冬天越來越冷，取暖逐漸變成了頭等大事。為了使用更清潔的能源抵御嚴寒，美國康奈爾大學的研究團隊盯上了校園牛棚里 600 頭奶牛的糞，而在世界別處，還有人為取暖打起了大型科學裝置的主意。

2006 年 10 月，12 所大學的校長在美國亞利桑那州立大學參與了一場會議［1］。會議結(jié)束后，發(fā)起人給近 400 所美國學校發(fā)出了邀請信，希望他們能夠加入此次會議中提出的計劃——美國學院和大學校長氣候承諾（American College & University Presidents‘ Climate Commitment，ACUPCC）。該承諾的主要目標是號召所有美國高等學校加入降低溫室氣體排放的行動中。

康奈爾大學是第首批簽署該承諾的常春藤聯(lián)盟學校之一［2］。簽署兩年后，康奈爾大學提出了《氣候行動計劃》（Climate Action Plan，CAP），計劃于 2035 年達成碳中和目標［3］，即通過各種方式完全抵消碳排放。而康奈爾大學位于美國東北部的伊薩卡，每年的平均氣溫為 7 攝氏度，冬季平均有半個月左右氣溫低于零下 20 攝氏度。為了應對嚴寒，校園中教學樓、實驗室以及宿舍的供暖需要耗費不少的天然氣。此前，康奈爾大學已經(jīng)設計了一系列清潔能源基礎設施。但這些系統(tǒng)只能夠應對校園取暖的基本負荷（base load），研究者還需要找到能夠應對高峰負荷（peak load）的發(fā)電裝置。

康奈爾大學的奶牛

從很久以前開始，家畜就被環(huán)境保護科學家們視作眼中刺。根據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織的數(shù)據(jù)，在全球人類活動導致的溫室氣體排放總量中，家畜的排放量占 16%。據(jù)統(tǒng)計，一頭牛每天通過打嗝放屁及排泄等生理功能，可以生產(chǎn) 160-320 升的甲烷［4］。一項氣候變化調(diào)查顯示，甲烷的吸熱能力要比二氧化碳高出 28 倍。多年以來，科學家們嘗試了給牛更換食譜、尋找調(diào)節(jié)牛放屁程度的基因以及給奶牛打疫苗等方式，以求減少牛的甲烷排放。

康奈爾大學有世界一流的農(nóng)學專業(yè)［5］，因此不乏畜牧類研究資源，校內(nèi)牛羊成群。看著校園牛棚中的 600 頭奶牛，研究者們萌生了想法：每頭奶牛每天能平均產(chǎn)出 68 升的濕糞， 那么校園內(nèi)一天就有總量約為 40 噸的供熱燃料。利用校內(nèi)奶牛的排放物，既解決了峰值負荷發(fā)電燃料的燃眉之急，又減少了校內(nèi)大量的溫室氣體排放。

受此啟發(fā)，研究團隊設計出了生物能源峰值發(fā)電系統(tǒng)，相關論文于 12 月 22 日發(fā)表于《可再生和可持續(xù)能源期刊》（Journal of Renewable and Sustainable Energy）上［10］。

牛糞供暖系統(tǒng)

牛糞發(fā)電系統(tǒng)變廢為寶的轉(zhuǎn)化程序總共分為三個階段。第一階段，研究人員們收集濕牛糞，經(jīng)過微生物處理生產(chǎn)出包含甲烷及二氧化碳的生物燃氣。這種生物燃氣是可再生能源，使用這些能源提供校園用電、暖氣及交通燃料是一種經(jīng)濟清潔的供能方式。

第二階段，將牛糞煉成油。這個階段的處理涉及干燥、加熱以及有機物轉(zhuǎn)化。研究顯示，每噸干糞可以轉(zhuǎn)化出 120-180 億焦耳的能量。而根據(jù)加拿大能源效率辦公室的數(shù)據(jù)，1 億焦耳的電能就可給 60 瓦燈泡供能 6 個月。這個階段的一個副產(chǎn)物是水熱炭（hydrochar），這種物質(zhì)是很好的土地改良劑。

第三階段中，該團隊將把第一階段收集的二氧化碳與電解水產(chǎn)生的氫氣進行反應，制造可再生天然氣。

康奈爾大學校園內(nèi)的供能系統(tǒng)圖示，藍色方框內(nèi)為牛糞供熱系統(tǒng)。圖源：原論文，部分名詞作翻譯處理。

研究顯示，這一套生物能源峰值發(fā)電系統(tǒng)幾乎能夠滿足康奈爾大學的峰值用電需求。本研究的作者之一，康奈爾大學生物及環(huán)境工程學博士候選人 Nazih Kassem 表示，他們開發(fā)出的系統(tǒng)“每年可產(chǎn)出 9.09 億升可再生天然氣。（這些能源）將保證每年峰值供熱耗能的 97%……如果學校能夠再采買 19 頭奶牛，這套發(fā)電系統(tǒng)就能夠完全滿足全校用電高峰的需求了。”［6］

供暖奇招

除了康奈爾大學的牛糞供暖系統(tǒng)，世界各地的科學家們還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，比如超級計算機和大型對撞機。這些裝置運行的時候會產(chǎn)生大量熱量，把熱量供給需要的地方是一個可行的辦法。

超級計算機降溫的耗能是困擾科學家們多年的問題。2009 年，IBM 公司與瑞士蘇黎世聯(lián)邦技術學院共同宣布，計劃用超級計算機 Aquasar 的水冷系統(tǒng)來為學院樓供熱。這套系統(tǒng)不僅耗能較風冷系統(tǒng)節(jié)省 40% ，部分制冷熱水還可用于給附近的學院樓供熱。后續(xù)的研究結(jié)果顯示，這套“超級電暖器”系統(tǒng)的熱回收效率高達 80% ［7］。

而在歐洲核子研究中心（CERN）做出了新的實踐。去年 6 月，CERN 與法國地方當局簽署協(xié)議，將大型強子對撞機（LHC）冷卻系統(tǒng)的部分熱水提供給附近居民區(qū)用于冬季供暖，開發(fā)了用大型對撞機為居民供暖的新思路［9］。

隨著人們對清潔能源意識的提升，我們或許還將看見更多充滿創(chuàng)意的供暖方式。
責編AJX