规模化沼气工程商业模式分析

2021-01-02中广核节能产业发展有限公司骆伍

区域治理 2021年33期

中广核节能产业发展有限公司骆伍

规模化沼气工程主要包括原料预处理系统、进料系统、厌氧发酵系统、出料系统及固液分离系统等模块，根据沼气、沼渣及沼液的不同应用场景，还需要新增沼气提纯系统、沼气发电系统或好氧发酵系统等模块。不同的模块组合方式，将产生不同的最终产品，进而影响规模化沼气工程的商业模式。同时，规模化沼气工程可用的原料包括餐厨垃圾、农作物秸秆、蓄禽粪便等一系列有机废弃物，鉴于城镇垃圾已形成成熟的收费处置商业模式，故本文主要论述以农作物秸秆、蓄禽粪便及尾瓜尾菜等农业有机废弃物为原料的规模化沼气工程商业模式的优化方向。

一、规模化沼气工程发展的意义

发展规模化沼气工程对于我国生态文明建设、乡村振兴计划有重要意义。规模化沼气工程生产过程中大量使用农业秸秆，不仅可以减少秸秆直接焚烧对大气环境的污染，也可以减少秸秆直接破碎还田对土壤土质影响和沤田后氮磷钾析出对水体产生的面源污染；沼气提纯后生产的天然气是优质的绿色低碳清洁能源，对于缓解我国天然气进口依存度过高可作出重大贡献。

二、规模化沼气工程发展现状

（一）国外情况介绍

瑞典是世界上首个提出要用可再生能源全部替代化石能源的国家。其以生产生物天然气为主，主要用作车用替代燃料和注入燃气管网，生物天然气已满足全国30%车用燃气需求。根据瑞典政府计划，到2050年，天然气将完全由生物天然气代替。

德国是欧洲最大的沼气生产国，截至2018年底，德国有近10000个规模化沼气工程，其中208个是规模化生物天然气工程，年产沼气200多亿m³。德国政府规划，到2030年，生物天然气产量将达到100亿m³。

（二）国内现状分析

国内规模化沼气工程快速发展源于2015年国家发改委和农业部联合印发的《2015年农村沼气工程转型升级工作方案》。2015-2017年，中央财政分别投资10亿元、7.7亿元和6.9亿元，在全国23个省份分别支持建设24处、22处和18处规模化沼气工程。三年试点期间，一批实力雄厚的央企、国企和社会民营资本积极参与，引进消化了一批先进的成套技术和工业化生产设备，建成了一些示范项目，基本掌握了厌氧发酵，尤其是中温湿式厌氧发酵的工艺流程、配套系统及项目建设和运营等方面的经验。但通过2019年农业农村部对上述64个试点项目两次全覆盖摸底调研发现，22个项目进入了试运营或运营的状态，7个项目建设完工但未投入使用，30个项目处于建设阶段，5个项目尚未开工建设。总体来看，国内规模化沼气工程发展有一定成就，但更多的是困难与挑战。国内规模化沼气产业尚不成熟，项目的经济性、技术可靠性需进一步提升，商业模式需进一步探索。

三、现有商业模式存在的问题

（一）产业化基础薄弱

目前规模化沼气项目投产较少，投资主体不多，尚未形成专业化、一体化投资建设运行管理服务体系，以及成熟的商业化市场环境。

（二）商业模式不成熟

规模化沼气工程涉及农业、能源、环保等领域，产业链较长，尚未形成成熟的商业模式。在原料收集保障方面，尚未建立“谁污染、谁付费”的由第三方专业化有偿处理的机制。在产品市场方面，项目产品需要打破市场壁垒，建立多元消费体系，增强盈利水平。

（三）生物天然气销售市场竞争力不够

沼气提纯后，可以达到常规天然气的标准水平，而沼气提纯的生产成本远高于常规天然气，在市场上没有价格优势。另外，天然气市场计划性较强，生物天然气工厂无法满足天然气市场的调峰需求。

（四）沼气发电政策不到位

中央财政对于沼气发电的补贴虽然覆盖了建设阶段及产品端整个生命周期，但整体补贴额度不高，且近些年存在滑坡退档的情况。同时，电力部门在沼气电力并网方面给予支持的优先级不够，导致沼气发电的经济效益较差。

（五）生物天然气补贴方向不明且缺乏持续性

中央财政在2015年至2017年之间通过专项资金补贴了一批规模化沼气工程的建设投资，但此类补贴缺乏持续性。同时，中央财政之前的各类补贴均为建设补贴，缺少能够实质性促进规模化沼气行业发展的后补贴政策。正是这种不协调的补贴方向造成了规模化沼气工程现在的“重建设、轻运营”的现状。

（六）有机肥销售困难

有机肥富含有机质和有益生物菌，可以改良土壤、抑制病虫害。但目前农民依然过度依赖化肥。加之市场上有机肥产品种类繁多，没有市场标准，农民难辨产品优劣。还有一些不良商贩以次充好，扰乱市场，导致真正的有机肥销售困难。

