2022年3月，甲烷化實證設(shè)施在東京瓦斯橫濱研究所的一角啟動運(yùn)行。以氫氣和二氧化碳為原料，利用現(xiàn)有的“薩巴蒂爾反應(yīng)”技術(shù)制造城市燃?xì)獾闹饕煞帧淄椤Ｔ诟呒s9.2米的塔狀建筑中，縱向排列著被稱為反應(yīng)器的筒狀裝置。使用催化劑的化學(xué)合成技術(shù)可以將98%的輸入CO₂轉(zhuǎn)化為甲烷。該實證設(shè)備由日立造船制作。

東京瓦斯內(nèi)新設(shè)的甲烷化實證設(shè)備

該設(shè)備甲烷生產(chǎn)能力為每小時12.5標(biāo)準(zhǔn)立方米，相當(dāng)于一般家庭260戶的使用量。雖然還只是小規(guī)模設(shè)備，但東京瓦斯已通過實證實驗證實了該設(shè)備可以制得高純度甲烷。

今后，計劃在研究所內(nèi)逐步運(yùn)行太陽能發(fā)電設(shè)備和制氫用水電解設(shè)備，并于2023年1月啟動從附近垃圾焚燒廠的廢氣中分離和回收二氧化碳從而進(jìn)行甲烷化的實驗。

2020年代中期，東京瓦斯將在日本的工業(yè)園區(qū)等進(jìn)行每小時產(chǎn)量為數(shù)百標(biāo)準(zhǔn)立方米的中式實驗，制成的合成甲烷將被注入管道并用作城市燃?xì)?。此外，將在海外設(shè)置量產(chǎn)設(shè)備，并進(jìn)口制得的合成甲烷，計劃到2030年將城市燃?xì)庵械?%置換為合成甲烷。

大阪瓦斯也在加速進(jìn)行研發(fā)。該公司將與資源巨頭INPEX合作，于2024～2025年實施利用從長岡礦場內(nèi)回收的二氧化碳制造合成甲烷的實證實驗。制造能力約為每小時400標(biāo)準(zhǔn)立方米，在日本處于領(lǐng)先水平。此外，還將在2025年舉辦的大阪·關(guān)西世博會上，實施將食物垃圾發(fā)酵生成的沼氣中所含的二氧化碳與使用可再生能源電力制造的氫作為原料制造合成甲烷的實證實驗。

但是，合成甲烷在實現(xiàn)和天然氣一樣使用之前，還有許多需要跨越的障礙。其中最大的課題便是降低成本。

SOEC甲烷化燃燒實驗的火焰

（來源：大阪瓦斯）

“目標(biāo)是到2050年將合成甲烷的價格（制造成本）降至與當(dāng)前LNG價格（40～50日元（約1.96～2.45元）/標(biāo)準(zhǔn)立方米）相同的水平?！?/span>

2021年成立的“甲烷化推進(jìn)官民協(xié)議會”設(shè)定了如上目標(biāo)。在2021年6月日本內(nèi)閣會議決定的政府“增長戰(zhàn)略行動計劃”中，明確指出“目標(biāo)是到2050年，90%的現(xiàn)有供氣基礎(chǔ)設(shè)施中使用合成甲烷，與氫直接利用等手段相結(jié)合，以實現(xiàn)燃?xì)獾拿撎蓟薄?/span>

據(jù)東京瓦斯稱，即使引入降低制氫成本的技術(shù)，并在海外確保水電解所需的廉價可再生能源的情況下，到2030年合成甲烷的目標(biāo)成本約為120日元（約5.87元）/標(biāo)準(zhǔn)立方米，仍然大大超過2050年40～50日元（約1.96～2.45元）/標(biāo)準(zhǔn)立方米（相當(dāng)于LNG價格）的目標(biāo)成本。在120日元（約5.87元）/標(biāo)準(zhǔn)立方米的成本中，可再生能源電力的成本占一半以上。此外，在目前的小規(guī)模實證階段，制造成本還要遠(yuǎn)高于2030年的目標(biāo)成本。

為了解決成本問題，需要（1）實現(xiàn)制氫（合成甲烷原料之一）所需的廉價可再生能源電力的采購；以及（2）提高合成甲烷制造過程中的能源轉(zhuǎn)換效率。

