關(guān)鍵詞：日本燃氣行業(yè)；城市燃氣管道；綠色甲烷化

1、日本燃氣行業(yè)發(fā)展概況

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

      2022年日本的天然氣消費量為1005.0億m³，通過LNG進口量982.6億m3。每年的天然氣消費量與進口量相當(dāng)，近年來，進口量占消費量的比例保持在97%-98%之間。在天然氣來源上，澳大利亞、馬來西亞、俄羅斯是前三大進口來源國，2022年的占比分別為42.6%、16.6%、9.4%。自1970年開始，日本將一次能源大部分改為高熱值的天然氣，應(yīng)用領(lǐng)域包括用熱設(shè)備、空調(diào)、天然氣汽車、天然氣發(fā)電。2010年以后，幾乎所有的工業(yè)領(lǐng)域均被天然氣應(yīng)用覆蓋。城市燃氣領(lǐng)域，天然氣約占一次能源比例的97.1%，LPG約占2.9%。從天然氣銷售結(jié)構(gòu)來看，居民用氣占25.4%、商業(yè)用氣占17%、工業(yè)用氣占57.6%。

      日本城市燃氣管道非常匱乏，主要分布在城市地區(qū)，管道覆蓋面積僅占全國土地面積的6%。各類燃氣管網(wǎng)僅有26.76萬km。日本燃氣企業(yè)由燃氣零售企業(yè)、一般燃氣管道企業(yè)和燃氣制造企業(yè)3類構(gòu)成，其中燃氣零售企業(yè)1346家，一般燃氣管道企業(yè)193家，燃氣制造企業(yè)27家。從終端用戶使用的能源來看，利用193家一般燃氣管道企業(yè)的燃氣管道使用天然氣的各類民工商用戶2652萬戶；LPG銷售企業(yè)16825家，約2218萬各類用戶；約10家電力銷售公司，約4700萬各類用戶。從城燃企業(yè)的分類來看，投資建設(shè)LNG碼頭、擁有大規(guī)模城燃管網(wǎng)的企業(yè)數(shù)量占比1.6%，主要為東京燃氣、大阪燃氣、東邦燃氣；擁有少數(shù)LNG接收站和少部分天然氣管網(wǎng)的燃氣公司數(shù)量約占3.2%，主要為北海道燃氣、仙臺燃氣、廣島燃氣等；沒有管網(wǎng)單一做終端銷售的燃氣企業(yè)數(shù)量約占55.8%；開展點供的燃氣企業(yè)約占39.4%。

1.2 改革歷程

      受資源條件限制，日本天然氣嚴(yán)重依賴海外進口；受地理條件限制，日本本土山丘多、地震頻發(fā)，日本國內(nèi)跨區(qū)域長輸管道較少。日本天然氣消費市場以發(fā)電和工業(yè)用氣為主，消費主體主要集中在城市。鑒于上述特征，日本政府不得不放松市場準(zhǔn)入管制，鼓勵和支持更多企業(yè)參與到海外尋找氣源、建設(shè)LNG接收站和配氣管網(wǎng)以及提供分銷零售服務(wù)。同時逐步推動天然氣管道對第三方開放自由化。

      為配合終端用戶自由選擇供應(yīng)商的改革措施，

• 1995年修訂的《天然氣公用事業(yè)法》提出，當(dāng)時在日本國內(nèi)市場份額占比較大的3家大型燃氣公司（東京瓦斯、大阪瓦斯、東邦瓦斯）的天然氣管道，可以通過自由協(xié)商的方式對第三方開放，年用氣量200萬m³以上的用戶可自由選擇天然氣供應(yīng)商。但由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的第三方開放規(guī)則和公開透明的管道利用信息，市場主體在管道實際利用過程中遇到了較大障礙。

• 1999年《天然氣公用事業(yè)法》進一步修改，將管道對第三方開放制度化，并將西部燃氣納入管道對第三方開放的范圍，至此日本國內(nèi)市場份額最大的4家燃氣公司的天然氣管道全部納入開放范圍。

• 2004年修訂的《天然氣公用事業(yè)法》提出了更加規(guī)范的第三方開放要求，即燃氣公司需要公開其管道利用的規(guī)則和條件，并提出對第三方開放的標(biāo)準(zhǔn)化合同模板，管道運輸業(yè)務(wù)也被要求從管理和財務(wù)上與天然氣銷售業(yè)務(wù)分離。

