[科普中國]-藻類發(fā)電

藻類發(fā)電是指在藻類細(xì)胞進(jìn)行光合作用時(shí)，會(huì)把氫分解為帶正負(fù)電荷的粒子，通過其內(nèi)部活動(dòng)產(chǎn)生電流，從而進(jìn)行發(fā)電；同時(shí)也可以對(duì)藻類后期進(jìn)行燃燒發(fā)電，利用立體光反應(yīng)培養(yǎng)器回收循環(huán)利用二氧化碳，生產(chǎn)藻類制成藻粉作為生物質(zhì)燃料，藻粉經(jīng)過燃燒進(jìn)行燃熱發(fā)電。

方案提出由于二氧化碳和其他溫室氣體的逐年增多，全球氣候變暖導(dǎo)致全球氣溫顯著上升。隨著這一問題的加劇，一個(gè)利用藻類進(jìn)行光合作用減少二氧化碳的同時(shí)提供我們所需照明的綠色環(huán)保方案被提了出來。

韓國延世大學(xué)（Yonsei University）和斯坦福大學(xué)（Stanford University）的科學(xué)家在2010年開發(fā)出了新的技術(shù)，利用納米技術(shù)的進(jìn)步來實(shí)現(xiàn)藻類供電。來自荷蘭的設(shè)計(jì)師麥克·湯姆森從上述技術(shù)中獲得靈感，利用藻細(xì)胞中的葉綠體獲得電流來驅(qū)動(dòng)燈泡。這一技術(shù)結(jié)合了自然和科學(xué)技術(shù)，被命名為拉托恩，在拉丁語中為“賊”的意思，在這里意為“偷”光合作用中提供的能量，并消耗主要的溫室氣體1。

發(fā)電原理光合發(fā)電烏普薩拉大學(xué)與斯坦福大學(xué)一樣，都在研究以藻類為基礎(chǔ)的發(fā)電電池組，斯坦福大學(xué)的研究人員通過藻類細(xì)胞內(nèi)部的活動(dòng)來獲得電流。該小組設(shè)計(jì)了一種金質(zhì)電極，可通過細(xì)胞膜，然后圍繞在細(xì)胞周圍。而這個(gè)細(xì)胞還是活著的，進(jìn)行著光合作用，科學(xué)家正是基于光合作用而獲得化學(xué)能量轉(zhuǎn)換成電能的。

植物進(jìn)行光合作用時(shí)，葉綠素不但能把水分解為氫和氧，而且還能把氫分解為帶電荷的氫離子和帶負(fù)電荷的電子。此時(shí)，植物體內(nèi)會(huì)有電流產(chǎn)生，然后白白地消耗掉了。如果用人工的方法控制這個(gè)產(chǎn)生電流的過程，就可以積累植物中的電量，為人們提供生活和工業(yè)所需的用電。

研究人員對(duì)植物葉綠素發(fā)電進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，把從菠菜葉內(nèi)提取的葉綠素與卵磷脂混合，涂在透明的氧化錫結(jié)晶片上，用它作為正極安置在“透明電池”中，當(dāng)它被太陽光照射時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電流。研究表明，用葉綠素制造的電池能把太陽能的30%轉(zhuǎn)換成電能，而現(xiàn)有的多數(shù)太陽能電池板僅能把10%～20%的太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。因此，利用植物進(jìn)行太陽能發(fā)電應(yīng)該比太陽能電池板發(fā)電的潛力更大。

燃燒發(fā)電采用燃燒產(chǎn)熱的方式利用生物質(zhì)能源，藻類植物的生物質(zhì)量經(jīng)過干燥后，可以像高等植物木材一樣用來燃燒產(chǎn)能，配合燃燒熱發(fā)電的方式，小規(guī)模廠房所需的電力可以自給自足。燃燒產(chǎn)出的二氧化碳又可以有藻類進(jìn)行光合作用再利用。這樣的再生能源應(yīng)用系統(tǒng)有經(jīng)濟(jì)又環(huán)保。但藻類生質(zhì)燃料的成本相當(dāng)高，約是其他生質(zhì)燃料的10-1000倍1。

