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摘要：碳循环燃料（合成燃料）是由氢和CO₂合成的烃燃料，有望为实现低碳和脱碳社会作出贡献，但该燃料在技术上涉及氢和CCU（或碳循环）两个领域，因此在其低碳化效果和意义方面存在误解和混淆性。针对该问题，为了给今后能源政策的讨论提供材料，将对碳循环燃料的原理、长期存在方式、CO₂减排效果的归属等相关内容进行连载。本文中以碳中和甲烷（CN甲烷）为例，对其原理进行解说，并提出2050年实现脱碳社会面临的课题。

关键字：碳循环燃料、合成燃料、甲烷化、碳中和甲烷、氢、CCU

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要点

氢和碳中和甲烷（CN甲烷）有望实现城市燃气的低碳化，但目前，对CN甲烷仍存在误解。首先，需要重新确认甲烷化（CN甲烷的制造）的原理、功能和作用，力求在正确理解的基础上研究2050年实现脱碳社会及过渡期间CN甲烷的存在方式。

CN甲烷由从某一设施中分离回收的CO₂和充分低碳化的氢合成。使用（燃烧）CN甲烷而排放的CO₂与分离回收的CO₂相抵消，因此使用CN甲烷替代天然气具有CO₂减排效果。也就是说，CO₂只是被分离回收、利用、再排放，实质上，利用CN甲烷与利用氢的意义相同。因此，从原理来看，来自CN甲烷的CO₂再排放是没有问题的。

CCU和碳循环中仅一部分有助于CO₂减排。虽然合成燃料制造和利用中的CCU相关工艺(包括甲烷化)会利用并回收CO₂，但其只是为了更易于利用氢，并不具有CO₂减排效果。CO₂减排效果只能通过氢获得。

对CN甲烷的CO₂再排放和CO₂减排效果存在误解的原因是，甲烷化被分类到CCU领域，导致仅关注CO₂行为。由于CN甲烷的效果依赖于氢，因此为了避免这些误解，应当将甲烷化分类到氢领域，而不是CCU领域。

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正文

前言

氢和CN甲烷有望为城市燃气的低碳和脱碳化作出贡献。重要课题是如何经济地制造、运输和利用这些气体。然而，关于CN甲烷的意义至今仍存在很多误解。特别是，有研究者表示：“CN甲烷在燃烧时会再次排放CO₂，因此必须再次回收或抵消这些CO₂。”这是对甲烷化原理本身的误解。

总之，很多误解都是由于甲烷化被分类到CCU领域中，导致只关注CO₂行为而引起的。首先，需要正确理解甲烷化的原理、功能和作用。本文将在重新确认甲烷化原理的基础上整理长期课题，由此研究氢和CN甲烷的存在方式。

CN甲烷≈氢，甲烷化不属于CCU

首先，重新确认CN甲烷的原理。CN甲烷的机制是，由足够低碳的氢气和CO₂合成（甲烷化），燃烧时会排放CO₂，替代传统天然气。也就是说，从某一设施中分离回收的CO₂和CN甲烷燃烧排放的CO₂相抵消，通过替代天然气达到减少CO₂排放的效果（其中，CO₂分离回收和CN甲烷制造过程的CO₂排放会削弱减排效果）。换言之，使用CN甲烷与直接使用充分低碳化的氢一样，从本质上来说，使用CN甲烷与“使用氢”和“氢替代天然气”的意义相同（通过比较图1左侧情况和中间情况可以看出，系统整体的CO₂排放量相同）。

反之，如果将关注点放在“使用氢”上，则在此过程中，CO₂的分离回收是无关的，而且是不存在的。因此，甲烷化（CN甲烷的制造）应当属于氢领域，而不是CCU领域。很早以前就存在这样的论调：“CN甲烷在燃烧时会再次排放CO₂，因此必须再次回收或抵消这些CO₂。”这种误解是由于甲烷化被分类到CCU（或碳循环）领域，导致只关注CO₂再排放而引起的。此外，IEA称合成燃料为Hydrogen-based Fuel。而如果将甲烷化分类到CCU中，则CO₂只是被分离回收、利用、再排放，并没有通过作为CCU的功能而发挥CO₂减排效果。如此可见，通过CN甲烷获得的CO₂减排效果仅依赖于氢。

