規模化沼氣工程商業模式分析

中廣核節能產業發展有限公司 駱伍

規模化沼氣工程主要包括原料預處理系統、進料系統、厭氧發酵系統、出料系統及固液分離系統等模塊，根據沼氣、沼渣及沼液的不同應用場景，還需要新增沼氣提純系統、沼氣發電系統或好氧發酵系統等模塊。不同的模塊組合方式，將產生不同的最終產品，進而影響規模化沼氣工程的商業模式。同時，規模化沼氣工程可用的原料包括餐廚垃圾、農作物秸稈、蓄禽糞便等一系列有機廢棄物，鑒于城鎮垃圾已形成成熟的收費處置商業模式，故本文主要論述以農作物秸稈、蓄禽糞便及尾瓜尾菜等農業有機廢棄物為原料的規模化沼氣工程商業模式的優化方向。

一、規模化沼氣工程發展的意義

發展規模化沼氣工程對于我國生態文明建設、鄉村振興計劃有重要意義。規模化沼氣工程生產過程中大量使用農業秸稈，不僅可以減少秸稈直接焚燒對大氣環境的污染，也可以減少秸稈直接破碎還田對土壤土質影響和漚田后氮磷鉀析出對水體產生的面源污染；沼氣提純后生產的天然氣是優質的綠色低碳清潔能源，對于緩解我國天然氣進口依存度過高可作出重大貢獻。

二、規模化沼氣工程發展現狀

（一）國外情況介紹

瑞典是世界上首個提出要用可再生能源全部替代化石能源的國家。其以生產生物天然氣為主，主要用作車用替代燃料和注入燃氣管網，生物天然氣已滿足全國30%車用燃氣需求。根據瑞典政府計劃，到2050年，天然氣將完全由生物天然氣代替。

德國是歐洲最大的沼氣生產國，截至2018年底，德國有近10000個規模化沼氣工程，其中208個是規模化生物天然氣工程，年產沼氣200多億m3。德國政府規劃，到2030年，生物天然氣產量將達到100億m3。

（二）國內現狀分析

國內規模化沼氣工程快速發展源于2015年國家發改委和農業部聯合印發的《2015年農村沼氣工程轉型升級工作方案》。2015-2017年，中央財政分別投資10億元、7.7億元和6.9億元，在全國23個省份分別支持建設24處、22處和18處規模化沼氣工程。三年試點期間，一批實力雄厚的央企、國企和社會民營資本積極參與，引進消化了一批先進的成套技術和工業化生產設備，建成了一些示范項目，基本掌握了厭氧發酵，尤其是中溫濕式厭氧發酵的工藝流程、配套系統及項目建設和運營等方面的經驗。但通過2019年農業農村部對上述64個試點項目兩次全覆蓋摸底調研發現，22個項目進入了試運營或運營的狀態，7個項目建設完工但未投入使用，30個項目處于建設階段，5個項目尚未開工建設。總體來看，國內規模化沼氣工程發展有一定成就，但更多的是困難與挑戰。國內規模化沼氣產業尚不成熟，項目的經濟性、技術可靠性需進一步提升，商業模式需進一步探索。

三、現有商業模式存在的問題

（一）產業化基礎薄弱

目前規模化沼氣項目投產較少，投資主體不多，尚未形成專業化、一體化投資建設運行管理服務體系，以及成熟的商業化市場環境。

（二）商業模式不成熟

規模化沼氣工程涉及農業、能源、環保等領域，產業鏈較長，尚未形成成熟的商業模式。在原料收集保障方面，尚未建立“誰污染、誰付費”的由第三方專業化有償處理的機制。在產品市場方面，項目產品需要打破市場壁壘，建立多元消費體系，增強盈利水平。

（三）生物天然氣銷售市場競爭力不夠

沼氣提純后，可以達到常規天然氣的標準水平，而沼氣提純的生產成本遠高于常規天然氣，在市場上沒有價格優勢。另外，天然氣市場計劃性較強，生物天然氣工廠無法滿足天然氣市場的調峰需求。

