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甲烷化技術有助於大型船舶淨零排放目標實現?

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科技產業資訊室 (iKnow) - Lisa & May 發表於 2021年4月20日

圖、甲烷化技術有助於大型船舶淨零排放目標實現?
 
日本工業公司正在研發碳捕捉儲存利用來實現甲烷化(methanation)。在日本航運巨頭商船三井(MOL)帶領下,包含鋼鐵公司日本製鐵(Nippon Steel)和JFE鋼鐵(JFE Steel)的9家日本企業組成的船舶碳回收工作小組(Ship Carbon Recycling Working Group),正在評估生產和使用甲烷作為「零排放船舶」提供動力,以代替液化天然氣或其他石化燃料的可行性。
 
所謂甲烷化(methanation)是將一氧化碳和二氧化碳等碳氧化物(COx)轉化為甲烷的氫化過程。其實,自從1970年代開始,提出將甲烷化做為生產合成天然氣方法,近期,電池製造商提出可應用在可攜式燃料電池領域;甲烷化被認為是一種儲能方法,利用風能或太陽能等可再生能源電解水產生氫氣,氫氣再與二氧化碳結合,所產生的甲烷可用作船舶或發電廠的燃料。
 
由於,日本的可再生能源價格昂貴,而甲烷可能需要在海外製造,因此這意味著要開發運輸二氧化碳的特殊船隻。甲烷化的商業化的關鍵,是遠距離運輸二氧化碳的可行性以及氫氣的價格。
 
商船三井將甲烷化訂為2050年實現淨零碳排放(net-zero emissions)最實際的技術。未來1-2年的挑戰在於是否能成功降低成本,將甲烷化技術轉化為可持續的實際解決方案。然而,生產和運輸這些氣體的成本和技術障礙,使甲烷化至今仍處於試驗階段。
 
相較於氨(ammonia)和氫氣(hydrogen)等替代燃料,甲烷的其中一個優勢是它可以更容易地使用現有的天然氣基礎設施。另一個優勢是,它可以有效地將太陽能和風能產生的多餘能量以甲烷的形式儲存起來。當天然氣燃燒發電時,先捕捉二氧化碳後,再釋放回大氣中以達到碳中和。
 
對於航運業來說,尋找實現碳中和的燃料是至關重要的任務,因為船上的太陽能和風能系統,產生的能量不足以推動大型船舶。2018年,國際海事組織(International Maritime Organization)制定了到2050年將航運業的溫室氣體排放量減少50%的目標,並希望在本世紀徹底消除溫室氣體排放。日本國土交通省希望零排放船舶能在2028年之前投入運營。
 
船舶碳回收工作小組,希望能將占日本進出口額99.6%的海上運輸產業的溫室氣體排放量減少到零,為永續發展做出貢獻。具體來說,工作小組將建立甲烷化碳循環供應鏈,從CO2原料供應、原料運輸、甲烷轉化,作為海洋燃料。
 
第一階段的工作,包括:
(1)分離、捕捉和液化鋼鐵製造廠排放的CO2
(2)用船將液化的CO2運輸到氫氣供應地
(3)通過甲烷化,從CO2和氫氣中生成甲烷
(4)將合成甲烷液化,用作船用燃料。
該工作小組除了概算出整個供應鏈中CO2排放量的數值,還將決定是否進行後續的下一階段項目及內容。預計將在2021年夏天提出一份初步進展的報告。
 
商船三井認為,隨著法規趨緊,企業碳排放的成本不斷上升,因此可能推動甲烷化技術進入下一階段,包括商業化。低碳排放的燃料在未來會更有價值。商船三井表示,工作小組的目標是在7-8年內達成日本國土交通省的目標。
 
甲烷的競爭對手是液化天然氣(LNG),使用液化天然氣比使用石油的船舶少排放20-30%的二氧化碳,且技術發展成熟。截至2021年12月,商船三井運營的804艘船舶,其中96艘使用液化天然氣為燃料。
 
商船三井預計從2019年起到2027年,全球以液化天然氣為燃料的船舶數量將增加一倍。在真正的淨零碳排放解決方案之前,液化天然氣成為臨時選項。
 
根據德國雷根斯堡應用科學大學(Technical University of Applied Science in Regensburg)的研究,截至2019年,全球約有38個活躍進行的甲烷化計畫,大部分在歐洲和美國。歐盟的科研計畫展望2020(Horizon 2020)經過四年的研究後,在德國、義大利和瑞士建立了三個試驗工廠。
 
這是很現實的事,零碳能源必須與傳統燃料相比,需具有成本競爭力,那麼零碳排船隊才具有商業可行性。
  • 汽車製造商奧迪(Audi)近十年來,一直在試驗以甲烷為燃料的汽車,在德國北部Werlte工廠利用風能製造燃料電池車款。
  • 日本政府去年(2020)設立了一個192億日幣的綠色創新基金,研究包含碳回收、船舶推進動力等各種技術,作為其2050年零排放目標的一部分。
  • 石油和天然氣公司國際石油開發帝石(INPEX)和工業集團日立造船(Hitachi Zosen),接受新能源產業技術綜合開發機構(New Energy and Industrial Technology Development Organization)委託,在INPEX位於新潟縣的天然氣廠建立了一個試驗設施,該計畫已有4年歷史,每年可生產約47噸甲烷,INPEX計畫在2030年後開始商業運營,產量預計達為35萬噸甲烷。
  • 日本天然氣公司大阪燃氣(Osaka Gas)正在研究一種利用固體氧化物電解電池(Solid Oxide Electrolysis Cel),同時電解水蒸氣和二氧化碳來生產甲烷的方法。宣稱該系統效率更高,並在2021年1月時發布了試驗原型。
INPEX表示,可再生能源理想的商業化價格約為2-3日元/ kWh(0.02-0.03美元)或更低,而目前日本的價格約為13.6日元/ kWh。在沙烏地阿拉伯和智利,太陽能發電成本僅為2-2.5日元/ kWh。
 
與氨或液態氫相比,甲烷化可以利用許多現有的儲存設施而大幅降低成本。即使技術進步,甲烷化也難以與液化天然氣競爭。IHS Markit表示,在日本,進口液化天然氣的成本每百萬英熱(MMBtu)約8美元,即使太陽能成本為零,甲烷化能源也難以在價格上取得優勢。除非能從某個地方獲得氫氣作為副產品,甲烷化才有可能達到經濟規模。(1803字;圖1)
 
 
參考資料:
Zero-Carbon Goal Pushes Japan to Bet On Century-Old Technology. BNN Bloomberg, 2021/4/14.
Nine companies have started "Ship Carbon Recycling WG" of Japan's CCR Study Group. JGC Holdings Corporation, 2020/7/16.


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