美国消耗的一次能源中有31％来自天然气燃烧，其中70-90％由甲烷（CH₄）组成。天然气是从陆上和海上的天然气、油井和煤层中回收。由于已经存在广泛的全国性天然气储存和分配网络，可再生CH₄的开发可以使零碳能源服务的迅速和广泛分布成为可能。尽管全球范围内计划建设越来越多的发电-天然气(PtG)项目以生产CH₄或H₂，美国目前正在生产的可再生CH₄的最大来源来自厌氧消化池，该消化池将牛粪转化为天然气。目前有超过250个这样的系统在运行中，还有更多的系统正在建设中。除了可再生地产生甲烷，这些厌氧消化池还可以防止向大气中释放甲烷（最有力的温室气体之一）。然而，仅奶牛场和厌氧消化池的配置将无法产生足够的可再生甲烷来替代当前天然气所能满足的能源需求。因此，评估可再生能源CH₄的其他更容易扩展的技术途径非常重要。

有鉴于此，加州理工学院Chengxiang Xiang教授和Harry A. Atwater教授等人，概述了从阳光，水（H₂O）和二氧化碳（CO₂）中可再生地生成CH₄的多种技术路线。

本文要点

1）从短期来看，利用点源捕获的二氧化碳和可再生能源驱动的低温电解生产的氢气通过热化学或生化方式生产甲烷是最具成本竞争力的途径。间接甲烷化法合成可再生甲烷的主要成本来源于可再生H₂。

2）还发现，随着技术的进步，来自稀薄来源（空气或海水）的CO₂成本可能与来自点源的CO₂竞争，并且CO₂的成本不会成为生产CH₄的成本驱动因素。已证明从空气中直接捕获CO₂的最大的规模（约1吨CO₂/天），通过低温电解产生可再生H₂（约2.6吨H₂/天），热化学甲烷化（约5吨CH/天）和生化甲烷化（约4吨CH₄/天）都非常小。

3）随着可再生电力的成本持续下降，在10美元/MWh的电价下，估计未来CH₄的整体成本可以乐观地达到983美元/吨，从而与世界某些地区的市场CH₄价格竞争。从长远来看，对电化学和光电化学甲烷化关键性能指标的重大改进可以为短期途径的获胜者提供独特的替代方案，使其具有更高的能量弹性，最终实现CH₄的生产成本低于1000美元/吨。

参考文献：

Alex J. Welch et al. Comparative Technoeconomic Analysis of Renewable Generation of Methane Using Sunlight, Water, and Carbon Dioxide. ACS Energy Lett., 2021.

DOI: 10.1021/acsenergylett.1c00174

https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c00174