德国沼气工程发展和能源政策分析

乔 玮，李冰峰，董仁杰，孙丽英，李景明

(1.中国农业大学 生物质工程中心(工学院)，北京 100083；2.国家能源生物燃气高效制备及综合利用技术研发(实验)中心，北京 100035；3.农业部农业生态与资源保护总站，北京 100125)



德国沼气工程发展和能源政策分析

乔 玮1,2，李冰峰3，董仁杰1,2，孙丽英3，李景明3

(1.中国农业大学 生物质工程中心(工学院)，北京 100083；2.国家能源生物燃气高效制备及综合利用技术研发(实验)中心，北京 100035；3.农业部农业生态与资源保护总站，北京 100125)

德国是沼气生产大国也是沼气工程强国，德国沼气工程的发展和能源政策对我国沼气工程的发展有着重要的借鉴意义。在可再生能源法(EEG)的沼气发电上网补贴政策激励下，2000～2014年的14年里，德国沼气工程数量由1050个增加到10076个，沼气发电总装机容量预计超过3800 MW。为适应沼气工程的快速发展，EEG法律体系多次调整了补贴标准和补贴范围，引导沼气工程原料、规模、产品用途向健康的方向发展，避免因发展沼气(生物燃气)而导致种植业生物单一性、有机废弃物得不到合理处理，以及可能对其他产业造成的影响。笔者从温室气体减排、欧盟可再生能源发展规划、可再生能源用电成本和农业生态安全等角度分析了德国EEG的演变过程，以及对沼气行业发展的导向作用，并提出了应借鉴德国具有针对性的能源政策机制和产品补贴制度经验，重新确定我国沼气工程的功能定位和推动建立市场化机制的建议。

德国；沼气工程；可再生能源法

1 德国沼气工程发展概述

1.1 可再生能源法实施之前

德国在沼气工程领域一直处于世界领先地位，截至2014年，德国建成沼气工程10786个，占欧洲的62.6%(见图1)[1]。早在1930年，德国就有了将废物发酵产生的甲烷出售给市政供气管网的技术能力，1945年之后沼气工程的规模逐渐增大，50年代在斯图加特地区开发应用了混合发酵技术[2]。然而，当时沼气工程的成本较高，能源价格较低，沼气工程数量没有大的发展。上世纪70～80年代，能源危机将原油价格从每桶50.16美元抬升至每桶110.53美元。沼气作为可以从废物中回收的二次能源，需求量开始增加。1994年，德国实施了废弃物处理法‘Closed Substance Cycle Waste Management Act’增加了废物处理成本，沼气工程应用的厌氧消化技术既相对经济，又能产生能源，逐渐受到欢迎。但是，当时沼气工程的建设成本仍然较高，运行和管理也不够先进。1991年，德国实施了《电力入网法》(“Electricity Supply Law,StrEG” )，鼓励可再生能源发电并网以提高经济性，沼气工程数量由1992年的139个增加到1999年的850个(见图2)。这一时期增加的主要是小型沼气工程，原料主要是禽畜粪便，平均发电装机容量50～60 kW，农场主自己建设和运行[2]。到1997年，德国有39个年处理废物大于2500吨(湿基)的沼气工程，是欧洲国家中最多的。

图1 欧洲各国的沼气工程数量(截至2014年12月31日)

图2 德国沼气工程数量和装机容量的发展(截至2014年12月31日)

1.2 可再生能源法实施之后

进入21世纪，开发可再生能源对于温室气体减排、提升能源安全和增加就业机会的作用逐渐显现。2000年，德国出台了《可再生能源法》(德文Erneuerbare Energien Gesetz-EEG)，是第一部关于可再生能源的专门法律。EEG-2000确定了沼气工程发电上网的电价补贴机制，称为Feed-in Tariff 或FIT[3]。EEG规定电网必须优先购买可再生能源电力，可再生能源业主可按照当时的固定补贴电价持续20年向电网供电，收益稳定。如图2所示，2000年德国沼气工程的数量是1050个，到2004年增加到2050个，发电装机容量由2000年的65 MW增加到2004年的390 MW。为适应和推动沼气工程的快速和健康发展，EEG在2004年，2009年，2012年和2014年分别进行了修订。因此，EEG法律体系是促进德国沼气工程在技术研发、工程建设、运行维护和产业快速发展的重要保障机制。

