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摘 要：面向2050年实现碳中和的目标，日本各领域、各行业都在2020年末制定的“绿色增长战略”的基础上进行了各种挑战。2021年6月以来，绿色增长战略进一步具体化，其中之一便是“合成燃料”的开发。本文将对正在研究的合成燃料进行说明，包括什么是合成燃料，其有望用于哪些领域等。
关键字：合成燃料、DAC技术、碳循环、水电解制氢、e-fuel、脱碳燃料
合成燃料是由CO2（二氧化碳）和H2（氢气）合成的燃料，其是多种碳氢化合物的集合体，也被称为“人造原油”。
作为合成燃料原料的CO2使用发电厂和工厂排放的CO2。未来，预计将通过“DAC技术”直接分离回收大气中CO2加以再利用。因其有助于将CO2用作资源的“碳循环”，因此被认为是“脱碳燃料”。
获取另一种原料氢气的基本方法是使用在制造过程中不会排放CO2的可再生能源电力，进行“水电解”制取氢气。目前，主要的制氢方法是使用蒸汽从石油和煤炭等化石燃料中制氢。但若使用该方法获得原料氢气，即①从化石燃料中制氢，②将制造过程中产生的CO2分离并储存，③与之后回收的CO2合成，这将导致制造过程效率低下。
此外，使用来自可再生能源的氢的合成燃料也被称为“e-fuel”。
以这种方式生产的合成燃料与原油相比，具有硫磺成分和重金属成分少的特点，是一种清洁燃料。
液体合成燃料与来自化石燃料的汽油和轻油等液体燃料一样，具有“高能量密度”特性。也就是说，即使是很少的量也能转换为大量的能源。这有什么好处呢？
目前，乘用车的电动化和氢能化程度越来越高，但还有部分移动交通工具难以将动力源转换成电能和氢能。这是因为目前使用的汽油等液体燃料与电能和氢能在能量密度上存在较大差异。
例如，对于大型汽车和喷气式飞机，若要实现电动化和氢能化，需要比液体燃料容量更大的电池，或者氢能达到与液体燃料相同的续航距离。只要还存在有这样需求（指大能量密度，译者注）的移动交通工具，液体燃料就会继续存在。
（来源）丰田汽车公司
在这种情况下，如果可以将源自化石燃料的液体燃料替换为液体合成燃料，则可以在保持能量密度的同时抑制CO2的排放量。
合成燃料的另一个主要特点是其可以利用传统的“内燃机”（例如使用汽油的发动机等）和现有的燃料基础设施。与氢能等其他燃料需要开发新的设备和基础设施相比，可以降低引入成本，市场引入将更加顺利。
合成燃料与传统化石燃料一样易于使用，在能源弹性（韧性）和安全性方面也具有优势。可向因积雪停电的地区输送燃料，也可为滞留在高速公路上的汽车加油，在具备救灾功能的服务站等地也可以利用现有油箱进行储存。此外，其还具有可在日本工业化量产，因其在常温常压下为液体而可长期保存等多种优点。
① 汽车
日本“绿色增长战略”目标是推动汽车电动化，并通过销售新型乘用车，到2035年实现汽车100%电动化。然而，电动汽车的普及存在各种课题，例如新车型和蓄电池的开发，以及电动汽车对应基础设施的建设等。
根据国际能源机构（IEA）2017年发表的预测，即使在全球电动化趋势下，电动车与发动机汽车仍将继续共存。到2030年，汽油车、混合动力车发动机汽车仍将留有91%，预计到2040年，发动机汽车仍将占乘用车销量的84%。为了实现碳中和，供应给这些发动机汽车的脱碳燃料将变得十分重要。
（来源）日本经济产业省根据IEA《ETP（Energy Technology Perspectives）2017》制作
因此，合成燃料与生物燃料备受关注。特别是对于电动化难度高的商用车等，可以通过使用合成燃料作为替代燃料来实现脱碳化。未来，除了合成燃料的开发之外，还需要讨论内燃机的技术开发，以及代替目前汽油和轻油的合成燃料的国际标准。
② 飞机、船舶
在飞机和船舶领域，应国际组织的要求，制定了二氧化碳减排目标。因此，正在进行飞机用生物喷气燃料和合成燃料，以及船舶用氢和氨等替代燃料的技术开发。
飞机方面，国际民间航空组织（ICAO）制定了2021年后国际航空不增加二氧化碳排放的目标。因此预计除生物喷气燃料外，还将使用合成燃料来实现这一目标。虽然生物喷气燃料已经商业化，但未来其原料可能会短缺。此外，合成燃料可以通过二氧化碳和氢气在工业上大量生产，有可能成为一种可持续的航空燃料。
③ 石油精炼业等
可以利用现有燃料基础设施和内燃机的合成燃料在工业领域的应用具有很大优势，例如可以降低引入成本等。特别是在石油精炼业，一方面因日本国内石油需求减少而要求降低设备产能，另一方面又面临着如何处理剩余的储罐、土地、人才等资源的课题。通过引入合成燃料，可以在利用现有基础设施的同时开展新业务。
④ 其他
使用煤油、LP气体和城市燃气的暖气设备具有比空调升温快、受外界温度影响小等特点，特别是在寒冷地区，需求有可能继续保持。在这些情况下，合成燃料也可以用作煤油等的替代燃料。另外，还可以用作工业锅炉的燃料。
目前，合成燃料所面临的课题之一是制造技术的确立。目前的制造技术存在制造效率低的问题，因此效率的提高成为课题。各种创新制造技术正处于研发阶段，有望在未来实现实用化。
合成燃料的另一个课题是成本，目前其生产成本高于化石燃料。考虑到日本国内的制氢成本和运输成本，预计在海外生产的情况下最能降低成本。然而，合成燃料的成本应该根据作为“脱碳燃料”的环境价值来考虑。与现有燃料进行简单比较是不合适的。作为一种有发展前景的替代燃料，需要继续研究和开发。
以欧美为中心，正在加快合成燃料的技术开发和实证，由石油公司、汽车制造商、风险投资公司等开展了诸多项目。在日本国内，积极的态度也很重要。除了从科学的观点出发进行技术开发之外，还需要从工程的角度出发，以建立高效、大规模的制造技术和机制，实现商业化为目标，产学官结合，进行技术开发。
日本计划在未来的10年间集中进行技术开发和实证，在2030年之前确立高效率且大规模的制造技术，到2030年扩大引进并降低成本，到2040年实现独立的商业化。
此外，还需要从制度方面进行讨论，例如确立对脱碳燃料的国际评价，以及如何理解在海外制造合成燃料时二氧化碳的减排量等。虽然合成燃料仍然存在问题，但其不仅具有环境价值，而且因其可以在日本国内大量生产和长期储存，因此在提高能源安全方面也具有重要作用。
今后合成燃料的研发进展值得关注。
翻译：李释云
审校：李涵、贾陆叶
统稿：李淑珊
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