綠色甲醇的應(yīng)用和市場前景
一、甲醇簡介及產(chǎn)業(yè)概況
甲醇是最為常見、應(yīng)用場景最為廣泛的基礎(chǔ)化學(xué)品,是生產(chǎn)所有其他化學(xué)品的四種關(guān)鍵基礎(chǔ)化學(xué)品之一,全球年產(chǎn)量超億噸;當(dāng)前甲醇主要以天然氣或煤炭為制備原料,作為碳排量巨大的化工行業(yè),其減排降碳勢在必行。綠色甲醇以生物質(zhì)或綠氫+可再生二氧化碳為原料,在“雙碳”背景下,作為低碳燃料成為短期內(nèi)最具潛力的需求增長點(diǎn)。
(一)甲醇簡介
甲醇與乙烯、丙烯和氨是用于生產(chǎn)所有其他化學(xué)品的四種關(guān)鍵基礎(chǔ)化學(xué)品之一,全球近三分之二的甲醇會(huì)用于生產(chǎn)例如甲醛、乙酸和塑料等其他化學(xué)品。甲醇傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域包括甲醛、MTO/MTP、MTBE、醋酸、二甲醚等。其中,消費(fèi)領(lǐng)域位列前三的依次是甲醛、MTO/MTP、MTBE;就全球范圍的甲醇下游使用需求來看,目前,甲醛是甲醇的主要終端用途,占比近30%,多作為生產(chǎn)酚醛樹脂與黏合劑及其他有機(jī)化學(xué)晶體的原料,可應(yīng)用于建筑、汽車等多個(gè)領(lǐng)域。MTO(甲醇制烯烴)是全球僅次于甲醛的甲醇下游用途,在中國,MTO是甲醇下游的第一大需求場景,需求占中國甲醇消費(fèi)量的60%上下。根據(jù)國際可再生能源署(IRENA)預(yù)測,全球甲醇產(chǎn)量將從2020年的1億噸增加到2050年5億(見圖1),其中綠色甲醇和生物甲醇將達(dá)到2.5億和1.35億噸。
(二)產(chǎn)業(yè)概況
中國是全球最大的甲醇消費(fèi)與生產(chǎn)國,中國的產(chǎn)能約占全球的58%;當(dāng)前全球甲醇貿(mào)易流通量已超過3000萬噸,中東是主要甲醇貿(mào)易輸出地,而中國、東南亞、西歐則為主要的輸入地區(qū)。根據(jù)金信期貨的數(shù)據(jù),截至2023年底,我國甲醇總產(chǎn)能1.05億噸,占比世界將近60%;中國已成為全球第一大甲醇生產(chǎn)國。同時(shí)由于中國擁有極為龐大的工業(yè)體系,對于甲醇這一基礎(chǔ)化工品的消耗需求巨大,國內(nèi)的產(chǎn)能無法滿足自身的消耗需求,仍需通過進(jìn)口來填補(bǔ)甲醇的供應(yīng)缺口,根據(jù)wind的數(shù)據(jù),2023年中國甲醇進(jìn)口量約為1455萬噸。
(三)政策及項(xiàng)目
為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo),中國發(fā)布了一系列綠色甲醇制備、應(yīng)用的鼓勵(lì)性政策(見表1)。在低碳政策的支持下,綠醇在汽車燃料、燃料電池、船舶燃料、有機(jī)添加劑等場景擁有巨大的潛在應(yīng)用市場。
國際方面,國際海事組織(IMO)海洋環(huán)境保護(hù)委員會(huì)第八十次會(huì)議(MEPC80)于2023年7月通過了《2023年IMO船舶溫室氣體(GHG)減排戰(zhàn)略》,提出在2050年前后達(dá)到凈零排放新目標(biāo)。疊加2030年的中短期目標(biāo)(達(dá)到20%的減排幅度和5%的零溫室氣體排放技術(shù)/燃料使用),船東很難通過改善單艘船的運(yùn)營來實(shí)現(xiàn),而必須選擇低碳技術(shù)或燃料,綠色甲醇由此得到眾多關(guān)注。美國2023年頒布的《交通部門脫碳藍(lán)圖》計(jì)劃可持續(xù)性燃料(如綠色甲醇)推廣至航運(yùn)等難實(shí)現(xiàn)電氣化轉(zhuǎn)型的行業(yè)。
歐盟于2019年12月推出了《歐洲綠色新政》,核心目標(biāo)是到2050年實(shí)現(xiàn)碳中和,并于2021年7月提出“Fitfor55”一攬子計(jì)劃,以實(shí)現(xiàn)到2030年溫室氣體減排55%。該計(jì)劃所覆蓋的系列立法舉措為碳中和目標(biāo)的達(dá)成開辟了新路,其中的碳排放交易體系(ETS)、替代燃料基礎(chǔ)設(shè)施(AFIR)、能源稅(ETD)對綠色甲醇有明顯的助推作用。此外,在“可再生能源指令”(REDⅡ)修訂版推出后,可再生能源無論是消費(fèi)總量還是在交通運(yùn)輸領(lǐng)域都有更高的目標(biāo),這將為綠色甲醇的推廣提供新的機(jī)會(huì)。