四、沼气利用方向分析

沼气主要有三种利用方式：提纯制生物天然气、直接用内燃机发电、沼气锅炉供热。技术上而言，三种模式都非常成熟，但目前很少单纯用沼气锅炉供热，更多的是沼气提纯和沼气热电联供。国家政策虽然在向沼气提纯方向倾斜，但具体采用哪种方式需要根据项目的具体边界条件而定，即“宜电则电，宜气则气”，不能简单说哪种模式一定好。

（一）销售端难度

产气与发电的投资总额基本一致，但产气的销售端相对更加市场化。而发电基本只能面对电网一个客户。销售端哪个更容易，需要结合项目地点具体考虑。

（二）气价和电价的区域差异

在川渝地区，天然气非常便宜，在宁夏、云南等地，上网电价非常便宜，广东地区的电价气价都非常高。这些地域差异会导致项目收益不同，需要具体分析。

（三）项目技术路线的差异

一般将厌氧发酵分为低温、中温及高温三种路线。目前主流的技术路线为中温或高温，即厌氧发酵系统需持续稳定在35℃及53℃左右。因沼气发电有余热可供利用，故可以利用余热来满足系统的增温及维温要求，无需额外消耗燃料。产气模式需耗费一部分沼气来满足系统的增温及维温要求，如此将降低产品数量，影响项目经济性。故其他条件相同的情况下，高温厌氧发酵系统更适合沼气发电。

（四）项目地区差异

在北方地区，冬季气温低，结冰原料融化及厌氧发酵系统增温维温均需消耗较多的热量，沼气发电更为合适；在南方地区，尤其是广东、广西及海南等地区，四季温度较高，厌氧发酵系统无需额外增温，沼气提纯制生物天然气更为合适。

（五）政策的变动性

沼气发电补贴已经出现各省的政策差异，产气补贴迟迟没有落地，都具有不确定性。

（六）发展趋势

考虑到我国目前的能源结构是缺气富电，国家应该会对产气更加提倡。长期来看，国家对天然气的消费需求会迅速上升，而由于有火电托底，太阳能、风力发电及核电成本不断降低，我国的电力将长期处于供大于求的状态，允许沼气发电上网只是因为这部分电力是污染治理的副产品，不能限制其发展，但可以从政策上鼓励尽可能地产气。

五、商业模式经济性分析

（一）现有商业模式经济性分析

以某示范项目为例，该项目以牛粪、玉米秸秆及酒糟为原料。该项目于2018年试投产后出现了连年亏损的情况。通过简单的模型分析其原料成本及产品售价，发现高昂的原料成本是其亏损的主要原因。仅考虑原料采购成本的情况下，1m³生物天然气的原料成本为4.02元，而该地区生物天然气日常销售价格约1.7-2.3元/m³。该项目以沼渣为原料，复配部分辅料制造颗粒有机肥，以其中一种技术参数为“有机质≧60%、养分≧5%、生物菌剂≧5亿/克、含水率<20%”的微生物菌剂有机肥为例，其成本为1803.48元/吨，但其市场批发售价约900-1200元/吨。

（二）通过“内部收益率法”分析商业模式的优化方向

随着国家环保要求的提升、乡村振兴的提速，环保监控将日趋严格，农业有机废弃物的处置势将会与城镇垃圾的处置同步，达到收取处置费的条件。产品端进行财政补贴，是促进新产业发展壮大的必然路径，如已逐渐发展成熟的陆上风电、光伏发电及正在进行后补贴的海上风电。参考以上行业的商业模式、发展历程及规律，规模化沼气工程后续将按照收取农业有机废弃物处置费、产品端进行财政补贴，或者两者并进的方式进行发展。在此我们通过“内部收益率法”按照收取处置费及产品端进行财政补贴两个方向分别测算不同原料在某一特定条件下达到经济可行的条件。

经济测算的假设条件为：牛粪的物料特性是干物质（TS）含量为20%，TS产气率为160m³/t.TS；鸡粪的物料特性是干物质（TS）含量为30%，TS产气率为350m³/t.TS；秸秆的物料特性是干物质（TS）含量为 35%，TS产气率为 350m³/t.TS；混合原料是牛粪、鸡粪及秸秆按照碳氮比为25:1的要求进行配比。生物天然气的销售价格按照2.2元/m³计算；有机肥均按照粉状有机肥考虑，价格按照550元/吨计算；沼液按照前两年免费赠送，从第三年开始按照20元/吨的价格对外进行销售。项目按照建设期1年，运营期20年考虑；第一年达产率按照80%考虑，从第二年开始达产；10年进行一次大修。项目自身增温维温消耗沼气的数量按照项目规模的15%考虑；项目投资按照自有资本金30%，其余70%通过银行贷款的方式考虑，贷款年化利率按照6%计算。

