由CO2合成甲烷！日立造船的“甲烷化”开发

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摘   要：甲烷气体是仅次于二氧化碳的全球第二大温室气体，在2021年的《联合国气候变化框架公约》第26次缔约方大会（COP26）上也提出了甲烷减排。但是，甲烷本身也是天然气的主要成分，广泛用作发电用燃料等。日立造船株式会社推进研究通过利用废气中所含的CO₂合成甲烷的“甲烷化”，并在最近开发了可实用的设备。本文主要介绍了日立造船的“甲烷化”技术研发过程及其“碳循环”愿景。

关键字：甲烷化、高性能催化剂、碳循环、零碳甲烷、合成甲烷

利用清洁氢和捕集的二氧化碳来制造甲烷

甲烷分子由一个碳原子“C”与四个氢原子“H”键合而成（CH₄）。

获得了诺贝尔化学奖（1912年）的法国化学家保罗·萨巴蒂埃（Paul Sabatier）在20世纪初发现了“Sabatier反应”，通过催化剂使一个CO₂分子与四个氢原子反应，从而产生甲烷和水，这也是甲烷化研究的开端。

将二氧化碳和氢通入催化剂中，从而生成甲烷和水。从反应器中去除水后就可以得到高纯度的甲烷。日立造船正在自主开发高性能的甲烷化催化剂

日立造船的安田俊彦表示：“甲烷化是生成‘合成甲烷’的技术，我们公司的甲烷化研究历史始于1993年。”安田俊彦兼任开发总部技术研究所的所长以及电转气（PtG）项目推进办公室的室长，管理甲烷化项目。

1993年，东北大学的名誉教授桥本功二发表了“全球CO₂循环构想”，即在通过Sabatier反应产生甲烷的过程中，使用从废气中分离和捕集的CO₂。

“这一构想是在太阳能和风能等可再生能源潜力巨大的国家进行氢气的制造和甲烷化，然后由消费国进口，从而使CO₂在全球范围内得以循环。当时，我们公司的员工们都跟随桥本教授学习海水电解技术的研究，并与教授的想法产生共鸣，从而开始共同开展甲烷化研究。”

“开启甲烷化研究的背景之一是，我们公司一直在研究电解制氢设备，这使得我们能够确保来自可再生能源的氢。”（安田俊彦）

关于用于电解制氢的电力，只有在其来自可再生能源时才能削减CO₂。

可以说日立造船之所以能够很早便开始甲烷化研究，是因为其先行研发了制造清洁氢的技术。

反复开发并改进催化剂和反应器以降低成本

在通过Sabatier反应生成甲烷的过程中，重要的是促进反应的催化剂。

“Sabatier反应的条件为300～400℃且30个大气压的特殊环境。反应效率不是那么高，即使直接投入实际使用，安装成本也比较高，而且难以普及。”

在面向实用化的研究中，提出了制造以下催化剂的目标：不使用贵金属，而是使用廉价材料制造，并且可以在接近常温和大气压的环境中促进反应。这是一个相当大的挑战，但通过改进催化剂和反应器，甲烷产量已经从1995年的0.1Nm³/h（在0℃和1个大气压下每小时所排放的气体量）增加到2012年的18Nm³/h。

日立造船的甲烷化研究史。通过反复改进和研究，增加了甲烷生成量，目前可以甲烷生成量已提升至最初的1200倍以上。

从2017年起，以日本新泻县的气田捕集的伴生CO₂为原料，进行了甲烷化实证实验（NEDO（日本国立研究开发法人新能源产业技术综合开发机构）委托项目），并于2021年夏天完成了该实证。

“该实验使用了反应更高效的‘第二代’反应器，完成了将近4500小时、约半年的连续反应试验。预计今后也会将第二代反应器推广到海外。”

在NEDO项目中，今后将以“甲烷化的国际化应用”为主题，将日本的碳循环技术引进到印度、美国以及中国等CO₂排放大国，推进CO₂减排。设施规模计划为500Nm³/h级，全球最大。

此外，安田表示，在从2018年开始的日本环境省的委托项目中，目前甲烷产量已高达125Nm³/h。

“实际上，实验还会对碳循环模型的构建进行实证，即对从清洁工厂捕集的CO₂进行循环利用。一般来说，清洁工厂的废气中含有约10%的CO₂，是难以减排（Hard to Abate）^※的行业之一。”

难以减排是指难以将CO₂的排放量降至零的行业，钢铁、水泥、塑料等在制造过程中使用化石燃料，并且难以实现电气化的行业等。COP26将2020-2030年定位为推动碳中和的“决定性10年”，但对于必须依赖化石燃料的行业来说，甲烷化装置可以说是一项潜力极高的技术。

日立造船使用自主研发的高性能催化剂开发的小型试验用甲烷化装置。该装置能够产生0.1Nm³/h的甲烷，已对外销售用于试验和研究

“我们公司通过捕集从这些难以减排的行业中排放的CO₂并将其用于甲烷化，验证甲烷化社会实施的可能性。已经证实了能够利用废气中的CO₂进行甲烷化，并计划于2022年开始进行全面的实证实验。”

从PtG SQUARE开始的甲烷化的新历史

为了加快日立造船内部的PtG（电转气：将剩余电力转化为气体燃料<气体转化>后进行储存和使用的方法）项目，日立造船于2021年4月新设立了“PtG项目推进办公室”。

从事项目开发和技术开发的两个团队将协同工作，共同推进充分利用其技术的商业化计划。

2021年11月，在总部所在地大阪成立了汇集氢和甲烷这两种技术的“PtG SQUARE”。日立造船将对正在探讨甲烷化实验和引进的组织提供引入支持。

“目前正在考虑引进甲烷化装置的主要是销售甲烷的能源企业，或者难以减排的行业。前者希望经营‘零碳甲烷’，后者则希望‘尽可能减少CO₂的排放量’，因此很多企业都对合成甲烷感兴趣。”

安田表示：“通过甲烷化进行碳循环的模型是以CO₂‘捕集’为前提的。”

也就是说，甲烷化生成的甲烷燃烧产生的CO₂必须捕集起来进行再利用，而不是释放到大气中。

循环再利用的甲烷除了作为运输部门“零”碳燃料外，还有望通过减少能源长途运输中的输电损耗和调整发电厂的负荷来，为实现能源的高效化做出贡献。

“我们也可以期待绿氢和绿氨等能源，然而关注‘制造技术’的同时，必须发展‘使用技术’。例如，EV（电动汽车）需要充电站，但与加油站相比，充电站的安装数量仍然很少。因此在基础设施得以完善之前，需要可使用现有设备的能源。在这一点上，我认为合成甲烷具有与化石燃料相同的优势，且有助于减少CO₂排放。”

“为了普及甲烷化，我们的课题是扩大反应器的规模和进一步降低成本。通过各种各样的项目，需要继续不断改进。”

到2030年和2050年，所有行业都面临着CO₂减排的压力。

特别是对于难以减少CO₂排放的行业来说，这可能是艰难的10年。

但是，即使直接减排存在一定限度，如果能够通过使用来自可再生能源的燃料为碳循环作出贡献，同样有可能实现目标。

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翻译：王宁愿

审校：贾陆叶

李   涵

统稿：李淑珊

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