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摘 要：通过合成二氧化碳和氢气来制造城市燃气的原料——甲烷的“甲烷化”技术备受关注。日本东京瓦斯株式会社将从2022年3月开始进行甲烷化的实证试验；大阪瓦斯株式会社将与资源巨头INPEX合作，计划于2024年下半年启动世界最大规模的合成甲烷设备。大型商社将致力于进口北美和澳洲等地制造的合成甲烷。日本政府也提出在2050年之前将90%的城市燃气转化为合成甲烷，以实现城市燃气脱碳的目标。但是，目前看来仅有日本致力于甲烷化项目，而燃烧时排放二氧化碳的合成甲烷能否真正成为一种脱碳燃料仍存在疑问。 关键字：甲烷化、合成甲烷、城市燃气脱碳、海外供应链、碳中和
目录 城市燃气脱碳化的关键——甲烷化甲烷化是利用从工厂和火力发电厂回收的二氧化碳以及可再生能源电解水产生的氢气，合成城市燃气的原料——甲烷（CH4）的技术。虽然合成甲烷本身燃烧时会排放二氧化碳，但由于其以回收的二氧化碳为原料，且氢气也是由可再生能源制成的，燃烧时排放的二氧化碳被抵消，因此被视作实质上零碳的城市燃气。 日本为了在2050年实现脱碳，将大量引入可再生能源，但日本整体的能源消耗的62%是热能而非电能。无论引入多少太阳能发电和海上风电，在家庭和工业领域都存在无法电气化的地方。尤其是在钢铁、石化等采用高温设备进行制造的行业，由于电力生产效率下降，且成本高，因此难以实现电气化。 虽然也可以使用燃烧不排放二氧化碳的氢气的方法，但是氢还原炼铁等技术仍在开发中。最重要的是，新型基础设施建设对于氢转换来说不可或缺。据日本经济产业省估计，（转换为氢燃料后）普通家庭每年将产生约14000日元（约770.8元）的额外费用。 只有实现城市燃气的脱碳化，才能实现日本的碳中和。为实现城市燃气的脱碳化目标，日本政府在2021年6月制定的绿色增长战略中，提出到2030年将1%的城市燃气转化为合成甲烷，到2050年将90%的城市燃气转化为合成甲烷的目标。据日本燃气协会估计，如果将90%的城市燃气转化为合成甲烷，每年可减少约8000万吨的二氧化碳排放量，相当于日本总排放量的约10%。剩余10%的城市燃气计划通过直接利用氢气或沼气等进行碳中和。 预计到2030年，合成甲烷的年引入量将达到28万吨，2050年将达到2500万吨。甲烷化备受期待。 日本率先成功制成合成甲烷，积极进行技术开发
1995年，日本率先在世界范围内成功制成合成甲烷。由于可以直接使用现有的城市燃气管道、设备和普通家庭的燃气设备，因此日本在以城市燃气为中心的技术开发方面处于世界领先地位。 东京瓦斯将与横滨市合作，利用横滨市的资源循环局鹤见工厂排放的二氧化碳和下水道中心的再生水，于2022年3月开始进行利用由太阳能发电产生的氢气制造合成甲烷的实证试验。 大阪瓦斯将与资源巨头INPEX合作，利用从INPEX的长冈矿场（新泻县）回收的二氧化碳制造合成甲烷。大阪瓦斯计划于2024年下半年至2025年启动制造能力约为400Nm3/h的全球最大规模甲烷合成设备。 东邦燃气计划在2030年之前通过甲烷化制造城市燃气，将推进开发从大气中分离和回收二氧化碳的技术；西部燃气将致力于利用现有基础设施提供Hibiki LNG基地合成的甲烷的实证项目；静冈燃气将开始与静冈大学进行共同研究。 尤其是在日本，On-site甲烷化备受期待，即回收由工厂等排放的二氧化碳，并现场制成合成甲烷，再将其用作工厂燃料。 电装致力于在安城工厂（爱知县）内进行利用甲烷化的二氧化碳循环实证；IHI正在相马IHI绿色能源中心（福岛县）对可再生能源的甲烷化工艺进行实证，设备规模为12.5Nm3/h，且目标到2025年左右扩大到数万Nm3/h的水平。 日本构建海外供应链的举措在欧洲等地，甲烷化已实现部分实用化。 德国汽车制造巨头奥迪目前正在建设全球最大规模的315Nm3/h甲烷化设备。合成甲烷由相邻沼气厂排放的二氧化碳和风力发电产生的氢气制成，除了用于城市燃气外，还可用作天然气汽车的燃料。 ETOGAS公司建造了世界最大规模的设备，于2016年被日立造船收购，日本企业正在向海外扩张。为了以低成本大量供应合成甲烷，必须在可再生能源成本低的海外进行甲烷化，然后再进口到日本。特别是在大量运输方面，日本在世界各地建立的LNG（液化天然气）大量供应网备受期待。 我国陕西省化学工业区容易获得副产氢和二氧化碳，日立造船正在研究在该地的甲烷化项目，计划进行500Nm3/h级的实证。 以构建海外供应链为目标的东京瓦斯将与三菱商事合作，对将北美、澳大利亚等地生产的合成甲烷引进日本的项目进行商业可行性研究。此外，东京瓦斯还与住友商事和马来西亚国营石油公司Petronas达成协议，共同在马来西亚利用绿氢和二氧化碳的甲烷化制造碳中和甲烷，并进行包括运输在内的商业可行性研究。 大阪瓦斯也将在2022年内针对澳大利亚的甲烷化项目，建设实验设备，采购二氧化碳和氢气，并评估其经济性。 JERA正在北美对利用来自可再生能源的氢气和从发电站回收的二氧化碳制造并供应合成甲烷的商业可行性进行研究。关西电力的目标是以LNG基地所在的堺地区为中心构建供应链。 预计到2040年，全球液化天然气需求将翻倍，特别是中国和印度等亚洲地区的需求将爆发式增长。如果能够将东南亚10%的天然气需求转化为甲烷化，则预计投资规模将达到约5000亿日元（约275.3亿元）。据日本经济产业省等部门预测，日本公司以400Nm3/h的规模进行技术开发，将引领全球甲烷化，并抓住亚洲的脱碳需求。 甲烷化存在许多课题，即使使用合成甲烷也无法减少二氧化碳？！
