“电子甲烷革命”的曙光可见

“电子甲烷革命”的曙光可见

2024/09/04

“电子甲烷革命”的曙光可见大阪天然气和 AIST 为 SOEC 甲烷化的实际应用所做的努力

“大气二氧化碳₂”的实际应用是实现碳中和的关键之一。其中，氢 (H₂) 和二氧化碳 (CO₂)正在引起人们的注意。大阪燃气株式会社和产业技术研究院甲烷化技术的研发大阪燃气的目标是实现世界最高水平的能源转换效率并将其投入实际应用和AIST，拥有不同专业知识的研究人员聚集的地方联合研究的背景以及由此产生的协同效应。

“电子甲烷”是能源游戏规则的改变者

　Daigas集团向以大阪为中心的关西地区供应城市燃气。在经济高速增长时期，环境问题日益突出，到1990年，该市的城市燃气原料完全从石油和煤炭转向天然气，并且还发展有助于低碳化的业务，例如普及ENE-FARM（家用燃料电池）。此外，该公司在2021年宣布了“碳中和愿景”，设定了多项数字目标，通过天然气等的先进使用来促进降低碳排放，以及开发新的脱碳技术和推动举措，以最终在2050年实现碳中和。

　甲烷化技术被定位为Daigas Group正在致力于实现脱碳的技术中的重中之重。目前，城市燃气的原料天然气的主要成分是甲烷。₂和二氧化碳₂人工合成的技术这次我们将重点介绍SOEC甲烷化技术，该技术使用固体氧化物电解池（SOEC）。合成甲烷是城市燃气的主要成分，从实际应用的角度来看，重要的一点是可以直接使用管道等现有的燃气基础设施。

“SOEC甲烷化”是水蒸气和CO₂使用可再生能源产生的电力和从中提取的 H 进行电解₂与一氧化碳 (CO)、甲烷 (CH₄)。此外，由于甲烷合成过程中产生的热量可以用于高温电解反应，因此可以实现约85-90%的极高能量转换效率。与传统方法不同，无需提前采购氢气作为原料，其特点是转化为甲烷的效率优异。

　电力占绿色氢、氨、电子燃料（利用可再生资源产生的电能制成的液体合成燃料）和电子甲烷的大部分生产成本。我们的研究和开发开辟了生产比氢气更便宜的电子甲烷的可能性。电子甲烷确实是碳中和时代能源世界中一项改变游戏规则的技术。”大阪天然气执行研究员说。大西久雄 说：

　通过这项研究和开发，电子甲烷作为能源载体用于远距离运输和储存海外可再生能源的潜力可能会扩大，预计未来将变得更便宜。日本产业技术研究院研究战略规划办公室副主任古谷博秀（Hirohide Furuya）对此表示同意，他负责确定应根据碳中和技术趋势开展的研究。

　突然将所有燃料转为碳中性燃料是困难的，需要一点一点地进行。而且，更换所有的燃料分配基础设施和家庭使用的燃气灶等器具也很困难。不难理解，甲烷作为燃气公司首选的能源载体将是极其重要的，因为它可以分阶段引入现有的城市燃气供应网络，而无需改变现有的基础设施。

　如果SOEC第一步的水分解所需的电力能够完全由可再生能源产生的电力补充，那么这种氢将被称为“绿色氢”。这个H₂和二氧化碳₂反应获得的合成甲烷e-甲烷是制造阶段使用的二氧化碳₂以及消耗阶段产生的CO₂与大气中的 CO 含量相同₂的任何增加或减少来说，它可以真正被称为碳中性燃料。

燃料电池，利用 SOFC 堆栈

大阪燃气之所以专注于SOEC甲烷化，是因为它拥有多年的SOFC（固体氧化物燃料电池，SOEC的逆反应）家用燃料电池ENE-FARM的技术开发经验，并且在提高发电效率和利用废热方面拥有丰富的知识。 ENE-FARM 使用重整器将城市燃气和液化石油气转化为燃料。₂的设备并与空气中的氧气发生电化学反应发电。发电的余热可用于加热热水，有效利用能源。该装置的发电单元采用SOFC。

