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(yán)寒，美國康奈爾大學(xué)的研究團(tuán)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(xué)裝置的主意。

2006 年 10 月，12 所大學(xué)的校長在美國亞利桑那州立大學(xué)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(xué)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(xué)院和大學(xué)校長氣候承諾（American College & University Presidents‘ Climate Commitment，ACUPCC）。該承諾的主要目標(biāo)是號召所有美國高等學(xué)校加入降低溫室氣體排放的行動中。

康奈爾大學(xué)是第首批簽署該承諾的常春藤聯(lián)盟學(xué)校之一［2］。簽署兩年后，康奈爾大學(xué)提出了《氣候行動計劃》（Climate Action Plan，CAP），計劃于 2035 年達(dá)成碳中和目標(biāo)［3］，即通過各種方式完全抵消碳排放。而康奈爾大學(xué)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(yīng)對嚴(yán)寒，校園中教學(xué)樓、實(shí)驗(yàn)室以及宿舍的供暖需要耗費(fèi)不少的天然氣。此前，康奈爾大學(xué)已經(jīng)設(shè)計了一系列清潔能源基礎(chǔ)設(shè)施。但這些系統(tǒng)只能夠應(yīng)對校園取暖的基本負(fù)荷（base load），研究者還需要找到能夠應(yīng)對高峰負(fù)荷（peak load）的發(fā)電裝置。

康奈爾大學(xué)的奶牛

從很久以前開始，家畜就被環(huán)境保護(hù)科學(xué)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(dǎo)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(xué)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(xué)有世界一流的農(nóng)學(xué)專業(yè)［5］，因此不乏畜牧類研究資源，校內(nèi)牛羊成群?？粗@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(fù)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(tuán)隊設(shè)計出了生物能源峰值發(fā)電系統(tǒng)，相關(guān)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?xì)狻＿@種生物燃?xì)馐强稍偕茉?，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(jì)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(jī)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(tuán)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(jìn)行反應(yīng)，制造可再生天然氣。

康奈爾大學(xué)校園內(nèi)的供能系統(tǒng)圖示，藍(lán)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(xué)的峰值用電需求。本研究的作者之一，康奈爾大學(xué)生物及環(huán)境工程學(xué)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(xué)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(xué)的牛糞供暖系統(tǒng)，世界各地的科學(xué)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(jī)和大型對撞機(jī)。這些裝置運(yùn)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(jī)降溫的耗能是困擾科學(xué)家們多年的問題。2009 年，IBM 公司與瑞士蘇黎世聯(lián)邦技術(shù)學(xué)院共同宣布，計劃用超級計算機(jī) Aquasar 的水冷系統(tǒng)來為學(xué)院樓供熱。這套系統(tǒng)不僅耗能較風(fēng)冷系統(tǒng)節(jié)省 40% ，部分制冷熱水還可用于給附近的學(xué)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(dá) 80% ［7］。

而在歐洲核子研究中心（CERN）做出了新的實(shí)踐。去年 6 月，CERN 與法國地方當(dāng)局簽署協(xié)議，將大型強(qiáng)子對撞機(jī)（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(jī)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(zé)編AJX