甲烷热解用于能源生产以降低温室气体排放的潜力有限

《Energy Advances》：Limited potential of methane pyrolysis for energy production to reduce greenhouse gas emissionsOpen Access

　　

由于全球能源向低碳和可再生能源转型，应对日益严峻的能源与气候危机势在必行。在可再生能源大规模部署实现之前，甲烷（CH4）热解——一种将CH4分解为氢气和固体碳的方法——被提出作为CO2排放极少的过渡技术。然而，由于碳中储存的能量无法被利用，为满足相同的能源需求，CH4的消耗速率及相应的逃逸性CH4排放量将翻倍。基于CH4平均排放率2.5%的估算，CH4热解对减少温室气体排放的影响有限，同时将增加能源部门对天然气资源的依赖。

甲烷热解作为能源生产路径的温室气体减排潜力审视：基于全生命周期视角的评估

一、研究背景与问题提出

全球温室气体（GHG）排放的持续增加已被认定为工业革命以来全球变暖的主导原因之一。化石燃料提供了全球约80%的能源供应，是全球GHG排放的主要贡献者，年排放量超过50 Gt_CO?e。为实现《巴黎协定》目标，将全球变暖限制在1.5°C以内至关重要。在此背景下，全球正致力于通过低碳可再生能源（RE）对现有化石燃料能源部门进行脱碳，绿氢（通过可再生能源电解水制取）被视为替代化石燃料的有力方案。然而，当前可再生能源在全球总需求中的占比不超过15%，大规模部署仍需加速。

天然气（NG）基技术被用作这一转型的过渡技术，其中甲烷（CH₄）热解因可在无CO₂排放的条件下生产氢气（即绿松石氢，turquoise H₂）而受到关注。传统上，天然气工业制氢（灰氢）通过蒸汽甲烷重整（SMR）和水煤气变换（WGS）反应实现，该过程排放密集，每生产1 kg H₂平均排放9–11 kg CO₂。相比之下，CH₄热解反应较为简单，仅产生H₂和固体碳（C），反应点无直接CO₂排放，且反应焓较低（每摩尔H₂约37.7 kJ，而SMR为约63.4 kJ，水电解为285.8 kJ）。

然而，该技术的净气候影响取决于上游逃逸性CH₄排放、固体碳副产品的利用程度以及其对天然气开采和分配基础设施依赖的延长程度。CH₄是比CO₂更强的温室气体，其20年时间尺度的全球增温潜势（GWP-20）为84–87，100年时间尺度（GWP-100）为28–36。全球石油和天然气能源部门的CH₄年排放量超过135公吨。逃逸排放（FEs）情景占天然气总产量的1.7–6%，最坏情况可超过9%，多数报告取约2.5%作为上游CH₄逃逸排放的平均估计值。因此，评估该技术的真实气候效益必须超越使用点排放，审视全生命周期影响。

二、研究内容与核心发现

研究人员基于1 kg CH₄（高热值HHV为15.4 kWh kg^?1）的初始量，计算并比较了CH₄燃烧和热解过程的CO₂当量（CO₂e）GHG排放。研究得出以下核心结论：

GHG排放计算与比较。 在GWP-20（84）条件下，CH₄燃烧过程的GHG排放为0.27–0.51 kg_CO?e kWh^?1；在GWP-100（28）条件下为0.21–0.29 kg_CO?e kWh^?1。取平均CH₄逃逸排放率2.5%时，对应GWP-20排放为0.315 kg_CO?e kWh^?1，GWP-100排放为0.224 kg_CO?e kWh^?1。

CH₄热解过程的排放评估。 由于热解过程中固体碳储存的能量无法利用，产生与1 kg CH₄燃烧相同能量（15.4 kWh）需要约1.8–2.2 kg CH₄。同时，产生的H₂在加工过程中也有约1–5%的逃逸排放。考虑H₂的GWP-20（37）和GWP-100（11）后，CH₄热解过程的总GWP-20为0.18–0.75 kg_CO?e kWh^?1，GWP-100为0.06–0.25 kg_CO?e kWh^?1。取平均CH₄逃逸排放2.5%时，GWP-20排放为0.256 kg_CO?e kWh^?1，GWP-100排放为0.085 kg_CO?e kWh^?1。

