為了減緩地球暖化與氣候變遷的效應，聯合國氣候變遷綱要公約締約國第29次會議(COP29)提出「氫能宣言」，呼籲共同支持「擴大以再生能源、清潔/零排放和低碳產生氫能，逐步替代目前使用無搭配減碳措施之化石燃料」。因此，除了積極發展各式再生能源與節約能源，使用低碳、零碳的氫能源對台灣邁向2050淨零轉型也是至關重要。
利用天然氣(主要成分為甲烷)在無氧環境下熱裂解所產製的氫氣，稱為藍綠氫。雖然目前受關注的程度遠低於藍氫(透過蒸氣重組反應並搭配CO2的捕捉再利用或封存所得到的氫氣)和綠氫(由可再生能源所提供電力來進行電解水所產製的氫氣)，但它仍是有後兩者所沒有的某些優勢，包括成本遠低於綠氫、零碳/低碳排放量、以及具有附加價值的副產品。
天然氣熱裂解反應直接生成氫氣與固態碳，不會排放CO2，所需的反應熱(37.3 KJ/ mole H2)為傳統蒸氣重組結合水煤氣轉換法(63.2 KJ/mole H2)的59%，以及是電解水產氫所需反應熱(285.8 KJ/mole H2)的13%。使用傳統電網電力時的碳排放量(<1 kg CO2/kg H2)遠低於蒸氣重組法的碳排放量(8~12 kg CO2/kg H2)。若是使用可再生電力則可實現零碳排放，而使用沼氣或生質甲烷作為進料源甚至能使熱裂解產氫程序成為負碳排。另方面，藍綠氫技術通常較能對應各式的進料組成分，因為高溫也使天然氣中的其他輕質烷烴(例如：乙烷、丙烷)同時熱裂解。若能進一步製得高值化的碳材料(例如：碳黑、奈米碳管、以及石墨等)，提供額外的經濟效益，更可增加技術推展的利基。另外，就生產設備而言，藍綠氫比藍氫更適合模組化建置，易於在用戶端的鄰近組裝或是現地設置。
筆者於去年12月25日以《天然氣熱裂解產氫技術之發展現況與挑戰》為題投書Newtalk新聞網，說明了各式天然氣熱裂解產氫技術的發展現況與所需面對的挑戰。整體而言，天然氣熱裂解產氫要大規模商業化所必須解決的核心問題，包括避免觸媒失活、防制反應器的積碳阻塞、提升甲烷加熱效率與轉化率、提高氫氣產率、降低能耗與產氫成本等。
本文將探討不同天然氣熱裂解產氫(藍綠氫)技術的商業化進展。雖然藍綠氫技術尚未大規模商業化，但國際上早有許多公司單位投入研發，並已有進展至先導或示範工廠的階段。茲重點分述如下：
美國Monolith是目前唯一實現天然氣電漿重組產氫技術商業化的公司。該公司自2022年於內布拉斯加州Hallam商轉的Olive Creek 1(OC1)是目前世界上最大甲烷熱裂解產製氫氣與碳黑的示範工廠(產氫規模高達4700噸/年、碳黑產能14000噸/年)，且幾乎零碳排。他們於2024年在同一地點籌建OC2，將擴增12台電漿重組反應器，目標2026年開始運轉。OC2也將新增一座利用所產製氫氣直接合成每年產能約30萬噸氨的工廠。
其他利用觸媒進行天然氣熱裂解產氫的公司(包括美國Huntsman Nanocomp、澳洲Hazer Group、以及芬蘭Hycamite TCD Technologies Oy)，主要著重在生產高值化的碳材料(例如：奈米碳管、石墨、碳纖維等)。美國Huntsman Nanocomp開發了Miralon觸媒浮動床化學氣相沈積技術(Miralon FC-CVD)，添加環戊二烯基鐵(Ferrocene)觸媒和促進劑，在高溫1150℃的氫氣氛下進行甲烷熱裂解反應，藉由反應物比例及溫度、流速的精確控制，可生成高品質的奈米碳管。他們已於2023年底完成年產30噸碳的先導工廠建置，並計畫於2026年實現年產1000噸碳的示範工廠；澳洲Hazer Group將低成本且易於取得的原生鐵礦石(使用前經研磨至特定粒徑大小，並控制水分含量)注入反應器，先被氫氣還原為觸媒，而可促進甲烷熱裂解反應於較低溫度下生成氫氣和固態碳。每年100噸產氫規模的示範工廠已於2023年進行試運轉，並預計在2026年達成商業化運轉；芬蘭Hycamite TCD Technologies Oy則開發了一系列的專利觸媒，能在低於其它廠家技術的操作溫度下進行觸媒熱裂解反應，並生成氫氣、奈米碳管以及奈米碳纖維的混合物(被稱為TCD碳)。該公司目前正在建置歐洲最大甲烷熱裂解產氫的示範工廠(2000噸H2/年，3000噸碳/年)。
加拿大Ekona Power專利的xCaliber脈衝流管狀反應器是透過加壓燃燒氣體膨脹所產生的能量，將甲烷進料加熱至反應溫度，並於封閉環路中熱裂解為氫氣和固態碳。該電爐熱裂解反應器不需要使用觸媒、成本低，且能有效減少碳沈積。該公司放大反應器並整合碳分離、氫氣純化和熱管理等關鍵系統組件的試驗計劃(200 kg H2/日)正在進行中，並預計於亞伯達省建立產能達1噸H2/日的先導工廠(由五個反應器共同運行)。
其他接近先導或示範階段的藍綠氫技術，包括美國C-Zero填充熔融金屬鹽類的電爐氣泡塔反應器、美國ETCH的熱化學氧化還原程序、英國HiiRoc結合熔融金屬與電漿重組反應器、以及德國BASF的電爐熱裂解移動床反應器等。值得一提的是，ETCH利用NiCl2與甲烷或其他烷烴類於1100oC下進行氧化還原反應，並於1000oC下將原料氣熱裂解為固態碳及氫氣。由於甲烷轉化率可大於99%，不須使用變壓吸附法(PSA)純化氫氣。因此，ETCH宣稱即便不計碳銷售或碳補償收入，仍可以1.0-1.5美元/kg H2的成本產製氫氣。但目前尚有副產烯類的問題待解決。
無論採取上述何種方法熱裂解甲烷，每生產1公斤氫氣就會伴隨約3公斤固態碳的生成，尤其是在藍綠氫大規模生產情境下，副產品碳的市場需求及產出碳材料的品級更是需要面對的課題。除了利用碳補償或碳稅減免的經濟誘因，成本效益也有賴於能否將副產品碳多用途化的銷售至現有和新興市場。另外，在某些地區(例如：歐洲)，天然氣供應與價格仍是個問題。
各種天然氣產氫方式皆有其優劣，需視各國不同的環境、條件以及地理區域來選擇適宜的技術。雖然目前藍綠氫(1.8-4.0美元/kg H2，尚未計入任何碳銷售或碳補償收入)相較於商業化的灰氫(0.9-3.0美元/kg H2)尚不具成本競爭力，但已可與藍氫(1.4-2.5美元/kg H2)競爭。不過，隨著淨零減碳目標與相關法規標準的持續壓力，產氫技術的持續研發(例如：ETCH有望以1.0-1.5美元/kg H2的成本生產藍綠氫)，並找出可行的碳材去化途徑，都是推動天然氣熱裂解產氫技術商業化的有利因素。
林仁斌 (台灣環境保護聯盟學術委員)
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