以日产2万m³沼气规模为例，原料收费处置的模式下，牛粪免费处置，项目资本金IRR将达到9.13%；鸡粪每吨需收取101元的处置费，秸秆每吨需收取122元的处置费，混合原料每吨需收取22元的处置费，项目资本金IRR才可以达到8%的要求。以纯鸡粪为原料的项目，天然气需补贴1元/m³，有机肥需补贴180元/吨；以纯秸秆为原料的项目，天然气需补贴1元/m³，有机肥需补贴202元/吨；以混合原料为原料的项目，天然气需补贴0.74元/m³；项目资本金IRR才可以达到8%的要求。

（三）商业模式盈利结构分析

通过分析以上数据可以看出，各类原料的经济性从好至差分别是，牛粪、混合原料、鸡粪及秸秆。造成此种情况的主要原因有两个，第一个原因是不同原料的TS产气率不同。产气率越低，同等规模的项目，所需原料就更多，产出的沼渣及沼液就更多。副产品沼渣及沼液的销售可以提升项目经济性。第二个原因是不同物料的碳氮比不同，导致不同原料的沼液回流比例不同。比如以鸡粪为原料的项目，因其碳氮比较低，不允许沼液回流，导致较多的干物质通过沼液外流，造成相同产气率情况下，沼渣产量较少而沼液产量较多的现象。此外，以牛粪、混合原料、秸秆及鸡粪为原料的项目的天然气收入比例分别为17.43%、26.53%、37.17%及39.23%。由此可以看出，规模化沼气工程的项目收入绝大部分来自有机肥及沼液的收入。但有机肥产品销售困难，导致依靠市场行为无法确保规模化沼气工程能够可持续发展。故应在现阶段充分发挥政府的统筹协调作用，通过原料收费处置或者产品端补贴的方式促进规模化沼气工程的有序发展。

六、成功案例分析

山东某示范项目紧邻大型养鸡场，免费采用其鸡粪作为原料。该项目原料充足，运行稳定，沼气产量达到设计值。此外，该项目设计的沼液暂存池可存储4-6个月的沼液。一般情况下，沼液以较低的价格售卖给周边农户，当沼液过多时，公司会免费将部分沼液送给周边农户。沼渣经翻抛晾干成粉状有机肥进行销售。通过售电、有机肥、沼液及CDM收入等，每年可实现盈利。海南某示范项目分期建设完成，一期工程2012年开工建设，规模为日产1.67万m3生物天然气；二期工程2016年开工建设，规模为日产1.42m3生物天然气，并获得中央财政补贴3375万元。2016年，项目先后中标“海口市餐厨垃圾和粪渣无害化处理PPP项目”和“澄迈神州生物燃气PPP项目”，在原项目基础上扩建了餐厨和粪渣无害化处理工程，增加投资7325万元。该项目初期设计以处理农业废弃物为主，但投产后发现，海口地区农业集中度低，废弃物收储成本太高，运行状况不佳。取得两个PPP项目及补贴后，经营状况得到改善。

通过这两个成功案例，发现其商业模式的构成与我们上一章节分析的商业模式优化方向是一致的。

七、发展建议

2019年12月6日国家十部委联合签发《关于促进生物天然气产业化发展的指导意见》，明确了生物天然气产业发展目标。计划到2025年，生物天然气年产量超过100亿m³；到2030年，生物天然气年产量超过200亿m³。由此可见国家发展规模化沼气工程的决心很大。旨在高质量发展规模化沼气工程，建议从以下方面进行努力：

（1）规模化沼气工程从业者应坚决按照习近平总书记“绿水青山就是金山银山”理论的指示，坚定信念，充分发挥沼气工程“负碳”排放的优势，为实现“3060目标”贡献力量。

（2）政府应对规模化沼气行业进行深入探索，加大支持力度，协调国家各部委、各地区尽快实现各项支持政策的落地，如制定规模化沼气工程发展专项规划、生物天然气及沼气发电优先利用政策、贷款减息贴息等信贷支持政策、生物天然气后补贴政策等。

（3）建议政府对规模化沼气工程所需原料的收集、储存、运输及利用等环节进行统筹管理，逐步建立高效的原料保障体系，建立起谁排污、谁付费，专业化农村废弃物有偿处理模式。

（4）考虑到规模化沼气工程“两头靠农”的特点，建议规模化沼气工程布局应结合不同地区畜禽粪污以及秸秆利用特点，结合区域能源环保特色、天然气市场需求等情况进行布局。

（5）建议通过行业协会等引导规模化沼气工程从业者加强工艺能力和人才培养，形成专家队伍，探索建立适用于不同原料的工艺处理方案。

（6）积极引进国际上较为先进的生物质技术及生产设备，大力推动国内规模化沼气工程的研发和创新，创造有利生产条件，快速提高国内规模化沼气工程的装备成熟度，促进生物质行业高效、健康、稳定发展。

（7）通过媒体宣传、政策引导等相关方式，对生物质有机肥料进行积极推广和宣传，引导、促进农民观念的更迭；并对目前国内有机肥市场进行大力整顿，优化市场环境；统一并更新有机肥相关标准，将传统农家肥、未经充分腐熟的有机肥与同时经厌氧发酵、好氧发酵的生物有机肥的品质区分出来；降低生物质有机肥料的市场销售难度。