电能替代技术在农业碳减排中的应用综述

吴家福，苏 娟，杜松怀，魏 健，陈绪城

（中国农业大学信息与电气工程学院，北京 海淀 100083）

0 引言

我国是农业大国，农业在我国实现双碳目标远景过程中有着举足轻重的地位。在我国，农业发展过程中存在着众多的碳排放源，尤其以种植业和畜牧养殖业碳排放占比最大。其中种植业方面，以化肥、农药等化学物质的使用为主，农业生产过程中化石能源的消耗占比同样巨大，在畜牧养殖业方面，联合国粮农组织（FAO）在《Livestock's Long Shadow》2016 年报告中指出：若以CO2当量计算，畜牧业是造成温室效应的主要参与者，占温室气体排放量的 18%，这一比例明显高于运输业，畜牧养殖产业碳排放量的主要来源是动物粪便。碳减排、碳中和技术多种多样，其中以能源电力技术最为有效且易于推广。

我国现有的碳减排措施主要分为能源结构转型、模式升级、能效提升、碳捕获与存储技术（CCS）4类[1]。传统观念认为，我国农业以种植和养殖为主，与碳排放和我国实现双碳目标关系不大，但事实却截然相反，农业碳排放量巨大，在碳减排任务艰巨[2]。政策激励有助于碳减排的发展，新能源发电，运输电气化，氢能利用，智能电网走廊近几年得到大力发展，并取得显著效果[3]。以可再生能源为主的低碳能源系统、交通电气化将有助于实现双碳目标，近几年，可再生能源发电，包括光伏、风能、水力、生物发电等，以及智能电网、电动汽车、储能等，成本在持续下降，这将更有利于能源电力技术的推广[4]。有研究表明，部分农地碳排放呈上升趋势，各地碳排放差异悬殊，在农地碳排放中，化肥和农药占比最大[5]。粪便的碳排放在养殖业中占比巨大，粪便问题的解决，将极大减少养殖业的碳排放量[6]。

1 农业中的碳排放源

我国农业中的碳排放源众多，其中占比最大的为以下3项：农地利用化学化，包括化肥、农药等化学物质在生产和使用过程中带来的碳排放；生产过程中化石能源的消耗，包括农业机械使用过程中能源消耗，灌溉所耗用电能以及在其他生产和使用过程中化石能源的消耗；畜牧养殖过程中粪便的管理，粪便管理是长期困扰畜牧养殖业的重大难题，如表1所示。

表1 1 农业碳排放源总结

1.1 种植业化肥、农药等化学物质的使用

对于种植业而言，化肥和农药的使用是必不可少的，但随着社会的发展，化肥、农药生产方式变得不合理，碳排放巨大。我国是唯一以煤为原料制造氮肥的国家，有数据表明，生产1 t的氮，消耗9.2×107J的热量，相当于3 t标准煤，大约会产生6 t的CO2

[7]，农药碳排放量更大，而且人们过量使用化肥、农药的问题越来越严重。

1.2 农业生产中化石能源的消耗

农业生产过程中，往往涉及到农产品的运输，土地的耕作，保暖措施，土地灌溉等生产活动，而这些生产生活活动须要消耗大量的化石能源，多以煤炭、石油、天然气等为主[8]。大量化石能源的消耗，使得原本存储在其中的碳元素大量排放到大气中，进一步加重碳排放，影响气候变化。

就目前而言，在农业农村的化石能源消费中，煤炭所占比例最大，电力应用较广，但电力应用的缺陷明显，机械化程度相比于发达国家仍处在较低水平。化石能源消费在促进农业农村经济增长的同时也排放了大量的CO2、CH4等温室气体，同样是农业农村碳排放的重要源头。

农用机械方面。农用机械在运行过程中，完全燃烧时，柴油产生大量CO2、CO、碳氢化合物，以及其他污染环境近百种有害成分；而一旦柴油含有杂质或发动机发生故障，会有未燃烧或燃烧不全的碳粒、碳氢化合物逸散空中，导致大气进一步污染[9]。