首次修订的EEG-2004，鼓励沼气发电废热利用、小型沼气工程和能源作物原料，为鼓励沼气提纯和干发酵等新技术的应用，增加了技术补贴(Technology bonus)[3]。到2008年，德国沼气工程的数量增加到3981个，4年间的年增长率达到18%，发电装机容量增加到1272 MW。2009年进行了第二次修订，EEG-2009加大了对小型沼气工程的补贴力度，但受规模效应优势的影响，沼气工程规模仍然向大型化发展，平均装机量增加到500 kW，最大达到10 MW。同时，EEG-2009鼓励以禽畜粪便为原料的沼气工程，当原料使用30%以上的禽畜粪便时可获得4.0 Cent·kWh-1的原料补贴。热电联产的补贴从2.0 Cent·kWh-1增加到了3.0 Cent·kWh-1，以鼓励提高能源综合利用效率。可见，EEG-2009扩大了能源补贴范围和强度，用以全面的促进沼气工程的发展。如图2所示，EEG-2009实施后到2012年第三次修订的三年是德国沼气工程发展最快的阶段。到2012年，沼气工程增加到了7515个，发电装机容量由1377 MW增加到了3352 MW。EEG-2012规定只有当沼气工程原料中的能源作物比例低于60%时，才能享受上网补贴电价，而对生物质垃圾和禽畜粪便为原料的沼气工程都给予了很高的补贴[4]。可见，在EEG-2012中，政策引导沼气工程由单纯用能源作物厌氧发酵生产能源向处理废物以保护环境的转变。但是，受市场惯性的影响，以及补贴电价仍然让大型的能源作物沼气工程有利润，同时期德国风能和光伏等其他可再生能源的出现了过快发展，在EEG-2014中，可再生能源发电上网补贴政策做了较大的调整，沼气发电年新增规模限制在100 MW，取消固定上网补贴电价，沼气发电直接进入市场销售。截至2014年，德国沼气工程仍然呈现了增加的趋势，但预测今后的发展趋势会有所放缓。

从上述分析可以发现，德国沼气工程的起步早，积累了丰富的技术和工程经验，2000年之后EEG的实施促进了沼气行业的快速发展，2000～2013年是德国沼气工程快速发展的关键时期。2014年出台最新的可再生能源法之后，德国沼气工程的发展速度将有所降低。

2 德国可再生能源法的发展历程分析

2.1 EEG-2004修订分析

EEG-2000实施以来，德国可再生能源的快速发展有目共睹，反对意见逐渐消失，争论的焦点不再是EEG是否该实行，而是如何确定可再生能源发电的公平补偿价格、强制购电制度与绿色电力营销[5-6]。EEG-2004将2010年可再生能源电力目标提高到12.5%，到2020年达到20%。为实现这个目标，EEG-2004修改了政策法规框架，创造更有利条件，让更多的可再生能源能够并入电网。EEG-2004规定了有利于沼气工程发电的强制入网、优先购买和固定电价机制，建立了可再生能源电力分摊制度，电网负责平衡全国的可再生能源上网电量，加电价平均分摊到全国电网，确保电网之间公平竞争。表1列出了EEG修订后发电上网的补贴价格。如表2所示，EEG-2004增加了小型沼气工程的补贴力度，增设了沼气工程原料的补贴，对能源作物为原料的沼气工程补贴达到每千瓦时6.0和4.0欧分，这对于促进沼气工程起到了关键的作用。EEG-2004的实施是将德国沼气工程的发展送上了快车道的关键。

表1 EEG规定的补贴额度汇总 (Cent·kWh-1)

表2 EEG-2004沼气工程的补贴 (Cent·kWh-1)

