Whole-Site Quantification of Methane Emissions from 65 German Biogas Plants Reveals Systematic Underestimation in Current Emission Inventories

《Environmental Science & Technology》：Whole-Site Quantification of Methane Emissions from 65 German Biogas Plants Reveals Systematic Underestimation in Current Emission Inventories

　　

摘要

德国拥有约9600座沼气厂，是欧洲最大的沼气生产国，其甲烷（CH₄）损失可能在很大程度上抵消这种可再生能源的气候效益。然而，关于德国不同规模和配置沼气厂CH₄排放及损失率的综合实测数据仍然有限。在本研究中，研究人员利用移动测量调查结合高斯烟羽扩散模型，量化了65座沼气生产厂址的CH₄排放。观测到的排放速率介于0.3至255 kg CH₄ h^–1之间，对应与规模相关的CH₄损失率。小型沼气厂的平均损失率显著较高，约占所产CH₄的8.8%，而中型和大型沼气厂以及提纯设施则表现出较低且更一致的损失率，介于2.9%–4.3%之间。研究人员采用两种不同的升尺度方法估算得出，德国沼气厂每年排放约360–370 kt CH₄，约占德国CH₄排放总量的23%。这些部门级排放量超过了自下而上的估算值，凸显出当前排放清单中存在系统性低估。本研究结果代表了迄今为止对德国沼气基础设施CH₄排放最为全面的基于测量的评估之一，表明该方法可改进国家CH₄预算，并有助于制定和验证减缓策略。观测到的排放进一步强调了减少泄漏和采取减缓措施以维持沼气厂气候效益的必要性。

**德国65座沼气厂全厂区甲烷排放量化揭示当前排放清单的系统性低估——论文解读**

**一、研究背景与科学问题**

甲烷（CH₄）是一种强效温室气体，其百年时间尺度上的全球增温潜势约为二氧化碳（CO₂）的30倍，对当前全球变暖的贡献约占30%。在欧盟，CH₄约占温室气体排放总量的12%，因此成为当前及未来气候政策中的关键减排目标。沼气生产通过厌氧消化有机物料捕获CH₄，被认为是一种可持续能源，可在支持减排目标的同时，为风能和太阳能等间歇性可再生能源提供灵活可储存的补充。然而，沼气生产的环境可持续性日益受到质疑，丹麦和英国的研究提供了越来越多关于沼气全供应链存在显著逸散性CH₄排放的证据。德国拥有超过9600座沼气厂，居欧洲之首，2024年沼气及生物甲烷厂发电31.3 TWh、产热19.7 TWh。尽管沼气被视为化石天然气的低碳替代品，其净减缓潜力对原料处理、消化、提纯、储存和利用过程中的CH₄损失高度敏感。现行法规如《可再生能源指令（EU）2018/2001（RED II）》及其更新版《指令2023/2413（RED III）》考虑了沼渣储存和发动机尾气等特定排放源的排放，但很大程度上忽略了运行性或逸散性损失。新出现的证据表明，这些未核算的排放可能相当显著。欧洲研究报告的CH₄损失率跨越多个数量级，低至所产CH₄的0.02%，高至40%以上，具体取决于工厂类型、原料组成和运行条件。

观测到的CH₄排放范围广泛，包括偶尔出现的高损失率，表明国家排放清单可能大幅低估了沼气厂的排放。中欧地区的自上而下反演模型持续推断出高于德国国家CH₄清单报告的排放量。一项针对德国的高分辨率研究显示，基于大气观测推断的农业部门排放比国家清单报告值高32±19%，表明自下而上报告存在系统性低估。根据原料类型的不同，沼气供应链的CH₄排放涉及农业、能源和废物管理等多个部门，使其一致核算变得复杂。在德国联邦环境署（Umweltbundesamt, UBA）发布的《国家清单报告（NIR）》和全球大气研究排放数据库（EDGAR）中，沼气相关排放分布在多个源类别中，这种碎片化的报告方式难以应用统一的排放因子，也使部门级估算复杂化。此外，德国缺乏基于综合测量的研究，迄今阻碍了稳健沼气系统排放因子的制定，导致国家清单报告存在相当大的不确定性。

为弥补大规模实测数据的持续缺乏，本研究对德国65座具有代表性的沼气厂进行了基于场地的CH₄排放测量，提供了迄今为止最全面的德国沼气生产部门级CH₄损失评估，并可按规模分类归因，为国家温室气体清单改进和有效减缓策略制定提供了关键证据。

