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        碳中和目標(biāo)下推動(dòng)綠色甲醇發(fā)展的必要性分析

        2023-10-14 07:53:10舒斌陳建宏熊健吳其榮喻江濤楊平
        化工進(jìn)展 2023年9期
        關(guān)鍵詞:催化劑綠色

        舒斌,陳建宏,熊健,吳其榮,喻江濤,楊平

        (1 重慶遠(yuǎn)達(dá)煙氣治理特許經(jīng)營有限公司科技分公司,重慶 401122;2 重慶市碳捕集與利用技術(shù)創(chuàng)新中心,重慶 401122)

        國際能源署(IEA) 和全球碳預(yù)算(Global Carbon Budget)數(shù)據(jù)庫等權(quán)威機(jī)構(gòu)最新數(shù)據(jù)報(bào)道[1-2]指出,2022 年全球與能源相關(guān)的二氧化碳排放量創(chuàng)下歷史新高,達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的368億噸,排放量增長0.9%,其原因是全球化石燃料使用量再次上升。我國是碳排放大國,排放量約占世界總排放量的三分之一,《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》文件指出,十三五末,我國非化石能源消費(fèi)比重達(dá)15.9%、煤炭消費(fèi)比重56.8%。盡管非化石能源占比近年來呈快速上升趨勢,但化石燃料的使用當(dāng)前依然占主導(dǎo),要實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)任務(wù)還很艱巨。

        “碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)既是我國體現(xiàn)大國擔(dān)當(dāng),又是應(yīng)對全球氣候變化、進(jìn)行能源革命、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級的頂層設(shè)計(jì)。自我國在2020年9月聯(lián)合國大會正式提出該目標(biāo)后,各技術(shù)領(lǐng)域快速響應(yīng),積極推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新和迭代、試點(diǎn)示范、應(yīng)用推廣等。甲醇是重要的大宗基礎(chǔ)化工產(chǎn)品,僅次于乙烯、丙烯和苯,80%以上作為中間原料用于化學(xué)工業(yè)。我國甲醇產(chǎn)能、產(chǎn)量以及自給率逐年上升,自給率約為90%[3],據(jù)IHS Markit 報(bào)告,2021 年我國甲醇產(chǎn)能達(dá)9738.5萬噸,約占全球總產(chǎn)能的67%,總產(chǎn)量達(dá)7816.38 萬噸,表觀消費(fèi)量約占全球總消費(fèi)量的60%。在我國甲醇產(chǎn)能結(jié)構(gòu)中[4],煤制甲醇約占80%、天然氣制甲醇占8%、焦?fàn)t氣制甲醇占12%,甲醇行業(yè)總碳排放接近2億噸/年[5],而煤制甲醇就占96.6%。另據(jù)測算,如果采用清潔能源(生物質(zhì)氣化重整、可再生電力等)合成綠色甲醇替代傳統(tǒng)化石能源甲醇,甲醇工業(yè)碳排放將趨近于“零”,降碳效應(yīng)顯著,并可促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)升級。綜合來看,發(fā)展綠色甲醇是實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)的重要舉措之一。

        1 綠色甲醇技術(shù)研究現(xiàn)狀

        綠色甲醇定義目前國際上尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),國際可再生能源署(IRENA)建議按生產(chǎn)原料來源將甲醇分為綠色、藍(lán)色、灰色和棕色。當(dāng)原料氫氣和二氧化碳來源均為可再生時(shí),所合成的甲醇可標(biāo)注為綠色甲醇。根據(jù)全球甲醇協(xié)會研究報(bào)告,可再生氫氣是指利用可再生能源制取氫氣,可再生二氧化碳是指生物質(zhì)來源二氧化碳或直接空氣捕獲二氧化碳[4]。事實(shí)上,當(dāng)下刻意強(qiáng)調(diào)二氧化碳來源意義不大,因?yàn)闊煔獾裙I(yè)二氧化碳排放在短時(shí)間內(nèi)不可能被阻斷,煙氣捕集二氧化碳和直接空氣捕獲二氧化碳在碳減排方面效果等同。因此,本文提出:綠色甲醇指用可再生能源制取的氫氣和二氧化碳(來自生物質(zhì)重整、空氣捕集、煙氣捕集等均可)合成的甲醇。

