实现燃气碳中和的“甲烷化”技术

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摘  要：为了实现“2050年碳中和”目标，全球正在加速推动燃气脱碳化运动。其中一种备受期待的方法是由二氧化碳和氢气合成“甲烷”的“甲烷化”技术。通过用这种合成甲烷代替目前作为城市燃气原料的天然气，以实现燃气的脱碳化。本文将介绍甲烷化技术及其潜力，以及今后的目标和课题。

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燃气脱碳化的必要性

提到“能源的脱碳化”，许多人都会想到电力部门的脱碳化（不使用石油、煤炭等二氧化碳排放量大的化石燃料发电）和汽车的电动化。但是实际上，在日本，“热需求”约占能源消费的6成，例如工厂等“产业部门”的蒸汽加热、家庭和企业等“民生部门”的热水和暖气等。实现这种热需求的脱碳化也是一项重要的课题。

热需求范围广泛，包括从以民生部门为中心的低温热到产业部门中使用的高温热，而燃气可以制造不同温度范围的热量。此外，与煤炭和石油相比，天然气燃烧时产生的二氧化碳排放量较少，是一种高度环保的能源，因此可以实现目前的低碳化。而且，今后可以通过对燃气本身进行脱碳来助力碳中和。

燃气有多种脱碳化技术，但最受期待的是通过氢（H₂）和二氧化碳（CO₂）反应合成天然气主要成分甲烷（CH₄）的“甲烷化”技术。

甲烷在燃烧时会排放CO₂，但如果利用从发电站和工厂等回收的CO₂作为甲烷化原料，则燃烧时排放的CO₂会与回收的CO₂相抵消，因此不会增加大气中的CO₂量。也就是说，CO₂净排放量为零。

此外，如果使用由可再生能源电力电解水而产生的“绿氢”作为原料“氢”，则不会对环境造成负担。用这种方法制成的合成甲烷可以称得上是为燃气脱碳化作出贡献的新一代“环保（Environment）”能源。

甲烷化备受关注的原因还在于，城市燃气的原料——天然气的主要成分是甲烷，因此使用合成甲烷替代天然气时，可以继续使用城市燃气管道和燃气消费设备等现有基础设施和设备。也就是说，甲烷化的“经济效率（Economic Efficiency）”高，有望降低成本，顺利推进脱碳化。

这意味着同样具有城市燃气的优点，即管道埋设在地下、抗灾性强。从“能源稳定供应（Energy Security）”的观点来看，确保具有高灵活性的碳中和能源和能源网络作为电力以外的选择也很重要。

如上所述，甲烷化技术还有助于日本能源政策的基本方针“3E（Environment环保、Economic Efficiency经济效率、Energy Security稳定供给）”，因此其潜力备受期待。

2050年实现城市燃气碳中和

在2021年6月制定的“2050碳中和绿色增长战略”中，甲烷化被定位为“新一代热能产业”，成为备受期待的重要领域。此外，制定了未来用合成甲烷替代天然气时的引入量和供给成本的具体目标。

年引入量目标

●在2030年之前开始使用合成甲烷，到2030年向现有基础设施注入1%的合成甲烷（年28万吨）。

●到2050年，合成甲烷替代90%的天然气（年2500万吨）（其余10%将通过氢气直接利用、沼气和其他脱碳化措施进行碳中和）。

供给成本目标

●到2050年，合成甲烷的价格与目前的LNG持平。

据日本燃气协会估算，如果在2050年将90%的城市燃气置换为合成甲烷，则每年将削减约8000万吨的二氧化碳排放量。这相当于日本二氧化碳总排放量的近10%，可以说对脱碳化有很大的作用。

甲烷化技术开发的现在和未来课题

那么，目前在引入甲烷化的技术开发方面取得了多大进展？

1995年，日本在世界上首次成功通过甲烷化制成合成甲烷，之后也一直在进行研发。2017年到2021年，作为日本国立研究开发法人新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的项目之一，日立造船和INPEX（旧国际石油开发帝石）正在开发甲烷化基础技术。另外，大阪瓦斯也正在推进先导性研究以更有效制造合成甲烷。

不仅在日本，世界各国都在进行甲烷化的实证项目。例如法国燃气公司从2018年开始实施的“Jupiter1000项目”，使用由可再生能源制造的氢气和在工业领域等产生的二氧化碳进行甲烷化，生成的合成甲烷也被注入管道。

如上所述，目前正在稳步推进甲烷化的基础技术开发，但今后要想实现商业化，仍有一些重要课题需要解决。例如，扩大用于生成合成甲烷的设备规模。目前，在海外的案例中，每小时能生成数十至数百Nm³的合成甲烷，但为了实现商业化，需要扩大设备规模，以每小时生成1万至6万Nm³的合成甲烷。

另外，降低成本也是一个重要课题。为了使合成甲烷的供给成本降低到当前的LNG价格水平，必须以低成本采购氢气和二氧化碳。除此之外，还需要探讨合成甲烷相关制度，例如，制定国际间二氧化碳减排量的计算规则等。

为了解决这些课题，于2021年6月成立了“甲烷化推进官民协议会”。该协议会成员包括作为供给侧的燃气公司和作为需求侧的钢铁公司等，以及负责氢气和二氧化碳供应链的商社及船舶，NEDO等研究机构，日本政策投资银行等金融机构，学者和政府。未来，有望通过各利益相关者之间的合作，加速推动甲烷化。

“2050年的燃气供应”设想

为了实现“2050年碳中和”，在燃气项目中，预计将在全社会应用能够利用现有基础设施的合成甲烷。

下图描绘了2050年的燃气供应情况。2050年将以合成甲烷为中心，推进氢气和沼气在适当地点和适当条件下的利用，同时通过优化整体能源，实现燃气的碳中和。未来也需要持续关注甲烷化。

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翻译：李释云

审校：贾陆叶

李   涵

统稿：李淑珊

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