那么，将会产生这样的疑问：“为什么要特意将CO₂与氢气结合来制造CN甲烷呢？直接使用氢不可以吗？”这是为了以CN甲烷的形式，使氢气更容易用于现有的城市燃气基础设施。如果将氢直接混入城市燃气基础设施（也取决于氢量），存在制度变更、设备调整和变更、计量方法变更等课题。

但是，如果是混合CN甲烷（城市燃气的主要原料），则可以避免许多课题。可以直接利用现有基础设施的新型氢由来燃料也被称为“Drop-in”燃料。也就是说，甲烷化是氢应用于城市燃气中的一种形态，是一种变通措施，具有有效利用现有城市燃气基础设施的经济合理性。换言之，如果氢气直接混合或利用新型氢基础设施直接使用氢气的方法具有经济合理性，那么这些方法都是可行的。也可以说，不应将甲烷化本身作为目标，重要的是根据各地区城市燃气需求结构和城市燃气基础设施的更新时期，不断验证氢气和CN甲烷中的哪一个是更经济的低碳和脱碳化选择。

用于甲烷化的CO₂源

根据上述内容可知，用于甲烷化的CO₂无论是来自化石燃料、生物质还是DAC，通过替代天然气而产生的CO₂减排效果（在消除处理效率差异的情况下）都是相同的（通过比较图1中间情况和右侧情况可以发现，系统整体的CO₂排放量相同）。当然，来自生物质和DAC的情况下不会发生负排放。

另外，在图2中，对来自化石燃料的CO₂和来自DAC的CO₂在甲烷化中的利用情况进行了比较。来自火力发电厂的CO₂无论如何都会扩散到大气中。在扩散之前分离回收CO₂和利用直接空气捕捉技术（DAC）从大气中分离回收CO₂的意义相同。也就是说，甲烷化中使用的CO₂，无论是来自化石燃料的CO₂还是来自DAC的CO₂都是一样的。换言之，如果有火力发电厂的话，利用其产生的CO₂是没有问题的，但不会仅为甲烷化而新建并运营火力发电厂。

图1.png

图2.png

在欧洲，存在一种观点：用于甲烷化的CO₂必须来自生物质或DAC。但对甲烷化原理进行科学解释后发现，这种观点是错误的。这一观点的背后体现了欧洲对化石燃料使用的限制。从结果来看，只是表明不认可利用来自化石燃料的CO₂的合成燃料制造工艺（包括甲烷化），并没有涉及合成燃料的本质。

因此，在原理和原则上，如果氢气被充分低碳化，则来自CN甲烷的CO₂再排放就没有问题，并且CO₂源也没有问题。在第二篇中，将讨论到2050年及之前的过渡期内，需要大幅削减来自化石燃料的CO₂排放量的情况下，包括CN甲烷在内的合成燃料应以何种形式存在。

注释及参考文献：

1. 关于合成燃料，由于没有固定的名称，因此本连载中统称之为碳循环燃料，但是根据情况有时也会将合成燃料和由甲烷化制成的甲烷记述为碳中和甲烷。

2. 柴田善朗：“CCU·碳循环所需的低碳化以外的观点－CCUS在分类学上的误解－”，2020年，https://eneken.ieej.or.jp/data/8821.pdf（访问日期：2021年3月8日）

3. 柴田善朗：“甲烷化对低碳和脱碳化的意义”，能源・资源Vol.41 No.1（2020）

4. 柴田善朗：“新燃料的意义和课题－氢的多种利用形态－”，2021年，http://www.esisyab.iis.u-tokyo.ac.jp/symposium/20210204/sympo20210204.html

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关于碳循环燃料碳源的讨论（1）——CO2再排放等甲烷化相关的误解消除和长远观点