**二、研究内容与主要技术方法**

研究团队于2022年5月至2024年8月期间，对德国境内63座沼气及提纯厂进行了移动大气测量，加上2020年用相同方法测量的2座厂址，共纳入65座沼气生产厂址。测量涵盖59座农业沼气厂和5座生物废物沼气厂，其中12座配备用于生物甲烷注入天然气管网的提纯装置。设施在年龄、原料、布局和装机电容量（75 kW至4000 kW）方面各不相同。约半数工厂采用灵活运行模式，热电联产（CHP）机组主要在经济效益较高的时段运行。

核心测量方法为移动测量与高斯烟羽模型（GPM）相结合。研究使用车载或自行车载的光学反馈腔增强吸收光谱（OF–CEAS）痕量气体分析仪（LI-7810），以1秒积分时间测量环境空气中的CH₄和CO₂摩尔分数。测量期间，利用GPS记录采样路线，并使用2D气象站或3D超声风速计在现场获取高分辨率（1 Hz）风向和风速数据。排放速率估计采用测量羽流增强积分与模拟高斯峰积分之比的方法，基于Pasquill–Gifford稳定度等级（PGSC）和Briggs参数化确定水平和垂直扩散系数，仅将实测与模拟峰拟合决定系数（R²）大于0.5的横断面视为有效。研究遵循Wietzel等人建立的最佳实践框架，该框架基于2018至2023年间开展的6次受控释放实验及单座沼气厂的长期测量，整体精度约为±30%。测量策略建议包括现场风速测量、至少10次断面穿越、低速行驶并保持距排放源至少20米的最小距离。本研究平均每次测量活动进行16次断面穿越，平均距离245米。

**三、研究结果**

**（一）CH₄排放速率**

研究共在48个不同日期对65座沼气生产厂址开展了117次测量活动，获得2016条羽流断面。检测到的羽流中CH₄摩尔分数范围为2.01至56.5 ppm。量化后的全厂区CH₄排放速率跨越3个多数量级，从0.28到255 kg CH₄ h^–1。小型厂排放速率介于0.5至9.1 kg CH₄ h^–1（均值3.2±0.7，中位数2.2±0.5），中型厂介于0.3至9.7 kg CH₄ h^–1（均值3.5±0.5，中位数2.2±0.5），大型厂介于1.1至106.3 kg CH₄ h^–1（均值14.8±6.4，中位数6.6±1.2），生物甲烷提纯厂变异性最大，介于1.7至255 kg CH₄ h^–1（均值38.9±20.2，中位数15.4±4.2）。四座高排放厂（>50 kg h^–1）占总测量排放量的55%，呈高度偏斜分布。最高排放速率（255±47 kg CH₄ h^–1）出现在生物甲烷厂BM-01，该厂CH₄生产率最高（3500 kg CH₄ h^–1），约是其他厂平均生产率（160 kg CH₄ h^–1）的22倍，且是唯一生产bioLNG的设施。所有设施的平均CH₄排放为12.9±0.5 kg CH₄ h^–1（均值）和中位数4.9±0.8 kg CH₄ h^–1，进一步说明了少数大排放源的主导地位。排放速率总体上随CH₄生产能力增加而增加。

**（二）CH₄损失率**

CH₄损失率按Fredenslund等人的方法计算为实测CH₄排放速率与CH₄排放和生产率之和的比值。所有设施的CH₄损失率范围为0.3%至38.9%。小型沼气厂的平均损失率最高（均值11.6±3.1%，中位数8.8±2.2%），其中13座中9座以粪肥为主要原料，与储存前后较高的CH₄排放相关。尽管德国法规要求沼渣一般须封闭储存至少150天，但2012年EEG框架下投产的小型粪肥基厂可豁免此要求，这可能导致了更高损失率。中型厂损失率较低（均值4.2±0.6%，中位数2.9±0.6%），运营商访谈显示这些厂常参与自愿第三方泄漏检查并定期进行内部审计。大型厂平均损失率为6.9±1.8%（中位数4.2±0.7%），生物甲烷提纯设施为中等水平（均值4.6±1.1%，中位数4.0±0.9%）。通过非参数自举法（R=10,000次迭代）验证，自举均值分别为小型7.4%、中型3.2%、大型4.4%、提纯3.2%，与报告的中位数吻合良好。灵活性改造的厂整体损失率（中位数3.2±0.5%）低于非灵活性厂（中位数6.5±0.8%），表明运行灵活性和气体管理改善可显著减少CH₄排放。未发现CH₄损失率与投产日期之间存在显著相关性。

