農業生物質能溫室氣體減排潛力

霍麗麗，趙立欣，姚宗路，羅 娟，張沛禎，謝 騰，賈吉秀，鄧 云，魏欣宇

?農業生物環境與能源工程?

農業生物質能溫室氣體減排潛力

霍麗麗1,2，趙立欣1,2※，姚宗路1,2，羅 娟1,2，張沛禎1,2，謝 騰1,2，賈吉秀1,2，鄧 云1,2，魏欣宇3

（1. 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081；2. 中國農業科學院農業農村碳達峰碳中和研究中心，北京 100081；3. 農業農村部農業生態與資源保護總站，北京 100125）

中國擁有豐富的農作物秸稈和畜禽糞污等農業廢棄物資源。農業生物質能技術是促進農業廢棄物資源有效利用的重要途徑，既能夠解決農業廢棄物的環境污染問題、減少因焚燒或無序堆放排放溫室氣體，又能夠替代化石能源減排CO2、提升土壤固碳能力，未來在“雙碳”背景下發展潛力很大。該研究基于LCA全生命周期評價方法，研究8種不同生物質能技術的溫室氣體排放因子，核算農業生物質能轉化與利用過程消耗能源的排放、抵扣化石能源減排、副產物土壤碳匯3個方面，并基于秸稈和畜禽糞污兩大類農業廢棄物資源稟賦及能源化利用潛力，預測3種不同情景下，農業生物質能替代化石能源的潛力，以及減排溫室氣體的貢獻。結果表明，從減排因子看，熱解炭氣聯產和規模化沼氣/生物天然氣技術的溫室氣體減排貢獻最大。其次為成型燃料、捆燒供暖、生物質發電、炭化和燃料乙醇等技術，而戶用沼氣的減排貢獻相對較小，8種不同生物質能技術的溫室氣體排放因子分別為-3.47、-3.20、-2.57、-2.63、-2.58、-2.48、-2.42 t/t（單位為標準CO2當量/標準煤當量）；基于現有政策及規劃情景、技術水平提升情景、能源需求結構變化情景等3種不同情景下，評價農業生物質能對溫室氣體減排貢獻潛力。結果顯示，2030年農業生物質能替代化石能源潛力為6 490×104～7 664×104t，溫室氣體減排貢獻為1.97×108～2.34×108t；2060年替代化石能源潛力為9 073×104～10 763×104t，溫室氣體減排貢獻為2.79×108～3.36×108t。該研究為實現農業農村領域碳達峰碳中和目標提供數據支撐。

生物質；溫室氣體；減排潛力；農業廢棄物；秸稈；畜禽糞污

0 引 言

農業生物質能技術是解決秸稈、畜禽糞污等廢棄物資源利用的重要途徑之一，能夠有效減少農業面源污染及大氣污染，促進農業和能源的可持續發展。生物質能開發是實施鄉村振興、污染防治、能源革命等國家重大戰略的重要途徑，是中國積極應對氣候變化，實現碳達峰碳中和目標的重要手段[1-6]。《2020中國生物質發電產業發展報告》指出，生物質能在供熱、交通領域的占比和影響力遠大于其他可再生能源，預計將占到可再生能源消費增長量的30%[7]。

農業生物質能技術是可再生、可持續的零碳或負碳的能源技術，如秸稈捆燒、成型燃料、熱解炭氣聯產等供暖技術的全生命周期過程溫室氣體排放僅為煤炭的1/10～1/7，能夠顯著減少CO2排放，可為中國農村能源轉型提供可行的技術路徑[8]。生物質熱解多聯產技術生產生物炭聯產可燃氣和電力，具有較好的經濟性。其全生命周期過程為負碳排放，通過替代化石燃料及生物炭固碳的溫室氣體減排CO2當量（CO2e）總量最高可達136.45 g/MJ，可使2030年單位國內生產總值的碳排放量比2005年減少2%～61%[9]。秸稈沼氣制備生物天然氣技術在實現碳減排方面也有較好的潛力。以秸稈為原料的厭氧發酵生產生物天然氣潛力823×108m3/a，通過替代天然氣溫室氣體最大減排量1.97×108t/a，接近中國當前年溫室氣體總排放的2%[10]。相關研究表明，農業廢棄物能源化利用對碳達峰碳中和具有重要貢獻。