农用电力方面。电力方面带来的污染主要由发电部分造成。目前我国大部分农业地区仍然是火力发电，碳排放量巨大。

灌溉方面。灌溉须要大规模的能源电力作为动力支撑，目前，我国 80%以上的电力都是化石能源燃烧发电，这就在一定程度上加剧了碳排放[10]。

1.3 畜牧养殖过程中的粪便问题

畜牧养殖业中的动物粪便问题，长期困扰着畜牧养殖业的发展，粪便的堆积同样会造成大量CH4等污染物的排放。

目前动物粪便的典型问题表现为：随意堆放、处理不及时、简单处理挥洒于种植用地。粪便的处理不及时与随意堆放，使得粪便的发酵进一步加剧，CH4等气体大肆挥发于空气之中；简单处理挥洒于种植用地的做法，并不能很好的对种植作物提供养料，反而大量的温室气体挥发加剧碳排放。

但是畜牧养殖业中的粪便问题是必然存在的，如何解决畜牧养殖业发展过程中的粪便问题[11]，以降低畜牧养殖业的碳排放，是我国畜牧养殖业整体提升的重要一面，也是新时代双碳目标实现的关键一步。

2 农业发展中传统的碳减排方案

2.1 化肥、农药合理生产和使用

针对化肥农药问题，传统碳减排方案，注重改善化肥农药的生产过程，合理定量使用化肥农药。其中生产过程主要针对废气、废物的净化与收集，以及化肥农药本身的改良和升级。但是生产企业本身以营利为目的，对于环保设备与措施始终难以完全落实，农民本身对于化肥农药的合理使用认识不到位，落实困难。

2.2 规模化经营

规模化经营本身拥有很多优势，不仅会使能源利用率提升，也会使经营者更长远的考虑土地利用行为，降低高强度使用化肥及农药带来的碳排放增加，机械化水平提高，有利于打造完善的灌溉、杀虫、除菌、保温一体化的智慧农业，但是在我国受到各种因素的制约，规模化经营仅在少部分地区实行，并且短时间内很难大范围实施。

2.3 粪便有机肥分撒于种植用地

有相关学者对不同堆放高度的奶牛粪便产生的CH4排放量进行测算，发现CH4排放量与粪便堆放的高度、温度以及堆放方式均有明显关系[12]。研究发现在奶牛粪便堆肥过程中进行搅拌会导致碳排放量增加，因此建议不搅拌或4周之后再混合堆肥[13]。

但是在实际调查过程当中，发现大部分的养猪场将粪便随意堆放或分撒于种植地当中，将其作为有机肥。这些粪便并没有经过相关的处理，进而对周围土壤和水源造成进一步污染，绝大多数养殖场缺乏相关的粪便处理设备和措施，不仅不能很好地解决粪便问题，而且进一步加剧了碳排放。

3 电力碳减排技术

对于农村而言，很难短时间内大幅降低碳排放量，但是能源电力技术的创新和推广可以减少化肥、农药以及化石能源的消耗，提升粪便的能量利用率，减少碳排放量。

3.1 等离子体技术

等离子体固氮技术。等离子体固氮技术是一种完全依靠阳光、水、空气产生氮肥，模拟自然雷电固氮的技术[14]。其原理是通过光伏发电，在固氮装置中对空气进行电解，形成活性氧成分和活性氮成分，进而在水中形成硝酸根离子和亚硝酸根离子，从而形成对氮的固定。等离子体固氮法的理论效率比Haber-Bosch法更高[15]，其工作环境为常温常压，从根本上避免了温室气体的排放，加之其所用的能源仅为电能，量产的规模可大可小，因此可以兼容各类新型的能源发电站。现有研究表明最低的固氮能耗：每固定1 mol氮消耗 4.867×107J[16]，这将极大降低氮肥生产能耗，减小碳排放。等离子体固氮技术对于农作物增产具有重要意义，同时对减少化肥碳排放具有积极效果[17-19]。这种技术可以进行光伏消纳，转化为氮肥。它适用于大部分种植用地、偏远地区、海岛等，其特点是分布式固氮，精准供氮，吸收率高，改善土壤盐碱化，减少碳排放。目前等离子体固氮样机已应运而生。

