Trường đại học Mỹ nghiên cứu sử dụng phân bò để sưởi ấm: hệ thống có thể tạo ra 909 triệu lít khí tự nhiên tái tạo mỗi năm

Mùa đông đang ngày càng trở nên lạnh hơn và nhu cầu sưởi ấm dần trở thành ưu tiên hàng đầu. Để sử dụng năng lượng sạch hơn để chống chọi với cái lạnh khắc nghiệt, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Cornell, Hoa Kỳ đã thử nghiệm sử dụng phân của 600 con bò trong chuồng bò trong khuôn viên trường và những nơi khác trên thế giới nhằm mục đích sưởi ấm.

Vào tháng 10 năm 2006, hiệu trưởng của 12 trường đại học đã tham gia một hội nghị tại Đại học Bang Arizona. Sau cuộc họp, các nhà tài trợ đã gửi thư mời đến gần 400 trường học tại Hoa Kỳ, hy vọng rằng họ có thể tham gia vào kế hoạch được đề xuất trong cuộc họp – Cam kết về Khí hậu của Hiệu trưởng các trường Đại học & Cao đẳng Hoa Kỳ (ACUPCC). Mục tiêu chính của cam kết là kêu gọi tất cả các trường cao đẳng và đại học của Mỹ cùng tham gia hành động giảm phát thải khí nhà kính.

Hai năm sau khi ký kết, Đại học Cornell đề xuất Kế hoạch Hành động Khí hậu (CAP), đặt mục tiêu trung hòa carbon vào năm 2035, nghĩa là bù đắp hoàn toàn lượng khí thải carbon thông qua nhiều phương tiện khác nhau. Đại học Cornell tọa lạc tại Ithaca, miền Đông Bắc nước Mỹ, nhiệt độ trung bình hàng năm là 7 độ C. Vào mùa đông, nhiệt độ trung bình dưới âm 20 độ C trong khoảng nửa tháng.

Để đối phó với cái lạnh khắc nghiệt, việc sưởi ấm các tòa nhà giảng dạy, phòng thí nghiệm và ký túc xá trong khuôn viên trường cần rất nhiều khí tự nhiên. Trước đó, Đại học Cornell đã thiết kế một loạt cơ sở hạ tầng năng lượng sạch. Nhưng các hệ thống này chỉ có thể đối phó với tải cơ bản của hệ thống sưởi trong khuôn viên trường, và các nhà nghiên cứu cần tìm ra các thiết bị phát điện có thể đối phó với tải cao điểm.

Từ lâu, các loài động vật nuôi trong nhà đã được các nhà khoa học môi trường coi là “vết đốt”. Theo số liệu của Tổ chức Nông Lương Liên hợp quốc, khí thải chăn nuôi chiếm 16% tổng lượng khí thải nhà kính toàn cầu do các hoạt động của con người gây ra. Theo thống kê, một con bò có thể tạo ra 160-320 lít khí metan mỗi ngày thông qua các chức năng sinh lý như ợ hơi, xì hơi và bài tiết.

Một cuộc khảo sát về biến đổi khí hậu cho thấy khí metan có khả năng hấp thụ nhiệt cao gấp 28 lần so với khí cacbonic. Trong những năm qua, các nhà khoa học đã cố gắng thay đổi chế độ ăn của bò, tìm ra các gen quy định cách đánh rắm của bò và tiêm phòng cho bò để giảm lượng khí metan thải ra từ bò.

Đại học Cornell có chuyên ngành nông học thuộc top hàng đầu thế giới, nên không thiếu tài nguyên cho nghiên cứu chăn nuôi, trong khuôn viên trường luôn có những đàn gia súc và cừu. Nhìn vào 600 con bò trong khuôn viên, các nhà nghiên cứu nảy ra ý tưởng: mỗi con bò có thể thải ra trung bình 68 lít phân ướt mỗi ngày, như vậy sẽ có tổng cộng khoảng 40 tấn nhiên liệu sưởi ấm trong khuôn viên mỗi ngày.

Việc tận dụng nguồn khí thải của bò sữa trong trường học không chỉ giải quyết được nhu cầu cấp thiết về nhiên liệu cho việc phát điện phụ tải cao điểm mà còn giảm được một lượng lớn khí thải gây hiệu ứng nhà kính trong trường học.