方案應(yīng)用藻類電燈荷蘭的設(shè)計(jì)師麥克·湯姆森（MikeThompson）利用藻細(xì)胞中的葉綠體獲得電流來驅(qū)動(dòng)燈泡。拉托恩具有開創(chuàng)性的設(shè)計(jì)，該燈采用直徑僅為30納米的電極和其他器件，利用藻類細(xì)胞能夠產(chǎn)生1.2pA的電流。此外，該產(chǎn)品還具備了光傳感器，能夠調(diào)節(jié)產(chǎn)生的電流，為藻類的生存留下足夠的能量。設(shè)計(jì)師表示，藻類也是需要照顧的寵物。

這款燈設(shè)計(jì)使用LED提供照明，這樣既可以提高能源的利用效率，在停電和發(fā)生自然災(zāi)害的情況下也不會(huì)受到影響。這款產(chǎn)品還未投入量產(chǎn)，包括設(shè)計(jì)師在內(nèi)的很多人認(rèn)為這款燈在2035年投入量產(chǎn)并大規(guī)模使用較為合適。

藻類供電建筑全球首座藻類供電建筑2013年在德國漢堡落成。這座被命名為BIQ House的綠色供電建筑，外部由具備環(huán)境適應(yīng)能力的藻類組成，并作為一項(xiàng)城市地區(qū)綠色自給供電建筑的實(shí)驗(yàn)樓。據(jù)設(shè)計(jì)師預(yù)測(cè)，這一棟藻類供電建筑能夠從根本上改變德國接下來50年的能源供給途徑。只要利用得當(dāng)并普及開來，無論是機(jī)器人制造領(lǐng)域、農(nóng)場(chǎng)生產(chǎn)還是家用供電都將受益。

藻類生物很好地適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境并存活了下來，外部的透明玻璃實(shí)則是一個(gè)微生物反應(yīng)器，里面的藻類能夠通過吸收太陽光，在這一反應(yīng)器里快速生長(zhǎng)并且為整棟建筑供電。不僅如此，BIQ House特殊的外部構(gòu)造吸收了大部分太陽光，使得室內(nèi)十分涼爽。由三家來自不同國家的建筑設(shè)計(jì)室打造，BIQ House將在漢堡的國際建筑展中參展。

藻類發(fā)電站位于澳大利亞新南威爾士州的貝絲沃特發(fā)電站將成為全世界第一個(gè)種植藻類來捕捉二氧化碳的發(fā)電站，這些藻類隨后還可以轉(zhuǎn)化為可再生的柴油和航空燃料。計(jì)劃將其排放的一部分二氧化碳注入育有藻類的密封水箱中。水箱里吸收了二氧化碳的藻類收獲后經(jīng)過處理將成為生物燃料。這項(xiàng)耗資1.4億美元（約為8.6億元人民幣）的計(jì)劃得到了澳大利亞聯(lián)邦政府、新南威爾士州政府及澳大利亞麥考瑞電力公司的支持。

在2014年開始進(jìn)行的第一階段里，貝絲沃特發(fā)電站的排氣煙囪將向400個(gè)與集裝箱差不多大小的密封水箱中注入排放出的二氧化碳，以刺激水箱中人工藻類的繁殖。這些藻類從本質(zhì)上來說是一種植物油，它們將在附近的工廠中接受處理成為可出售的燃料。該計(jì)劃對(duì)貝絲沃特發(fā)電站碳排放量造成的改變很微小，但不容忽視。該發(fā)電站每年排放二氧化碳1900萬噸，這項(xiàng)計(jì)劃預(yù)計(jì)可以捕獲其中的27萬噸，并且在未來幾年中逐漸增長(zhǎng)到130萬噸。這種處理藻類的方式造成的浪費(fèi)也相對(duì)較小，轉(zhuǎn)化為燃料廢棄的藻類殘?jiān)鼘⒂糜谏a(chǎn)家畜飼料1。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

石季英 - 副教授 - 天津大學(xué)