等离子体杀菌消毒技术。等离子体杀菌消毒技术主要涉及食品的保鲜，涉及的细菌种类多，不会破坏食物本身的营养物质和口感，甚至可以对包装好的食品进行消毒，杀菌消毒效果要高于紫外线杀菌消毒效果[20-22]。对于牛奶和果汁中的大肠埃希菌、沙门菌，食品存储，水质的净化也有很好的杀菌消毒的作用，水质净化效果远高于次氯酸钠消毒[23]，其杀菌消毒效果在食品保鲜行业应用前景巨大[24]。等离子体处理水不仅可以很好的杀菌消毒，而且有助于种子萌发与增产[25-27]。

等离子体活性水技术。其机理是等离子体中对活性物质与微生物体内的蛋白质和核酸发生化学反应，能够摧毁微生物和扰乱微生物的生存功能，对水果、蔬菜进行农药降解、毒素分解处理[28]。等离子体活性水技术在降解农药方面，降解率在70%以上，对于某些特定的农药甚至可以达到96.24%～99.38%[29]。

3.2 电能替代技术

在现阶段农业生产过程中，非清洁能源（煤炭、石油、天然气等）的使用占比仍然巨大[30]，然而非清洁能源的碳排放系数非常大，所以非清洁能源的使用是农业碳排放的重要来源之一，也是近几年国家大力治理的一个难题。

3.2.1 煤改电(气)

煤改电（气）主要涉及供热问题，现阶段我国实施的煤改电（气）主要涉及以下5种技术：蓄联热泵技术、热泵热风机技术、热水型空气源热泵技术、电磁加热式相变蓄热技术、碳晶电热板技术。

国网青海省电力公司在2019年表示，近3年期间，三江源地区 16县（市）推进地采暖“煤改电”项目，每年可减少燃煤约 7.73 万t标准煤，减少CO2排放 19.26 万t[31]，如表2所示。

“煤改电”是京津冀地区整治大气污染、减少碳减排的重要措施，当电力消费占比提高20%时能够减少18%的工业SO2排放， “煤改气”可以有效减少CO2、颗粒物、SO2等的排放[32-33]。“双碳目标”将极大激发煤改电（气）的潜力，为煤改电（气）提速[34-36]。

煤改电（气）是目前农业农村较为推广的方式之一，其优势在于，国家可以统一调度电力和天然气的使用，满足农业的电力使用需要，同时合理使用煤炭资源，减少煤炭的不必要浪费，有利于煤炭的集中处理，从源头实施碳捕获与存储（CCS）或者碳捕集、利用与封存（CCUS），以此达到碳减排的目的。

3.2.2 新能源发电技术

随着新能源技术的大力发展，使得新能源发电技术的推广成为可能。现阶段大力发展的新能源发电主要包括：太阳能发电、风力发电、水力发电、地热发电及潮汐发电等。其中以太阳能发电、风力发电为主。

未来10年，太阳能将成为全球最大的一次能源。碳达峰、碳中和目标的提出为新能源发展带来了新的契机，“双碳目标”将全面推动绿色低碳新能源技术的发展，尤其是风电和光伏将是未来新能源行业发展的重要方向[37]。2030 年风电、太阳能装机达到12亿 kW以上目标，是实现 2030 年碳达峰和2060 年碳中和的重要举措[38-40]。作为实现碳减排、碳中和的重要抓手，风电、太阳能等新能源被赋予更加重大的历史使命。

我国风能和太阳能的资源储量没有“天花板”，足以支撑新能源的快速增长。光伏发电有望成为全球第一大能源来源[41]。光伏发电的优势在于，使用条件相对宽泛，对于农业而言，基本可以做到每家每户、每一个农场牧场都安装太阳能发电设备，而且太阳能发电的碳排放系数非常小，发电成本在逐年下降，补贴金额逐年上升，民众接受程度也大大提高，所以太阳能发电对于实现我国“双碳目标”，是一支强有力的推进剂。风力发电同样是十分绿色环保的发电技术，其技术相对于太阳能发电更为成熟，但使用条件相对严格，须要有较好的风力资源，目前大多分布于西部以及东部沿海地区[42]。

