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摘 要：本文针对甲烷化技术和SOEC甲烷化技术、二者的相关举措及未来前景等进行了概述。甲烷化技术是通过直接利用现有的天然气和城市燃气利用设备和发电设施，平稳实现碳中和的一种合理方法；SOEC甲烷化技术是利用非化石电力合成甲烷等物质的技术，其能量转化效率高于水电解制氢，是一项具有潜力的创新性技术。
关键字：甲烷化技术、SOEC甲烷化技术、合成甲烷、绿氢、电解氢、金属支撑型SOEC、碳中和
2020年10月26日，日本前首相菅直人在其政策演讲中宣布，日本将在2050年实现碳中和目标（即实现温室气体的人为排放量与降低去除量相抵消）。燃料和热能部门占日本最终能源消耗的约70%，其脱碳对于实现碳中和至关重要，基于这一点，日本在2021年6月制定的绿色增长战略当中，将“③新一代热能产业”新确立为战略的14个关键部门之一，负责通过甲烷化技术等手段实现新的热能供应业务。本文针对甲烷化技术和SOEC甲烷化技术、二者的相关举措及未来前景等进行了概述。甲烷化技术是通过直接利用现有的天然气和城市燃气利用设备和发电设施，平稳实现碳中和的一种合理方法；SOEC甲烷化技术是利用非化石电力合成甲烷等物质的技术，其能量转化效率高于水电解制氢，是一项具有潜力的创新性技术。
如图1左图所示，绿氢（电解氢）的生产-使用循环是一种以可再生能源等非化石能源为一次能源的能源利用系统，其中氢气作为三次能源（能源载体），通过非化石电力的二次能源获得。这一生产-使用循环本身并不能直接减少大气中的二氧化碳，但它也不会增加大气中的二氧化碳，因此可以被视为碳中和能源。而基于甲烷化技术的碳中性甲烷生产-使用循环则如图1右所示，它以二氧化碳为原料，采用非化石电力等能源，通过甲烷化技术获取甲烷（合成甲烷），然后利用现有基础设施，将其供应到消费地点，用于供热和发电等用途。在该循环中，生产合成甲烷的过程中作为原料消耗的二氧化碳量等于使用合成甲烷过程中排放的二氧化碳量，因此，该循环与绿氢一样，实际上没有增加大气中的二氧化碳，所以也被视为碳中和能源。用碳中性甲烷替代以往使用的化石资源衍生燃料，可以减少由化石燃料产生的二氧化碳排放，达成减排效果。
图1 绿氢（电解氢）和碳中性甲烷（合成甲烷）的生产-使用循环
图2 绿氢的直接利用技术、传统甲烷化技术和SOEC甲烷化技术的比较
在实现未来能源系统碳中和的过程中，各方面成本的增加引人担忧。在这一背景下，可以认为“有效利用现有社会基础设施”是控制成本最可靠的方法。从能源需求方的角度来看，采用甲烷化技术能够利用现有的天然气和城市燃气设施，平稳实现碳中和，是一种十分合理的方法；从能源供应方的角度来看，采用该方法能够利用现有的液化天然气价值链和城市燃气供应基础设施，因而有望高效地帮助更多的城市燃气用户实现碳中和。
传统的甲烷化技术如图2中间行所示，通过水电解等方法生产氢气，然后使之与二氧化碳发生反应，从而合成甲烷。由于水电解和甲烷转换工艺中会发生能量损失，因此100单位能量值（HHV）的非化石电力只能产生55-60单位能量值的甲烷。
创新的“SOEC甲烷化技术”则更为高效，如图2下部所示，该技术可以基于非化石电力等能源，以水和二氧化碳为原料，通过综合系统直接合成甲烷等物质。SOEC（固体氧化物电解电池）是SOFC（固体氧化物燃料电池）的逆反应设备。其特征在于不需要氢气供应，且具备绝无仅有的高效率，从电力到甲烷的能量转化效率可达85-90%。在采用100单位能量值的非化石电力的情况下，该技术有望代替（减少）85-90％的化石燃料，效率高于水电解氢（70-80％）。其生产过程中，单位电力所对应的化石燃料衍生二氧化碳的减排效果甚至大于绿氢。
