综述：城市环境中可再生能源技术的寿命终结——欧盟安装趋势、材料与最佳实践现状

本综述系统分析了欧盟沼气与生物甲烷市场的现状，聚焦（biogas）和（biomethane）的生产消费动态、政策框架及技术挑战。重点探讨了气体质量要求、基础设施整合障碍及减排潜力，为可再生能源气体在交通和能源领域的应用提供了关键见解。

　　

Abstract

本文概述了欧洲沼气与生物甲烷市场的现状，涵盖生产消费动态、法律政策框架及技术挑战。研究重点在于整合沼气与生物甲烷至现有运输系统所需的气体质量要求。基于研究，本文旨在全面评估欧盟沼气与生物甲烷部门在当前立法下的发展机遇与条件。市场环境、供需潜力、生产者支持计划以及生产、分配与运输法规均在研究中被纳入考量。注入沼气至气体运输系统的技术问题，如气体成分（composition of biogas and biomethane），被识别为生物甲烷市场发展的主要技术、经济与监管障碍。

Introduction

欧盟沼气与生物甲烷市场的发展受各成员国国家政策驱动。2022年，欧洲市场供应了223 TWh（相当于210亿立方米）。至2050年，生物甲烷可能提供高达1670亿立方米，覆盖欧洲气体需求的35–62%。可再生能源气体，包括沼气与生物甲烷，正成为未来能源结构的关键组成部分。它们的实施与液化天然气（LNG）进口的增加将通过减少欧洲对俄罗斯天然气进口的依赖来增强供应安全性。此外，这将显著贡献于2030年减排目标及2050年综合零净排放系统。2021年，欧盟委员会提出通过将生物甲烷整合入气体传输系统来实现气体市场脱碳的提案。生物甲烷生产近年来显著增长，2023年生物甲烷工厂数量较2021年增加了30%。2023年，欧洲生产了49亿立方米生物甲烷，拥有1322家生物甲烷工厂（数据截至2023年4月）。这强烈表明行业正努力增加生物甲烷产量并鼓励进一步发展，以实现REPowerEU计划中提出的2030年350亿立方米的目标。

欧盟成员国的生物甲烷政策因其在交通用途上的兴趣而异。早期，焦点更多集中于使用沼气与生物甲烷生产电力与热能。使用生物甲烷于交通的积极趋势日益明显。2022年，生物甲烷约占欧盟交通气体总量的20%，并日益成为欧洲车辆的常见燃料替代品。

重型车辆约占欧盟道路运输排放的25%，占欧盟总排放的6%。这一数字预计在2030年上升至32%。为减少气候变化影响及颗粒物排放，交通部门正在创新并加强液化天然气（LNG）的使用，这对沼气份额（尤其是液化生物气体（LBG）形式）具有积极影响。压缩生物气体（CBG）与LBG被视为交通部门的可能解决方案。沼气部门的一个关键优势在于充足的加油基础设施。

沼气是一种来自厌氧消化的可再生能源。它是多种气体的混合物，主要成分为甲烷（CH₄）和二氧化碳（CO₂），并含有少量氮气（N₂）、氢气（H₂）及痕量硫化氢（H₂S）。沼气组成通常为50–60% CH₄与30–50% CO₂，并含有少量污染物如氨、硫化合物及硅氧烷。沼气因CH₄含量而具有高 calorific value，但杂质如一氧化碳（CO）、CO₂、N₂、水蒸气（H₂O）、H₂S及氨（NH₃）定义了其生产潜力。沼气的 calorific value（12–20 MJ/kg）低于甲烷（50–55 MJ/kg）与天然气（42–55 MJ/kg）。

沼气通常由废弃物、副产品或作物生产。它用于电力与热能生产，并可加工成“可再生天然气”，即生物甲烷。它可在未经预处理的情况下用于家庭，或可压缩为生物甲烷。欧盟沼气部门因成本降低而近期显著发展。2020年，全球生产了约380亿立方米沼气。主要生产地区为欧洲（53%）、亚洲（32%）及美洲（13%）。沼气生产成本主要取决于所用技术，范围在0.11至0.71美元/立方米。预计至2040年，将生产超过11,630 TWh沼气，成本低于0.33美元/立方米。全球对沼气与生物甲烷的需求预计显著增长，2024–2030年间估计增长30%，至2030年达到每年590亿立方米。

