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本文2523字，阅读约需6分钟 摘 要：2020年10月，日本政府提出“2050年碳中和”（脱碳）目标。为实现这一目标，新能源技术的研究开发备受关注，以天然气为原料的城市燃气领域也是其中之一。东京瓦斯和大阪瓦斯致力于“合成甲烷”的实用化，其成分与天然气基本相同，但由于能够以环境中的CO2作为原料，因此即使燃烧也不会增加CO2总排放。这一技术被成为“甲烷化”东京瓦斯的执行董事矢加部久孝（氢·碳管理技术战略部长）表示：“（如果甲烷化投入实际使用）将有望助力难以进行电气化改造且需要高温热量的领域实现脱碳化。”该技术的另一个优势是可以直接使用液化天然气（LNG）运输船和城市燃气管道等现有设备。本文对主导研发的东京瓦斯和大阪瓦斯进行了采访，探讨甲烷化实用化面临的课题。 关键字：甲烷化、合成甲烷、城市燃气脱碳、SOEC甲烷化、能源转换、新能源技术、碳中和 2022年3月，甲烷化实证设施在东京瓦斯横滨研究所的一角启动运行。以氢气和二氧化碳为原料，利用现有的“萨巴蒂尔反应”技术制造城市燃气的主要成分——甲烷。在高约9.2米的塔状建筑中，纵向排列着被称为反应器的筒状装置。使用催化剂的化学合成技术可以将98%的输入CO2转化为甲烷。该实证设备由日立造船制作。
东京瓦斯内新设的甲烷化实证设备 该设备甲烷生产能力为每小时12.5标准立方米，相当于一般家庭260户的使用量。虽然还只是小规模设备，但东京瓦斯已通过实证实验证实了该设备可以制得高纯度甲烷。 今后，计划在研究所内逐步运行太阳能发电设备和制氢用水电解设备，并于2023年1月启动从附近垃圾焚烧厂的废气中分离和回收二氧化碳从而进行甲烷化的实验。 2020年代中期，东京瓦斯将在日本的工业园区等进行每小时产量为数百标准立方米的中式实验，制成的合成甲烷将被注入管道并用作城市燃气。此外，将在海外设置量产设备，并进口制得的合成甲烷，计划到2030年将城市燃气中的1%置换为合成甲烷。 大阪瓦斯也在加速进行研发。该公司将与资源巨头INPEX合作，于2024～2025年实施利用从长冈矿场内回收的二氧化碳制造合成甲烷的实证实验。制造能力约为每小时400标准立方米，在日本处于领先水平。此外，还将在2025年举办的大阪·关西世博会上，实施将食物垃圾发酵生成的沼气中所含的二氧化碳与使用可再生能源电力制造的氢作为原料制造合成甲烷的实证实验。 但是，合成甲烷在实现和天然气一样使用之前，还有许多需要跨越的障碍。其中最大的课题便是降低成本。
SOEC甲烷化燃烧实验的火焰 （来源：大阪瓦斯） “目标是到2050年将合成甲烷的价格（制造成本）降至与当前LNG价格（40～50日元（约1.96～2.45元）/标准立方米）相同的水平。” 2021年成立的“甲烷化推进官民协议会”设定了如上目标。在2021年6月日本内阁会议决定的政府“增长战略行动计划”中，明确指出“目标是到2050年，90%的现有供气基础设施中使用合成甲烷，与氢直接利用等手段相结合，以实现燃气的脱碳化”。 据东京瓦斯称，即使引入降低制氢成本的技术，并在海外确保水电解所需的廉价可再生能源的情况下，到2030年合成甲烷的目标成本约为120日元（约5.87元）/标准立方米，仍然大大超过2050年40～50日元（约1.96～2.45元）/标准立方米（相当于LNG价格）的目标成本。在120日元（约5.87元）/标准立方米的成本中，可再生能源电力的成本占一半以上。此外，在目前的小规模实证阶段，制造成本还要远高于2030年的目标成本。 为了解决成本问题，需要（1）实现制氢（合成甲烷原料之一）所需的廉价可再生能源电力的采购；以及（2）提高合成甲烷制造过程中的能源转换效率。 其中，为了实现（1），确保大量且低成本的可再生能源电力是关键。在日本，可再生能源电力的成本较高，因此在海外设置装置并使用当地可再生能源设备产生的电力是一种明智的选择。此外，还迫切需要开发有效回收另一原料——二氧化碳的技术。 对于（2）提高能源转换效率，大阪瓦斯迈出了“SOEC甲烷化”这一新一代创新技术实用化的第一步。该公司将SOEC甲烷化定位为实现世界最高水平能源转换效率的技术。
大阪瓦斯开发的SOEC甲烷化电解池（左）和催化剂 大阪瓦斯于2021年1月宣布，日本首次成功试制了使用新型固体氧化物的电解元件(SOEC)的实用尺寸电解池（片），这是实现甲烷化技术的关键。SOEC甲烷化的特点之一是以水为原料，无需采购制造成本较高的氢气。 SOEC甲烷化利用可再生能源电力通过电解水和二氧化碳，生成氢气和一氧化碳(CO)，进而通过催化反应合成甲烷。通过在高温（约700～800度）状态下进行电解，不仅可以减少所需的可再生能源电力，而且通过在电解过程中有效利用甲烷合成过程中产生的废热，有望实现85～90%的能源转换效率，高于传统甲烷化（约55～60%）。大阪瓦斯表示，“计划于2028～2030年通过中试规模测试来确认是否能够达到80%的能源转换效率水平。” 引领SOEC甲烷化研发的大阪瓦斯能源技术研究所执行研究员大西久男表示：“今后，计划在提高单片电解池性能的同时，通过堆叠电池来增加合成甲烷的产量。” 大阪瓦斯还在开发SOEC甲烷化所需的低成本材料，并将在2030年左右确立技术。此外，随着设备规模的扩大和可再生能源电力价格的降低，到2050年计划将成本降低到与当前LNG价格（50日元（约2.45元）/标准立方米）相同的水平。 SOEC甲烷化入选日本国立研究开发法人新能源产业技术综合开发机构（NEDO）公开募集的“绿色创新基金项目”。项目预算总计约254亿日元（约12.43亿元）（2022～2030年），其中约204亿日元（约9.98亿元）由政府支持。 东京瓦斯也致力于甲烷化创新技术的实用化。与开头提到的实证设备中使用的Sabatier反应不同，这是一种名为“PEMCO2还原”的技术，使用用于水电解的PEM（固体高分子膜）通过电化学还原由水和二氧化碳直接合成甲烷。该技术与SOEC甲烷化的相似之处在于都使用水而非氢气作为原料。 东京瓦斯表示：“由于使用水作为原料，因此可以通过简易的系统大幅降低成本。”与大阪大学共同研究的PEMCO2还原技术也被纳入绿色创新基金项目。在2022～2030年的9年间，将致力于提高能源转换效率。项目预算总计约约42亿日元（约2.06亿元），其中约38亿日元（约1.86亿元）将由政府出资。 关于甲烷化，尚未有明确的国际规则，例如燃烧过程中产生的二氧化碳属于合成甲烷的生产国还是消费国等。对天然气等热能的需求约占工业和民生部门能源需求的60%。为了在2050年实现碳中和，实现热需求领域的碳中和至关重要，而甲烷化有望成为强有力的选项之一。 翻译：李释云 审校：李 涵 统稿：李淑珊 |
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