比氫能更有希望?日本大阪瓦斯的甲烷化技術進展

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"面對暖化問題與氣候變遷危機,循環利用成為解決碳排問題的方法之一。不過,一般人對於循環利用的想像,印象多半是「舊物再利用」等較為簡單直覺的做法,而對於2050年邁向將零碳社會的日本來說,則是氫能等碳中和相關技術的一場賽跑。"

大阪瓦斯總公司外觀。圖片來源:wiki (CC 2.5)

  2021年1月末,大阪瓦斯發表了高效率「甲烷化」(methanation)技術的最新進展

  在詳細認識這項技術之前,先讓大家有個概念,它是把瓦斯燃燒後的碳排(CO2),和水分子裡的氫(H2),經過電解與甲烷化後,變成甲烷(CH4),再次成為燃料(瓦斯)。

  於是,瓦斯燃燒後產生的碳排,與上述循環利用中所需要的碳排抵銷,便達成碳排實質為零的「碳中和」。

  根據大阪瓦斯的簡報(上圖),左邊瓦斯燃燒後的二氧化碳(CO2)、水(H2O),與來自再生能源的電力,一起在固態氧化物電解電池(SOEC, Solid Oxide Electrolysis Cell。可以製造大量氫氣。)電解裝置裡作用,產出氫(H2)與一氧化碳(CO),再經觸媒反應生成甲烷(CH4),再次成為大家平時利用的瓦斯。

  單看二氧化碳、水、甲烷等等的化學式,從外行人的角度或許會覺得:「不就是化學元素之間的排列組合嗎?」確實,概念很簡單,過去也已經有電解和甲烷化的技術。而這次大阪瓦斯的厲害之處在於相關技術的高效率化與低成本化。

瓦斯燃燒達成碳中和的過程。圖片來源:大阪瓦斯簡報

 

採低成本與大規模策略 能量轉換效率可望高達90%

  大阪瓦斯的技術創新,在於新型SOEC的低成本化與規模的提升。過去的SOEC需要使用高成本的特殊陶瓷,而大阪瓦斯開發的新型SOEC,像是琺瑯餐具似的(琺瑯指的是將玻璃或陶瓷質粉末熔結在金屬或玻璃等基質表面形成的外殼),以堅固的金屬作為基質,再覆上薄薄的一層陶瓷。

  於是,高價陶瓷的用量只需過去的十分之一,大阪瓦斯先是達成了低成本的要求。而且因為基質是強韌的金屬,耐撞擊的程度高,要做大機器的規格也相對比較容易。

  再者,這項新型SOEC技術不只能夠用來製造甲烷,也能像製氫,製造液體燃料、阿摩尼亞、化學品等等都用得上。效率更高,應用範圍廣泛。

  透過新的製程,能量的損失也減少了。過去的甲烷化製程,能量轉換效率只有55-60%。由於新製程有效利用了合成甲烷時排放的熱能,能量轉換效率可望提高到85-90%。

  不過,這項技術目前還在基礎研究的階段。今後為了更加精進,大阪瓦斯還會跟其他研究機構或企業一起積極研發,目標在2030年時發展成熟。

  甲烷化技術的成熟,或燃燒瓦斯可以做到碳中和,意味著瓦斯管線與相關機器等等既存的設備,還可以在未來的零碳時代繼續利用。相較於氫能發展,必須投入鉅資、建設大量基礎設施。甲烷化技術有著減少資源浪費與永續利用的積極意義。媒體因此評論道:「感覺能比氫能社會更早實現。」

奧迪的瓦斯車Audi A3 g-tron。圖片來源:wiki、CC BY 3.0

  據NHK報導,甲烷化技術在德國已有部分實際應用。知名車廠奧迪,便透過再生能源的電力分解水得到氫氣,然後和二氧化碳合成為甲烷,成為旗下瓦斯車的燃料來源之一,成為邁向零碳汽車社會的的一份助力。

 

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