• 2015年修訂的《天然氣公用事業(yè)法》進一步要求東京燃氣、大阪燃氣、東邦燃氣在2022年前實現(xiàn)管道運輸業(yè)務(wù)在法律上的拆分。

• 到2017年開始完全實現(xiàn)自由化，即：城燃企業(yè)改為配氣+售氣，配氣為管輸公司，售氣有幾家公司迅速擴充到193家公司，為輕資產(chǎn)模式運營，燃氣銷售量也大幅增加促進了市場發(fā)展。此外，即使原有的大型城燃企業(yè)，也被政府強制分割為上游公司、管輸公司、下游銷售公司（售氣公司）三個不同法人主體。按照法律規(guī)定，東京燃氣、大阪燃氣、東邦燃氣三家公司需將上游、管輸、零售拆分成為獨立法人公司，其他公司不受限制。

      日本燃氣市場完全自由化后，上游生產(chǎn)企業(yè)負責(zé)從海外采購LNG并銷售給城燃零售企業(yè)，管道公司負責(zé)高中低壓燃氣管道建設(shè)及運營，零售企業(yè)由終端用戶自主選擇并保障供應(yīng)。燃氣設(shè)施中，以東京燃氣為例，除了燃氣表（燃氣表是東京燃氣Network公司的資產(chǎn)）以外，用戶紅線內(nèi)（集團住宅時，分界線為道路側(cè)）的燃氣管道、建筑物中的配管均是用戶所有物。用戶紅線內(nèi)的修理、更換燃氣管是有償服務(wù)（紅線外燃氣管是東京燃氣Network公司資產(chǎn)）。

1.3 主要燃氣企業(yè)情況

      日本城燃行業(yè)主要有4大城市燃氣公司，包括東京燃氣、大阪燃氣、東邦燃氣、西部燃氣，具體業(yè)務(wù)占比如圖1。

圖1 日本四大城燃業(yè)務(wù)比例圖

1.3.1 東邦燃氣

      日本東邦燃氣株式會社總部位于愛知縣名古屋市熱田區(qū)櫻田町，是日本第三大燃氣公司。管網(wǎng)子公司名為東邦燃氣Network公司。是名古屋經(jīng)濟界的實力企業(yè)“五朵金花”之一。另外四家分別是東海銀行、松坂屋、名古屋鐵道（名鐵）、中部電力（中電））。

      東邦燃氣于1922年6月成立后開始燃氣銷售業(yè)務(wù)，零售地區(qū)為愛知縣、岐阜縣、三重縣3個縣，涉及50市25町1村。自2022年4月起，東邦燃氣實現(xiàn)了法人分離，燃氣制造、燃氣銷售、燃氣輸送不再為一體，將管網(wǎng)業(yè)務(wù)從現(xiàn)有體制中剝離。截止目前，注冊資本金330億7200萬日元，總資產(chǎn)達到6935億日元。2022年以來，城市燃氣、LPG、電力的用戶數(shù)量穩(wěn)步增加，天然氣銷售量為35.5億m3。在“盡可能實現(xiàn)300萬件用戶”的目標(biāo)中，2022年度末達到了292萬件的實績，公司主力事業(yè)的城市燃氣銷售量，由于氣溫全年上升，工業(yè)領(lǐng)域的零件供給不足導(dǎo)致生產(chǎn)減少等，業(yè)績低于上年度。2023年LNG采購量266萬t，LPG采購量63萬t，投資建設(shè)日本國內(nèi)4個LNG接收站，管道長度達3萬km，擁有2個電廠，員工數(shù)6080人。

1.3.2 大阪燃氣

      大阪燃氣公司成立于1897年，1905年開始運營，主要涉及國內(nèi)能源（燃氣、電力）業(yè)務(wù)、國際能源業(yè)務(wù)和生活與商業(yè)解決方案業(yè)務(wù)。國內(nèi)能源業(yè)務(wù)包括了城市燃氣的生產(chǎn)、供應(yīng)和銷售、燃氣器具銷售、燃氣管道安裝、液化天然氣運輸與銷售、液化石油氣銷售以及發(fā)電與售電業(yè)務(wù)。天然氣業(yè)務(wù)主要從海外開采購買天然氣并以LNG形式運送到日本國內(nèi)，在日本國內(nèi)接收終端再氣化后通過管道輸送至城市，并銷售給終端工業(yè)、商業(yè)及家庭用戶，主要是在日本關(guān)西地區(qū)開展業(yè)務(wù)。2022年起，大阪燃氣原管道網(wǎng)絡(luò)公司依法分離，成立獨立的大阪燃氣網(wǎng)絡(luò)株式會社，擁有燃氣管網(wǎng)6.31萬km。2023年3季度，大阪燃氣用戶數(shù)為759萬，電力用戶數(shù)為170萬，天然氣銷售氣量68.45億m³，其中家庭用戶使用16.97億m³，工商業(yè)使用51.48億m³。