3.2.3 电解水制氢技术

风电、光伏和储能已成为未来工业的“新煤炭”的同时，动力电池和氢燃料将成为“新石油”[43]。最具潜力及发展前景的零碳制氢技术是利用可再生能源发电电解水制氢。

仅从物料平衡计算，生产1 kg氢，若是煤制氢，会伴生11 kg CO2；若是油制氢，也会伴生7 kg CO2；然而 可再生能源通过电解水可以制取无碳绿氢[44-46]。电解水制氢具有3方面核心优势：绿色环保，因其主要杂质是水和O2；生产灵活，可实现大规模分布式利用；产品纯度高，H2纯度可达 99%～99.9%。因此，光伏、风电等可再生能源制氢是主攻方向[47]。

据专家预测，到 2050 年，我国可再生能源电解水制氢将占制氢总量的 70%，现有化石燃料制氢将从 2020 年的 67% 降至 20%。但氢能是一个战略性新兴产业，在制储运等关键环节上还有一些瓶颈亟待突破[48-49]。光伏发电制氢全生命周期CO2排放主要来自于光电设备的制造研发[50]。

新能源制氢可以有效解决新能源消纳问题，并从源端和终端同时大幅降低碳排放[51]。氢能源是目前已知最绿色清洁的能源，通过太阳能电解水所生产的 H2是真正意义上的“绿色氢气”[52]。

有研究表明，清洁能源制氢的全生命周期CO2排放量比非清洁能源制氢少得多[53]。同时有研究表明，基于水电的制氢系统效率可达58.02%，但存在明显的地域性，发展应用受限；基于风电、光伏、光热发电的制氢系统效率较低，但资源分布广泛，具有广阔的应用前景；基于核能发电的制氢系统效率较高，最高可达41.33%，同时不产生碳排放，对环境污染小，具有良好的推广前景[54]。

现有技术电解1 m3H2须要5 kW·h电能，未来可以下降到2.8 kW·h，同时电解水设备成本也将明显下降。当光伏发电成本下降到0.15元/kW·h以下时，用电解水制氢来供应化工品生产，其成本可以和既有供氢技术竞争[55-57]。预计2025年太阳能富集地区的光伏发电成本将使电解水制氢技术具备成本竞争力。这将极大促进我国“双碳目标”的提前实现。

综上，清洁能源发电可以直接使用，同时可以取暖、存储，考虑到储能成本的问题，对于部分光伏、风力、水利发达地区，可以大力开发零碳制氢技术。核能发电虽然会产生核废料，但是其优点远远高于缺点，未来发展前景仍然巨大。由于水力发电、地热发电及潮汐发电等受自然条件限制大，本文不再一一阐述。

3.3 农机电气化

现阶段电动汽车行业发展迅猛，农机的电气化同样势在必行。与汽车相比，农机的工作环境更加恶劣，机器振动大，工作环境温差大，雨水、尘土的侵袭，电磁干扰严重等。所以，农机电气的可靠性比汽车要求更高。现阶段我国在农用仪表盘创新、联合收割机新型漏粮检测装置等方面，做出了不错的成绩，农用仪表的创新包括抵抗仪表盘雾化专利技术等，并且联合收割机漏粮检测装置应用效果不错。往后在CAN总线控制、电磁液控制等新技术方面还须进一步突破，因为总线技术是发达国家已经证实的先进实用技术，包括机器故障诊断、远程控制、精准定位和测产等方面的应用[58]。