        1.1 催化劑及合成反應(yīng)塔

        甲醇合成氣在催化劑作用下于合成塔內(nèi)生成甲醇。催化劑是合成的關(guān)鍵,目前可用于合成綠色甲醇的催化劑包括Cu 基系催化劑、金屬氧化物催化劑、貴金屬催化劑等,但主要側(cè)重于Cu 基系催化劑的研究。表1 為CO2加氫合成綠色甲醇研究的主要催化劑種類。

        表1 CO2加氫制甲醇主要催化劑種類

        總的來看,催化劑的研究側(cè)重于CO2轉(zhuǎn)化率、甲醇選擇性、活性等方面,國內(nèi)研究尚處于試驗(yàn)、試制、應(yīng)用的早期階段。我國煤制甲醇工藝用催化劑基本被國外企業(yè)所壟斷,CO2加氫制綠色甲醇催化劑是在現(xiàn)有CO 加氫制甲醇催化劑的基礎(chǔ)上發(fā)展而來,掌握相關(guān)技術(shù)的主要供應(yīng)商有丹麥Tops?e、德國Lurgi、英國莊信萬豐(Johnson Matthey)(其供應(yīng)的催化劑占全球市場份額達(dá)70%以上)等。2020年以來,國內(nèi)逐漸才有類似催化劑的生產(chǎn)和應(yīng)用,代表性研究機(jī)構(gòu)或企業(yè)有中國科學(xué)院大連化物所(Cu基、ZnO/ZrO2、MoS2)、中國科學(xué)院上海高研院(Cu基)、國家能源低碳研究院(Cu基)、西南化工設(shè)計(jì)研究院(Cu基),但總體處于小試或中試狀態(tài)。

        與催化劑開發(fā)類似,CO2加氫制甲醇合成塔亦基于CO 加氫法制甲醇而開發(fā),合成塔經(jīng)歷了高壓、低壓、中壓階段[21]。低壓法是基于高活性的銅基系催化劑,反應(yīng)溫度低(240~280℃),能在較低的壓力下(4~8MPa)獲得較高的甲醇收率,且選擇性好、副反應(yīng)小、甲醇質(zhì)量高、原材料消耗小。此外,由于壓力低,不僅動(dòng)力消耗比高壓法低很多,工藝設(shè)備的制造也比高壓法容易,投資降低。目前,世界上新建或擴(kuò)建的甲醇裝置幾乎都采用低壓法或中壓法,其中尤以低壓法最多。

        CO2加氫制綠色甲醇合成工藝與傳統(tǒng)煤或天然氣制甲醇類似,主要區(qū)別在于原料氣來源(用CO2代替CO)和對催化劑性能要求有所不同,合成塔只需適當(dāng)改進(jìn)即可,合成塔按結(jié)構(gòu)型式分為水冷和氣冷兩大類,如圖1和圖2所示。