2、日本燃氣技術(shù)發(fā)展方向

      為了實現(xiàn)日本2050年碳中和的發(fā)展目標(biāo)，各大燃氣公司也紛紛開展相關(guān)燃氣技術(shù)研發(fā)應(yīng)用，大阪燃氣作為日本主要燃氣公司，致力于能源技術(shù)研發(fā)，重點開展綠色甲烷化(e-methane)技術(shù)研發(fā)。

2.1 大阪燃氣研發(fā)中心概況

      大阪燃氣研發(fā)中心主要是能源技術(shù)研發(fā)的場所，其最開始的宗旨是作為燃氣技術(shù)研發(fā)應(yīng)用，但隨著碳中和目標(biāo)提出，常規(guī)燃氣技術(shù)已無法對實現(xiàn)零碳、低碳的需求，因此，目前研發(fā)中心以碳減排、碳中和為主要課題研究來進行新技術(shù)的研發(fā)。

      甲烷化是指由氫燃料和二氧化碳結(jié)合，通過一個甲烷化設(shè)備來生成甲烷（天然氣的主要成分）的過程。該項技術(shù)研究的是如何有效利用從大氣中吸收過來的二氧化碳的一個技術(shù)。此處用的氫是綠氫（即：可再生能源電解水生成的氫），通過該甲烷化技術(shù)生成的甲烷叫做e甲烷（綠色甲烷化）。

      大阪燃氣的綠色甲烷化革新技術(shù)目標(biāo)轉(zhuǎn)換率是達到85%~90%。預(yù)計2030年之前，革新技術(shù)仍處于實驗室研發(fā)階段；到2040年，革新技術(shù)將實現(xiàn)商業(yè)化并真正地推向市場。此外，大阪燃氣生物質(zhì)甲烷化再革新技術(shù)也預(yù)計在2030年完成實驗證明。

2.2 甲烷化技術(shù)的發(fā)展階段

2.2.1 第一階段（現(xiàn)階段）

      現(xiàn)階段的技術(shù)是利用綠氫和二氧化碳，通過含有觸媒（即：催化劑）的甲烷化設(shè)備來生成綠色甲烷。此階段的技術(shù)研發(fā)主要由INPEX（日本帝國石油）和大阪燃氣共同推進。項目回收了INPEX長岡氣田的二氧化碳，將其與綠氫結(jié)合從而生成綠色甲烷。規(guī)模大約1h生產(chǎn)400m³甲烷，相當(dāng)于1萬戶家庭的使用量。

2.2.2 第二階段（革新技術(shù)階段）

      革新技術(shù)是通過高溫電解的方式提高轉(zhuǎn)化效率，使甲烷化的單位成本降低。該階段的技術(shù)也叫做SOEC技術(shù)（固體氧化物電解槽技術(shù)），設(shè)備需要一個SOEC板。革新技術(shù)分為3個階段：第一階段產(chǎn)量極小，大約一個小時僅生產(chǎn)0.1m³，相當(dāng)于兩戶家庭的量；第二階段提高產(chǎn)量至100m³/h；第三階段進一步提升產(chǎn)量至400m³/h。

      在此階段，大阪燃氣的關(guān)鍵核心技術(shù)是做甲烷化電解時的金屬板設(shè)備。值卡按電解槽使用陶瓷材質(zhì)，現(xiàn)在升級為金屬材質(zhì)，通過金屬板把水和二氧化碳通過電解生成氫氣和一氧化碳，再由生產(chǎn)出的氫氣和一氧化碳通過催化反應(yīng)生成甲烷?，F(xiàn)階段大多數(shù)企業(yè)用的是陶瓷板，但陶瓷板在電解時容易斷裂，只能小型化使用不能大型化使用。SOEC金屬板本身的基礎(chǔ)材料是金屬，但表面材料用的還是陶瓷。SOEC金屬板強度強、易焊接，可使整體投資成本降低。目前，大阪燃氣的SOEC金屬板可多層插入電解槽來進行電解。以前單層金屬板的電解量相對較少，現(xiàn)在的技術(shù)可以通過復(fù)數(shù)層的金屬板提升電解量，提升規(guī)模，公司的目標(biāo)是1萬方/h的生產(chǎn)規(guī)模。整體而言，預(yù)計到2030年，革新技術(shù)可完成研發(fā)驗證。

