牛粪可以帮助我们制造更清洁的能源

2016 年夏天，化学工程师 David Simakov 悠闲地驾车穿越安大略省南部的农田。旅途中，他停在一家农场，这家农场利用粪便生产沼气，然后燃烧沼气发电。作为一名科学家，Simakov 开始思考：是否有可能进一步将沼气提炼成天然气？

天然气虽然是气候变化的重要因素，但却是最清洁的化石燃料。将牛粪转化为天然气将有三大优势。首先，它将动物粪便（碳污染的主要来源）转化为有用的燃料。其次，它将提供一种新的天然气来源，可用于替代煤炭和石油等污染较严重的燃料。第三，它将减少对水力压裂的需求，而水力压裂是从地球开采天然气的一种破坏环境的做法。

“我一直在思考改进的方法，”西马科夫说。“为什么不充分利用粪肥沼气的潜力呢？我们已经知道如何从粪肥中制造沼气，以及如何通过燃烧沼气发电。所以我想：我们可以用电力来升级这种粪肥沼气，制造出可再生天然气。”

西马科夫将精炼沼气称为“可再生”天然气，因为奶牛可以提供无限的供应，而来自地下的天然气则是有限的。更重要的是，奶牛在很大程度上回收了大气中的碳。草从大气中吸收碳，奶牛吃掉这些碳后又将其排放到天空中。燃烧地下天然气会增加天空中的碳污染总量。

西马科夫想把沼气变成天然气。沼气是由有机物（如粪肥）在缺氧条件下分解产生的。沼气大约一半是甲烷（天然气的主要成分），其余是微量气体和二氧化碳，后者是一种导致气候变化的强效温室气体。他的想法是将剩余的二氧化碳转化为甲烷，使最终产品完全变成天然气。

粪便作为燃料来源的想法并不新鲜。此外，许多国家已经将干粪肥用作燃料来源，尽管燃烧干粪肥会造成大量空气污染，这是一个重大缺点。另一方面，西马科夫的概念则有所不同。“我们开发的工艺不是基于燃烧干粪肥，”西马科夫说。“它是基于通过厌氧消化从粪肥中提取沼气，同时将液体和固体残留物分别用作肥料和动物垫料。”

滑铁卢大学可持续能源研究所化学工程助理教授西马科夫建立了一个拥有 2,000 头奶牛的农场的计算机模型，以概念化这一过程。他在最近发表在《国际能源研究杂志》上的一篇论文中描述了他的程序。

它的工作原理如下。首先，机器通过电流通过水将氢与氧分离，从而收集氢气。然后，它将氢气与沼气混合，并通过催化转化器，将二氧化碳 (CO2) 转化为甲烷 (CH4)。可以肯定的是，这个过程需要电力，但它将是“现场可再生能源”或“剩余电力”，西马科夫说，并补充道：“它必须具有较低的碳足迹。”

“这种方法有多种好处，”他说。“潜力巨大。”该系统可以在拥有数千头牲畜的大型农场中发挥作用。“农场必须采用高科技和集中化管理，这样才能轻松收集粪便，”他说。“现代奶牛场就是这样的。”

他说，该技术适用于多种粪便，尤其是牛粪和猪粪，以及垃圾填埋场产生的气体（一种沼气）。他解释说，牛粪和猪粪“很好，因为每单位重量的粪便能产生大量沼气。而鸡粪在这方面就不好了。”垃圾填埋场的潜力尤其大。

西马科夫说：“我们谈论的是，仅从一个大型垃圾填埋场就能生产出足够为数千户家庭供暖的可再生天然气。”他表示，除了家庭和工业用途外，可再生天然气还可以取代卡车柴油，而卡车柴油是温室气体排放的重要来源。

该模型计算得出，安大略农场对该系统的 500 万美元投资，加上政府对可再生天然气的补贴，将在五年内收回成本。尽管如此，它最初的成本仍将高于传统天然气。“这取决于电力成本，”西马科夫说。“但它至少会比目前的天然气成本高出两到三倍。”

然而，他预测，向广泛使用转变的过程将是无缝且具有成本效益的。“可再生天然气完全可以与传统天然气互换，无需新的配送基础设施，”他说。“过渡可以很顺利，增加越来越多的可再生天然气，直到我们完全不使用化石天然气。”

与许多研究清洁能源选择的科学家一样，他认为社会必须接受可再生能源，特别是如果气候变化持续不减的话，“以避免在不久的将来发生灾难性的灾难，比如纽约市或佛罗里达海岸的部分地区被淹没”，他补充道，“我们需要停止将地下的碳排放到大气中，并开始关注引入越来越多的可再生能源，使我们的生活更加可持续。”

玛琳·西蒙斯为 Nexus Media 撰稿，这是一家涵盖气候、能源、政策、艺术和文化的联合通讯社。