其中，為了實現(xiàn)（1），確保大量且低成本的可再生能源電力是關(guān)鍵。在日本，可再生能源電力的成本較高，因此在海外設(shè)置裝置并使用當(dāng)?shù)乜稍偕茉丛O(shè)備產(chǎn)生的電力是一種明智的選擇。此外，還迫切需要開發(fā)有效回收另一原料——二氧化碳的技術(shù)。

對于（2）提高能源轉(zhuǎn)換效率，大阪瓦斯邁出了“SOEC甲烷化”這一新一代創(chuàng)新技術(shù)實用化的第一步。該公司將SOEC甲烷化定位為實現(xiàn)世界最高水平能源轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)。

大阪瓦斯開發(fā)的SOEC甲烷化電解池（左）和催化劑

大阪瓦斯于2021年1月宣布，日本首次成功試制了使用新型固體氧化物的電解元件(SOEC)的實用尺寸電解池（片），這是實現(xiàn)甲烷化技術(shù)的關(guān)鍵。SOEC甲烷化的特點之一是以水為原料，無需采購制造成本較高的氫氣。

SOEC甲烷化利用可再生能源電力通過電解水和二氧化碳，生成氫氣和一氧化碳(CO)，進(jìn)而通過催化反應(yīng)合成甲烷。通過在高溫（約700～800度）狀態(tài)下進(jìn)行電解，不僅可以減少所需的可再生能源電力，而且通過在電解過程中有效利用甲烷合成過程中產(chǎn)生的廢熱，有望實現(xiàn)85～90%的能源轉(zhuǎn)換效率，高于傳統(tǒng)甲烷化（約55～60%）。大阪瓦斯表示，“計劃于2028～2030年通過中試規(guī)模測試來確認(rèn)是否能夠達(dá)到80%的能源轉(zhuǎn)換效率水平?！?/span>

引領(lǐng)SOEC甲烷化研發(fā)的大阪瓦斯能源技術(shù)研究所執(zhí)行研究員大西久男表示：“今后，計劃在提高單片電解池性能的同時，通過堆疊電池來增加合成甲烷的產(chǎn)量?！?/span>

大阪瓦斯還在開發(fā)SOEC甲烷化所需的低成本材料，并將在2030年左右確立技術(shù)。此外，隨著設(shè)備規(guī)模的擴(kuò)大和可再生能源電力價格的降低，到2050年計劃將成本降低到與當(dāng)前LNG價格（50日元（約2.45元）/標(biāo)準(zhǔn)立方米）相同的水平。

SOEC甲烷化入選日本國立研究開發(fā)法人新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）公開募集的“綠色創(chuàng)新基金項目”。項目預(yù)算總計約254億日元（約12.43億元）（2022～2030年），其中約204億日元（約9.98億元）由政府支持。

東京瓦斯也致力于甲烷化創(chuàng)新技術(shù)的實用化。與開頭提到的實證設(shè)備中使用的Sabatier反應(yīng)不同，這是一種名為“PEMCO₂還原”的技術(shù)，使用用于水電解的PEM（固體高分子膜）通過電化學(xué)還原由水和二氧化碳直接合成甲烷。該技術(shù)與SOEC甲烷化的相似之處在于都使用水而非氫氣作為原料。

東京瓦斯表示：“由于使用水作為原料，因此可以通過簡易的系統(tǒng)大幅降低成本。”與大阪大學(xué)共同研究的PEMCO₂還原技術(shù)也被納入綠色創(chuàng)新基金項目。在2022～2030年的9年間，將致力于提高能源轉(zhuǎn)換效率。項目預(yù)算總計約約42億日元（約2.06億元），其中約38億日元（約1.86億元）將由政府出資。

關(guān)于甲烷化，尚未有明確的國際規(guī)則，例如燃燒過程中產(chǎn)生的二氧化碳屬于合成甲烷的生產(chǎn)國還是消費國等。對天然氣等熱能的需求約占工業(yè)和民生部門能源需求的60%。為了在2050年實現(xiàn)碳中和，實現(xiàn)熱需求領(lǐng)域的碳中和至關(guān)重要，而甲烷化有望成為強(qiáng)有力的選項之一。

翻譯：李釋云

審校：李   涵

統(tǒng)稿：李淑珊