3.4 生物质沼气发电技术

生物质沼气发电技术。生物质沼气发电技术是利用农村地区的禽畜粪便、农作物秸秆和果蔬落叶等废弃物，经厌氧发酵处理产生沼气，驱动沼气发电机组发电的技术。沼气发电机将可燃气体——CH4燃烧产生的热能转化为电能进行发电，具体的工作原理为将收集的畜舍粪污进行脱硫处理，然后与空气混合后在内燃机气缸内进行压缩，再通过火花塞进行点燃工作使被压缩的混合气体膨胀推动活塞做往复运动，从而驱动与内燃机相连的发电机进行发电，同时也可利用发电机组的余热辅助于沼气生产，使综合热效率达80%左右，大大高于一般30%～40%的发电效率，用户的经济效益显著。

2010年和2015年福建省规模化养猪场排泄物干物质总量分别为169.93万t和163.29万t，其产沼气潜力分别为7.14亿m3和6.86亿m3。假设规模化养猪场粪便所产沼气全部用于替代薪柴，则分别可替代薪柴245.42万t和235.84万t，减少CO2排放量分别为268.74万t和258.25万t；假设规模化养猪场粪便所产沼气全部用于替代煤炭，则分别可替代煤炭130.85万t和125.74万t，减少CO2排放量110.89万t和106.56万t[59-61]。如果养猪场粪便全部用于沼气工程，则分别可减少CH4排放3.59万t和3.45万t。沼气工程在有效处理禽畜粪便的同时生产了优质燃料，沼气替代传统能源减少了CO2排放，禽畜粪便厌氧消化减少了CH4排放，带来了显著的社会经济及环境效益[62]。

沼气发电有助于提升物质的能源利用率，优化农业能源结构，减少非可再生能源使用，进而减少碳排放[63]，同时沼气系统可以和供热系统、供电系统进行联动，进一步优化农业供能体系[64]，同时有研究表明，从经济、生态和社会角度出发，生物质发电的利益远远大于弊端[65-66]。

4 结束语

农业碳排放占比较大的碳排放源包括种植业化肥、农药等化学物质的使用、农业生产过程中化石能源的消耗以及畜牧养殖业中的为粪便问题。

传统解决解决方案为化肥、农药的合理生产与使用，规模化经营以及将粪便作为有机肥分撒于种植用地。

对于种植业化肥、农药等化学物质的使用，提出等离子体能源电力技术。针对化肥使用，运用等离子体固氮技术，依靠太阳能发电，以空气和水作为原材料，运用等离子体固氮装置，形成硝酸根和亚硝酸根，以此作为氮肥，其固氮原理类似生物固氮细菌[67-69]。针对农药使用，运用等离子杀菌消毒技术，依靠等离子体，破坏微生物的细胞壁和细胞膜等，进而运用活性物质与微生物的DNA和蛋白质反应，使其氧化失活，从而达到破坏细菌病毒的目的。

对于农业生产过程中化石能源的使用，提出电能替代技术，包括煤改电、煤改气、新能源发电和电解氢技术。煤改电、煤改气技术在我国多个地区实施，对于碳减排和保护环境有重要意义[70]；新能源发电主要涉及太阳能发电和风力发电，其碳排放系数小，成本逐年降低，未来发展趋势巨大；电解氢技术主要用于太阳能和风能资源禀赋好的地区，其原理主要是电解水产生氧气和氢气[71-73]，通过分离技术得到纯净的氧气和氢气，进而供应于其他产业，随着电解氢成本的持续下降，其竞争力越来越大。

对于畜牧养殖业的粪便问题，提出粪便电力处理技术，主要涉及等离子体动物粪便固氮技术、畜牧养殖环境氨气电分解技术和生物质沼气发电技术[74-75]。等离子体动物粪便固氮技术，主要是利用粪便发酵产生的氨气和硝酸反应形成硝酸氨的化学反应，通过固氮电力设备进行氮固定，形成氮肥；畜牧养殖环境氨气电分解技术主要是将未净化的气体通过等离子反应电极分解，将氨气分解为氮气和氢气这种对环境友好的气体[76-78]。

最后，真正推广及落实相关能源电力技术以及减排方案，需要国家政策、市场部门、宣传机构、人民等共同的努力，实现“双碳目标”之路任重道远，但绝非不可能之事。