        圖1 某水冷式甲醇合成塔結(jié)構(gòu)圖

        圖2 某氣冷式甲醇合成塔結(jié)構(gòu)圖

        綜合文獻(xiàn)[22-27],國內(nèi)外合成塔代表性設(shè)備商有:德國Lurgi、英國Davy、丹麥Tops?e、華東理工大學(xué)、林達(dá)化工等。德國Lurgi:型式上采用“氣冷+水冷”結(jié)構(gòu),塔內(nèi)氣流軸向流動(dòng),合成塔熱利用率高(出口溫度低),副產(chǎn)蒸汽壓力高,CO2轉(zhuǎn)化率較高,副反應(yīng)產(chǎn)物少,催化劑溫區(qū)要求較寬,全球市場份額約20%。英國Davy:采用低壓法合成,氣流徑向流動(dòng),副產(chǎn)蒸汽,床溫均勻。催化劑裝填量大,易于裝卸,換熱管配置少,但CO2單程轉(zhuǎn)化率偏低,循環(huán)比偏大,全球市場份額約32%,大型甲醇項(xiàng)目市場份額更大。丹麥Tops?e:塔內(nèi)氣流軸向流動(dòng),多個(gè)反應(yīng)器并聯(lián),容易造成偏流,CO2單程轉(zhuǎn)化率高、催化劑裝填系數(shù)高,但設(shè)備投資較高,全球市場份額約8%,在我國大甲醇項(xiàng)目應(yīng)用較少。華東理工大學(xué):塔內(nèi)采用絕熱列管等溫型工藝,設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)對催化劑、原料氣、進(jìn)口溫度適應(yīng)性強(qiáng),適用于中小型項(xiàng)目,暫無大型裝置業(yè)績。林達(dá)化工:具有繞管式反應(yīng)塔、氣冷均溫式反應(yīng)塔,殼側(cè)裝填催化劑,塔內(nèi)換熱效率高,適用于中小型項(xiàng)目,暫無大型裝置業(yè)績。

        1.2 試點(diǎn)項(xiàng)目情況

        CO2加氫制綠色甲醇技術(shù)近年陸續(xù)得到工程試點(diǎn)開發(fā),規(guī)模從千噸級向萬噸級乃至十萬噸級邁進(jìn),但總體上仍屬于商業(yè)化早期技術(shù)示范論證,代表性項(xiàng)目簡述如下[21,28]。

        根據(jù)前文對綠色甲醇的定義,若氫氣來自電解水、CO2來自空氣或煙氣捕集則為綠色甲醇,代表性項(xiàng)目如下。①冰島George Olah可再生CO2制甲醇工廠。2011年,國際碳回收公司(CRI)在冰島開辦的首家利用當(dāng)?shù)亓畠r(jià)地?zé)崮苤凭G色甲醇的現(xiàn)代商業(yè)工廠,2012 年投產(chǎn),2015 年擴(kuò)建。氫氣來自地?zé)岚l(fā)電電解水制氫(1200 噸/年)、CO2來自地?zé)岚樯鷼獠都?600 噸/年),甲醇規(guī)模4000 噸/年。②蘭州石化新區(qū)“液態(tài)陽光”二氧化碳加氫制甲醇中試示范工程。由中國科學(xué)院大連化物所提供技術(shù),工藝采用10MW光伏+堿性電解水制氫+CO2來自合成氨工廠尾氣捕集,催化劑采用ZnO-ZrO2氧化物,2020 年10 月15 日投產(chǎn),甲醇規(guī)模1440t/a;③中煤鄂爾多斯能源化工有限公司10萬噸/年液態(tài)陽光——CO2加綠氫制甲醇技術(shù)示范項(xiàng)目。CO2來自氨/尿素工段的碳排放捕集、H2來自綠電電解水。甲醇規(guī)模10 萬噸/年,目前處于可研及設(shè)計(jì)階段;④智利CO2加氫制綠色甲醇試點(diǎn)項(xiàng)目。工藝為風(fēng)力發(fā)電+電解水制氫+直接空氣CO2捕集,甲醇規(guī)模為2022 年一期720 噸/年、2024 年二期4.4 萬噸/年、2026年三期44萬噸/年。

        另一方面,若合成甲醇的原料CO2從煙氣或工業(yè)尾氣中捕集獲得,氫氣采用焦?fàn)t氣、低碳烷烴脫氫、氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫等,一定程度上也可認(rèn)為是低碳甲醇,代表性項(xiàng)目如下:①河南安陽CO2加氫制低碳甲醇聯(lián)產(chǎn)LNG項(xiàng)目。CO2來自胺法碳捕集、H2來自焦?fàn)t氣,催化劑采用銅基催化劑,2022年9月27 日投產(chǎn),產(chǎn)能為甲醇11 萬噸/年和LNG 7 萬噸/年;②江蘇斯?fàn)柊钍?0 萬噸二氧化碳制綠色甲醇項(xiàng)目。項(xiàng)目將回收工業(yè)尾氣中約15萬噸CO2和4萬噸H2,每年生產(chǎn)10萬噸甲醇,項(xiàng)目于2022年底在北京簽約。