2.2 EEG-2009修订分析

表3给出了EEG-2009的补贴机制。在各种沼气工程原料中，能源作物的产气效率最高，玉米是能源作物的首选，产甲烷量达到4997 Nm3·hm-2，发电18489 kWh·hm-2，如表4所示。EEG-2004中增加了对能源作物的补贴，导致大量沼气工程使用能源作物为原料，处理有机废物(包括禽畜粪便)的沼气工程比例降低。然而，大面积单一的种植玉米等能源作物，可能对区域生态系统多样性带来影响[7]。到2009年，德国约有530000 hm2的土地种植能源作物，约占总农业用地的5%。虽然德国农业部报告指出有充足的土地用于生产粮食供本国人民使用，也有足够的土地生产生物能源的原材料[8]。但是，在2004～2007年间，用于种植能源作物的土地面积明显的增长。同时，EEG-2004实施以来，小型沼气工程比例降低，中等规模和大型沼气工程明显增加。根据基尔世界经济研究所的统计，在2003年装机小于70 kW的小型沼气工程有1100个，占62%；到2008年，装机70～500 kW的中型沼气工程达到了2700个，占66%；小型沼气工程只占17%[9]。图3和图4给出了2003年和2008年沼气工程发电装机规模的比较。小型沼气工程发展的缓慢对利用厌氧发酵技术处理固体废物以保护环境是不利的。另一方面，2008年前后，受世界经济的影响，原油和粮食价格出现了很大的变动，玉米价格快速攀升，影响了沼气工程的经济性[10]。为应对以上的变化，在2008年6月9日，修订后的EEG-2009立法通过，主要是增加了对禽畜粪便、污染物排放和生态保护的补贴，增加了对装机小于150 kW的小型沼气工程的补贴。

表3 EEG-2009沼气工程的补贴 (Cent·kWh-1)

表4 各种能源作物发酵产气体比较

图3 2003年德国沼气工程装机规模统计

2.3 EEG-2012修订分析

EEG-2009侧重发展小型沼气工程和使用禽畜粪便为原料，2009年～2011年沼气工程仍保持了大幅增加。太阳能和沼气工程的快速发展，使可再生能源的平均价格由2010年的2 Cent·kWh-1增加到2011年的3.5 Cent·kWh-1。在电价持续上涨的背景下，如何合理的控制可再生能源规模和发展速度，就成为了一个重要课题，是2012年修改EEG的一个重要原因。EEG-2012修订的主要目的是推动可再生能源的市场化，可再生能源发电可以接受政府的固定上网补贴电价，也可以直接出售给电网[11]。EEG-2012的弹性机制为后续可再生能源市场化奠定了一定的基础，总体上推动可再生能源的发展，并将2050年可再生能源发电占发电总量比例提到80%。EEG-2009的技术补贴带动了沼气提纯净化工程的增加，但考虑到沼气净化增加的成本最终会转移给消费者，在EEG-2012中，不再补贴沼气提纯净化。表5给出了EEG-2012的补贴额度。为了保证市场机制的运行，EEG-2012还设计了一系列保障机制，包括信息通报与公开机制、追踪评估机制和监测报告制度。信息通报与公开机制要求发电商、电网运营商、输电网运营商、配电网经营商按照规定的详细内容和时间节点相互通报信息；向政府提供企业可再生能源收购、输配的详细信息，向消费者公开可再生能源附加费、可再生能源电力份额等信息。追踪评估机制要求政府完成对EEG-2012执行情况的评估。监测报告制度要求有关部门向政府提交有关德国可再生能源发展现状、可再生能源目标实现情况和面临的挑战等问题的报告。如图5所示，根据德国FNR的统计，在2010年沼气工程发酵原料中46%是能源作物(其中76%是青贮玉米)，45%是禽畜粪便，另有7%和2%分别是生物质废弃物(Bio-waste)和工农业有机废弃物。在2012年沼气工程原料有54%来源于能源作物，41%来源于禽畜养殖粪污，只有4%来源于城市生物质废物，1%来源于工农业废物。虽然EEG-2009已经注重要提高废弃物作为发酵原料的比例，但从实际效果来看，能源作物的比例仍然很高。从设施建设、产气效率和工艺适应性方面，玉米是适宜的沼气工程原料。2009年～2012年，沼气工程的数量由4984增加到7515个，装机容量从1893 MW增加到3352 MW。在同期的增长中，能源作物仍然是沼气工程实际优先选择的原料。由此可见，EEG-2009和EEG-2012都在引导沼气工程减少使用能源作物而多用粪便和生物质废物(Bio-waste)，但实际效果不明显。