然而，甲烷化的社会实施存在许多课题。 其中之一便是成本。甲烷化的代表性合成反应（Sabatier反应）为CO2+4H2→CH4+2H2O，即使简单换算，合成甲烷的制造成本也是氢气的4倍。另外，在反应过程中会产生大量热损失，因此能源转换效率约为55～60%。相对于现在的LNG价格——40～50日元（约2.2～2.8元）/Nm3，甲烷化价格高达350日元（约19.3元），是其7～9倍。 日本经济产业省提出在2050年之前将甲烷化价格降至40～50日元（约2.2～2.8元）的目标，为了实现该目标，需要采购大量低价的氢气和二氧化碳。 此外，为了实现商业化，需要扩大合成甲烷设备的规模。大阪瓦斯和日立造船等将着手400～500Nm3/h规模的合成甲烷的实证，但为了实现其商业化，需要将规模扩大到10000～60000Nm3/h。能否确立大型设备量产技术也是课题之一。 此外还存在一些课题。首先，在节能法和温对法（全球变暖对策推进法）等日本制度中，合成甲烷未被定位为脱碳燃料和零排放系数燃料。在IPCC指南和GHG协议等国际规则下也是如此。除非在日本制度和国际规则中明确合成甲烷的环境价值，否则无论通过实现创新来使用多少合成甲烷，都有可能不承认日本（或者说日本公司）的二氧化碳减排效果。 在制度设计方面，如果使用日本排放的二氧化碳，则使用合成甲烷的企业的二氧化碳排放量将降为零。另一方面，如果二氧化碳排放企业不能享受二氧化碳回收带来的减排效果，那么不会有企业进行CO2回收和甲烷化。 CO2减排价值属于谁、有多少？需要进行二氧化碳排放企业和合成甲烷利用企业各自可接受的制度设计。 如果使用海外的二氧化碳，那么减排量将归属于哪个国家呢？需要制定考虑到成本负担和公平性的交易规则。按照目前的IPCC指南规则，有可能归于二氧化碳排放地。日本能否主导国际规则的制定？日本的游说集团也在进行尝试。 欧盟也在着手引入合成甲烷，日本企业势头强劲合成甲烷燃烧时也会排放二氧化碳。虽然合成甲烷是否是一种真正的脱碳燃料仍存在疑问，但欧洲已开始转向引入合成甲烷。 2021年12月，欧洲委员会宣布了关于燃气市场的修正法案（Hydrogen and decarbonized gas markets package），即在难以电气化的工业部门和运输部门，在2050年之前将天然气转换为包括可再生能源氢气、沼气及生物甲烷和合成甲烷在内的低碳气体。虽然条件是合成甲烷等低碳气体将温室气体排放量减少70%以上，但受此修正法案影响，日本企业纷纷表示，“欧盟已经承认合成甲烷为绿色能源。这对甲烷化来说十分有利”。 日本经济产业省在2021年6月与城市燃气公司、大型商社、钢铁企业、船舶企业等共同设立了“甲烷化推进官民协议会”，并在此基础上新设了三个工作组首先，将在2022年3月底之前整理出与二氧化碳计算有关的论点和政策，例如二氧化碳减排价值属于谁、有多少等，并在2025年前后建立日本国内制度，在2030年代制定国际规则；此外，还将制定2030年实现1%合成甲烷的行动计划。 为了降低合成甲烷的成本，大型城市燃气公司也开始着手开发新一代技术。 大阪瓦斯致力于“SOEC甲烷化技术”的开发，即在固体氧化物电解槽（SOEC）中同时电解水与二氧化碳（共电解），并利用产生的氢气和一氧化碳制造甲烷。通过有效利用甲烷合成反应产生的废热进行电解，转化效率可提高到85%。大阪瓦斯计划在2030年左右确立这项技术，并从2040年代开始正式引入。 东京瓦斯将开发集成了从水电解到甲烷合成的全技术的新一代技术——“混合Sabatier”以及利用微生物的“生物反应器”等，目标是实现转换效率超过80%。 日本为了实现合成甲烷的量产化，将从绿色创新基金中投资高达242.2亿日元（约13.3亿元）进行支援。为了进一步扩大普及，今后将讨论是否引入燃气版FIT（固定价格收购制度）。 甲烷化的环境价值尚未明确，存在有可能无法减少二氧化碳排放的重大课题。但是，如果回收大气中的二氧化碳并将其用作燃料的话，其也是一项甚至可以实现“负碳”的技术。在能源的重大改革浪潮下，城市燃气行业致力于扩大甲烷化规模，使其成为下一个增长产业。 这一愿景最终能否实现将在不久的将来揭晓。
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发表于 2023-4-6 11:49:55