　　通电电解水，H₂和二氧化碳₂合成甲烷是一项逆转 SOFC 反应的技术，该反应由氢和氧发电。 “如果我们能够通过逆反应产生甲烷，我们就拥有 SOFC 电池堆等基本技术，所以我们认为我们可以利用它，”Onishi 解释道。

　该公司已经拥有电池和催化剂技术，这是甲烷化创新技术的两个主要要素。

共同研究过程中双方发生的“化学反应”

大西表示，当他了解到AIST在甲烷化相关技术方面的努力时，他对基础技术SOFC和SOEC的研究和开发的扩展感到惊讶。目前有多个小组正在开展研究开发用于SOFC的新型高性能电极以及提高耐久性和可靠性，而包括基础技术研究在内的甲烷化相关基础技术的开发已成为AIST的重要目标。

　双方就技术发展方向达成共识后，自2019年起合作开展主导研究项目，涉及提高SOEC共电解性能、控制燃料生产反应等技术问题^*1

　“我们非常感谢AIST的研究，它阐明了现象的本质，并为基于该本质的解决方案提供了指导。另一方面，大阪瓦斯能够利用AIST的知识来显着发展其制造和能源业务。“我相信双方将能够利用各自的知识和经验，进一步积累未来社会实施所需的知识，并推进扩大规模的示范工作。”大西表示，反映了他当时对联合研究的期望。

　产业技术研究院与大阪燃气公司的联合研究也获得了热烈的反响。

　“碳中和的技术开发，包括热领域的脱碳，是AIST极其重要的研究主题。当我们了解到像大阪燃气这样的主要能源公司正在认真研究这一问题时，我们认为如果我们能够在这项研究上合作，我们可以取得巨大的成果，”AIST高级执行官兼能源环境部门负责人Haruhiko Ohara满怀期待地说道。

　两者将从2022年开始全面合作项目，作为绿色创新基金项目（GI基金项目）的一部分^*2两家公司将更加紧密地合作，推进“SOEC甲烷化技术创新项目”，为期九年，直至2030年。

　负责大阪燃气方面研究的能源技术研究所 SOEC 甲烷化开发办公室主任 Takaaki Asakura 表示：“与 AIST 的合作令人鼓舞，我认为日本没有比这更好的团队了。基础研究对企业来说很重要，但他们没有足够的资金和人力来投资。”然而，AIST拥有丰富的基础研究，包括材料技术和评估技术，以及薄膜沉积技术。AIST的专业知识对我们来说非常重要，因为我们仔细考虑应用、扩大规模并引导社会实施。''

旨在扩大规模

　GI基金项目的研发目标是开发三项基础技术：（1）高温电解槽电堆和电解槽的开发，（2）气体合成反应控制技术的开发，以及（3）系统配置优化和热高效利用技术的开发。同时，目标是（4）进行SOEC甲烷化技术的小规模试验。截至 2024 年 1 月，高温电解电池堆的原型评估正在进行中。对于与电解槽配套的甲烷化反应器，我们目前正在努力选择反应的最佳催化剂体系。这里的挑战是控制生成气体的成分并联产增热组分，2024年我们完成了实验室规模的SOEC甲烷化装置。该装置已开始测试，其产生的甲烷气体相当于约两个普通家庭的甲烷气体量。此外，根据目前的联合研究路线图，目标是在2025年至2027年期间通过开发中试规模的元素技术生产相当于约200个家庭的甲烷气体，并在2028年至2030年通过开发下一个示范项目的元素技术生产相当于约10,000个家庭的甲烷气体。 (2024/6/5 大阪燃气株式会社新闻稿）

