大面積土地廢棄已經(jīng)向人類利用核能提出警示。而氘、氚等核聚變能源的利用在技術(shù)上還遙遙無期，可以預料其大規(guī)模生產(chǎn)將破壞地球生物圈的熱平衡；地熱能源亦然。

地球的生物圈夾在高溫地幔地核層和高溫大氣電離層兩團火焰之間，其厚度僅幾十公里，相對于整個地球來說顯得非常單薄脆弱，一旦被上下兩團高溫火焰淹沒，所有的生物將面臨滅頂之災。生物圈一方面接受來自太陽的光能，一方面向宇宙空間散發(fā)熱輻射，形成一個動態(tài)的熱平衡系統(tǒng)，保持著生物圈的平均溫度在15℃，適合于生物生存。礦物能源的使用，已經(jīng)使得生物圈的平均溫度有明顯上升，產(chǎn)生了嚴重的后果。核能和地熱能源的利用，將進一步把新的能源帶入生物圈，并最終以熱能的形式擴散到空氣中，這將進一步使得生物圈溫度升高，氣候變暖，無異于引火自焚。因此，新能源的開發(fā)還是要著眼于來自太陽的生物質(zhì)能源、陽光、風流、河流、海流等可再生能源，它們不會破壞生物圈的熱平衡。

根據(jù)生物圈熱平衡的理論創(chuàng)新，我們可以把能源分為三類：

①趨熱型能源，如礦物能源、核能、地熱能源，可使生物圈溫度升高。

②趨冷型能源，如生物能源，由于把太陽光變成可存儲的化學能，可使生物圈溫度降低。

③中性型能源，如水能、風能、光伏發(fā)電、太陽能、潮汐能。

在當前全球氣候變暖的威脅下，遵循生物圈熱平衡規(guī)律，優(yōu)先發(fā)展趨冷型的生物質(zhì)能源，以更多地吸收大氣中過量的二氧化碳和熱量，這應成為人類社會合理利用能源的科學共識。

水力發(fā)電技術(shù)成熟，可有效利用，但數(shù)量有限，即受地理地帶位置的限制，即使全部開發(fā)，也無法成為人類的主要能源。而且水力發(fā)電也會帶來一定的生態(tài)負面效應，埃及的阿斯旺水壩就是一個典型的實例。

風力發(fā)電將阻滯大氣層對流，破壞中國的季風性自然氣候，若大規(guī)模開發(fā)，我們將生活在一個沒有風的世界中。城市上空的污濁空氣將長時間籠罩著城市，因為沒有風吹散它們；許多依靠風力傳播花粉或種子的植物（如水稻）也將面臨繁殖困難。中國冬季盛行西北季風，夏季盛行東南季風，尤其是來自海洋的濕潤的東南季風，給中國大陸帶來大量的降水，若東南季風被大量的風力發(fā)電機攔截，中國大陸將陷入干旱的深淵，2010年受季風的影響不同地區(qū)遭遇了嚴重干旱。

而太陽能，是一種與植物爭奪陽光和土地的能源，在生物圈內(nèi)也只能是小規(guī)模的生產(chǎn)。試想：即使經(jīng)濟技術(shù)上可行，若大規(guī)模進行生產(chǎn)，地球表面上覆蓋的將不再是大面積的植物，而是大面積的太陽能平板裝置。那么，地球的生態(tài)環(huán)境必將受到毀滅性的破壞。有人主張在沙漠中搞太陽能開發(fā)，但如何保證太陽能平板不受沙漠風暴破壞和流沙掩埋卻又是一個難題，而且沙漠中特有的耐旱植物品種也將面臨浩劫之災，人類也將永遠失去把沙漠改造成綠洲的可能性。從顏色上來看，海洋是藍色，植物是綠色，沙漠荒原是黃色，而太陽能平板是黑色的，黑色幾乎不反射太陽光，所有的陽光都被吸收并最終轉(zhuǎn)化成熱能，這將間接加劇全球氣候變暖。

