康奈尔大学的研究人员盯上了校园里的牛粪！用“牛粪”发了一篇SCI论文

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别把牛粪糟蹋在养花上了，只需要619头牛，就能让康奈尔大学的师生温暖过冬~

能源是个大问题

能源是人类赖以生存和发展的基础资源，从目前来看化石能源所占比重依然很高。但是过量的碳排放以及由此带来的温室效应让人们不得不做出一些改变。2015年12月12日，《巴黎协定》在巴黎气候变化大会上获得了通过，旨在减少温室气体排放。

为了达成这一目标，人们不得不将能源需求转向可再生资源。虽然2020年11月4日，特不靠谱宣布美国已正式退群《巴黎协定》，但是美国的科研机构在减少碳排放、可再生能源的研究领域还是很靠谱的。

在美国众多可再生能源研究机构中，康奈尔大学的研究非常有特色，整个校园都充满了浓厚的可再生能源技术研究氛围。

寒冷的康奈尔大学

美国康奈尔大学（Cornell）地处纽约州，冬季寒冷而且漫长，其每年的供暖期长达6个月，整个纽约州的大部分能源都用来取暖了，其中35%靠的是天然气，妥妥的用能大户。于是，这所大学就在2019年发起了一项能源改革远景倡议（REV），以可再生能源取代天然气进行取暖，而且定了一个小目标：到2050年将温室气体排放量（GHG）降低到1990年的15％，到2040年实现100％的清洁能源发电。

自己动手丰衣足食

立下了这么大的一个flag之后，康奈尔大学就打算先从自我做起，用可再生能源解决自己校园的教学楼、实验室、宿舍的冬季采暖问题。

图1. 康奈尔大学校园规划的能源基础架构，将地热和生物精炼技术结合。

康奈尔大学首先估算了一下自己所需的取暖能耗，大学所处的伊萨卡地区的年平均温度约为7℃，2019年校园取暖的峰值能耗达到80 MW_th（兆瓦热能）。

目前，康奈尔大学正在开发一项采用地热资源的区域供热示范项目（ESH），该项目利用地下3~4公里处热水的热量进行取暖，可以满足基本供热负荷，但是峰值负荷很难满足。

康奈尔大学的600头牛

为了满足供暖的峰值负荷，康奈尔大学的Nazih Kassem就盯上了学校里养的那600头牛了。他们把牛的排泄物（俗称牛粪）收集起来，利用生物精炼技术，通过厌氧消化-水热液化-生物甲烷化（AD-HTL-BM）三步，将牛粪变为可再生天然气（RNG），600头牛的牛粪每年可以生产910×10⁶ 升的可再生天然气，相当于每天产生26MW·h_th的热量，将这些天然气注入到天然气配电网中，在采暖达到峰值负荷时取用，就能满足97％的峰值负荷需求（9661兆瓦时），在最低RNG售价下的有效平均热成本（LCOH）为32美元/GJ。如果学校能再多买19头牛，就能100%满足全校师生采暖的峰值负荷。这一研究成果发表在2020年12月22日的《Journal of Renewable and Sustainable Energy》上。

厌氧消化过程

牛粪进行生物精炼的第一步是厌氧消化（AD）。研究者发现每头奶牛每天可以产生68公斤的湿粪便，600头就是40800公斤，他们将这些牛粪放入979立方米的消化系统内，加入嗜温细菌在35℃下进行了20天的厌氧发酵，通过一系列水解和发酵后，牛粪转化为沼气（甲烷和二氧化碳），AD过程的残余物还可以用作土壤改良剂。

水热液化过程

在牛粪经过AD后就进入了水热液化（HTL）阶段，这是一个热化学处理粪便消化物的步骤。在高温（300℃）和有压水的作用下，通过一系列脱水和缩合反应，60分钟后消化物转化为生物原油（biocrude oil）、水热炭（hydrochar）和其它化合物。

生物甲烷化过程

在牛粪的前两步过程中会产生大量的二氧化碳，研究者将其送入一个单独的反应器内，利用学校周围Beebe和Cayuga湖的水进行电解产生氢气，二氧化碳和氢气在古生菌的催化下得到甲烷和水，转化效率99%。

亏损的窘境

图2. 项目投资与每年运行成本估算。

研究者估算了整个项目的成本和收益，发现项目总投资需要890万美元，其中AD系统占20％，BM系统和电解装置占20％，HTL系统和CNG基础设施分别占31％和29％，总体每年的运营成本约为220万美元。作为收益，将RNG注入电网中的加权平均价格为38美元/GJ，每年可获利120万美元，系统每年可生产约218000升生物原油和131000公斤水热炭，相当于309000和360000美元的收益。因此，这么算下来项目是亏损的。

研究者希望针对此类项目，政府可以在基础建设、设备采购、用电、RNG售价等方面给与优惠政策或提供补贴。如果能够以批发价用电的话，项目运营30年后的净现值（NPV）为440万美元，可以实现50％的投资回报率，在这种情况下，项目的内部收益率（IRR）是8.7％。

小结

康奈尔大学将地热与生物精炼技术相结合，其中地热满足了校园采暖的基本负荷，生物天然气满足了峰值负荷，完美、低碳的解决了自己的采暖问题。他们利用AD-HTL-BM三步工艺将牛粪转化为RNG，每年可以生产910×10⁶ 升的RNG，能够满足97％的采暖峰值负荷需求。通过准确的计算，他们发现如果学校再多养19头牛就能100%满足峰值负荷。

但是小编还是建议此处要做个冗余设计，牛吃草料哪有不生病的，万一哪天个别牛生病了、便秘了就很难保障师生们的取暖需求了，所以多养两头还是非常有必要的。

在满足自身需求的基础上，康奈尔大学的研究人员还不忘给政府和社会支招，他们在充分调研后，发现康奈尔大学25英里范围内有29个农场，一共居住了28000头奶牛，你懂得……

原文链接：

https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0024841

来源：高分子科学前沿

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