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养了600头奶牛的康奈尔大学,想用牛粪来供暖

时间: 2020年12月30日 | 作者: 李珊珊 | 来源: 科研圈
为了使用更清洁的能源抵御严寒,美国康奈尔大学的研究团队盯上了校园牛棚里 600 头奶牛的粪,而在世界别处,还有人为取暖打起了大型科学装置的主意。


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图片来源:Ryan Song on Unsplash


撰写  李珊珊

编辑  戚译引


2006 年 10 月,12 所大学的校长在美国亚利桑那州立大学参与了一场会议[1]。会议结束后,发起人给近 400 所美国学校发出了邀请信,希望他们能够加入此次会议中提出的计划——美国学院和大学校长气候承诺(American College & University Presidents' Climate Commitment,ACUPCC)。该承诺的主要目标是号召所有美国高等学校加入降低温室气体排放的行动中。


康奈尔大学是第首批签署该承诺的常春藤联盟学校之一[2]。签署两年后,康奈尔大学提出了《气候行动计划》(Climate Action Plan,CAP),计划于 2035 年达成碳中和目标[3],即通过各种方式完全抵消碳排放。而康奈尔大学位于美国东北部的伊萨卡,每年的平均气温为 7 摄氏度,冬季平均有半个月左右气温低于零下 20 摄氏度。为了应对严寒,校园中教学楼、实验室以及宿舍的供暖需要耗费不少的天然气。此前,康奈尔大学已经设计了一系列清洁能源基础设施。但这些系统只能够应对校园取暖的基本负荷(base load),研究者还需要找到能够应对高峰负荷(peak load)的发电装置。


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图片来源:Amber Kipp on Unsplash


康奈尔大学的奶牛


从很久以前开始,家畜就被环境保护科学家们视作眼中刺。根据联合国粮食及农业组织的数据,在全球人类活动导致的温室气体排放总量中,家畜的排放量占 16%。据统计,一头牛每天通过打嗝放屁及排泄等生理功能,可以生产 160-320 升的甲烷[4]。一项气候变化调查显示,甲烷的吸热能力要比二氧化碳高出 28 倍。多年以来,科学家们尝试了给牛更换食谱、寻找调节牛放屁程度的基因以及给奶牛打疫苗等方式,以求减少牛的甲烷排放。


康奈尔大学有世界一流的农学专业[5],因此不乏畜牧类研究资源,校内牛羊成群。看着校园牛棚中的 600 头奶牛,研究者们萌生了想法:每头奶牛每天能平均产出 68 升的湿粪, 那么校园内一天就有总量约为 40 吨的供热燃料。利用校内奶牛的排放物,既解决了峰值负荷发电燃料的燃眉之急,又减少了校内大量的温室气体排放。


受此启发,研究团队设计出了生物能源峰值发电系统,相关论文于 12 月 22 日发表于《可再生和可持续能源期刊》(Journal of Renewable and Sustainable Energy)上[10]。


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图片来源:Lorenzo Cerato on Unsplash


牛粪供暖系统


牛粪发电系统变废为宝的转化程序总共分为三个阶段。第一阶段,研究人员们收集湿牛粪,经过微生物处理生产出包含甲烷及二氧化碳的生物燃气。这种生物燃气是可再生能源,使用这些能源提供校园用电、暖气及交通燃料是一种经济清洁的供能方式。


第二阶段,将牛粪炼成油。这个阶段的处理涉及干燥、加热以及有机物转化。研究显示,每吨干粪可以转化出 120-180 亿焦耳的能量。而根据加拿大能源效率办公室的数据,1 亿焦耳的电能就可给 60 瓦灯泡供能 6 个月。这个阶段的一个副产物是水热炭(hydrochar),这种物质是很好的土地改良剂。


第三阶段中,该团队将把第一阶段收集的二氧化碳与电解水产生的氢气进行反应,制造可再生天然气。


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康奈尔大学校园内的供能系统图示,蓝色方框内为牛粪供热系统。图源:原论文,部分名词作翻译处理。


研究显示,这一套生物能源峰值发电系统几乎能够满足康奈尔大学的峰值用电需求。本研究的作者之一,康奈尔大学生物及环境工程学博士候选人 Nazih Kassem 表示,他们开发出的系统“每年可产出 9.09 亿升可再生天然气。(这些能源)将保证每年峰值供热耗能的 97%……如果学校能够再采买 19 头奶牛,这套发电系统就能够完全满足全校用电高峰的需求了。”[6]


供暖奇招


除了康奈尔大学的牛粪供暖系统,世界各地的科学家们还想出了不少千奇百怪的供暖方式,以便用更低能耗的方式抵御寒冷,比如超级计算机和大型对撞机。这些装置运行的时候会产生大量热量,把热量供给需要的地方是一个可行的办法。


超级计算机降温的耗能是困扰科学家们多年的问题。2009 年,IBM 公司与瑞士苏黎世联邦技术学院共同宣布,计划用超级计算机 Aquasar 的水冷系统来为学院楼供热。这套系统不仅耗能较风冷系统节省 40% ,部分制冷热水还可用于给附近的学院楼供热。后续的研究结果显示,这套“超级电暖器”系统的热回收效率高达 80% [7]。


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图片来源:Carson Masterson on Unsplash


而在欧洲核子研究中心(CERN)做出了新的实践。去年 6 月,CERN 与法国地方当局签署协议,将大型强子对撞机(LHC)冷却系统的部分热水提供给附近居民区用于冬季供暖,开发了用大型对撞机为居民供暖的新思路[9]。


随着人们对清洁能源意识的提升,我们或许还将看见更多充满创意的供暖方式。


你的学校供暖情况怎么样?是否也在采用更加清洁的供暖方式?欢迎在留言中和我们分享~


相关论文:

Kassem, N., Hockey, J., Beyers, S., Lopez, C., Goldfarb, J. L., Angenent, L. T., & Tester, J. W. (2020). Sustainable district energy integrating biomass peaking with geothermal baseload heating: A case study of decarbonizing Cornell's energy system. Journal of Renewable and Sustainable Energy, 12(6), 066302.


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