　GI 基金项目实施前两年后，该计划正在按计划进行。然而，为了从现在开始扩展，我们需要并排连接许多堆栈并操作它们，以便它们都具有相同的性能。我们会在设备设计中解决可预见的问题，但当然，当我们实际尝试时，也有可能会出现意想不到的情况。迅速采取行动解决这个问题将是我们未来工作的重要组成部分。我们在开发SOFC方面有经验，但SOEC会消耗极大的电流，因此开发方法来澄清正在发生的现象非常重要。

通过协作挑战突破极限

　尽管SOEC甲烷化的发展目标相同，但私营公司和公共研究机构的研究人员类型有所不同。两家公司的合作进展如何？让我们来听听现场的一些声音。

　AIST的Toshiaki Yamaguchi（能源过程研究部能源转换材料组组长）和Haruo Kishimoto（零排放国际联合研究中心电化学装置基础研究组组长）是AIST的同时代人。山口主要负责电解池的开发，而岸本主要负责分析和评估电解池内部的电解质和电极等各种材料。

　“我的专业是陶瓷，目前负责开发电解电池。仅通过烧制陶瓷所能发挥的性能是有限的，但有时通过引入不同的工艺可以显着提高性能。SOEC非常困难，但我们一直在寻找克服它的方法。例如，大阪瓦斯开发的金属支撑型可以开发大面积电池。这是AIST不知道的事情，我觉得它在未来，”山口说。

另一方面，岸本说他通过地理标志基金项目认识到了一些新的东西。

　在我自己的研究中，我认为创造新材料很重要，但通过这个项目，我开始认为我还应该考虑有效利用现有可靠材料的方法。以 2030 年为目标，是时候尝试不寻常的材料来寻找新奇了。没有时间。相反，重要的是稍微改变我们过去稳定使用的材料的使用方式，并以适合SOEC的方式使用它们。我认为这可能是实现未来可靠性、稳定性和全面商业化（社会实施）的捷径。

大阪燃气公司的研究人员似乎也从与产业技术研究院持续的联合研究中获得了很多灵感。

　在公司工作时，如果绩效随着研究的进展而提高，就可以进入下一步。通常情况下，我们应该调查“为什么性能提高了”，从机制上了解原理并继续前进，但企业组织内没有太多时间来找出答案。在AIST，有很多研究人员深入研究机制，所以我认为他们的知识将使我们的研究达到更高的水平，”SOEC甲烷化开发办公室首席研究员Yuji Tsuda说。

　在同一房间工作的研究员久保田龙马（Ryoma Kubota）也表示：“在AIST，有很多研究人员拥有深厚的分析知识和广泛的细胞知识，所以我总是向他们咨询。”这是这个过程的问题，所以我们需要小心。 ”我还收到了诸如“通过与 AIST 研究人员合作，我攻读博士学位的动力增加了。我计划有一天写一篇关于 SOEC 甲烷化的论文。”

　Onishi 解释道：“SOEC 甲烷化是一项技术，可以通过供应商方面的技术创新（例如我们的技术创新）提供实现碳中和的价值，而无需改变能源消耗者的行为，即使是在旨在碳中和的创新中也是如此。”

　换句话说，无需大幅改变生活方式或工业生产模式，就有可能实现碳中和——这就是“电子甲烷革命”的本质。当然，那些创造技术并将其应用于社会的人的责任也相应沉重。 “我们是一个初创团队，致力于使电子甲烷革命取得成功，”大西说。当然，AIST的研究人员也是这个“单位”的一部分。双方将继续共同努力，争取实现电子甲烷革命的那一天。

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*1：新能源产业技术综合开发机构（NEDO）“下一代火力发电技术开发/下一代火力发电技术推进项目CO₂有效利用技术（CO）的领先研究₂直接分解）”（2019-2020）[返回来源]
*2：NEDO“CO₂使用等的燃料生产技术开发项目''[返回来源]