因此，大規(guī)模工業(yè)化的新能源開發(fā)只能著眼于地球上遼闊寬廣郁郁蔥蔥的森林、草地、農(nóng)田——生物質(zhì)能源，生態(tài)能源，通過種植植物而獲得能源，這才是人與自然和諧發(fā)展的最佳選擇。

2）利用生物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)沼氣，是大規(guī)模利用生物質(zhì)能源的最佳方向：

目前，生物質(zhì)能源的開發(fā)主要有以下五個方向：

利用含油脂的植物生產(chǎn)植物柴油。

利用植物中的淀粉和糖生產(chǎn)乙醇。

利用植物厭氧發(fā)酵分解產(chǎn)生沼氣。

利用植物高溫受熱分解產(chǎn)生可燃氣體。

利用機械方法把植物加工成固體燃料進行燃燒。

這五個方向中，前兩個方向是利用植物果實中的油脂、淀粉和糖進行能源生產(chǎn)，而植物中的油脂、淀粉和糖的含量通常不足植物整株重量的百分之十，并且是人類和動物的食物主要來源。所以，大規(guī)模進行植物柴油和乙醇的工業(yè)化生產(chǎn)將造成食物危機，能源與人類爭食物是不可行的。

在后兩個方向中，把植物加工成固體燃料，能源利用率低，且使用范圍大受限制。而植物高溫熱解氣化，則存在一定的污染，熱解燃氣熱值低，燃氣成分各不相同，也不利于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

最關(guān)鍵的原因是：前兩個和后兩個方向都是只關(guān)注如何從土地上獲得更多的生物質(zhì)能源，而沒有給土地以任何回報，若長期大規(guī)模生產(chǎn)，地球上的土壤將會越來越貧瘠！

第三個方向，利用生物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)沼氣，在獲得能源的同時，還產(chǎn)生大量有機肥料，并把植物吸收的部分二氧化碳和能源以有機肥料的形式固定到土壤中，若大規(guī)模生產(chǎn)，地球上的土壤將會越來越肥沃！大氣中的二氧化碳濃度將逐漸降低，地球的溫室氣體效應將得以緩解。沼氣不僅可實現(xiàn)零污染生產(chǎn)，還可改善自然環(huán)境，這是其他新能源所沒有的優(yōu)點。

另外,沼氣發(fā)酵幾乎適用于所有植物，不會破壞生物的多樣性，更不會因為需要種植某種特定的植物而去砍伐森林或開墾草地，避免了其他生物質(zhì)能源存在的環(huán)境隱患。

3）目前沼氣利用所存在的主要問題及解決方案。

地球陸地上每年的生物質(zhì)產(chǎn)量為1450億t，若把這些生物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，則產(chǎn)生的沼氣能源是目前全人類每年能源消耗總量的5倍。人類雖然對沼氣能源進行了積極的開發(fā)，并發(fā)明了許多有效的沼氣發(fā)酵方法和設(shè)備，但一直沒有實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。其主要技術(shù)原因有兩個：

原因一：熱值偏低。由于沼氣中含有大量二氧化碳氣體，所以沼氣是一種低熱值能源，只能滿足飲食、取暖等生活性的能源需求，無法滿足工業(yè)和交通動力設(shè)備的能源需求。因此要針對性的提純。

原因二：運輸困難。沼氣生產(chǎn)所需要的原料主要來自農(nóng)村，而能源消費的主要市場在城市，沼氣難以液化罐裝運輸，又沒有建立專門的輸氣管網(wǎng)，無法進行大規(guī)模的商品集散交易——市場交易，這是沼氣能源沒有實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵原因。