GWP-20时间尺度下的关键阈值。 由于热解过程作为向可再生能源部门过渡的桥梁技术，未来2–3十年的减排效果至关重要，GWP-20成为关键分析标准。在GWP-20条件下，CH₄热解仅在逃逸排放远低于2%时才能有效减少GHG排放，而若逃逸排放超过3.1%则会增加排放。取平均逃逸排放2.5%时，CH₄热解仅能比燃烧过程减少16.3 gCO₂e kWh^?1的排放。若H₂需运输而非直接使用，下游H₂逃逸排放比例也会变得可观。此外，热解过程需要能够耐受天然气杂质（如H₂S、NH₃和挥发性有机化合物VOCs）的稳健催化剂。

碳副产品市场容量不匹配。 热解过程每生产1吨H₂会产生约3吨碳副产品。全球炭黑市场相对有限，预计从2025年的288.6亿美元增长至2032年的约401.0亿美元，年增长率4.8%。当前全球炭黑产量约14 Mtpa，2032年预计约19.4 Mtpa。据IEA数据，到2030年已宣布项目可使低碳氢产量增至49 Mtpa。假设CH₄热解供应其中30%（约15 Mtpa），产生的碳将达约45 Mtpa，远超预期市场容量。即使热解大规模扩张，炭黑市场也只能吸收有限比例的碳产量，大规模CH₄热解的经济可行性受到炭黑低价值和有限市场容量的制约。

替代路径NOCM的环境可行性评估。 研究人员还评估了甲烷非氧化偶联（NOCM）路径——将CH₄转化为乙烯和苯等高价值碳氢化合物并联产H₂。NOCM每8 mol CH₄产生11 mol H₂，即每mol CH₄产H₂ 1.38 mol，比传统热解（每mol CH₄产2 mol H₂）的CH₄需求增加45%。因此，NOCM的CH₄需求变为2.62–3.05 kg，CH₄相关逃逸排放和GWP相应增加1.45倍。NOCM过程的总GWP-20为0.25–1.06 kg_CO?e kWh^?1，GWP-100为0.084–0.35 kg_CO?e kWh^?1。结果表明，尽管NOCM能联产烯烃和芳烃等高附加值产品，其环境可行性反而低于传统CH₄热解。此外，NOCM面临重大工业部署挑战：CH₄活化需800–1000°C以上高温，二次反应导致烯烃转化为芳烃并最终结焦，催化剂快速失活，难以同时维持高转化率、高选择性和长催化剂寿命。

三、主要技术方法

研究人员采用生命周期评估（LCA）框架，基于热力学能量平衡计算和温室气体排放核算方法开展研究。具体包括：基于高热值（HHV）的能量产出对比分析，比较CH₄直接燃烧与热解路径的能量效率；采用GWP-20和GWP-100两种时间尺度的碳排放当量换算方法，将CH₄和H₂的逃逸排放量转化为CO₂e；基于文献调研的逃逸排放情景分析（CH₄逃逸排放1.7–6%，H₂逃逸排放1–5%）；以及市场容量对比分析，将热解碳副产品产量与全球炭黑市场需求进行规模匹配评估。

四、讨论与结论

讨论部分总结。 尽管CH₄热解提供了一种减少CO₂排放的策略，但它同时加深了能源部门对天然气资源的依赖。这种依赖可能带来重大挑战，因为天然气的可获得性和成本常受地缘政治紧张和国际关系波动影响，可能削弱能源供应的稳定性和安全性，使向低碳技术的转型复杂化。此外，甲烷热解因炭黑价值低且缺乏强劲市场吸收该副产品而经济效益有限。任何替代工艺（如NOCM）因GWP情景增加而优势减弱。仅基于CO₂排放制定的政策可能会奖励那些实际气候效益不确定、有限或规模化不现实的技术。监管和激励措施应基于经过验证的全生命周期气候绩效。

研究结论。 综合考量这些因素，尽管CH₄热解看似是防止直接CO₂排放的有前景技术，但该过程中大量的CH₄逃逸排放会抵消其效益。由于逃逸性CH₄排放难以控制，CH₄热解作为过渡技术对减少温室气体排放的影响有限。基于平均2.5%的CH₄排放率，CH₄热解对减少温室气体排放的影响有限，同时将增加能源部门对天然气资源的依赖。