根據(jù)勢銀能鏈的統(tǒng)計(jì),2024年以來,我國綠色甲醇項(xiàng)目累計(jì)有41個(gè)有所進(jìn)展,表2是2024年部分大型綠色甲醇項(xiàng)目具體數(shù)據(jù)。但需注意的是,許多項(xiàng)目的二氧化碳來源仍然屬于不可再生,以當(dāng)前歐盟對煤制甲醇全生命周期碳排放定量來看,不會(huì)被認(rèn)定為綠色甲醇。此外,部分項(xiàng)目試點(diǎn)已開展通過空氣中二氧化碳捕獲和太陽能電解水制綠氫進(jìn)行甲醇合成的示范項(xiàng)目,制取綠色甲醇。
全球范圍內(nèi),也有許多成規(guī)模的綠醇項(xiàng)目。目前國際能源巨頭積極布局綠醇產(chǎn)業(yè),New Hope Energy、Enerkem等綠色技術(shù)開發(fā)企業(yè)為多項(xiàng)綠色甲醇項(xiàng)目提供技術(shù)支持。同時(shí),在全球交通運(yùn)輸業(yè)低碳轉(zhuǎn)型的大背景下,汽車、船運(yùn)行業(yè)的龍頭公司不斷推動(dòng)綠色甲醇技術(shù)研發(fā)和項(xiàng)目落地。
二、綠色甲醇的定義及技術(shù)路線
(一)綠色甲醇的定義
目前國際上并無明確的“綠色甲醇”的概念界定。甲醇的綠色與否主要取決于甲醇的合成原料——氫氣/合成氣及二氧化碳的來源。根據(jù)國際可再生能源署(IRENA)的建議,可按甲醇的生產(chǎn)原料來源將其分為綠醇、藍(lán)醇、灰醇和棕醇,當(dāng)原料氫氣和二氧化碳的來源均為可再生時(shí),合成的甲醇可以認(rèn)定為綠醇。其中可再生氫氣指可再生能源制取氫氣,包括清潔電力電解水制氫、綠色生物質(zhì)制氫等;可再生的二氧化碳指生物質(zhì)來源二氧化碳或直接空氣捕獲二氧化碳。國際可持續(xù)發(fā)展與碳認(rèn)證(International Sustainability Carbon Certification,ISCC)體系對于綠色甲醇的定義稍松一些,即若原料為生物來源,全過程(從原料端到產(chǎn)品使用端)需減碳65%;若原料為非生物來源,全過程需減碳70%。
(二)技術(shù)路線
按照IRENA的定義,綠色甲醇的技術(shù)路線主要分為兩種:二氧化碳加綠氫路線和生物質(zhì)路線(見圖2)。值得注意的是,綠色甲醇與傳統(tǒng)灰色甲醇在二氧化碳加氫合成工藝上并無太大差別,都采用熱催化法為主,近年來,電化學(xué)等新型合成工藝涌現(xiàn),但尚不成熟。主要差異在于綠氫以及碳源。
二氧化碳加綠氫制甲醇路線主要依托于綠氫的產(chǎn)出,綠色甲醇工廠一般建在風(fēng)光綠電電站附近。對于二氧化碳加綠氫制甲醇,IRENA定義碳源只有生物質(zhì)與直接碳捕(DAC)才屬于綠色甲醇,但直接碳捕的成本過高,目前成本大約到125~335美元/噸(國際能源署,2022),大約是煤化工、天然氣等集中碳源的十倍左右,而且DAC的捕獲量也無法支撐大規(guī)模綠色甲醇的生產(chǎn)。目前我國生物質(zhì)制甲醇生產(chǎn)原料分布比較分散,收集、儲(chǔ)存和運(yùn)輸成本均相對較高,這也是制約生物質(zhì)制甲醇產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的難題。目前中國也有許多項(xiàng)目通過碳耦合綠氫制甲醇,雖然不符合IRENA的認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn),但對于中國甲醇行業(yè)減排有著更重要的實(shí)際意義。
三、綠色甲醇的應(yīng)用場景和前景
甲醇下游應(yīng)用場景繁多??傮w上,甲醇制烯烴、甲醇燃料、甲醛長期為甲醇最為主要的三大下游需求場景。甲醇下游需求結(jié)構(gòu)與下游行業(yè)景氣度息息相關(guān),甲醇制烯烴下游細(xì)分應(yīng)用場景分散且規(guī)模巨大,總體需求量保持穩(wěn)定。受房地產(chǎn)等下游市場下行影響,甲醛、二甲醚等傳統(tǒng)需求場景增長緩慢。
