二氧化碳也可變身高效農業資源和再生能源!?

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二氧化碳也可變身高效農業資源和再生能源!?

2013/03/25

【日經BP社報導】

除了發電機運轉產生的電力,還對廢熱加以利用的「熱電聯產系統」作為能源利用效率高的節能技術逐漸得到推廣。
      

而且進一步有效利用廢氣中所含二氧化碳的「熱電冷三聯產系統」也開始受到關注。

熱電冷三聯產分為兩種,即將二氧化碳用於促進作物生長髮育的「農業熱電冷三聯產」,和用於廢鹼液中和等的「工業熱電冷三聯產」。在全球範圍內,農業熱電冷三聯產的利用越來越多。
綜合熱效率超過90%
      

位於美國加州卡瑪利歐的Houweling』s Tomatoes在面積達125英畝(約0.5平方公里)溫室中,每年生產著幾百萬個蕃茄(圖1)。

該農場僅種植非轉基因作物,還從保護地球環境的角度出發,致力於開展可持續發展農業,因此而聞名全球。

通過鋪設面積達5英畝(約2萬平方米)太陽能電池板、循環利用雨水罐中的水等,減輕環境負荷。

圖1 Houweling’s Tomatoes的蕃茄栽培景象 (點擊放大)

        Houweling』s Tomatoes還于2012年8月安裝了全美也少見的高效率分散型能源系統。設置了美國通用電氣公司製造的8.7兆瓦的燃氣機(圖2)。

由此構築了熱電冷三聯產系統,將發電時產生的廢熱轉變為溫水,用於為溫室加溫,同時將二氧化碳濃度較高的燃氣機廢氣送入溫室,以促進作物的生長髮育。

圖2 Houweling’s Tomatoes設置的通用電氣燃氣機 (點擊放大)

       整套設備的發電效率為45.5%,包括廢熱利用在內,熱電聯產系統的綜合熱效率超過90%。送入溫室的廢氣中的二氧化碳每年可達到2.14萬噸。燃氣機主要在地區電力需求達到高峰的白天運轉,因此還可為負荷平均化做貢獻。
      

送入溫室的二氧化碳白天用於作物的光合作用,可促進作物的生長髮育。

對於廢氣中所含的一氧化碳(CO)、碳化氫(HC)、氮氧化物(NOx)及其他微量有害物質,通過利用觸媒轉換器進行處理,也將含量降低到地區空氣污染管理標準以下。
提高二氧化碳濃度,增加收穫量
      

在美國,將燃氣機廢氣中所含的二氧化碳用於農業的嘗試剛剛開始,但在歐洲,已經出現了很多事例。

通用電氣已在全球供應了800多臺燃氣機用於溫室栽培,通過約2吉瓦(GW)的發電系統,將廢氣用於促進作物的生長髮育。該公司內部率先研究利用廢氣中的二氧化碳的是設在荷蘭的研究所。溫室栽培業較為發達的荷蘭早已開始將獨立發電設備及鍋爐產生的二氧化碳用於農業。
      