生物甲烷，或称可再生天然气（RNG），是从生物质与废弃物中获得的气体，甲烷含量达97%，经处理去除杂质。在沼气处理系统中获得适当质量后，生物甲烷等同于天然气，因此气体传输系统被考虑用于其运输。生物甲烷可替代天然气，注入传输系统网络或压缩（压缩生物气体 – CBG）用于交通。它是一种灵活的能源资源，可在全球多种用途中使用。据国际能源署（IEA）数据，90%的世界生物甲烷通过沼气加工获得。

在工业部门，存在大量将沼气用作燃料或其他燃料或化学品生产原料的研究实例。Fiegl等人研究了沼气作为玻璃熔炉等热加工工业中的共燃燃料，并得出结论：在半工业规模上，使用沼气熔融玻璃而对玻璃质量或耐火材料无负面影响是可行的。Khan等人得出结论，沼气与生物柴油混合可增加双燃料燃烧室中的总能量含量并提高燃烧效率，从而减少碳排放。Mirmasoumi等人分析了在废水处理厂中使用两个沼气驱动的 combined cooling, heating, and power systems（CCHP系统）。沼气被用作微型燃气轮机与内燃机的燃料。作者得出结论，内燃机具有更好的投资回收期且更环保。Johnson等人研究了在单反应器系统中使用沼气以生产特定燃料/化学品。作者证明了该概念并为开发将可再生气体转化为燃料与化学品的可持续高效过程奠定了基础。Yang等人分析了部分使用沼气 slurry替代传统化学肥料，并得出结论：使用沼气 slurry增强了土壤代谢活动并改善了土壤微生物群落的功能多样性。Kabeyi与Olanrewaju将沼气视为使用火花点火与压缩点火发动机生产电力的可行燃料选项。与将沼气用作燃料或原料相反，Sharma等人分析了食品工业废弃物生产沼气的潜力。作者得出结论，食品废弃物可以更经济有效地用于生产沼气与氢气。

生物甲烷因利用现有基础设施而被认为经济可行，这加速了天然气部门的脱碳并减少了进口依赖。生物甲烷易于储存与生产，有助于平衡能源供应。生物甲烷可有效减少交通部门（占欧盟总排放的25%）的温室气体排放。在交通部门，若考虑 well-to-wheel（WTW）周期，它在减少温室气体排放方面高度有效。取决于所用原材料，生物甲烷甚至可具有负排放，这意味着CO₂从大气中被移除。液化生物甲烷是重型道路运输部门与海洋部门的可能解决方案。对于成熟的欧洲生物甲烷市场，生产成本估计在55至90 EUR/MWh之间。此外，注入成本可能增加3–4 EUR/MWh，而液化成本估计额外增加12 EUR/MWh。

本文深入探讨了欧盟沼气与生物甲烷市场，概述了政策框架以评估技术与监管先决条件。论文目标在于研究将沼气与生物甲烷混合入运营运输系统的先决条件及当前有效法律、法规与政策工具可能引发的问题。论文还分析了不同组成沼气与生物甲烷的 heating parameters 与 relative densities。这些值是为检查注入沼气或生物甲烷至运输系统的可能性而计算，即检查在某一欧盟成员国（克罗地亚）满足注入气体至运输系统的最低要求。文献中未发现类似实例，原因可能在于难以找到生产设施将获得的沼气与生物甲烷的可能组成。因此，本文采用了可用文献中的值范围，并为沼气与生物甲烷案例创建了不同情景。本文的新颖之处在于使用不同情景用于生物甲烷与沼气注入克罗地亚运输系统，以及提出的未来更快实施生物甲烷入气体系统的策略。