Lấy cảm hứng từ điều này, nhóm nghiên cứu đã thiết kế một hệ thống phát điện đỉnh bằng năng lượng sinh học, và bài nghiên cứu liên quan đã được xuất bản trên “Tạp chí Năng lượng tái tạo và bền vững” hồi cuối năm ngoái.

Quá trình chuyển đổi của hệ thống sản xuất điện từ phân bò được chia thành ba giai đoạn. Trong giai đoạn đầu, các nhà nghiên cứu thu thập phân bò ướt và xử lý với vi sinh vật để tạo ra khí sinh học có chứa metan và carbon dioxide.

Loại khí sinh học này là một nguồn năng lượng tái tạo, sử dụng các nguồn năng lượng này để cung cấp điện cho khuôn viên trường, sưởi ấm và làm nhiên liệu vận chuyển là một phương pháp cung cấp năng lượng sạch và tiết kiệm.

Trong giai đoạn thứ hai, phân bò được tinh chế thành dầu. Việc xử lý ở giai đoạn này bao gồm làm khô, gia nhiệt và chuyển hóa chất hữu cơ. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng 12-18 tỷ jun năng lượng có thể được chuyển đổi cho mỗi tấn phân khô. Theo Văn phòng Hiệu quả Năng lượng Canada, 100 triệu jun điện có thể cung cấp năng lượng cho một bóng đèn 60 watt trong 6 tháng. Sản phẩm phụ của giai đoạn này là hydrochar, là một chất cải tạo đất tốt.

Trong giai đoạn thứ ba, nhóm sẽ phản ứng carbon dioxide thu được trong giai đoạn đầu tiên với hydro được tạo ra từ quá trình điện phân nước để tạo ra khí tự nhiên tái tạo.

Nghiên cứu cho thấy bộ hệ thống phát điện năng lượng sinh học này gần như có thể đáp ứng nhu cầu điện năng cao điểm của Đại học Cornell.

Nazih Kassem, một trong những tác giả của nghiên cứu này, một ứng cử viên Tiến sĩ về Kỹ thuật Sinh học và Môi trường tại Đại học Cornell, tuyên bố rằng hệ thống mà họ phát triển “có thể sản xuất 909 triệu lít khí tự nhiên tái tạo mỗi năm. Những nguồn năng lượng này sẽ đảm bảo 97% mức sưởi ấm cao điểm hàng năm. Nếu trường có thể mua thêm 19 con bò, hệ thống phát điện này sẽ có thể đáp ứng đầy đủ nhu cầu tiêu thụ điện cao điểm của trường“.

Ngoài hệ thống sưởi ấm bằng phân bò của Đại học Cornell, các nhà khoa học trên thế giới cũng đã nghĩ ra nhiều phương pháp sưởi ấm kỳ lạ để chống lại cái lạnh với mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn, chẳng hạn như siêu máy tính và máy va chạm lớn. Các thiết bị này tạo ra rất nhiều nhiệt khi chúng đang chạy, và đó là một trong những cách khả thi để cung cấp nhiệt đến nơi cần thiết.

Việc tiêu thụ năng lượng của việc làm mát siêu máy tính là vấn đề khiến các nhà khoa học đau đầu trong nhiều năm. Năm 2009, IBM và Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ ở Zurich cùng công bố kế hoạch sử dụng hệ thống làm mát bằng nước của siêu máy tính Aquasar để sưởi ấm tòa nhà đại học.

Hệ thống này không chỉ tiêu thụ năng lượng ít hơn 40% so với hệ thống làm mát bằng không khí, mà một phần nước nóng làm mát có thể được sử dụng để sưởi ấm các tòa nhà đại học gần đó. Các kết quả nghiên cứu sau đó cho thấy hiệu suất thu hồi nhiệt của hệ thống “lò sưởi siêu điện” này cao tới 80%.

Tại Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu (CERN), một thực hành mới đã được thực hiện. Vào tháng 6 năm ngoái, CERN đã ký một thỏa thuận với chính quyền địa phương Pháp để cung cấp một phần nước nóng từ hệ thống làm mát của Máy va chạm Hadron Lớn (LHC) cho các khu dân cư gần đó để sưởi ấm vào mùa đông.