Methane pyrolysis, also known as methane cracking or turquoise hydrogen, is the high-temperature breakdown of methane into hydrogen gas and carbon. It competes directly with blue hydrogen, hydrogen from steam methane reforming and carbon capture and sequestration (CCS), for producing low-carbon hydrogen from natural gas. In methane pyrolysis, all the carbon content in the methane is captured in solid form rather than emitted as carbon dioxide.
メタンの熱分解に必要なエネルギーは、同量の水素を製造するのに必要な水蒸気改質の約半分である。最後に、副生成物の固形炭素はカーボンブラックとして市場で販売することができ、製造された水素のコストを相殺することができる。これらの要素が相まって、メタン熱分解は低炭素水素を製造する有望な技術オプションとなっている。
メタンの熱分解にはさまざまなバリエーションがあり、熱、プラズマ、触媒熱分解に分類される。これらのバリエーションにもかかわらず、高い転化率に必要な高いプロセス温度、水素ガスの純度、触媒の被毒（もしあれば）や反応器システムの閉塞を避けるための気相からの固体炭素の分離といった技術的課題は共通している。
メタン熱分解の技術展望とプレイヤーの分布の包括的な概観を得るため、過去の特許活動、学術出版物、初期段階の資金調達、進行中のプロジェクトについて主要な開発企業を分析した。この情報は、将来のトレンドを定義し、メタン熱分解のプレーヤーとの関わりを求めるイノベーターにとっての機会を特定するのに役立ちます。
米州とEMEAがメタン熱分解の地域リーダー
メタン熱分解は初期段階の複雑な技術プラットフォームであり、その開発は低炭素水素のための天然ガス利用によって奨励されているからである。そのためには、地域が脱炭素化を強力に推進し、高リスクの投資にも積極的で、かつ天然ガスが地元で豊富に供給されている必要がある。この分野では、米国とロシアが2大主導国である。
日本と韓国は野心的な脱炭素化目標を掲げており、東南アジアとオーストラリアは豊富な天然ガスを供給しているが、APACのどの地域も、メタン熱分解の開発を促進する適切な条件を備えていない。しかし、中国が重要なプレーヤーとして台頭してくることが予想される。
メタン熱分解で活発化する新興企業
メタン熱分解はこれまで大企業が独占してきたが、過去10年の間に、もともと研究機関で開発されたメタン熱分解技術を開発・展開する新興企業がいくつか設立された。全体として、メタン熱分解の明確なリーダーはまだいない。モノリス・マテリアルズ社は、自社のプラットフォームを実証段階までスケールアップさせたが、その技術の性能は不明である。それ以外は、大企業も新興企業も同じような技術開発段階にある。
アカデミック・スペースは活発だが、非常に細分化されている
メタン熱分解の分野では、企業や新興企業よりも研究機関の数が圧倒的に多い。オランダ応用科学研究機構（TNO）とカールスルーエ工科大学（KIT）の2つだけが、パイロット設備まで技術を拡大し、群を抜いている。メタン熱分解に積極的な他の研究機関は、まだ実験装置の域を脱していない。こうした研究機関の多くは中国に拠点を置いており、その技術は、規模を拡大する準備が整えば、中国企業に吸収される可能性が高い。
- プラズマ：メタン熱分解の最も成熟した形態で、プラズマトーチを利用し、メタンガスを1,000℃（コールドプラズマ）から2,000℃（ホットプラズマ）の温度で熱分解する。コールドプラズマでは通常、無触媒でメタンの転化率は50％以下であるのに対し、ホットプラズマでは90％以上となる。ノルウェーのKværner社（現Aker Solutions社）は、1997年にホットプラズマ技術を利用した最初で唯一の商業規模のメタン熱分解設備を導入し、生成された水素はプラズマトーチ内で再循環された。この設備は、カーボンブラック製品の品質が不十分であったため、2003年に廃止された。現在では、モノリス・マテリアルズがリーディング・カンパニーとなっている。同社は、ケアナーのプロセスに基づくホットプラズマ技術を利用し、2020年に米国で最初の実証施設を立ち上げ、主要製品としてカーボンブラックを生産している。ガスプロムは現在、メタン熱分解のためのプラズマ技術に積極的な唯一の企業である。同社のコールドプラズマ技術は、ニッケル触媒によってサポートされており、メタン変換効率は80％に達するが、この技術はまだ実験室規模である。