图4 2008年德国沼气工程装机规模统计

表5 EEG-2012的补贴 (Cent·kWh-1)

图5 沼气工程发酵原料变化

2.4 EEG-2014的主要调整

2014年8月1日，最新版本EEG实施，被称为EEG2.0版。核心的出发点是鉴于可再生能源法实施以来可再生能源产业的过快发展，和由此导致的高电价和生态环境等问题，修订法律以提高能源产业发展的可持续性发展[11-12]。EEG-2014将年度新增规模限定范围从光伏扩展至风电和沼气发电。光伏发电的年度新增规模限定在240～260×104kWh，首次确定了陆上风电年新增规模(240～260×104kWh)，海上风电大幅下调，2020年和2030年分别为650×104kWh和1500×104kWh。沼气发电年度新增规模限定在10×104kWh。

对可再生能源项目全面引入市场机制，反映在两个方面：一是政府补贴的固定上网价格将仅适用于功率在500 kW(自2016年起100 kW)以下的项目。大型可再生能源项目只能获得弹性市场价格。在EEG-2014之前，项目业主每个月可选择一次，或选择国家定的固定上网电价，或直接参与市场竞争。EEG-2014要求所有新建(大型)项目都必须向市场直接售电。自2014年8月1日起，所有500 kW以上的新建项目，以及自2016年1月1日起所有100 kW以上的新建项目，都必须直接向市场销售电力。另一方面，引入招标机制，通过招标确定补贴额度。最晚到2017年，将全面通过招标的方式确定可再生能源的补贴额度。从2015年起，将在试点阶段对地面光伏电站采用新的招标模式，积累经验。对于工业企业，国家从保护本国工业竞争力角度，对这些企业的可再生能源税费实行减免优惠。然而，EEG-2014缩小了享受减免优惠的范围，只有那些用电密集型企业才能享受减免，这些企业还必须是处于严酷的国际竞争。在EEG-2014中，大型自发自用项目原则上也必须缴纳全额可再生能源税费。小型发电厂的自用电，无需缴纳高额的税费。EEG-2014的实施标志着德国沼气能源政策由政府补贴机制向市场机制的转变，已经建成的沼气工程仍然享受以往政府补贴，但对于新建沼气工程的动力有所降低，预测新建沼气工程的趋势将有所放缓。

在EEG-2014之前，高额的发电上网补贴电价带动了德国的沼气工程快速发展，虽然技术整体上较其他国家成熟和先进，但仍有较大的技术提升和降低成本的空间。据调查，德国有25.9%的沼气工程处于良好状态，而其他的沼气工程则受到不同的抑制，如有机酸的积累和缺乏微量元素等[13]。可以预见，在完全市场机制下，为维持沼气工程的利润，需要加大对工程设施的管理和技术革新，对于促进沼气工程技术的发展也有积极的意义。

3 德国沼气能源政策趋势分析

德国能源消耗量接近欧盟总和的19%，其能源政策对欧洲以及其他主要经济体国家都有着重要的影响，EEG-2014的颁布受到了广泛关注。随着能源结构的调整和科技的不断发展，德国自1990年代开始能源消耗逐年下降。据Harry Wirth[14]的报告，德国生物质发电已经接近陆上风电，有可能成为最大的电力供应行业。过去几年，受EEG的补贴机制激励，可再生能源尤其是光伏发电出现爆炸式增长，导致了高昂的经济代价，用户电价负担加剧，而且电网建设也难以匹配，新建和改扩建电网远比预计的耗时耗力。因此，德国政府在不同阶段修订可再生能源法，目的是将可再生能源产业的发展限制在可控范围内，尤其是对风能和生物质能源，通过限定可再生能源的增长规模，提高可预测性。今后可再生能源补贴将主要针对竞争力高、成本低的技术，重点推进太阳能与风能的发展，而对于成本密集型的沼气发电则要放慢速度。

