論文精選 | 日本燃氣行業概況和燃氣技術發展方向探討

關鍵詞：日本燃氣行業；城市燃氣管道；綠色甲烷化

1、日本燃氣行業發展概況

1.1 發展現狀

      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，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，應用領域包括用熱設備、空調、天然氣汽車、天然氣發電。2010年以后，幾乎所有的工業領域均被天然氣應用覆蓋。城市燃氣領域，天然氣約占一次能源比例的97.1%，LPG約占2.9%。從天然氣銷售結構來看，居民用氣占25.4%、商業用氣占17%、工業用氣占57.6%。

      日本城市燃氣管道非常匱乏，主要分布在城市地區，管道覆蓋面積僅占全國土地面積的6%。各類燃氣管網僅有26.76萬km。日本燃氣企業由燃氣零售企業、一般燃氣管道企業和燃氣制造企業3類構成，其中燃氣零售企業1346家，一般燃氣管道企業193家，燃氣制造企業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。從城燃企業的分類來看，投資建設LNG碼頭、擁有大規模城燃管網的企業數量占比1.6%，主要為東京燃氣、大阪燃氣、東邦燃氣；擁有少數LNG接收站和少部分天然氣管網的燃氣公司數量約占3.2%，主要為北海道燃氣、仙臺燃氣、廣島燃氣等；沒有管網單一做終端銷售的燃氣企業數量約占55.8%；開展點供的燃氣企業約占39.4%。

1.2 改革歷程

      受資源條件限制，日本天然氣嚴重依賴海外進口；受地理條件限制，日本本土山丘多、地震頻發，日本國內跨區域長輸管道較少。日本天然氣消費市場以發電和工業用氣為主，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入管制，鼓勵和支持更多企業參與到海外尋找氣源、建設LNG接收站和配氣管網以及提供分銷零售服務。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商的改革措施，

• 1995年修訂的《天然氣公用事業法》提出，當時在日本國內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商。但由于缺乏標準統一的第三方開放規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《天然氣公用事業法》提出了更加規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則和條件，并提出對第三方開放的標準化合同模板，管道運輸業務也被要求從管理和財務上與天然氣銷售業務分離。

• 2015年修訂的《天然氣公用事業法》進一步要求東京燃氣、大阪燃氣、東邦燃氣在2022年前實現管道運輸業務在法律上的拆分。

• 到2017年開始完全實現自由化，即：城燃企業改為配氣+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，為輕資產模式運營，燃氣銷售量也大幅增加促進了市場發展。此外，即使原有的大型城燃企業，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，上游生產企業負責從海外采購LNG并銷售給城燃零售企業，管道公司負責高中低壓燃氣管道建設及運營，零售企業由終端用戶自主選擇并保障供應。燃氣設施中，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）以外，用戶紅線內（集團住宅時，分界線為道路側）的燃氣管道、建筑物中的配管均是用戶所有物。用戶紅線內的修理、更換燃氣管是有償服務（紅線外燃氣管是東京燃氣Network公司資產）。

1.3 主要燃氣企業情況

      日本城燃行業主要有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，具體業務占比如圖1。

圖1 日本四大城燃業務比例圖

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櫻田町，是日本第三大燃氣公司。管網子公司名為東邦燃氣Network公司。是名古屋經濟界的實力企業“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務，零售地區為愛知縣、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，將管網業務從現有體制中剝離。截止目前，注冊資本金330億7200萬日元，總資產達到6935億日元。2022年以來，城市燃氣、LPG、電力的用戶數量穩步增加，天然氣銷售量為35.5億m3。在“盡可能實現300萬件用戶”的目標中，2022年度末達到了292萬件的實績，公司主力事業的城市燃氣銷售量，由于氣溫全年上升，工業領域的零件供給不足導致生產減少等，業績低于上年度。2023年LNG采購量266萬t，LPG采購量63萬t，投資建設日本國內4個LNG接收站，管道長度達3萬km，擁有2個電廠，員工數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，主要涉及國內能源（燃氣、電力）業務、國際能源業務和生活與商業解決方案業務。國內能源業務包括了城市燃氣的生產、供應和銷售、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電與售電業務。天然氣業務主要從海外開采購買天然氣并以LNG形式運送到日本國內，在日本國內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、商業及家庭用戶，主要是在日本關西地區開展業務。2022年起，大阪燃氣原管道網絡公司依法分離，成立獨立的大阪燃氣網絡株式會社，擁有燃氣管網6.31萬km。2023年3季度，大阪燃氣用戶數為759萬，電力用戶數為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，工商業使用51.48億m³。