**（三）与近期研究比较**

本研究的CH₄排放速率范围（0.3–255 kg CH₄ h^–1）超过了先前欧洲现场调查的范围，主要归因于样本更大更多样化以及包含了一座异常大型的生物甲烷提纯厂。但平均排放速率（12.9±0.5 kg CH₄ h^–1）与先前研究报告的平均值一致。损失率范围（0.3–38.9%）与欧洲其他沼气设施先前报告的损失率总体一致。小型粪肥基厂表现出最高平均损失率，与Fredenslund等人和Wechselberger等人的研究结果相吻合。本研究中生物废物处理厂的平均CH₄损失率（4.1±0.9%）显著高于Bakkaloglu等人报告的英国类似厂址的2.1%。

**（四）与排放清单比较**

德国NIR（UBA）和EDGAR排放清单将沼气相关排放分散在多个源类别中，无法直接应用统一排放因子。通过汇总相关源类别重建，德国NIR报告的沼气厂CH₄总排放约为180–195 kt CH₄ yr^–1，而EDGAR估算约62 kt CH₄（2023年），国际能源署（IEA）按3.5%损失率估算约230 kt CH₄。本研究采用两种互补的升尺度方法进行部门级估算：基于单厂外推法，将厂规模特定排放速率应用于MaStR和dena注册数据中各规模类别的工厂总数，估算总排放约357±42 kt yr^–1；基于能源生产外推法，将规模特定损失率应用于发电量导出的CH₄产量，估算约368 kt CH₄ yr^–1（90%置信区间[337, 485]）。两种方法得出的一致结果约为360–370 kt CH₄ yr^–1，大幅超过UBA和EDGAR基于清单的数值，比IEA损失率假设下的国家排放高约三分之一。据此估算，沼气厂占德国2024年CH₄排放总量（1569 kt）的约23%。

**四、讨论与结论**

研究结果表明，德国沼气部门的CH₄损失目前在国家清单和国际清单中被显著低估，这对温室气体核算和沼气气候影响评估具有重要意义。研究结果与近期验证研究一致，即德国报告的CH₄总排放量通常低于大气观测和反演模型推断的值。将基于测量的排放因子纳入清单开发有助于缩小自下而上清单与大气观测之间的差距，提高国家CH₄预算的准确性。研究还揭示了部门内部的显著差异：CH₄排放呈高度偏斜分布，少数高排放厂址占总排放的极大份额，而大多数厂排放相对适中，表明针对快速识别和处理这些高排放厂址的减缓策略可大幅减少排放。同时，损失率随工厂规模系统变化，小型厂相对损失较高，而中大型和提纯厂损失率更低且更一致，反映了设计、维护和运行实践的差异，表明CH₄排放并非沼气生产的固有特征，而在很大程度上受技术标准和管理质量的影响。本研究中5座厂损失率低于1%，证明极低排放技术上是可行的；而5座厂超过15%的损失阈值，Scheutz和Fredenslund认为该阈值可能导致沼气系统预期的气候效益被抵消。过程级测量进一步表明，通过有针对性的技术和运行改进，高达83%的CH₄损失可被避免。综合来看，研究结果强调了制定类别特定排放因子和实施定向减缓策略的重要性，特别是针对损失率较高的小型粪肥基设施。将研究结果纳入清单制定和监管框架将提高报告排放的准确性和可靠性，为沼气部门减缓工作的优先级评估和有效性评估提供定量基础。此外，移动测量方法（包括自行车、车辆和无人机载调查）可作为常规检测和量化逸散性CH₄排放的实用工具，支持未来的监测和减缓策略。确保低CH₄排放对于维持沼气系统的环境可持续性和气候减缓潜力至关重要。本研究的结论部分指出：德国沼气厂每年排放约360–370 kt CH₄，占德国CH₄总排放量约23%；这些排放量超过当前国家排放清单中的相应估计值，表明存在系统性低估，因此亟需采取泄漏减少和减缓措施来保持沼气厂的气候效益。