3.1 从温室气体减排的需求分析

德国的温室气体排放量占到欧盟的20%，第二和第三大排放量的英国和法国只占13.1%和10.82%。在京都议定书中，德国承诺2008年将温室气体的排放量减少20%(基于1990年)。实际上，德国在1990年和2012年的温室气体排放量分别是1260×106和964×106吨二氧化碳当量，减排了23.5%。据统计，欧盟各成员国平均温室气体减排到2012年只完成到了17.8%[15]。可以预见，随着科技的进步和人均能源消耗的逐渐降低，德国只为完成温室气体减排规定义务而大力发展可再生能源的动力不足。

3.2 从欧盟可再生能源发展战略分析

欧盟在2009年颁发的‘Renewable Energy Diretive’2009/28/EC，目标到2020年可再生能源要达到总能源消耗的20%，自2004年开始可再生能源发电比例逐年增加，2012年达到14.1%[16]。欧盟各国也规划不同目标，GDP排名前五位的德国、法国、英国、意大利和西班牙的目标分别是18%，23%，15%，17%和20%。根据2004到2012的8年间的数据做线性统计，预测德国可在2021年完成，法国和英国要到2032和2039年完成。2012年，英国和法国的可再生能源电力比例只达到10.8%和16.6%。德国的可再生能源发电在欧洲的大幅度领先也是目前可以放缓节奏的一个重要基础。

3.3 从电力价格和工业竞争力分析

德国是高度工业化的国家，电力是工业的重要成本，过高的电价会增加工业企业的成本，影响产品的竞争力。2011～2013年间，德国工业电价0.124，0.130和0.144 Cent·kWh-1，同期欧盟的平均工业电价是0.112、0.116和0.119 Cent·kWh-1。法国和英国的工业电价仅为0.081，0.079，0.085 Cent·kWh-1和0.104，0.109，0.120 Cent·kWh-1[17]。按照购买力这算，在主要经济体国家中，德国的电价也是最高的[18]。同时，德国是丹麦之外欧盟居民用电最贵的国家，2013年的电价达到0.292 Cent·kWh-1，且仍然呈增加趋势，丹麦为0.294 Cent·kWh-1，法国和英国的居民用电价格仅为0.159和0.184 Cent·kWh-1。可以预见，如继续EEG-2014之前的能源补贴政策，德国居民电价会很快的超过丹麦，成为欧洲电价最贵的国家。实际上，德国的居民基础电价并不比其他国家高出很多，但是税费达到49.20%，高于法国的30.84%，英国的4.73%和意大利的35.29%。在工业用电方面，德国的基础电价为0.091 Cent·kWh-1，税费0.054 Cent·kWh-1时，是欧盟国家中税费最高的。因此，从电力需求的角度分析，继续大力发展可再生能源的必要性已经大大降低。

3.4 沼气工程对农业生态环境的影响

尽管EEG通过增加禽畜粪便和生物质废物的原料补贴，以及增加对小型沼气工程的补贴等形式，限制仅为生产沼气工程原料而过度种植能源作物，但由于玉米的高产沼气特性，政策的引导效果并不明显。大量的种植玉米或过早的收割能源作物，会给生态平衡带来影响，如养殖场需要足够的饲料，过早收割青贮玉米会破坏田间鸟类的栖息和繁殖[19]。据德国生物质研究中心(DBFZ)的分析，在2007年可以进行沼气工程发酵的原料包括城市生活垃圾、工业有机垃圾、禽畜养殖废物和能源植物的总产气潜能为353 (PJ·a-1)，其中能源作物占53%。如延续EEG-2009的政策，预计到2020年，能源植物的产气潜能将增加到67%。从农业安全的角度分析(包括食品安全、农业生态多样性等)，在EEG-2012年及以前的可再生能源法都没有解决能源作物种植过快发展的这一个问题。而在EEG-2014中，由于限制了沼气工程的新建规模，可以有效的从源头上控制使用能源作物的沼气工程数量。

4 结论

德国是较早开展沼气能源利用的国家，既是沼气生产大国也是沼气工程强国，以能源作物和畜禽粪便为主要原料，沼气发电上网是德国沼气工程的基本特点，EEG的发电上网补贴机制是带动德国沼气工程在过去十几年间迅速发展的主要推动力。在沼气工程的发展过程中，EEG进行了多次修订以适应行业的快速变化，并推动产业可持续健康向前发展。每一次的修订都没有限制而是从总体上促进了德国沼气工程数量的增加，最新修订和发布实施的EEG-2014则更多鼓励沼气工程从终端产品享受国家补贴逐步向市场化的转变。从德国可再生能源政策变化的分析中可以得到如下借鉴意义：