基于LCA全生命周期評價方法，研究成型燃料、秸稈捆燒供暖、戶用沼氣、規模化沼氣/生物天然氣、熱解氣化、炭化、生物質發電、燃料乙醇等8種不同農業生物質能技術的溫室氣體排放因子。分析農業生物質能溫室氣體排放現狀，基于農業廢棄物農用優先原則，即滿足農業生產肥料化及飼料化利用的前提下，預測3種情景下農業生物質能規模，評價秸稈、畜禽糞污為原料的農業生物質能替代化石能源潛力及減排溫室氣體貢獻，為實現農業農村領域碳達峰碳中和目標提供數據支撐。

1 評價方法

溫室氣體排放核算基于政府間氣候變化專門委員會（IPCC）出版的《2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories》[11]建立的框架體系。溫室氣體包含CO2、CH4、N2O三類，參考《IPCC第四次評估報告》100年時間尺度下的全球增溫潛勢（GWP，Global Warming Potential）分別為1、21和310[12]。基于LCA全生命周期評價方法[13]，考慮生物質能加工轉化與利用過程的能源消耗、生物質能替代化石能源以及生物質能加工轉化與利用過程產生的副產物還田碳匯三方面的溫室氣體排放或減排量。生物質能加工轉化與利用過程的化石能源（煤炭、石油、天然氣等）、電力等消耗溫室氣體排放，基于前期研究建立的全生命周期過程評價模型進行測算[14]；生物質能替代化石能源，即在沒有生物質能情況下的化石燃料使用的溫室氣體排放；副產物還田碳匯為有機碳還田固碳的碳匯。

1）農業生物質能溫室氣體減排量

式中GF為農業生物質能溫室氣體減排量，t（CO2當量，下文涉及溫室氣體同）；CF為替代化石能源溫室氣體減排量，t；HF為農業生物質能加工轉化與利用過程溫室氣體排放量，t；CH為副產物還田碳匯減排量，t。

2）農業生物質能轉化與利用過程溫室氣體排放

主要包括CO2、CH4、N2O三類排放源，CO2當量為3類溫室氣體排放量與增溫潛力系數乘積之和。

3）副產物還田碳匯

4）替代化石能源溫室氣體減排量

2 排放因子與情景設定

2.1 邊界設定

研究對象為以秸稈、畜禽糞污為主要原料的農業生物質能技術。生物質燃燒過程CO2的排放與生物質生長過程所吸收的相抵消，生物質能在燃燒利用過程中產生的CO2不計入溫室氣體排放中。農業生物質能的溫室氣體源主要包括農業廢棄物能源轉化與利用過程所消耗外部能源的排放、抵扣化石能源減排、副產物土壤碳匯等3個部分。排放源主要考慮從農業廢棄物原料收儲、加工轉化到能源產品終端應用，以及副產物利用等全鏈條外部能源消耗的溫室氣體排放；替代化石能源主要考慮替代煤炭等化石能源的溫室氣體排放；副產物土壤碳匯主要是炭氣聯產、沼氣等技術的副產物（如生物炭、沼渣沼液）還田固碳能力。本研究未考慮副產物堆肥還田腐解過程N2O排放，IPCC指南將其納入土壤有機質分解N2O排放范疇。

2.2 排放因子

替代化石能源采用抵扣煤炭（折合標準煤，下文涉及化石燃料單位均以標準煤當量表示）的熱量計算，基于原煤的CO2排放因子測算，單位熱值含碳量為26.37 g/MJ，碳氧化率為0.94。基于《2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories》[11]，原煤的CO2排放系數為90.89 g/MJ，CH4和N2O排放量較小，忽略不計；1t標準煤單位熱量為29 307.6MJ，折合2.663 7 t/t（單位為標準CO2當量/標準煤當量）排放。

農業生物質能技術主要包括成型燃料、捆燒供暖、戶用沼氣、規模化沼氣/生物天然氣、熱解氣化或炭化、生物質發電、燃料乙醇等。相關文獻已分析不同技術溫室氣體排放量，但由于核算邊界不統一、輸入排放參數不一致等，導致其能源轉化與利用過程的排放量差別較大。為統一核算數據，本研究基于全生命周期評價方法，采用前期研究建立的評價模型，評價不同農業生物質能利用技術的溫室氣體排放量[8,14]。生物質能源加工轉化與利用過程考慮了從農業廢棄物的收儲運、能源加工轉化和利用，以及副產物堆肥還田全生命周期階段直接使用的能源（煤炭、石油、電力等）開采與生產過程的溫室氣體排放。研究未考慮土地利用變化，作物種植、畜禽養殖過程的能耗、能源轉化，利用的廠房建設與設備加工制造的能耗，供暖供氣管網和用戶用能設施加工及安裝的能耗，以及用戶使用損失的能量。基于2019年已有工程的應用規模和技術水平測算，不同農業生物質能利用技術的溫室氣體排放因子有差異，成型燃料、捆燒供暖、炭化燃料、生物質發電、燃料乙醇、沼氣/生物天然氣、熱解炭氣聯產技術的能源轉化與利用過程的溫室氣體排放量分別為6.19、2.86、8.52 、2.98、9.00、9.49和10.0 g/MJ。此外，由于規模化沼氣/生物天然氣和熱解炭氣聯產的副產物沼渣沼液、生物炭具有還田固碳能力，2項技術的溫室氣體減排潛力相比其他技術優勢明顯。不同技術的溫室氣體排放因子詳見表 1[1.8-11,14-16]。