（四）沼氣發電政策不到位

中央財政對于沼氣發電的補貼雖然覆蓋了建設階段及產品端整個生命周期，但整體補貼額度不高，且近些年存在滑坡退檔的情況。同時，電力部門在沼氣電力并網方面給予支持的優先級不夠，導致沼氣發電的經濟效益較差。

（五）生物天然氣補貼方向不明且缺乏持續性

中央財政在2015年至2017年之間通過專項資金補貼了一批規模化沼氣工程的建設投資，但此類補貼缺乏持續性。同時，中央財政之前的各類補貼均為建設補貼，缺少能夠實質性促進規模化沼氣行業發展的后補貼政策。正是這種不協調的補貼方向造成了規模化沼氣工程現在的“重建設、輕運營”的現狀。

（六）有機肥銷售困難

有機肥富含有機質和有益生物菌，可以改良土壤、抑制病蟲害。但目前農民依然過度依賴化肥。加之市場上有機肥產品種類繁多，沒有市場標準，農民難辨產品優劣。還有一些不良商販以次充好，擾亂市場，導致真正的有機肥銷售困難。

四、沼氣利用方向分析

沼氣主要有三種利用方式：提純制生物天然氣、直接用內燃機發電、沼氣鍋爐供熱。技術上而言，三種模式都非常成熟，但目前很少單純用沼氣鍋爐供熱，更多的是沼氣提純和沼氣熱電聯供。國家政策雖然在向沼氣提純方向傾斜，但具體采用哪種方式需要根據項目的具體邊界條件而定，即“宜電則電，宜氣則氣”，不能簡單說哪種模式一定好。

（一）銷售端難度

產氣與發電的投資總額基本一致，但產氣的銷售端相對更加市場化。而發電基本只能面對電網一個客戶。銷售端哪個更容易，需要結合項目地點具體考慮。

（二）氣價和電價的區域差異

在川渝地區，天然氣非常便宜，在寧夏、云南等地，上網電價非常便宜，廣東地區的電價氣價都非常高。這些地域差異會導致項目收益不同，需要具體分析。

（三）項目技術路線的差異

一般將厭氧發酵分為低溫、中溫及高溫三種路線。目前主流的技術路線為中溫或高溫，即厭氧發酵系統需持續穩定在35℃及53℃左右。因沼氣發電有余熱可供利用，故可以利用余熱來滿足系統的增溫及維溫要求，無需額外消耗燃料。產氣模式需耗費一部分沼氣來滿足系統的增溫及維溫要求，如此將降低產品數量，影響項目經濟性。故其他條件相同的情況下，高溫厭氧發酵系統更適合沼氣發電。

（四）項目地區差異

在北方地區，冬季氣溫低，結冰原料融化及厭氧發酵系統增溫維溫均需消耗較多的熱量，沼氣發電更為合適；在南方地區，尤其是廣東、廣西及海南等地區，四季溫度較高，厭氧發酵系統無需額外增溫，沼氣提純制生物天然氣更為合適。

（五）政策的變動性

沼氣發電補貼已經出現各省的政策差異，產氣補貼遲遲沒有落地，都具有不確定性。

（六）發展趨勢

考慮到我國目前的能源結構是缺氣富電，國家應該會對產氣更加提倡。長期來看，國家對天然氣的消費需求會迅速上升，而由于有火電托底，太陽能、風力發電及核電成本不斷降低，我國的電力將長期處于供大于求的狀態，允許沼氣發電上網只是因為這部分電力是污染治理的副產品，不能限制其發展，但可以從政策上鼓勵盡可能地產氣。

五、商業模式經濟性分析

（一）現有商業模式經濟性分析

以某示范項目為例，該項目以牛糞、玉米秸稈及酒糟為原料。該項目于2018年試投產后出現了連年虧損的情況。通過簡單的模型分析其原料成本及產品售價，發現高昂的原料成本是其虧損的主要原因。僅考慮原料采購成本的情況下，1m3生物天然氣的原料成本為4.02元，而該地區生物天然氣日常銷售價格約1.7-2.3元/m3。該項目以沼渣為原料，復配部分輔料制造顆粒有機肥，以其中一種技術參數為“有機質≧60%、養分≧5%、生物菌劑≧5億/克、含水率<20%”的微生物菌劑有機肥為例，其成本為1803.48元/噸，但其市場批發售價約900-1200元/噸。