(1)沼气产品补贴政策是推动沼气工程持续运行必不可少的措施。特别是在沼气工程发展初期，通过终端产品的价格调整和补贴政策，培育终端市场和用户，使工程运营业主获利，是行之有效的做法。但是我国现阶段政府的政策只关注了工程建设投资补助，导致不少工程无法盈利运行而停运或废弃，造成投资效益不高和资源浪费。

(2)政策法规应紧随市场的变化而及时做出适当的调整。当前我国针对沼气行业发展的政策尚未形成由市场作为配置资源的关键性要素，要么未能根据社会经济发展和市场需求及时作出调整，如前些年在户用沼气需求已出现大幅度减少的情况下，依然保持着较大比例的投资；要么又出现极端化倾向，如近两年农村沼气的转型升级，只支持规模化大型沼气工程和生物天然气工程建设，而忽视了具有中国特色的分布式沼气工程建设。

(3)需要重新对沼气工程的功能进行定位。过去在能源相对紧张的情况下，沼气工程建设主要是为了解决农村地区的能源问题和粪污处理，但是在国家倡导绿色循环发展和生态文明建设的大背景下，必须摆脱单纯追求能源替代，让沼气发展与能源供给侧改革、现代生态农业、资源综合利用和环境保护紧密结合。

(4)要积极探索沼气工程市场化发展机制。虽然现阶段由于沼气转换和生产成本还较高，还需要政府的资金扶持和项目支持，但是从长远看，只有实现了市场化运行机制，沼气行业的发展才有活力和后劲。

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Biogas Industry Development and Renewable Energy Policy in Germany/

QIAO Wei1,2,LI Bing-feng3,DONG Ren-jie1,2,SUN Li-ying3,LI Jing-ming3/

(1.Biomass Engineering Center,College of Engineering,China Agricultural University,Beijing 100083,China; 2.State R&D Center for Efficient Production and Comprehensive Utilization of Biobased Gaseous Fuels,Energy Authority,National Development and Reform Committee (BGFeuls),Beijing 100035,China; 3.Rural Energy& Environment Agency,Ministry of Agriculture,Beijing 100125,China )

Germany is the leading country in biogas industry sector.The development and the Renewable Energy Source Act (EEG) in Germany provide much valuable experience for the development of biogas project in China.As regulated in EEG,the biogas plant owner could get profit from the subsidy of selling biogas power to grid.During the 2000 to 2014,the biogas plant numbers increased from 1050 to 10076,the total installed biogas power capacity increased to over 3800 MW.In order to meet the rapid development of biogas projects,the EEG has adjusted the scope of subsidies and allowances,and guided the biogas feeding materials,plant capacity,and product utilization to a sustainable industry,and avoided the over-development of biogas plant causing the simplicity of crop varieties,unreasonable treatment for organic waste,and the possible impact on other industries.The evolution of the German EEG was analysed through the point view of greenhouse gas reduction,the renewable energy development planning in EU,electricity costs for renewable energy,and other agro-ecological safety.All those factors guided the development of biogas industry.Based on those factors the article put forward that the biogas industries in China should learn from Germany’s targeted energy policy mechanisms and experience in subsidy system,and redefine the functional orientation,promote the establishment of market mechanism.

Germany；biogas industry；EEG

2016-03-03

项目来源：国家公益性行业科研专项(201403019)；科技部中欧中小企业国际科技合作项目(SQ2013ZOA000017)；北京市科技计划项目(D141100001214001,Z151100001115010)

乔 玮(1979-)，男，内蒙古人，副教授，主要从事废弃物和废水厌氧消化研究，E-mail:qiaowei@cau.edu.cn

董仁杰，E-mail:rjdong@cau.edu.cn；李景明，E-mail：lijingm@agri.gov.cn

S216.4

B

1000-1166(2016)03-0074-07