2.3 情景設定

情景一為基于現有政策及規劃情景。基于農業生物質能資源現狀與潛力，以及2015—2019年生物質能增速及有關政策及規劃，分析預測未來農業生物質能的規模潛力，生物質能規模增加到農業廢棄物能源化利用潛力的最大值，且后續保持規模穩定。

情景二在情景一的基礎上，考慮了技術水平提升的情景。在2015—2019年生物質能增速及有關政策和規劃基礎上，各類生物質能技術水平也將提升。隨著生物質能規模化利用，成型燃料/捆燒供暖的能源轉化效率將進一步提升[17-21]，沼氣/生物天然氣將從低濃度厭氧發酵向高濃度或干法發酵轉變[22-24]，生物質發電將從直燃發電向熱電聯產轉變[25]，熱解氣化將從傳統低值氣化向高值燃氣或炭氣聯產轉變[26-28]，燃料乙醇將從淀粉糖類乙醇向纖維素乙醇轉變[29-32]。研究假設從原料收儲、能源加工轉化與應用全鏈條的凈能量轉化率2025年提升3%～6%，2030年提升5%～10%，2060年提升10%～20%。

情景三在情景二基礎上，考慮了能源需求結構變化的情景。考慮了生物質能技術水平提升，同時基于不同生物質能技術成熟度，考慮了在碳達峰碳中和目標下未來能源結構的需求，生物質能技術仍然呈現多元化發展，在非電領域應用將進一步增強，將從傳統的固體燃料向清潔燃氣和液體燃料轉變。

表1 農業生物質能技術的溫室氣體排放因子

3 農業生物質能利用現狀與潛力

3.1 農業廢棄物資源現狀與潛力

3.1.1 農作物秸稈

農作物秸稈資源統計范圍包含早稻、中稻和一季晚稻、雙季晚稻、小麥、玉米、馬鈴薯、甘薯、花生、油菜籽、大豆、棉花、木薯、甘蔗等13個種類。據農業農村部門統計，2015—2019年，全國農作物秸稈理論資源量約8.05×108～10.43×108t（風干，含水率為15%）。其中，能源化利用1.03×108～1.15×108t。據中國統計年鑒數據顯示，中國耕地總面積基本穩定在1.20×108hm2以上，糧食播種面積穩定在1.1×108hm2以上，棉花、油料、糖料等播種面積約0.178×108hm2。根據中國“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要，“十四五”期間，為保障糧食安全，糧食產量要實現穩中有增，年產量穩定在6 500×108kg以上。根據現有農業相關規劃和政策，未來中國秸稈資源總量也將基本保持穩定，假設未來秸稈產生量按9.0×108t計。基于已有研究預測的“五料化”利用量，秸稈能源化利用潛力約1.20×108t[33]。本研究基于此結論，假設未來秸稈能源化利用量1.20×108t，并保持穩定不變。2015—2060年，全國秸稈能源化利用量變化如圖1所示。

2015—2019年，秸稈綜合利用率從2015年的80.1%增加到2019年的86.7%[34]，年均增速1.65%。“十四五”期間，國家將進一步加大對秸稈綜合利用的資金投入，持續提升秸稈綜合利用水平，預計秸稈綜合利用率將保持穩定增加。2015—2019年以秸稈為原料的農業生物質能的增速約為15%，根據該增速，到2028年可實現秸稈清潔能源化利用水平達到1.20×108t。

3.1.2 畜禽糞污

根據第二次全國污染普查獲得的產排污系數測算[35]，2015年中國主要畜禽的畜禽糞尿產生量約為17.1×108t，其中生豬、奶牛、肉牛、蛋雞、肉雞和羊的糞尿產生量分別為6.32×108、1.84×108、4.90×108、0.91×108、1.77×108和1.36×108t。