在日本,大阪燃氣公司、農業及食品產業技術綜合研究機構花卉研究所等一直在致力於採用農業熱電冷三聯產系統。

大氣中的二氧化碳濃度通常為 360PPM(1PPM為100萬分之1),但花卉研究所的實驗結果證實,如果將二氧化碳濃度提高到700~1000PPM左右,

葉菜收穫量會增加 25~30%,水果會增加20%左右,花卉會增加40%左右。
      

作為在田地中的實際應用事例,大阪燃氣曾經與茨城縣筑波市合作,在該市的花卉栽培農戶構築了使用燃氣機的熱電冷三聯產系統(圖3)。

業務用途方面,豐田汽車公司旗下從事花卉生產及銷售業務的Toyotafloritech公司也採用了使用微型燃氣輪機的熱電冷三聯產,每年大約生產400萬盆花卉。

圖3 筑波市與大阪燃氣共同採用的花卉栽培熱電冷三聯產系統
通過下面的塑膠筒供應二氧化碳。/font>

溫室栽培二氧化碳利用在荷蘭獲得進展
      

作為熱電冷三聯產的新形式,目前受到關注的是二氧化碳捕獲及利用(CCU)。

CCU是從廢氣中積極分離二氧化碳,將高濃度二氧化碳用於農業及工業。
      

原來一直在探討的是二氧化碳捕獲及封存(CCS),

即從火力發電站等的廢氣中分離及捕獲二氧化碳,將之壓入地下取水層封存起來,

後來產生了新的思路,即探討將分離出的二氧化碳用於經濟價值高的用途,

於是又開始稱為CCU。

CCS在碳排放交易制度下只能轉換為經濟價值,

但CCU不會受到碳排放權交易價格變動的影響,有可能成為穩定的收入源。
      

作為捕獲的二氧化碳的利用方法,此前也曾嘗試壓入油田及氣田,以增加油氣產量,而CCU則是更積極地將二氧化碳用作原料等。
     

荷蘭已有了這方面的領先事例。

近幾年來在該國,將煉油廠等化學工廠排放的二氧化碳用於溫室栽培的業務已進入軌道。

位於鹿特丹近郊工業區的英荷殼牌石油公司煉油廠從2005年起,

將精煉程序產生的二氧化碳濃度提高到100%左右,

供應給海牙南部的園藝農戶溫室(圖4)。

圖4 荷蘭海牙南部的園藝農戶
由英荷殼牌石油的煉油廠供應二氧化碳,用於蔬菜栽培。

      

當地燃氣公司與建築公司合資成立的OCAP公司從殼牌石油購買二氧化碳,

通過管線供應並銷售給農戶。

2012年1月,還建設了從鹿特丹近郊的從事生質酒精製造業務的Abengona公司供應二氧化碳的設施。
      

在工廠中壓縮二氧化碳,並利用管線輸送。

在輸送過程中與空氣混合,使濃度降到1%並送入溫室。

溫室內的二氧化碳平均濃度為通常的2倍左右(760PPM)。

據稱在二氧化碳較多的環境下,蔬菜生長可加快25%左右。

現在每年總共向約500家農戶(溫室總面積約為13平方公里)供應30萬噸二氧化碳。
      

CCU之所以開始受到關注,是因為可以像荷蘭一樣,使工廠與農戶聯動。

現在瞄準CCS項目,從廢氣中高效捕獲二氧化碳的技術開發已經取得一定進展。

如果將來二氧化碳捕獲成本大幅下降,

向溫室農戶提供二氧化碳的服務業務可行性可能會提高。

將二氧化碳用於工業用途
      

作為今後利用二氧化碳的一種前景,還出現了將之作為化學原料用於工業用途的嘗試。

例如將二氧化碳儲存在碳酸鹽礦物中以製造建築材料,

或者利用混凝土吸收二氧化碳等舉措。
     

並且還確立了以二氧化碳和氫為原料製造甲醇的工藝。不過,要將化學性質不活躍的二氧化碳轉變為具備經濟價值的材料及燃料,需要投入一定的能源。如果這些能源使用化石燃料,由於會排放二氧化碳,因此不會為解決全球變暖問題做出貢獻。
     

CCU的最終目標是利用再生能源,將二氧化碳轉變為有用的材料及燃料。在該研究領域備受關注的,是利用藻類及人工光合作用製造碳化氫等。植物可通過光合作用,利用陽光將二氧化碳和水轉變為有機物。
      

最近備受關注的,是利用光合作用在體內儲存碳化氫油的藻類。

人工光合作用指的是將金屬觸媒轉換器及金屬配位化合物等可量產的設備作為反應場,利用太陽能將二氧化碳和水轉變為碳化氫的技術。
      

近年來在全球,這方面的研究日趨活躍。

在日本,藻類領域有風險企業Euglena公司,人工光合作用領域有松下公司和豐田中央研究所等,已取得了具有劃時代意義的成果。
      

除了促進作物生長,二氧化碳的用途如果能夠擴展到通過工業手法製造碳化氫,二氧化碳供應服務需求會大幅增加。

這樣一來,與太陽能及風力所發的電力一樣,以碳迴圈為前提的液體碳化氫燃料將成為再生能源的二次能源(能源介質),擺脫化石燃料時代的能源系統選項會進一步增加。
      

通過熱電冷三聯產及CCU有效利用二氧化碳,從其發展可以了解一些今後新一代能源社會的前景。

(日經BP清潔技術研究所研究員:金子憲治)

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■關鍵詞
資源/能源/新材料 氣候/生物多樣性

■日文原文
進む二酸化炭素の農業利用──溫暖化の「悪玉」を有用資源に

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