從未來發(fā)展趨勢來看,碳中和的大背景下,中國受制于“少油少氣多煤”的能源稟賦,傳統(tǒng)甲醇制烯烴以煤制甲醇為主,碳排量巨大,且甲醇制烯烴從能耗和效率上并不如石油制烯烴路線,近年來甲醇制烯烴新投產(chǎn)項(xiàng)目呈現(xiàn)萎縮態(tài)勢。另一方面,甲醇作為一種較為清潔、高效的液體燃料,燃料用途成為甲醇下游最具潛力的需求增長點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于車船用動(dòng)力燃料或鍋爐發(fā)電供熱燃料,甲醇燃料需求穩(wěn)步上升,是甲醇最突出的新型需求。
(一)甲醇制烯烴
甲醇制烯烴是全球甲醇第二大消耗場景、中國最大的甲醇消耗場景。乙烯、丙烯等低碳烯烴是現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的基礎(chǔ)原材料,根據(jù)鋼聯(lián)數(shù)據(jù),2023年中國乙烯產(chǎn)量達(dá)4519萬噸、丙烯產(chǎn)能達(dá)4782萬噸,但尚未實(shí)現(xiàn)低碳烯烴的自給自足,乙烯、丙烯2023年的進(jìn)口量均在210萬噸以上,低碳烯烴仍然存在巨大的供需缺口。
受國家“十四五”規(guī)劃、《中國制造2025》有關(guān)綠色發(fā)展指標(biāo)以及“碳達(dá)峰碳中和”目標(biāo)等相關(guān)政策的引導(dǎo),降低碳排放、提高碳原子利用率和拓展CO2資源化利用途徑是甲醇制烯烴行業(yè)目前的發(fā)展趨勢;中國傳統(tǒng)甲醇制烯烴以煤基甲醇為主要原料,其碳排量巨大,近年來CO2直接加氫氣合成綠色甲醇,再經(jīng)一定的催化反應(yīng)制取烯烴產(chǎn)品可有效將CO2資源化利用,成為甲醇制烯烴行業(yè)的發(fā)展大方向之一。
(二)甲醛
全球范圍來看,甲醛是甲醇占比最大的下游用途,約27%的甲醇用于甲醛的制備生產(chǎn);國內(nèi)范圍來看,在甲醇制烯烴規(guī)?;a(chǎn)前,甲醛同樣為中國最大的甲醇應(yīng)用場景。2023年中國甲醛產(chǎn)能達(dá)3680萬噸,占全球的50%以上,但國內(nèi)甲醛的產(chǎn)能利用率長時(shí)間在60%上下,存在著一定的產(chǎn)能過剩問題。總體上,甲醛行業(yè)已經(jīng)進(jìn)入頭部集中化的發(fā)展階段,甲醛行業(yè)發(fā)展與房地產(chǎn)等下游行業(yè)發(fā)展景氣度周期高度重合,受下游房地產(chǎn)行業(yè)下行,家具、裝修板材等相關(guān)制成品需求較之前有明顯下滑的影響,甲醛行業(yè)預(yù)計(jì)在中短期內(nèi)難有大幅增長。近幾年的國內(nèi)甲醛行業(yè)以去產(chǎn)能基調(diào)為主,預(yù)計(jì)其在甲醇下游應(yīng)用占比將有所下降。
(三)儲(chǔ)能儲(chǔ)氫介質(zhì)
氫氣被認(rèn)為是未來最理想的主要清潔能源之一,但氫氣制取成本高、儲(chǔ)存及運(yùn)輸困難等問題是制約氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“瓶頸”,而綠色甲醇以綠氫為原料,是氫能第二大使用消納場景。甲醇可作為氫能源的重要消納途徑與儲(chǔ)運(yùn)媒介。甲醇行業(yè)的整體成熟度遠(yuǎn)高于氫能,目前甲醇的制備、儲(chǔ)運(yùn)、使用等環(huán)節(jié)的技術(shù)與基礎(chǔ)設(shè)施十分完備,上游綠氫加可再生二氧化碳或工廠捕集的二氧化碳合成甲醇,經(jīng)成熟的甲醇儲(chǔ)運(yùn)體系運(yùn)送至下游需求場景,可有效解決當(dāng)前氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)體系不成熟造成的氫能應(yīng)用困難問題。
(四)甲醇燃料