基于中國農業科學院農業經濟與發展研究所與國際食物政策研究所（IFPRI）共同開發的中國農業產業模型（China Agriculture Sector Model，CASM），預測畜禽農產品增長率變化趨勢，中國畜產品總產量在2020—2060年呈增加趨勢。其中，豬肉年均產量增長0.9%，牛肉、羊肉和禽肉均為1.1%，禽蛋、奶和水產品分別為0.5%、1.5%和0.7%。據此預測，中國畜禽糞污資源量到2025年可達17.91×108t，2030年18.94×108t，2060年22.16×108t。

2015—2019年，畜禽糞污利用率從60%增加到75%，能源化利用量約4 000×104～5 000×104t。根據《國務院辦公廳關于促進畜牧業高質量發展的意見》（國辦發〔2020〕31號）發展目標，到2025年畜禽糞污利用率可超過80%。基于畜禽養殖規模、農業面源污染防治、種養循環利用及生物天然氣發展等相關政策措施預測，到2025年，畜禽糞污能源化利用量約為1.1×108t，占總資源量約6.1%；到2030年畜禽糞污能源化利用量2.12×108t，占總資源量約11.2%；到2060年畜禽糞污能源化利用量為3.27×108t，占總資源量約15.3%。畜禽糞污能源化利用量變化如圖1所示。

3.2 農業生物質能利用現狀

農業生物質能清潔利用技術主要包括成型燃料、捆燒供暖、沼氣、熱解氣化、炭化、生物質發電、燃料乙醇等。以上各類技術利用現狀見表2，數據來源于中國統計年鑒、農業農村部秸稈資源數據和畜禽糞污產排污系數，以及中國農業科學院農業經濟與發展研究所作物種植及畜禽養殖等農產品產量數據預測。成型燃料、生物質發電的產業規模僅為以秸稈等農業廢棄物為原料，不含林業剩余物為原料規模；規模化沼氣/生物天然氣按沼氣量計，1 m3生物天然氣折合1.69 m3沼氣；燃料乙醇包含以木薯、甜高粱等能源作物及秸稈纖維素為主要原料生產的燃料乙醇，不含陳化糧原料。成型燃料、捆燒供暖、規模化沼氣/生物天然氣、炭化燃料數據來源于農業農村部門全國農村可再生能源統計，生物質發電、燃料乙醇數據來源于國家能源部門公開報道數據。此外，中國農村地區仍有大量的秸稈直接作為家庭生活能源使用，是傳統的農村能源利用方式之一。農業生物質能產業規模現狀，如圖2所示。自2012年以來，農業生物質能產業規模總量呈現先減少后逐漸增加趨勢，折合能源量從2012年的1 563×104t增加到2019年的1 780×104t，增加比例約14%。

表2 農業生物質能利用現狀

與2012年比，2019年農業生物質能規模總量增加不大，但能源結構發生較大變化，從農村戶用向規模化應用轉變，戶用規模顯著減少，規模化應用逐漸增加。大型沼氣/生物天然氣、生物質發電和成型燃料利用規模顯著增長，戶用沼氣、中小型沼氣工程，以及傳統熱解氣化工程逐漸減少。以農業廢棄物為原料的規模化沼氣/生物天然氣使用量占農業生物質能源的比例，從2012年的4.6%增加到2019年的7.5%，生物質成型燃料能源占比從6.7%增加到17.8%，生物質發電占比從3.7%增加到10.2%。燃料乙醇、秸稈炭化等技術應用規模略有增加，而戶用沼氣能源占比從43.6%降低到16.0%。

生物質成型燃料技術在2007年建成了第一個自動化生產示范工程，隨后在各地逐步推開，近年來，成型燃料產量顯著增長，從2010年約300×104t提高到2019年的1 095×104t。截至2019年底，中國秸稈成型燃料加工點共2 360處，產品主要用于中小型鍋爐供熱、發電和村鎮炊事取暖用能等。

近年來秸稈捆燒直燃供暖技術應用逐漸增加。截至2019年，遼寧、黑龍江、河北、山西、吉林等省建成秸稈捆燒供暖試點178處，供暖戶數7.89×104戶，供暖面積701.95×104m2，為鄉鎮機關單位、農村社區、學校、相關企業等實現了集中供暖。

沼氣技術不斷進步。據農業農村部門統計，2019年，戶用沼氣池數量3 380.27×104戶；以農業廢棄物為主要原料的沼氣工程10.265×104處，總池容2 197.81×104m3，供氣戶數917.21×104戶，裝機容量341 476.8 kW。其中，生物天然氣工程44處，池容104.67×104m3，年產生物天然氣19 649.44×104m3，進管網2 894.14×104m3，進加氣站5 755×104m3。沼氣工程消耗的原料以畜禽糞污和秸稈為主。其中，畜禽糞污原料使用量最高，約為1.74×108t；秸稈原料使用量約為779×104t；其他有機廢棄物使用量約為562×104t。