盡管如此，沼氣能源的應用技術(shù)還是在不斷發(fā)展中，現(xiàn)已經(jīng)歷了三代技術(shù)過程：第一代，普通沼氣，即直接利用沼氣作飯、取暖、照明，基本屬于自給自足型；第二代，沼氣發(fā)電，實現(xiàn)了商品化，但只有不到30%的沼氣能源轉(zhuǎn)化為電能，成本偏高；第三代，車用沼氣，把沼氣提純凈化成高熱值氣體能源，作為機動車輛燃料使用，其生產(chǎn)技術(shù)成熟，但采用容器罐裝運輸，運輸成本偏高；使用范圍狹窄，僅限于車輛燃料，銷售成本偏高。車用沼氣在歐洲已實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，德國的沼氣工廠是產(chǎn)業(yè)型的。

目前，由發(fā)明專利“人造天然氣的工業(yè)化生產(chǎn)”提出的第四代技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)，該技術(shù)以車用沼氣技術(shù)為基礎(chǔ)，把沼氣加工成天然氣，提出了人造天然氣“并網(wǎng)供氣”的工業(yè)化方案。按每畝土地每年可收獲1t植物計算，利用100萬km2的荒山荒地來植樹種草，既綠化了國土，又可每年生產(chǎn)3000億m3的人造天然氣，相當于2.5億t石油的能源，比2006年中國石油天然氣年產(chǎn)量的總和還要多。

另外，由發(fā)明專利“厭氧糧食食物及其生產(chǎn)方法”提出了一種全新的糧食生產(chǎn)方式：采用干凈的植物為原料，經(jīng)過厭氧消化發(fā)酵后，得到沼氣、沼渣和沼液，其中的沼渣和沼液就是可以食用的固態(tài)和液態(tài)糧食食物，我們稱之為沼糧和沼奶，而沼氣則是清潔的可再生能源。這意味著：即使把所有的耕地都退耕還林，通過采集森林中的樹葉、嫩枝和青草，人類也可以獲得足夠的糧食食物來養(yǎng)活自己，并同時獲得大量的沼氣能源和森林木材。若把十億畝耕地退耕還林，這十億畝森林可每年生產(chǎn)4億t糧食和5000億m3的沼氣和大量的木材。這將實現(xiàn)糧食、能源、環(huán)境的完美統(tǒng)一和可持續(xù)發(fā)展，可謂一箭三雕！中國將成為森林大國、糧食大國、能源大國，人類將重返森林。

3 結(jié)論

1）能源利用應遵循生物圈熱平衡規(guī)律、生態(tài)平衡規(guī)律。

2）沼氣是人類可持續(xù)發(fā)展的最佳能源。

數(shù)千年前，隨著野生食物的枯竭，人類的食物生產(chǎn)從狩獵時代進入了農(nóng)耕時代。現(xiàn)代，隨著能源的枯竭和環(huán)境的惡化，人類的能源生產(chǎn)必將從探礦開采時代進入現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時代。但目前可再生能源中最易實施的應是氣化技術(shù)，利用氣化技術(shù)代替工業(yè)上的燃油燃氣,我認為是目前我國及其他國家的最佳方案。氣化技術(shù)的綜合利用是關(guān)鍵，沼氣發(fā)展應該像集中供氣的方向發(fā)展，這樣有利于沼氣經(jīng)濟合理的利用。

沼氣的利用現(xiàn)在主要是以農(nóng)村家用沼氣池生產(chǎn)為主，這樣的產(chǎn)氣方式有很多優(yōu)點但是也暴露許多問題，例如產(chǎn)氣不穩(wěn)定、產(chǎn)氣量低、原料利用率低、受低溫影響較大、由于多使用濕法發(fā)酵需要大量水造成成本較高等問題使得沼氣利用并不理想。所以現(xiàn)在的研究重點在三大領(lǐng)域：即篩選培養(yǎng)廣適性的發(fā)酵微生物，并對原料進行有效預處理；研發(fā)新型的發(fā)酵裝置便于加快集中化和自動化控制；對發(fā)酵后產(chǎn)物的綜合利用。如研制開發(fā)周邊有機生物產(chǎn)品，肥料和種植的新型土壤。這將是造福子孫后代的大事。