賓夕法尼亞州立大學的研究人員開發出一種更大、更高效的反應器，能夠將二氧化碳和可再生電力轉化為甲烷，為長期儲存可再生能源提供可能途徑。由 Bruce Logan 領導的國際團隊擴大了微生物電合成系統的規模，同時維持性能，解決了該技術面臨的最大挑戰之一。該反應器利用太陽能和風能等可再生能源產生的電力來電解水並生成氫氣。隨後，稱為甲烷菌的微生物消耗氫氣，將二氧化碳轉化為甲烷，這是天然氣的主要成分。
研究人員表示，甲烷可利用現有天然氣基礎設施儲存和運輸，從而為長效可再生能源儲存開闢新途徑。「傳統上，大規模長期儲存意味著將水抽到高處，然後讓其透過渦輪機流回下方，」Logan 表示。「若要實現季節性儲存，就真的需要將能源轉化為化學形式。」
更大反應器，相同效率
微生物電合成系統以往難以超越實驗室規模，因為系統放大時效率會下降。為解決此問題，團隊開發出一種放大版的「零間隙」反應器設計，電極僅由一層膜分隔。此配置降低內部電阻，並改善系統內的能量傳遞。研究人員將電極面積擴大約十倍，並將內部流道增加至近 12 英寸。儘管設計更大，反應器仍維持強勁的甲烷產量和高能量效率。「雖然我們將系統放大許多，但內部電阻並未惡化，」Logan 表示。
「那是因為我們能更有效地利用電極釋放的氫氣。」該反應器亦使用多個流口，更均勻地分配液體和氣體，幫助維持穩定操作條件。在 30 度 Celsius 的測試中，反應器每升反應器體積每日產生高達 6.9 升甲烷。系統的庫侖效率超過 95%，意味大部分電能直接轉化為甲烷，而非浪費於副反應。研究人員報告的能量效率約為 45% 至 47%，他們表示這屬於標準條件下微生物電合成系統的最高水平之一。
研究亦闡明反應器內甲烷產生的機制。微生物並非直接從電極收集電子，而是系統先透過電解水生成氫氣，甲烷菌隨即快速消耗氫氣以更高速率產生甲烷。「我們電解水生成氫氣，甲烷菌就在旁邊立即利用它，」Logan 表示。「你可以將其視為水電解器，使用電力將水分解為氫氣和氧氣，結合生物系統。」研究人員相信，未來甲烷生成設施可建於可再生能源電廠旁，並直接連接天然氣管道網絡。「我預見甲烷生成廠建在太陽能或風力發電場旁，」Logan 表示。
「而不將電力送入電網，而是現場用它產生甲烷並注入天然氣管線。」該研究刊登於 Water Research 期刊。