中國生物質熱解氣化技術始于20世紀80年代初期，近年來技術水平不斷提升并逐漸顯現出優勢，熱解氣熱值比傳統氣化燃氣高4～5倍，生物炭還可以還田固碳、改善土壤質量。2019年，國內熱解氣化集中供氣工程376處，運行數量196處，供氣戶數1.85×104戶；熱解炭化工程91處，年產生物炭34.28×104t。

生物質發電以直燃發電為主，主要包括農林生物質發電，垃圾焚燒發電和沼氣發電。2019年，中國生物質發電累計裝機2 408×104kW，其中農林生物質發電裝機容量為1 107×104kW，占發電裝機總容量的46%，發電量約427.7×108kWh，約占生物質發電總量的38.5%。農林生物質發電中以秸稈等農業廢棄物為原料的發電量約占一半。

燃料乙醇生產主要以淀粉、糖類轉化乙醇為主。2019年，中國燃料乙醇年產能270×104t，以玉米、小麥等陳化糧為主，少量以木薯、甜高粱等非糧作物為原料。以秸稈等纖維素類原料生產燃料乙醇尚處于示范推廣階段，示范規模年產約5×104t。目前，以木薯、甜高粱、秸稈等為原料生產燃料乙醇占比約為20%。

3.3 農業生物質能利用潛力

為預測未來農業生物質能利用潛力及溫室氣體減排貢獻，基于現有生物質能增速與激勵政策、技術進步以及能源結構變化等不同因素，分別分析了3種情景下的不同技術類型的農業生物質能規模。

情景一，基于2015—2019年生物質能增速及現有政策或規劃進行預測。成型燃料、捆燒供暖，以及直燃發電技術規模化應用，基于秸稈綜合利用及生物質發電項目建設方案等現行相關激勵政策，按照到2028年秸稈清潔能源化利用水平達到1.20×108t的年均增速計算，預計到2025年成型燃料和捆燒供暖用量將達到1 501×104t，農業生物質發電量將達到541.5×108kWh；基于秸稈資源量限制，到2030年成型燃料和捆燒供暖規模將達到1 810×104t左右，農業生物質發電將達到600.0×108kWh左右。

沼氣技術正在逐步向生物天然氣、沼氣發電等特大型工程及大型沼氣工程應用轉變，戶用沼氣量逐步萎縮，年均減少18.2%。根據中國不同區域氣候特征、養殖習慣、戶用沼氣適宜性及使用壽命，西南地區戶用沼氣仍有一定存量，其他地區戶用沼氣量將進一步下降，預計到2025年戶用沼氣產量將減少到17×108m3，到2030年將減少到6×108m3。根據《關于促進生物天然氣產業化發展的指導意見》（發改能源規〔2019〕1895號）規劃，到2025年生物天然氣產量將達到100×108m3，到2030年將達到200×108m3。基于沼氣發電上網相關激勵政策下，沼氣發電年均增長速度為72.6%，近日國家發展改革委等三部門聯合發布《2021年生物質發電項目建設工作方案》，安排農林生物質發電及沼氣發電競爭配置項目補貼資金3億元，預計沼氣發電規模將持續增長。基于現有增長速度測算，到2025年用于發電的沼氣量將達到143×108m3，到2030年將達到286×108m3。中國沼氣生產主要以畜禽糞污、農作物秸稈為主要原料，極少部分采用其他有機廢棄物為原料。因此，本研究未考慮其他有機廢棄物為原料的沼氣規模。根據現有規模預測，基于秸稈和畜禽糞污的可利用資源量，測算未來規模化沼氣/生物天然氣工程年均增長比例約5%。預計到2025年沼氣量將達到332×108m3，到2030年將達到650×108m3。

生物質熱解氣化技術逐漸從單項產品技術轉向炭氣聯產技術，轉化效率和產品質量得到顯著提升。2018年相關部門出臺了《關于開展秸稈氣化清潔能源利用工程建設的指導意見》，一定程度上激勵產業規模逐步擴大。2019年熱解氣化工程產氣量約15×104m3，比2015年增加約15%，年均增速約6.1%。根據該增長速度測算，預計到2025年熱解氣產量將達到22×104m3，到2030年將達到30×104m3。