如图3下部所示，SOEC甲烷化系统由内置SOEC的SOEC高温电解装置、甲烷化反应装置、以及高效热利用系统等构成。给SOEC供电后，SOEC通过电解反应等过程将水蒸气和二氧化碳转化为氢气和一氧化碳，然后在甲烷化反应装置（甲烷合成装置）中利用催化剂将其转化为甲烷。首先，在700℃左右的高温下，电解容易进行，与其他方法相比，用较少的电力即可生成氢气和一氧化碳，而甲烷合成过程中产生的废热可以有效用于产生蒸汽。在SOEC甲烷化技术中，系统整体浪费的能量非常少，因此能源转化效率极高，可达到85-90％，同时，其电力消耗预计可大幅降低，达到传统甲烷化技术的三分之二。制造绿氢、合成甲烷、合成液体燃料等各种碳中性燃料的绝大部分运行成本是电力成本。据估算，通过SOEC甲烷化技术生产合成甲烷，每单位燃料热量所需的电量最低。与其他方法相比，该技术降低生产成本的潜力最大，值得期待。
大阪瓦斯致力于挖掘SOEC甲烷化技术的巨大潜力，不断推进该系统的技术开发。从下游到上游，纵观SOEC甲烷化系统的结构，便可发现其与SOFC（固体氧化物型燃料电池）热电联供系统有诸多相似之处。大阪瓦斯正运用迄今积累的燃料电池热电联供系统相关技术（SOFC技术、催化剂技术、热能利用管理技术等）进行研究和开发。
未来，系统整体规模还需扩大，以打造大型气体制造设备，达成实用化。1980~1990年代，大阪瓦斯曾自行建厂，以石脑油和液化石油气为原料生产天然气的替代品。大阪瓦斯自行开发过催化剂，开发、设计、建造、运营过工厂，在该领域拥有丰富的经验。因此，在SOEC甲烷化系统的后段，即大型甲烷合成反应装置的开发过程中，大阪瓦斯将充分运用这些知识。但是对系统前段，即内置SOEC的高温电解装置部分，要实现大型气体制造设备的实用化，还需扩大其规模，然而相关开发案例在世界范围内都还未出现。未来，该系统的大规模实际应用的主要课题将聚焦于以低成本扩大SOEC的规模。因此，大阪瓦斯正在进行新型SOEC技术的开发，以降低成本和扩大规模。
目前开发完成的SOEC被称为“陶瓷支撑型”，即整个电池片由特殊的陶瓷材料构成支撑结构，今后其成本的降低和规模的扩大可能会成为难题。为解决该问题，大阪瓦斯已独立开发并生产了“金属支撑型”SOEC的原型，即将一层薄薄的陶瓷层覆盖于类似珐琅质的坚韧金属板的表面上。大阪瓦斯还成功生产了更大尺寸的基本电池单元，即单电池的实用尺寸原型。这种“金属支撑型”SOEC仅使用了极少量的昂贵陶瓷材料，用量约为以往的10%，同时它坚韧耐冲击，且容易扩大规模，十分适合实现成本降低和规模扩大。
图3 传统甲烷化技术和创新甲烷化技术（SOEC甲烷化技术）的比较
2021年10月由日本内阁批准的《第六次基本能源计划》中指出，“天然气是所有化石燃料中二氧化碳排放量最低的，因此将燃料转换为天然气有助于降低供热碳排放。同时，如果供应方建立了甲烷化等技术，即可用合成甲烷取代天然气，并沿用现有的天然气基础设施和设备，未来需求方也能够很容易地接受合成甲烷的供应，从而以较低的成本更顺利地完成向2050年脱碳目标的过渡。
在2021年6月修订的绿色增长战略中，新确立为重点领域之一的“③新一代热能产业”的增长战略流程图指出，应在2030年之前推动SOEC甲烷化等创新技术的基础技术开发，在2030年代进入示范阶段，在2040年代进入扩大引入和降低成本阶段。根据该流程图，大阪瓦斯将在产官学多方的大力支持下，于2030年度之前建立该技术，从2031年度开始，通过示范扩大规模并降低成本，并在2040年代扩大引入，从而为城市燃气行业在2050年实现碳中性甲烷90%引进率的目标作出贡献。
翻译：王京徽
审校：李 涵
统稿：李淑珊
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