隨著全球邁向低碳、以氫為基礎的轉型，促使能源行業積極尋求更具成本效益和永續的技術方案。國際能源署預計全球至2030年氫氣需求將達到約1.5億公噸，其中近30％來自新的應用領域。氫氣來源則可從再生能源、核能，以及使用碳捕獲技術的化石燃料，表一為三種主要低碳製氫技術的比較。截至2022年，70％的氫氣主要由蒸汽甲烷重組（Steam Methane Reforming, SMR）生產，但每生產1公斤的氫氣就會排放2~12公斤的二氧化碳，需要結合碳捕獲技術達減碳。雖然再生能源電解水可產生零排放的綠氫，但電解成本直接取決於再生能源的發展及價格，且所需消耗的能源是甲烷熱裂解技術的7.6倍。對再生能源未普及的地區而言，甲烷熱裂解（Methane Pyrolysis）生產潔淨氫提供一種高經濟效益的替代方案。

甲烷熱裂解技術除生產潔淨的氫氣外，副產物為固體碳可直接廣泛應用於電子、儲能系統、輪胎生產、農業添加劑、建築材料等多個領域，創造市場價值。因此，甲烷熱裂解製氫的優勢，對脫碳和高能源需求的挑戰提供短期淨零過渡最具效益的解決方案，在實現2050年全球淨零排放目標發揮關鍵作用。

一、技術分析
甲烷熱裂解技術是在800℃~1600℃高溫下，將甲烷(CH4)分解或裂化為氫(H2)和碳(C)元素，是一種具成本效益的低碳排製氫技術。主要熱裂解技術分為以下三種(如表二)：
(一)熱裂解
在無氧環境及無觸媒狀態下，以高溫(1000℃~2000℃)將天然氣或沼氣等甲烷原料轉化為氫氣和無固定形狀的低品質碳。
優點：因為非催化過程，沒有觸媒活化反應失效的問題，產生的氫氣較無雜質，且可利用既有熱裂解設備降低成本。
缺點：副產物為品質較差的碳，且高溫製程導致設備折損及維護不易。

(二)催化熱裂解
在無氧環境下，利用金屬(鎳、鈷、鐵)或碳(活性碳、碳黑)催化劑分解(約在700℃~1100℃)甲烷，產生氫氣和高品質固體碳。
優點：工作溫度較低，且減少生成額外的副產物，提升碳的品質(石墨碳)。
缺點：碳會堆積在觸媒表面，促使催化失效，且催化劑製程繁瑣。

(三)核能熱裂解
核能以熱源(電弧)的方式在高溫下(1000℃~2100℃)分解甲烷，或以非熱源(微波、電子束)的方式破壞甲烷的化學鍵，最終生產高純度氫氣及無固定形狀的碳，或是直接生產成乙炔。
優點：轉化效率超過95%，且無需催化劑及碳堆積問題，可連續運轉生產氫氣。
缺點：極高的工作溫度增加投資成本，且尚須探討核能與甲烷分子間的反應機制。

二、市場現況
根據Frost & Sullivan統計，2020年至2022年間全球甲烷熱裂解技術專利共發布511件，美國占36.2%，是甲烷熱裂解製氫領域的領導者，其次則為中國(22.7%)。以下簡述美國在政府、產業及學術的投入現況：
(一)政府：
美國能源部（DOE）與新創公司C-Zero合作建造天然氣脫碳示範廠，利用高溫液體催化劑催化甲烷進行熱裂解，預計每天生產400公斤氫氣，其副產物碳則做為水泥原料的添加劑。

(二)產業：
1. Monolith Materials已於2018年間在預計投入3.58億美元開發商業化核能甲烷熱裂解技術，以核能將甲烷加熱至1500℃~2000℃，生產奈米級顆粒型態的碳黑，且消耗的電力僅需電解水的七分之一。該公司另計畫與日本三菱重工和韓國SK集團合作擴大商業規模，預計每小時可生產600公斤的氫氣。
2. Susteon公司利用Ni基重組催化劑及非熱源之核能，在300℃反應爐中破壞甲烷化學鍵，產生高純度的加壓氫氣，目前實驗室測試的總體能源效率可接近70%。

(三)學術：
史丹佛Stanford大學展開一項ARPA-E計畫，目標利用再生催化劑進行甲烷熱裂解，藉由控制催化劑結構，促使催化劑不受反應影響保持活性，以提高氫氣與碳的轉化效率(85%)。副產物的碳為高品質的奈米碳管，可應用於電池或碳纖維複合材料。

三、發展機會
Frost & Sullivan 提出以下三個可能促進甲烷熱裂解技術發展的機會：
(一)再生天然氣/生物甲烷(Renewable Natural Gas, RNG)製氫
再生天然氣即為生物甲烷，來源廣泛，如城市垃圾掩埋場、廢水處理廠、畜牧場、食品加工廠及有機物處理廠等，可直接替代傳統化石甲烷實現零排放，英國及加拿大已將RNG納入天然氣輸配網中。因此，促進各產業和國家發展獨立或分散的甲烷熱裂解製氫，美國最大商業甲烷熱裂解公司Monolith目標透過RNG將現階段每公斤氫氣產生0.45公斤二氧化碳的排碳量，進一步減少至負排放(-2.08公斤CO2)。

(二)甲烷熱裂解副產物石墨烯和奈米碳管可增加額外收益
甲烷熱裂解技術每生產1噸的氫氣，就會產生3噸的固體碳，並可藉由不同的製程技術生產不同形狀的碳材，如碳黑、奈米碳管、石墨烯等。澳洲Hazer集團利用鐵作為催化劑，生產氫氣和高品質石墨，並擴大商業化規模，以降低產氫成本及供應鋰電池所需的關鍵材料。除高品質固體碳外，低品質的碳黑也可做為土壤改良劑，促進作物生長及提高產量，潛在市場約達170億美元。

(三)以先進核能促進甲烷熱裂解
甲烷熱裂解可產生低碳氫，但反應過程中需要消耗能源(加熱溫度達700℃~2100℃)並產生碳排放。因此，先進核能(如小型/超小型模組化反應爐)可解決再生能源間歇性的問題，提供甲烷熱裂解所需持續且穩定的低碳熱能。美國ExxonMobil公司與荷蘭Shell已開發熔鹽反應爐，提供甲烷熱裂解技術所需加熱溫度(700℃~950℃)。