甲醇燃料作為民用及工業(yè)燃料應(yīng)用時(shí)間已久,下游應(yīng)用場景廣泛(見表3)。甲醇燃料不僅可用作內(nèi)燃機(jī)中的汽油添加劑,提高傳統(tǒng)燃機(jī)效率,還可應(yīng)用于改裝的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)以及混合動(dòng)力和燃料電池車輛中作為重要的混合動(dòng)力燃料或完全的直接燃料,也被視為清潔能源用于船舶內(nèi)燃機(jī)的燃料。
當(dāng)前航運(yùn)業(yè)減排壓力巨大,綠色甲醇有望成為中短期高可行性的低碳燃料方案。船舶運(yùn)輸是當(dāng)前國際貿(mào)易的主要貨運(yùn)形式,其承擔(dān)了全球貿(mào)易運(yùn)輸總量的90%以上。船用動(dòng)力機(jī)特別是遠(yuǎn)洋船舶需要較大的功率輸出,目前燃料主要以燃油為主,會(huì)排放大量的二氧化碳。在此背景下,船運(yùn)行業(yè)的減排壓力越來越大,尤其疊加歐盟碳稅的影響,船運(yùn)行業(yè)的減排問題已迫在眉睫,在液化天然氣、甲醇、氫、氨等碳船舶燃料的各種可能替代方案中,甲醇由于其轉(zhuǎn)換成本低、可獲得性高、基礎(chǔ)設(shè)施相對完善、技術(shù)成熟度較高等優(yōu)勢,逐漸引起關(guān)注,并有望成為中短期內(nèi)最具可行性的方案。
2024年1月,DNVAFI(可替代燃料洞察平臺(tái))發(fā)布了最新的全球航運(yùn)船舶數(shù)據(jù)(見圖3),2023年全球總共新增298艘替代燃料動(dòng)力船舶訂單,同比2022年增長8%。2023年甲醇成為新增訂單的主流,訂單大幅增加(138艘),近乎2022年35艘訂單的四倍,與液化天然氣燃料船舶訂單數(shù)量(130艘)“并駕齊驅(qū)”。
四、發(fā)展建議
綠色甲醇適用于碳中和的前中期階段,雖然目前甲醇具備最成熟的內(nèi)燃機(jī)技術(shù)與最低的船舶改造成本,但在歐盟碳稅等政策影響下,如何在中短期內(nèi)獲取低成本穩(wěn)定的可再生碳源是綠色甲醇抓住窗口期、實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用的瓶頸問題。
綠色甲醇的發(fā)展可以通過多方面的努力來推進(jìn)。
首先,技術(shù)進(jìn)步是關(guān)鍵。制氫技術(shù)的優(yōu)化非常重要,綠氫是制備綠色甲醇的關(guān)鍵原料。通過優(yōu)化電解水制氫技術(shù),提高電解效率,降低電力消耗和成本,可以提升綠氫的經(jīng)濟(jì)性,從而提升綠色甲醇的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)提升生物質(zhì)氣化和液化的技術(shù)水平,提高其轉(zhuǎn)化效率,能夠降低生物質(zhì)制綠色甲醇的成本。具體方法包括改進(jìn)催化劑、優(yōu)化反應(yīng)條件以及開發(fā)更高效的生物質(zhì)預(yù)處理技術(shù)。此外,通過技術(shù)創(chuàng)新,提高綠色甲醇生產(chǎn)過程中的工藝精細(xì)度,減少能源和原料的浪費(fèi),進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。這包括流程優(yōu)化、自動(dòng)化控制和能量回收利用等技術(shù)手段的應(yīng)用。
其次,CO2捕集與利用(CCU)是綠色甲醇發(fā)展的另一個(gè)重要方面。開發(fā)更高效、低成本的CO2捕集技術(shù),能夠提供穩(wěn)定且價(jià)格低廉的碳源,這是制備綠色甲醇的關(guān)鍵。例如,利用先進(jìn)的吸附材料和吸收液,提高CO2捕集效率,降低操作成本。同時(shí),通過技術(shù)創(chuàng)新,提高CO2轉(zhuǎn)化為甲醇的效率,降低能源消耗,提升經(jīng)濟(jì)效益,從而降低綠色甲醇的整體成本。探索新型催化劑和反應(yīng)器設(shè)計(jì),提升CO2氫化反應(yīng)的選擇性和轉(zhuǎn)化率,是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效途徑。
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電話:甲醇發(fā)電機(jī)組13506357665