二氧化碳也可变身高效农业资源和可再生能源！？

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除了发电机运转产生的电力，还对废热加以利用的“热电联产系统”作为能源利用效率高的节能技术逐渐得到推广。

而且进一步有效利用废气中所含二氧化碳的“热电冷三联产系统”也开始受到关注。热电冷三联产分为两种，即将二氧化碳用于促进作物生长发育的“农业热电冷三联产”，和用于废碱液中和等的“工业热电冷三联产”。在全球范围内，农业热电冷三联产的利用越来越多。

综合热效率超过90％

位于美国加利福尼亚州卡马里奥的Houweling’s Tomatoes在面积达125英亩（约0.5平方公里）温室中，每年生产着几百万个西红柿（图1）。该农场仅种植非转基因作物，还从保护地球环境的角度出发，致力于开展可持续发展农业，因此而闻名全球。通过铺设面积达5英亩（约2万平方米）太阳能电池板、循环利用雨水罐中的水等，减轻环境负荷。

图1　Houweling's Tomatoes的西红柿栽培景象

Houweling’s Tomatoes还于2012年8月安装了全美也少见的高效率分散型能源系统。设置了美国通用电气公司制造的8.7兆瓦的燃气机（图2）。由此构筑了热电冷三联产系统，将发电时产生的废热转变为温水，用于为温室加温，同时将二氧化碳浓度较高的燃气机废气送入温室，以促进作物的生长发育。

图2　Houweling's Tomatoes设置的通用电气燃气机

整套设备的发电效率为45.5％，包括废热利用在内，热电联产系统的综合热效率超过90％。送入温室的废气中的二氧化碳每年可达到2.14万吨。燃气机主要在地区电力需求达到高峰的白天运转，因此还可为负荷平均化做贡献。

送入温室的二氧化碳白天用于作物的光合作用，可促进作物的生长发育。对于废气中所含的一氧化碳（CO）、碳化氢（HC）、氮氧化物（NOx）及其他微量有害物质，通过利用催化剂进行处理，也将含量降低到地区大气污染管理标准以下。

提高二氧化碳浓度，增加收获量

在美国，将燃气机废气中所含的二氧化碳用于农业的尝试刚刚开始，但在欧洲，已经出现了很多事例。通用电气已在全球供应了800多台燃气机用于温室栽培，通过约2吉瓦（GW）的发电系统，将废气用于促进作物的生长发育。该公司内部率先研究利用废气中的二氧化碳的是设在荷兰的研究所。温室栽培业较为发达的荷兰早已开始将独立发电设备及锅炉产生的二氧化碳用于农业。

在日本，大阪燃气公司、农业及食品产业技术综合研究机构花卉研究所等一直在致力于采用农业热电冷三联产系统。大气中的二氧化碳浓度通常为360PPM（1PPM为100万分之1），但花卉研究所的实验结果证实，如果将二氧化碳浓度提高到700～1000PPM左右，叶菜收获量会增加25～30％，水果会增加20％左右，花卉会增加40％左右。

作为在田地中的实际应用事例，大阪燃气曾经与茨城县筑波市合作，在该市的花卉栽培农户构筑了使用燃气机的热电冷三联产系统（图3）。业务用途方面，丰田汽车公司旗下从事花卉生产及销售业务的Toyotafloritech公司也采用了使用微型燃气轮机的热电冷三联产，每年大约生产400万盆花卉。

图3　筑波市与大阪燃气共同采用的花卉栽培热电冷三联产系统 通过下面的塑料筒供应二氧化碳。

温室栽培二氧化碳利用在荷兰获得进展

作为热电冷三联产的新形式，目前受到关注的是二氧化碳捕获及利用（CCU）。CCU是从废气中积极分离二氧化碳，将高浓度二氧化碳用于农业及工业。

原来一直在探讨的是二氧化碳捕获及封存（CCS），即从火力发电站等的废气中分离及捕获二氧化碳，将之压入地下取水层封存起来，后来产生了新的思路，即探讨将分离出的二氧化碳用于经济价值高的用途，于是又开始称为CCU。CCS在碳排放交易制度下只能转换为经济价值，但CCU不会受到碳排放权交易价格变动的影响，有可能成为稳定的收入源。

作为捕获的二氧化碳的利用方法，此前也曾尝试压入油田及气田，以增加油气产量，而CCU则是更积极地将二氧化碳用作原料等。

荷兰已有了这方面的领先事例。近几年来在该国，将炼油厂等化学工厂排放的二氧化碳用于温室栽培的业务已进入轨道。位于鹿特丹近郊工业区的英荷壳牌石油公司炼油厂从2005年起，将精炼工序产生的二氧化碳浓度提高到100％左右，供应给海牙南部的园艺农户温室（图4）。

图4　荷兰海牙南部的园艺农户 由英荷壳牌石油的炼油厂供应二氧化碳，用于蔬菜栽培。

当地燃气公司与建筑公司合资成立的OCAP公司从壳牌石油购买二氧化碳，通过管线供应并销售给农户。2012年1月，还建设了从鹿特丹近郊的从事生物乙醇制造业务的Abengona公司供应二氧化碳的设施。

在工厂中压缩二氧化碳，并利用管线输送。在输送过程中与空气混合，使浓度降到1％并送入温室。温室内的二氧化碳平均浓度为通常的2倍左右（760PPM）。据称在二氧化碳较多的环境下，蔬菜生长可加快25％左右。现在每年总共向约500家农户（温室总面积约为13平方公里）供应30万吨二氧化碳。

CCU之所以开始受到关注，是因为可以像荷兰一样，使工厂与农户联动。现在瞄准CCS项目，从废气中高效捕获二氧化碳的技术开发已经取得一定进展。如果将来二氧化碳捕获成本大幅下降，向温室农户提供二氧化碳的服务业务可行性可能会提高。

将二氧化碳用于工业用途

作为今后利用二氧化碳的一种前景，还出现了将之作为化学原料用于工业用途的尝试。例如将二氧化碳储存在碳酸盐矿物中以制造建筑材料，或者利用混凝土吸收二氧化碳等举措。

并且还确立了以二氧化碳和氢为原料制造甲醇的工艺。不过，要将化学性质不活跃的二氧化碳转变为具备经济价值的材料及燃料，需要投入一定的能源。如果这些能源使用化石燃料，由于会排放二氧化碳，因此不会为解决全球变暖问题做出贡献。

CCU的最终目标是利用可再生能源，将二氧化碳转变为有用的材料及燃料。在该研究领域备受关注的，是利用藻类及人工光合作用制造碳化氢等。植物可通过光合作用，利用阳光将二氧化碳和水转变为有机物。

最近备受关注的，是利用光合作用在体内储存碳化氢油的藻类。人工光合作用指的是将金属催化剂及金属配位化合物等可量产的设备作为反应场，利用太阳能将二氧化碳和水转变为碳化氢的技术。

近年来在全球，这方面的研究日趋活跃。在日本，藻类领域有风险企业Euglena公司，人工光合作用领域有松下公司和丰田中央研究所等，已取得了具有划时代意义的成果。

除了促进作物生长，二氧化碳的用途如果能够扩展到通过工业手法制造碳化氢，二氧化碳供应服务需求会大幅增加。这样一来，与太阳能及风力所发的电力一样，以碳循环为前提的液体碳化氢燃料将成为可再生能源的二次能源（能源介质），摆脱化石燃料时代的能源系统选项会进一步增加。

通过热电冷三联产及CCU有效利用二氧化碳，从其发展可以了解一些今后新一代能源社会的前景。（日经能源环境网 供稿）