2、日本燃氣技術發展方向

      為了實現日本2050年碳中和的發展目標，各大燃氣公司也紛紛開展相關燃氣技術研發應用，大阪燃氣作為日本主要燃氣公司，致力于能源技術研發，重點開展綠色甲烷化(e-methane)技術研發。

2.1 大阪燃氣研發中心概況

      大阪燃氣研發中心主要是能源技術研發的場所，其最開始的宗旨是作為燃氣技術研發應用，但隨著碳中和目標提出，常規燃氣技術已無法對實現零碳、低碳的需求，因此，目前研發中心以碳減排、碳中和為主要課題研究來進行新技術的研發。

      甲烷化是指由氫燃料和二氧化碳結合，通過一個甲烷化設備來生成甲烷（天然氣的主要成分）的過程。該項技術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。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目標轉換率是達到85%~90%。預計2030年之前，革新技術仍處于實驗室研發階段；到2040年，革新技術將實現商業化并真正地推向市場。此外，大阪燃氣生物質甲烷化再革新技術也預計在2030年完成實驗證明。

2.2 甲烷化技術的發展階段

2.2.1 第一階段（現階段）

      現階段的技術是利用綠氫和二氧化碳，通過含有觸媒（即：催化劑）的甲烷化設備來生成綠色甲烷。此階段的技術研發主要由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，將其與綠氫結合從而生成綠色甲烷。規模大約1h生產400m³甲烷，相當于1萬戶家庭的使用量。

2.2.2 第二階段（革新技術階段）

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

      在此階段，大阪燃氣的關鍵核心技術是做甲烷化電解時的金屬板設備。值卡按電解槽使用陶瓷材質，現在升級為金屬材質，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，再由生產出的氫氣和一氧化碳通過催化反應生成甲烷?，F階段大多數企業用的是陶瓷板，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，現在的技術可以通過復數層的金屬板提升電解量，提升規模，公司的目標是1萬方/h的生產規模。整體而言，預計到2030年，革新技術可完成研發驗證。

2.2.3 第三階段（再革新階段）

      此階段的技術是指從排水的污泥廢棄物或其他生物質垃圾中提取出來的生物質二氧化碳和可再生能源制得的氫氣結合生成甲烷的技術。由于本身在處理廢棄物時，就需要發酵槽等設備，因此，不需要再投資新的設備，初期投資成本得到降低。再革新技術依然是基于經濟性來研發的，預計在2030年完成實驗階段。

2.3 甲烷化的技術比對及經濟性

      現階段的甲烷化技術已經成熟，且全世界的燃氣公司都在使用的該項技術（用氫和二氧化碳結合生成甲烷），但此技術目前并不具備經濟性，價格比天然氣貴的較多。革新技術是大阪燃氣特有的技術（用氫和一氧化碳結合生成甲烷）?，F階段的技術需要4個氫原子生成1m³甲烷，而革新技術只需3個氫原子，需電解的氫少了，電費也相應地減少，成本降低下來。此外，用革新技術生成甲烷的過程會有余熱的排放，可把余熱再次利用起來，使燃燒反應的效率提高。革新技術可使反應效率提高，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，因為現在還處于技術研發過程中且前期設備投資很多，折算后，1m³氣比常規天然氣貴3倍~4倍。因此，在2030年前的目標大約是摻混1%左右的e甲烷，約占大阪燃氣整體的1%左右。盡管日本燃氣協會面臨著2050年摻e甲烷占比達到90%的目標挑戰，但大阪燃氣認為這個目標是非常高的，需要相當好的技術和相當便宜的電價。此外，90%還只是現階段的一個目標，具體能否實現，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，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有燃氣的基礎設施，不需再投資。

      在產能方面，前端是以光電、風電的方式制得綠電，再由綠電去電解水制得綠氫，因此需配套大量的發電裝機規模，若無相應的規模，可能會制約后端的綠色甲烷化規模。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，在當地電解水制氫，再通過現有的液氫運輸把氫搬運回日本；二是直接在海外投建生產e甲烷的工廠，利用現有的LNG船、LNG接收站通過船運的方式進口到日本。

4、結論

      本文通過梳理日本燃氣行業發展現狀，總結其發展改革的歷程，結合日本相關燃氣企業的實際經營情況，探討了日本燃氣行業未來可能實現的技術發展方向和實現路徑。

      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定位明確，且把綠色甲烷化作為極為重要的發展戰略作為一個低碳的重要戰略。但是鑒于日本實際國情，為從當前的天然氣利用轉化為綠色甲烷或氫能利用，日本燃氣企業可能會在海外尋找非常規燃氣技術的實現路徑。