燃料乙醇目前主要以陳化糧為原料，少部分采用木薯、甜高粱等原料。2017年多部委聯合印發的《關于擴大生物燃料乙醇生產和推廣使用車用乙醇汽油的實施方案》指出，到2025年，力爭纖維素乙醇實現規模化生產，先進生物液體燃料技術、裝備和產業整體達到國際領先水平，形成更加完善的市場化運行機制。近年來，中國燃料乙醇產量逐步增加，年均增速為7.1%。根據現有規模和增速測算，預計到2025年產量將達到419×104t，到2030年將達到591×104t。若以秸稈等農業廢棄物和木薯、甜高粱為原料的非糧燃料乙醇占比20%，且假設燃料乙醇增量均以秸稈為原料，到2025年和2030年燃料乙醇產量分別達到83.8×104t和118.2×104t。

2060年規模預測，基于根據農業廢棄物可利用資源情況，假設2060年農業廢棄物資源基本實現全量利用，基于2030年規模按線性比例增加，直至農業廢棄物能源化利用達到預測量。以秸稈為原料的生物質能利用量將保持在約1.20×108t，以畜禽糞污為原料生物質能原料利用的增長率約54%，畜禽糞污能源化利用量從2030年的2.12×108t增加到2060年的3.27×108t。2060年，成型燃料/捆燒供暖規模約1 800×104t，沼氣/生物天然氣規模將增加到1 000×108m3，熱解氣化/炭氣聯產技術達35×104m3，生物質發電690×108kWh，燃料乙醇136×104t。

情景一，替代化石能源潛力預測，2025年為4 055×104t，2030年為6 490×104t，2060年為9 073×104t；比2015年分別增加2 575×104、5 010×104和7 594×104t。

情景二，基于情景一的技術水平提升情景下，通過秸稈、糞污等原料的存儲質量與效率提升、收儲過程能耗減少、能源加工轉化及利用效率提高等途徑，生物質能的凈能量轉化率將不斷增加，基于現有技術水平及前沿技術進展，設定了不同技術在不同階段的凈能量轉化率增量，詳見表3。情景二替代化石能源潛力預測，2025、2030和2060年農業生物質能源替代化石能源潛力分別為4 097×104、6 895×104和10 551×104t；比2015年分別增加2 617×104、5 415×104和9 071×104t。

情景三，能源結構變化情景下，結合“雙碳”目標，預測生物質能將逐步向氣體燃料、液體燃料轉化應用。情景三替代化石能源潛力預測，2025、2030和2060年農業生物質能源替代化石能源潛力分別為4 240×104、7 664×104和10 763×104t；比2015年分別增加2 760×104、6 184×104、9 284×104t。

3種情景下替代標煤量如圖3所示。3種情景下的各類農業生物質能規模詳見表4。2019年，全國能源消費總量為48.7×108t36]，預計2030年將達到60×108t[37]。2019年農業生物質能約占全國能源消費總量的0.36%，預計到2030年占比將達到1.1%～1.3%。

表3 農業生物質能技術凈能量轉化率增量[8,14,16-30]

圖3 農業生物質能替代化石能源潛力

2019年，農業生物質能中固體類燃料用于熱能或電力的比例約為44%、氣體燃料為53%、液體燃料為3%。未來基于情景一預測，2030年農業生物質能中固體類燃料用于熱能或電力約占24%、氣體燃料占74%、液體燃料占2%。到2060年，固體類燃料用于熱能或電力約占19%、氣體燃料占80%、液體燃料占1%。基于情景三預測，2030年生物質能源結構規模分別為固體類燃料用于熱能或電力約占19%、氣體燃料占79%、液體燃料占2%。到2060年，固體燃料占比將顯著降低，能源結構比例固體類燃料轉化熱能或電力約11%、氣體燃料占87%、液體燃料占2%。如圖4所示。

表4 不同情景下農業生物質能規模預測

未來生物質能中沼氣/生物天然氣、熱解氣等清潔燃氣類產品將占主導地位。基于情景三預測2025年、2030年、2060年清潔燃氣分別為2 634×104、5 826×104、8 968×104t，分別是2015年的2.5、5.6、8.6倍。生物質發電規模顯著增加，2025年、2030年、2060年分別為685.5×104、774.3×104、932.8×104t，分別是2015年的4.2、4.7、5.7倍。燃料乙醇規模顯著增加，2025年、2030年、2060年分別為82×104、152×104、171×104t，分別是2015年的2.1、3.8、4.3倍。固體類燃料呈先增后減的趨勢，2025年、2030年、2060年分別為695.6×104、692×104、287×104t，分別是2015年的3.0、3.0、1.2倍。

