人造的光合作用有可能成真嗎?以人造葉嘗試開啟的「氫經濟」——《drawdown 反轉地球暖化100招》

編按:此為《drawdown 反轉地球暖化100招》最終章,作者提出一些「明日新亮點」,期待可以減緩全球暖化的現象。

生質能源效率低落:高耗能的能量轉換過程

數十年來,一群科學家致力以人造樹葉取代自然光合作用並且直接從大氣之中創造燃料,能量則來自陽光。

收益很明顯。幾乎所有能源都來自太陽,其中大部分源自於光合作用。(我們取得能源的形式,包括由植物而來的食物,以及植物的衍生物,例如石油、瓦斯、泥炭、煤、木頭與乙醇)。

植物的光合作用。圖/pixabay

光合作用看似簡單:水、陽光、吸收二氧化碳並排出碳水化合物與氧氣。然而,單憑自然光合作用想要滿足世界對於能源日漸增長的需求,則是不可行的。

為了生產生質燃料而種植玉米、白楊或是柳枝稷,就能源效率而言,不利條件顯而易見。植物能毫不費力地轉換陽光,但是如果要將光子轉化為可使用的儲存能源,效率值僅 1%

以玉米作為生質燃料效率並不佳。圖/pixabay

以玉米為例,農夫必須以石油供能的拖曳機犁地、使用除草劑抑制雜草、以打穀機收割作物,並以卡車將作物載運至好幾英里外加工。玉米在加工廠內被研磨成泥,與酶和阿摩尼亞混合,煮熟以殺死細菌,液化後放入酵母發酵數日,將糖分轉化為乙醇。接著蒸餾並且分離物質。固體被分離出來,液體進入分子篩。二氧化碳被截取並且出售給飲料製造商。添加變性劑使它無須被課稅且無法飲用,接著進入儲存槽,之後被放入油罐車載往精煉廠,然後加入汽油之中。

業界稱之為再生燃料,實際上是過度延伸再生燃料的定義。

因為整個過程相當依賴柴油、石油、汽油、電力與補助。計算下來,以玉米為基底的乙醇,生產的能源只比製造過程所需能源多出一些。如果把使用土地時產生的排放、地下水的耗費、生物多樣性的喪失以及氮肥的衝擊計算進去,對於大氣層是否有益,就有爭辯的空間了。玉米最符合效益的用途是作為人們飢餓時的主食,而不是作為推動跨界休旅車的乙醇

試想如果可以略過農場、肥料、拖曳機、卡車、加工廠與補助,無論你與水源身處何方,都可以直接從水與二氧化碳中製造燃料。這就是丹尼爾.諾賽拉(Daniel Nocera)20 多年前發起人造葉計畫的目標。

擺脫能源效率不佳窘境:人造葉計畫

丹尼爾.諾賽拉(Daniel Nocera)致力研究將水分離為氫與氧。圖/聯經出版

諾賽拉是哈佛大學能源科學的教授。 1980 年代早期,身處加州理工學院研究所的他便致力研究將水分離為氫與氧。他的計畫是想促進氫經濟

該科技的原始版本使用矽片,其中一面鍍有鎳鈷催化劑,當矽片放入水中後,將在其中一面的表層產生氫,另一面產生氧。早期媒體讚揚並誇大該科技可能的影響。諾賽拉預言該科技將對窮人有益。他表示氫氣可以用來煮飯,或是藉由燃料電池轉化為電力。但是一罐氫氣對於窮人有什麼用?沒有⋯⋯除非他們有燃料電池,而這是一項昂貴的科技。科技上的突破卻在經濟上沒有可利用性。

氫氣是世界上最輕的物質,如鬼火般稍縱即逝。雖然 1 磅氫蘊含的能量比汽油多 3 倍,但是要取得 1 磅氫的過程相當棘手,並且需要高壓槽與壓縮機等設備。要生產足夠 1 個家庭使用的能源,需要 1 個膠合板大小的矽片,以及 3 個浴缸大小的儲存槽。

諾賽拉專注於如何提供窮人平價的能源,卻很少想過窮人可以如何生產電力。儘管如此,他下定決心要想出一種人人都能享用的能源與科技,他將這個概念比喻為 1970 年代的「死忠粉絲」(Deadhead)。死之華樂團(e Gratefal Dead)在數十年前就提出音樂共享這個最終摧毀產業的概念。該樂團允許並且鼓勵人們錄製他們的演唱會,至今仍有網站致力分享與交換這些歌曲。這樣的概念有可能適用於能源科技嗎?

諾賽拉認為如此。

他相信專注於那些對最貧困之人有益的科技,受益最多的將是整個社會。許多年來,他回應質疑的方式,就是指出如果投入人工光合作用的金錢與投資於電池的一樣多,突破將來得更快。

突破確實發生了。 2016 年 6 月 3日,諾賽拉與他的同事潘蜜拉.席爾瓦(Pamela Silver)宣布,他們結合了太陽能、水與二氧化碳,成功製造出蘊含高能量的燃料。他們採用兩種催化劑,從水中免費製造出氫,用於餵養能合成液態燃料的鉤蟲貪銅菌(Ralstonia eutropha)。用純二氧化碳餵養這種細菌,過程將比光合作用有效率 10 倍。如果二氧化碳取自空氣,效率也多出 3 至 4 倍。

諾賽拉與同事結合了太陽能、水與二氧化碳,成功製造出蘊含高能量的燃料。圖/聯經出版

直到最近,諾賽拉持續關注從無機化合物中產生氫氣。他與哈佛團隊不將氫視為提供給人類的能源,而是用來餵養細菌的能量原料,因此朝向原始目標邁進了一大步:利用太陽與水製造便宜的能源。對了,還有細菌。也許經濟上可行的人工光合作用,到頭來也不是完全人造的。

——本文摘錄自《drawdown 反轉地球暖化100招》,2019 年 1 月,聯經出版


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