2016年夏天，化学工程师David Simakov在安大略省南部农田悠闲地开车兜风。旅途中，他停在一个正在用沼气发电的农场。作为一名科学家，Simakov开始思考。能否将这种沼气进一步提炼成天然气？
天然气是燃烧最清洁的化石燃料，尽管它也是气候变化的一个重要因素。将牛粪转化为天然气有三个主要优势。首先，它将成为碳污染的主要来源的动物粪便转化为可用的燃料。其次，它将提供一种新的天然气来源，可以替代煤炭和石油等污染更严重的燃料。第三，它将减少水力压裂的需求，水力压裂是一种对环境破坏很大的从地下开采天然气的做法。
“我总是在思考改进的方法，” Simakov说。“为什么不充分利用沼气的潜力呢？我们已经知道如何从粪便中生产沼气，以及如何燃烧沼气发电。所以我想到：我们可以利用电力将这种粪便沼气提纯，制成可再生天然气。”
Simakov将提炼后的沼气称为“可再生”天然气，因为牛可以提供无限的供应，而地下开采的天然气是有限的。更重要的是，牛在很大程度上是在循环大气中的碳。草从大气中吸收碳，牛食用草，然后将碳排放回天空。燃烧地下开采的天然气会增加天空中的总碳污染量。
Simakov希望将沼气转化为天然气。沼气是由有机物（如粪便）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——其余的是痕量气体和二氧化碳，后者是一种强效温室气体，会加剧气候变化。他的想法是将剩余的二氧化碳转化为甲烷，使最终产品成为完全的天然气。
将排泄物作为燃料来源的想法并不新鲜。此外，在许多国家，干燥的粪便已经被用作燃料来源，尽管燃烧干燥粪便会产生大量空气污染，这是一个重大的缺点。而Simakov的概念则不同。“我们开发的工艺不是基于燃烧干燥粪便，” Simakov说。“它是基于通过厌氧消化从粪便中提取沼气，同时将液体和固体残渣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Simakov建立了一个2000头奶牛场的计算机模型来概念化该工艺。他在最近发表于《国际能源研究杂志》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。然后，将氢与沼气混合，并让它们通过催化转化器，将二氧化碳（CO2）转化为甲烷（CH4）。当然，该工艺需要电力，但Simakov说，这应该是“现场可再生能源”或“剩余电力”，并补充说：“它的碳足迹必须很低。”
“这种单一方法可以给我们带来多重好处，”他说。“潜力巨大。”该系统可以在拥有数千头牲畜的大型农场运作。“农场必须是高科技和集中的，以便于收集粪便，”他说。“现代化的奶牛场就是这样的。”
该技术可用于几种类型的粪便，特别是牛粪和猪粪，以及垃圾填埋场产生的沼气（也是一种沼气）。他说，牛粪和猪粪“很好，因为单位重量产生的沼气量很大，”他解释道。“而鸡粪在这方面则不好。”垃圾填埋场的潜力尤其令人鼓舞。
“我们谈论的是，仅凭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，” Simakov说。他说，除了家庭和工业用途，可再生天然气还可以替代卡车柴油燃料，而卡车是温室气体排放的重要来源。
该模型计算得出，在安大略省的农场投资500万美元用于该系统，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，其初始成本仍然高于传统天然气。“这取决于电力的成本，” Simakov说。“但它将比目前天然气的成本高出至少两到三倍。”
然而，他预测，广泛使用的过程可以是无缝且具有成本效益的。“可再生天然气与传统天然气完全可以互换，无需新的分发基础设施，”他说。“转型可以很顺畅，不断增加可再生天然气的比例，直到我们完全不再使用化石天然气。”
与许多研究清洁能源方案的科学家一样，他认为社会必须拥抱可再生能源，特别是如果气候变化持续下去，“以避免在不久的将来发生灾难性的灾难，例如纽约市部分地区或佛罗里达海岸被淹没，”他补充道，“我们必须停止将地下碳排入大气，并开始关注引入越来越多的可再生能源，以使我们的生活更加可持续。”
玛琳·西蒙斯为Nexus Media撰稿，该媒体是一家涵盖气候、能源、政策、艺术和文化的联合新闻社。