4 農業生物質能溫室氣體減排貢獻

如圖5所示，情景一替代化石能源減排溫室氣體潛力預測，2025、2030和2060年替代化石能源CO2減排量分別為1.19×108、1.96×108和2.79×108t，比2015年減排量增加1 470×104、8 105×104和14 885×104t。情景二替代化石能源減排溫室氣體潛力預測，2025、2030和2060年替代化石能源CO2減排量分別為1.20×108、2.09×108和3.25×108t，比2015年減排量增加1 577×104、9 348×104和19 489×104t。情景三替代化石能源減排溫室氣體潛力預測，2025、2030和2060年替代化石能源CO2減排量分別為1.25×108、2.34×108和3.35×108t。比2015年減排量增加2 034×104、11 660×104和20 551×104t。

基于情景三農業生物質能規模，到2030年生物質能溫室氣體減排總量2.34×108t。其中，沼氣/生物天然氣、熱解氣等生物質類燃氣溫室氣體減排量為1.93×108t，生物質發電溫室氣體減排量為0.20×108t，成型燃料/捆燒供暖的溫室氣體減排量為0.18×108t，燃料乙醇溫室氣體減排量為0.03×108t。到2060年生物質能溫室氣體減排量為3.35×108t，其中，沼氣/生物天然氣、熱解氣等生物質類燃氣的溫室氣體減排量為3.0×108t，生物質發電溫室氣體減排量為0.24×108t，成型燃料/捆燒供暖的溫室氣體減排量為0.07×108t，燃料乙醇溫室氣體減排量為0.04×108t。

三種情景比較可知，情景三的溫室氣體減排量2025、2030、2060年分別比情景一增加4.7%、19.2%和20.3%，比情景二增加3.5%、11.2%和2.0%，可見，技術水平提升對農業生物質能替代化石能源及溫室氣體減排具有重要作用。預測2030年農作物秸稈能源化利用的資源潛力為1.2×108t，約占秸稈資源總量的13.3%。

國內外相關研究多為單項技術應用的減排潛力研究[1,6,8,10]，本研究綜合評價了不同農業生物質能技術規模和減排固碳潛力，較為科學保守的預測了農業生物質能發展潛力，可為中國可再生能源發展提供一定的支撐依據。

2019年中國CO2排放總量為98.26×108t[38]，農業生物質能替代化石能源可減排約0.5%的CO2當量。預計到2030年中國溫室氣體排放總量為160×108～180×108tCO2e[39-40]，農業生物質能替代化石能源可減排約1.8%～2.0%的CO2當量。

5 結 論

1）農業生物質能既能作為清潔可再生能源替代化石燃料推動能源碳強度下降，又能通過副產物還田利用形成土壤碳匯實現負碳排放，減排固碳潛力巨大。對8種不同的農業生物質能技術的溫室氣體排放因子進行測算得出，熱解炭氣聯產、沼氣生物天然氣的溫室氣體減排貢獻最大，其次是成型燃料、捆燒供暖、生物質發電、炭化及燃料乙醇等技術，最后是戶用沼氣技術。沼氣/生物天然氣和熱解氣化技術的溫室氣體減排量分別為3.47和3.20 t/t。成型燃料、捆燒供暖、生物質發電、燃料乙醇技術的溫室氣體減排量分別為2.57、2.63、2.58、2.48、2.42 t/t。戶用沼氣的溫室氣體減排量為1.95 t/t。

2）通過設定的3種不同情景下，農業生物質能對減排溫室氣體貢獻潛力較大，2030年農業生物質能替代化石能源的潛力為6 490×104～7 664×104t，溫室氣體減排貢獻為1.97×108～2.34×108t；2060年替代化石能源的潛力為9 073×104～10 763×104t，溫室氣體減排貢獻為2.79×108～3.36×108t。

3）研究基于農業廢棄物農用優先原則，較為保守地預測了農業廢棄物能源化利用潛力。預測2030年農作物秸稈能源化利用的資源潛力為1.2×108t，約占秸稈資源總量的13.3%；畜禽糞污能源化利用的資源潛力為2.12×108t，約占畜禽糞污資源總量的11.2%；到2060年，農作物秸稈資源能源化利用潛力將穩定不變，畜禽糞污能源化利用量增加到3.27×108t，約占畜禽糞污資源總量的15.3%。

4）研究不足之處在于，農業生物質能的原料范疇僅考慮了13類農作物的秸稈資源量和主要畜禽品種的糞污資源量，未考慮雜糧、麻類、糖料、煙葉以及香蕉等其他秸稈，未考慮蔬菜尾菜、果樹剪枝，以及稻殼、花生殼、玉米芯等農業生產與加工過程的剩余物資源量；同時，農業生物質能規模未考慮邊際土地能源作物的生產潛力。因此，農業廢棄物資源仍有較大的生物質能利用空間，農業生物質能蘊含巨大的替代化石能源潛力以及溫室氣體減排潛力。另外，下一步仍需對潛力評價結果的不確定性進一步分析。