2.2.3 第三階段（再革新階段）

      此階段的技術(shù)是指從排水的污泥廢棄物或其他生物質(zhì)垃圾中提取出來的生物質(zhì)二氧化碳和可再生能源制得的氫氣結(jié)合生成甲烷的技術(shù)。由于本身在處理廢棄物時，就需要發(fā)酵槽等設(shè)備，因此，不需要再投資新的設(shè)備，初期投資成本得到降低。再革新技術(shù)依然是基于經(jīng)濟性來研發(fā)的，預(yù)計在2030年完成實驗階段。

2.3 甲烷化的技術(shù)比對及經(jīng)濟性

      現(xiàn)階段的甲烷化技術(shù)已經(jīng)成熟，且全世界的燃氣公司都在使用的該項技術(shù)（用氫和二氧化碳結(jié)合生成甲烷），但此技術(shù)目前并不具備經(jīng)濟性，價格比天然氣貴的較多。革新技術(shù)是大阪燃氣特有的技術(shù)（用氫和一氧化碳結(jié)合生成甲烷）。現(xiàn)階段的技術(shù)需要4個氫原子生成1m³甲烷，而革新技術(shù)只需3個氫原子，需電解的氫少了，電費也相應(yīng)地減少，成本降低下來。此外，用革新技術(shù)生成甲烷的過程會有余熱的排放，可把余熱再次利用起來，使燃燒反應(yīng)的效率提高。革新技術(shù)可使反應(yīng)效率提高，單價降低，可達到約30%的成本提升。

      目前來講，甲烷化的價格非常高，因為現(xiàn)在還處于技術(shù)研發(fā)過程中且前期設(shè)備投資很多，折算后，1m³氣比常規(guī)天然氣貴3倍~4倍。因此，在2030年前的目標(biāo)大約是摻混1%左右的e甲烷，約占大阪燃氣整體的1%左右。盡管日本燃氣協(xié)會面臨著2050年摻e甲烷占比達到90%的目標(biāo)挑戰(zhàn)，但大阪燃氣認為這個目標(biāo)是非常高的，需要相當(dāng)好的技術(shù)和相當(dāng)便宜的電價。此外，90%還只是現(xiàn)階段的一個目標(biāo)，具體能否實現(xiàn)，還需通過一直到2030年的整個實踐過程來看價格降低的大概水準(zhǔn)，再進行延伸。其實，摻e甲烷更多的是為了低碳、零碳以及實行碳中和，并不是為了低價格。此外，燃氣公司可直接利用現(xiàn)有燃氣的基礎(chǔ)設(shè)施，不需再投資。

      在產(chǎn)能方面，前端是以光電、風(fēng)電的方式制得綠電，再由綠電去電解水制得綠氫，因此需配套大量的發(fā)電裝機規(guī)模，若無相應(yīng)的規(guī)模，可能會制約后端的綠色甲烷化規(guī)模。受國土面積限制，大阪燃氣可能會采取以下兩種方案：一是在海外投建綠電工廠，在當(dāng)?shù)仉娊馑茪洌偻ㄟ^現(xiàn)有的液氫運輸把氫搬運回日本；二是直接在海外投建生產(chǎn)e甲烷的工廠，利用現(xiàn)有的LNG船、LNG接收站通過船運的方式進口到日本。

4、結(jié)論

      本文通過梳理日本燃氣行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)其發(fā)展改革的歷程，結(jié)合日本相關(guān)燃氣企業(yè)的實際經(jīng)營情況，探討了日本燃氣行業(yè)未來可能實現(xiàn)的技術(shù)發(fā)展方向和實現(xiàn)路徑。

      總的來看，日本作為天然氣高度依賴進口的國家，其城市燃氣管道匱乏，但目前對綠色甲烷化的燃氣技術(shù)定位明確，且把綠色甲烷化作為極為重要的發(fā)展戰(zhàn)略作為一個低碳的重要戰(zhàn)略。但是鑒于日本實際國情，為從當(dāng)前的天然氣利用轉(zhuǎn)化為綠色甲烷或氫能利用，日本燃氣企業(yè)可能會在海外尋找非常規(guī)燃氣技術(shù)的實現(xiàn)路徑。