（二）通過“內部收益率法”分析商業模式的優化方向

隨著國家環保要求的提升、鄉村振興的提速，環保監控將日趨嚴格，農業有機廢棄物的處置勢將會與城鎮垃圾的處置同步，達到收取處置費的條件。產品端進行財政補貼，是促進新產業發展壯大的必然路徑，如已逐漸發展成熟的陸上風電、光伏發電及正在進行后補貼的海上風電。參考以上行業的商業模式、發展歷程及規律，規模化沼氣工程后續將按照收取農業有機廢棄物處置費、產品端進行財政補貼，或者兩者并進的方式進行發展。在此我們通過“內部收益率法”按照收取處置費及產品端進行財政補貼兩個方向分別測算不同原料在某一特定條件下達到經濟可行的條件。

經濟測算的假設條件為：牛糞的物料特性是干物質（TS）含量為20%，TS產氣率為160m3/t.TS；雞糞的物料特性是干物質（TS）含量為30%，TS產氣率為350m3/t.TS；秸稈的物料特性是干物質（TS）含量為 35%，TS產氣率為 350m3/t.TS；混合原料是牛糞、雞糞及秸稈按照碳氮比為25:1的要求進行配比。生物天然氣的銷售價格按照2.2元/m3計算；有機肥均按照粉狀有機肥考慮，價格按照550元/噸計算；沼液按照前兩年免費贈送，從第三年開始按照20元/噸的價格對外進行銷售。項目按照建設期1年，運營期20年考慮；第一年達產率按照80%考慮，從第二年開始達產；10年進行一次大修。項目自身增溫維溫消耗沼氣的數量按照項目規模的15%考慮；項目投資按照自有資本金30%，其余70%通過銀行貸款的方式考慮，貸款年化利率按照6%計算。

以日產2萬m3沼氣規模為例，原料收費處置的模式下，牛糞免費處置，項目資本金IRR將達到9.13%；雞糞每噸需收取101元的處置費，秸稈每噸需收取122元的處置費，混合原料每噸需收取22元的處置費，項目資本金IRR才可以達到8%的要求。以純雞糞為原料的項目，天然氣需補貼1元/m3，有機肥需補貼180元/噸；以純秸稈為原料的項目，天然氣需補貼1元/m3，有機肥需補貼202元/噸；以混合原料為原料的項目，天然氣需補貼0.74元/m3；項目資本金IRR才可以達到8%的要求。

（三）商業模式盈利結構分析

通過分析以上數據可以看出，各類原料的經濟性從好至差分別是，牛糞、混合原料、雞糞及秸稈。造成此種情況的主要原因有兩個，第一個原因是不同原料的TS產氣率不同。產氣率越低，同等規模的項目，所需原料就更多，產出的沼渣及沼液就更多。副產品沼渣及沼液的銷售可以提升項目經濟性。第二個原因是不同物料的碳氮比不同，導致不同原料的沼液回流比例不同。比如以雞糞為原料的項目，因其碳氮比較低，不允許沼液回流，導致較多的干物質通過沼液外流，造成相同產氣率情況下，沼渣產量較少而沼液產量較多的現象。此外，以牛糞、混合原料、秸稈及雞糞為原料的項目的天然氣收入比例分別為17.43%、26.53%、37.17%及39.23%。由此可以看出，規模化沼氣工程的項目收入絕大部分來自有機肥及沼液的收入。但有機肥產品銷售困難，導致依靠市場行為無法確保規模化沼氣工程能夠可持續發展。故應在現階段充分發揮政府的統籌協調作用，通過原料收費處置或者產品端補貼的方式促進規模化沼氣工程的有序發展。