【致謝】感謝中國農業科學院農業經濟與發展研究所張玉梅研究員在作物種植及畜禽養殖等農產品產量數據預測方面給予的支持；感謝農業農村部門在秸稈資源與利用現狀數據、以及畜禽糞污產排污系數等方面給予的支持。

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Potentiality of agricultural biomass energy for greenhouse gas emission reduction

Huo Lili1,2, Zhao Lixin1,2※, Yao Zonglu1,2, Luo Juan1,2, Zhang Peizhen1,2, Xie Teng1,2, Jia Jixiu1,2, Deng Yun1,2, Wei Xinyu3

(1.100081,100081,100125,

Agricultural wastes are cost-effective, renewable, and abundant in China, such as crop straw and livestock manure. Biomass energy technologies can be widely utilized for the effective disposal of agricultural waste resources. The environmental pollution of agricultural wastes can be reduced by the emission of greenhouse gas (GHG), due to the traditiopnal incineration or disorderly stacking. It is also likely to replace fossil energy for much fewer CO2emissions during soil carbon sequestration in the future. In this study, a systematic evaluation was made for the potential reduction in the GHG from the agriculture biomass energy, according to the “2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories” and the Life Cycle Assessment (LCA). The GHG emission factors were also calculated in the eight biomass energy technologies from the three scenarios, including the energy consumption emissions during the conversion and utilization of agricultural biomass energy, the deduction of fossil energy emissions reduction, and the carbon sinks of by-products to the soil. The potential of agricultural biomass energy to replace fossil energy and the contribution of GHG emission reduction were then predicted under three scenarios using the resource endowment and energy utilization of straw and livestock manure. The results showed that the largest contributions of GHG reduction were achieved by the pyrolysis of carbon gas for cogeneration, and large-scale biogas/biogas, followed by the molding fuels, bundle heating, biomass power generation, carbonization, and fuel ethanol. There was only a relatively small contribution of household biogas to the emissions reduction. The contributions of GHG emission reduction were 3.47, 3.20, 2.57, 2.63, 2.58, 2.48, and 2.42 t/t for the eight technologies of biomass energy, respectively. The potential of agricultural biomass energy to the reduction of GHG emissions was evaluated under three scenarios, including the existing policies and planning, technological improvement, as well as the energy demand structure. It was found that the potential to replace fossil energy in 2030 and 2060 were 6 490×104-7 664×104t and 9 073×104-10 763×104t, respectively, where the contributions of GHG emission reduction were 1.97×108-2.34×108t and 2.79×108-3.35×108t, respectively. Based on the principle of agricultural waste priority, the energy utilization potential of agricultural waste was predicted conservatively. It is predicted that the energy utilization potential of crop straw in 2030 will be 1.2×108t, accounting for 13.3% of the total straw resources. The resource potential of energy utilization of livestock manure was 2.12×108t, accounting for 11.2% of the total resources of livestock manure. By 2060, the energy utilization potential of crop straw resources will remain stable, and the energy utilization amount of livestock manure will increase to 3.27×108t, accounting for about 15.3% of the total livestock manure. Agricultural biomass energy can not only replace fossil fuels as a clean and renewable energy, promote the reduction of energy carbon intensity, but also through the return of by-products to the field, improve soil carbon sink, achieve negative carbon emissions, GHG emission reduction potential is huge. The research provides data support for achieving the goals of carbon peak and carbon neutral in agriculture and rural areas.

biomass; GHG; emission reduction potential; agricultural waste; straw; livestock manure

霍麗麗，趙立欣，姚宗路，等. 農業生物質能溫室氣體減排潛力 [J]. 農業工程學報，2021，37(22)：179-187.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.020 http://www.tcsae.org

Huo Lili, Zhao Lixin, Yao Zonglu, et al. Potentiality of agricultural biomass energy for greenhouse gas emission reduction[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(22): 179-187. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.020 http://www.tcsae.org

2021-08-30

2021-10-01

中國農業科學院科技創新工程；財政部和農業農村部：國家現代農業產業技術體系資助（CARS-02）

霍麗麗，博士，高級工程師，研究方向為農業廢棄物能源化利用。 Email：huolili666@126.com

趙立欣，研究員，研究方向為農業廢棄物清潔利用技術。Email：zhaolixin5092@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.020

X712，TK6

A

1002-6819(2021)-22-0179-09