- 熱分解：熱分解では、メタンは1,000℃～1,500℃の温度で水素と炭素に解離する。差別化は、このプロセスで使用される反応器のタイプによって決まる。BASF社は、電気加熱式移動床反応器を使用し、炭素顆粒が気相と逆流し、メタンは1400℃で顆粒上で直接熱分解する。KITはメタンを1,200℃の液体錫バブルカラム反応器に通し、形成された固体カーボンは液体の上に浮き、非公開の手段で分離することができる。TNOもまた、1,000℃以上で作動する溶融金属反応器を使用し、溶融塩を使用して液体金属からカーボンブラックを分離する。現在、熱熱分解の技術プラットフォームはすべて実験室規模であり、2030年までに商業規模に達する可能性は低い。
- Catalytic: In catalytic pyrolysis, methane breaks down into hydrogen and carbon over a metal catalyst, which is typically nickel- or iron-based, at temperatures of less than 1,000 °C. Currently, Hazer Group is the leading player in this space – the company uses a fluidized bed reactor with an iron ore catalyst, operating at 850 °C. It is currently at the pilot-scale, with no clear targets for commercialization. C-Zero is the newest entrant to the methane pyrolysis sector. While its technology remains unclear, it appears that the company uses a catalytic process but also molten salts to separate out the solid carbon.
全体として、メタン熱分解の技術展望は技術によって分断されており、確実なものはない。モノリス・マテリアルズ社はプラズマ技術で商業規模に近づいているように見えるが、そのプロジェクトの詳細が不明であること、またクヴェールナー・プロセスの商業的歴史が浅いことから、メタン熱分解においてプラズマが明確な勝者であるとはまだ言えない。
BASFとTNOは、熱熱分解プラットフォームを積極的に開発しているが、2030年までに商業規模の施設ができる可能性は低いと認めている。この分野で活躍する複数の新興企業については、商業化の目標が非常に野心的である傾向があり、技術を拡大するために必要なパートナーや資金を確保するには至っていない。
#LuxTake
メタン熱分解の初期段階と利用可能な技術の範囲を考慮すると、このプロセスの経済的評価はまだ不十分である。学術文献や技術開発者との会話によれば、メタン熱分解は青色水素よりも高価である。しかし、この技術の擁護者たちは、副生した炭素を市場で売れば、青色水素より安くなるとすぐに指摘する。とはいえ、このような思い込みは非常に危険であるため、技術革新者は慎重になるべきである。
The global carbon black market today is estimated at 15 million tonnes per year. If all of this carbon black were to be supplied by methane pyrolysis, it would correspond to a hydrogen production of 6 million tonnes per year. This is equivalent to just 8% of the global hydrogen market. Therefore, deploying methane pyrolysis at a global scale will lead to a crash in the carbon black market and essentially make it worthless.
技術がうまくスケールアップし、カーボンブラックが市場で販売されないと仮定すると、メタン熱分解施設とブルー水素施設のどちらを建設するかは、炭素ベースの副産物の取り扱いと水素製造の経済性への影響に大きく左右される。メタン熱分解が勝利するためには、固形炭素の処理コストが、ブルー水素施設から排出されるCO2の圧縮、輸送、隔離のコストよりも安くなければならない。
しかし、メタン熱分解が低炭素水素市場でシェアを拡大することはあっても、青色水素を完全に排除することは不可能であることを認識しておく必要がある。