六、成功案例分析

山東某示范項目緊鄰大型養雞場，免費采用其雞糞作為原料。該項目原料充足，運行穩定，沼氣產量達到設計值。此外，該項目設計的沼液暫存池可存儲4-6個月的沼液。一般情況下，沼液以較低的價格售賣給周邊農戶，當沼液過多時，公司會免費將部分沼液送給周邊農戶。沼渣經翻拋晾干成粉狀有機肥進行銷售。通過售電、有機肥、沼液及CDM收入等，每年可實現盈利。海南某示范項目分期建設完成，一期工程2012年開工建設，規模為日產1.67萬m3生物天然氣；二期工程2016年開工建設，規模為日產1.42m3生物天然氣，并獲得中央財政補貼3375萬元。2016年，項目先后中標“海口市餐廚垃圾和糞渣無害化處理PPP項目”和“澄邁神州生物燃氣PPP項目”，在原項目基礎上擴建了餐廚和糞渣無害化處理工程，增加投資7325萬元。該項目初期設計以處理農業廢棄物為主，但投產后發現，海口地區農業集中度低，廢棄物收儲成本太高，運行狀況不佳。取得兩個PPP項目及補貼后，經營狀況得到改善。

通過這兩個成功案例，發現其商業模式的構成與我們上一章節分析的商業模式優化方向是一致的。

七、發展建議

2019年12月6日國家十部委聯合簽發《關于促進生物天然氣產業化發展的指導意見》，明確了生物天然氣產業發展目標。計劃到2025年，生物天然氣年產量超過100億m3；到2030年，生物天然氣年產量超過200億m3。由此可見國家發展規模化沼氣工程的決心很大。旨在高質量發展規模化沼氣工程，建議從以下方面進行努力：

（1）規模化沼氣工程從業者應堅決按照習近平總書記“綠水青山就是金山銀山”理論的指示，堅定信念，充分發揮沼氣工程“負碳”排放的優勢，為實現“3060目標”貢獻力量。

（2）政府應對規模化沼氣行業進行深入探索，加大支持力度，協調國家各部委、各地區盡快實現各項支持政策的落地，如制定規模化沼氣工程發展專項規劃、生物天然氣及沼氣發電優先利用政策、貸款減息貼息等信貸支持政策、生物天然氣后補貼政策等。

（3）建議政府對規模化沼氣工程所需原料的收集、儲存、運輸及利用等環節進行統籌管理，逐步建立高效的原料保障體系，建立起誰排污、誰付費，專業化農村廢棄物有償處理模式。

（4）考慮到規模化沼氣工程“兩頭靠農”的特點，建議規模化沼氣工程布局應結合不同地區畜禽糞污以及秸稈利用特點，結合區域能源環保特色、天然氣市場需求等情況進行布局。

（5）建議通過行業協會等引導規模化沼氣工程從業者加強工藝能力和人才培養，形成專家隊伍，探索建立適用于不同原料的工藝處理方案。

（6）積極引進國際上較為先進的生物質技術及生產設備，大力推動國內規模化沼氣工程的研發和創新，創造有利生產條件，快速提高國內規模化沼氣工程的裝備成熟度，促進生物質行業高效、健康、穩定發展。

（7）通過媒體宣傳、政策引導等相關方式，對生物質有機肥料進行積極推廣和宣傳，引導、促進農民觀念的更迭；并對目前國內有機肥市場進行大力整頓，優化市場環境；統一并更新有機肥相關標準，將傳統農家肥、未經充分腐熟的有機肥與同時經厭氧發酵、好氧發酵的生物有機肥的品質區分出來；降低生物質有機肥料的市場銷售難度。

相關鏈接

大中型沼氣工程技術，是一項以開發利用養殖場糞污為對象，以獲取能源和治理環境污染為目的，實現農業生態良性循環的農村能源工程技術。目前國內研發引用的沼氣工藝有分為三種。分別為CSTR，USR，UASB工藝工程。

它包括主要是通過厭氧發酵及相關處理降低糞水有機質含量，達到或接近排放標準并按括厭氧發酵主體及配套工程技術設計工藝要求獲取能源—沼氣：沼氣利用產品與設備技術，主要是利用沼氣或直接用于生活用能，或發電、或燒鍋爐、或直接用于生產供暖、或作為化工原料等：沼肥制成液肥和復合肥技術，則主要是通過固液分離，添加必要元素和成份，使沼肥制成液肥或復合肥，供自身使用或銷售。