Section snippets

Biogas policy in the EU

尽管存在各级行政层面直接或间接与沼气相关的政策，国家政策主导了沼气市场。国际气候政策鼓励了可再生能源气体如沼气的使用。欧盟各地的规则、法规因各种先决条件而有很大差异。沼气的实施受到多个领域不同行政部门的影响，因其跨部门性质。环境问题、能源、农业与废物管理政策均与沼气部门相关。欧盟沼气政策的主要驱动力包括可再生能源指令（RED）、Effort Sharing Regulation、欧盟排放交易体系（EU ETS）及 Common Agricultural Policy（CAP）。此外，沼气的生产与使用受气体质量、安全标准、电网/气体网接入及环境许可的监管。

The biogas market

根据欧洲沼气协会（EBA）数据，过去十年中沼气生产设施数量与产量显著增长。2022年，欧洲生产了168亿立方米沼气。德国、意大利、西班牙、捷克共和国与法国是欧盟最大生产国。公布数据显示，德国以约50%的份额占据最大生产量，并占欧洲沼气工厂的60%。意大利以小得多的14%份额跟随，西班牙与法国各占约6%，捷克共和国占4%。德国在沼气生产中的主导地位归因于其有利的政策框架，如 feed-in tariffs（FITs）与优先调度。然而，其他国家正通过新政策与投资追赶。例如，法国通过了 Energy Transition for Green Growth Act，设定了2030年可再生能源在最终能源消费中占32%的目标，并特别关注生物甲烷。意大利推出了 incentives for biomethane production，尤其用于交通。总体而言，欧盟沼气市场预计将继续增长，受脱碳目标与能源安全关切驱动。

Biogas in the transportation system

沼气主要由甲烷（CH₄，不超过75%）与二氧化碳（CO₂，不超过50%）组成，并含有少量氢气（H₂）、氮气（N₂）、水蒸气及硫化氢（H₂S）。具体组成取决于底物类型、工厂及加工。生物甲烷主要由甲烷（超过95%）及少量二氧化碳、氮气与氧气组成。表2展示了沼气与天然气中 depending on the source 的体积份额。沼气与生物甲烷的组成变化影响了其 calorific value 与 combustion characteristics，这对于发动机性能与排放至关重要。当用于交通时，生物甲烷通常被压缩（CBG）或液化（LBG）以增加能量密度并便于储存与运输。CBG主要用于轻型车辆，而LBG更适用于重型运输与 marine applications。将生物甲烷注入气体网络需要它满足与天然气相似的质量标准，以确保兼容性与安全。这些标准包括甲烷数量、杂质水平及 calorific value。未达到这些标准的沼气可能导致操作问题，如腐蚀、设备损坏或效率降低。

Assessment of technological and regulatory obstacles for biogas transport

“Gas for Climate”（GfC）协会成立于2017年，旨在分析与开发可再生与低碳气体市场。2022年9月，GfC发布了 Manual for National Biomethane Strategies。该手册支持国家生物甲烷战略的发展。主要目标是增加生物甲烷产量。为实现此目标，识别生物甲烷发展的主要技术、经济与监管障碍是先决条件。技术障碍包括气体质量变化、净化与升级技术的高成本以及注入基础设施的有限容量。经济障碍涉及生物甲烷相对于天然气的更高生产成本及需要财政支持以竞争。监管障碍包括复杂的许可程序、跨成员国标准缺乏一致性以及激励措施不足。克服这些障碍需要政策支持、技术进步与行业合作。

Conclusion

各成员国在补贴与可再生能源气体使用上有其自己的政策，因此欧盟法律框架与市场份额并非排他性。法国与意大利等国家日益从补贴转向市场机制，而德国等一些国家则完全依赖市场机制而非直接补贴。Feed-in tariffs 是最常见的生物甲烷补贴类型，其次是 feed-in premiums、税收减免，而配额系统与投资补助较少见。监管框架因国而异，但欧盟指令如 Renewable Energy Directive（RED）与 Gas Directive 提供了共同基础。未来，生物甲烷市场的增长将取决于持续政策支持、成本降低与技术改进。生物甲烷在实现欧盟气候目标、增强能源安全及为农民与废物管理者提供新收入流方面具有潜力。然而，需要解决气体质量、基础设施与监管协调的挑战以释放其全部潜力。