        2 發(fā)展綠色甲醇的必然性分析

        2.1 政策驅(qū)動(dòng)

        我國政府近年陸續(xù)出臺了大力支持甲醇生產(chǎn)及利用的政策文件,為綠色甲醇產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及應(yīng)用指明了方向。2019年3月工信部等八部委聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于在部分地區(qū)開展甲醇汽車應(yīng)用的指導(dǎo)意見》,鼓勵(lì)資源綜合利用生產(chǎn)甲醇,探索捕獲二氧化碳制備甲醇工藝技術(shù)及工程化應(yīng)用;2021 年10 月交通運(yùn)輸部印發(fā)《綠色交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃》,提到“積極探索氫燃料、氨燃料、甲醇動(dòng)力船舶應(yīng)用”;2021年11月工信部印發(fā)《“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》,專欄8 為綠色低碳技術(shù)推廣應(yīng)用工程“二氧化碳耦合制甲醇”技術(shù);2021 年11 月國家發(fā)改委發(fā)布了《高耗能行業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域能效標(biāo)桿水平和基準(zhǔn)水平(2021年版)》,對煤制甲醇等重點(diǎn)領(lǐng)域進(jìn)行了明確的規(guī)定,在嚴(yán)格的能效與碳排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定之下,傳統(tǒng)煤制甲醇落后產(chǎn)能的淘汰將迎來加速;2022年3月國家發(fā)改委、國家能源局聯(lián)合制定《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021—2035年)》,探索開展可再生能源制氫在合成甲醇等行業(yè)/替代化石能源的示范;2022 年8 月工信部、科技部等八部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于在部分地區(qū)開展甲醇汽車應(yīng)用的指導(dǎo)意見》,提出“按照因地制宜、積極穩(wěn)妥、安全可控的原則,重點(diǎn)在資源稟賦條件較好且具有甲醇汽車運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的地區(qū),加快M100甲醇汽車的應(yīng)用”。一系列的鼓勵(lì)支持政策對促進(jìn)綠色甲醇發(fā)展將起到極大推動(dòng)作用,也是發(fā)展綠色甲醇的根本保障。

        2.2 工藝優(yōu)勢

        因我國煤炭的資源稟賦及綜合生產(chǎn)成本等因素,煤制甲醇占我國80%以上產(chǎn)能[4],本文以煤制甲醇工藝代表傳統(tǒng)甲醇工藝。CO2加氫制綠色甲醇工藝,與傳統(tǒng)煤制甲醇工藝相比具有很大的優(yōu)勢特點(diǎn),工藝流程對比如圖3所示。

        圖3 煤制甲醇與綠色甲醇工藝流程對比

        圖3中:煤制甲醇工藝,預(yù)制后的煤與來自空分后的氧氣在氣化爐內(nèi)制得高CO 含量的粗煤氣,經(jīng)水煤氣變換獲得氫氣,再經(jīng)凈化工序,將多余的CO2和硫化物脫除得到甲醇合成氣,合成氣主要是CO、H2、CO2、H2O和少量CH4、H2S等氣體,經(jīng)過壓縮、合成、分離等工序獲得粗甲醇。煤制甲醇工藝包含了空分、煤的預(yù)制和氣化、水煤氣變換、脫硫脫碳等,工藝復(fù)雜、流程長、運(yùn)維難度大,工藝能耗高,三廢多,環(huán)保性差;CO2加氫制綠色甲醇工藝,原料氣為質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)99%以上的H2和CO2氣體,組成更純粹,并可嚴(yán)格按化學(xué)計(jì)量進(jìn)行配比給料。CO2與氫氣生成甲醇的反應(yīng)熱(49.4kJ/mol)更低,約為CO 與氫氣反應(yīng)熱(90.7kJ/mol)的一半,低溫有利于化學(xué)平衡朝生成甲醇方向進(jìn)行。催化反應(yīng)條件更溫和,CO2加氫制甲醇通常在200~300℃[7-8]、5MPa[17]左右條件下進(jìn)行,傳統(tǒng)煤制甲醇反應(yīng)條件通常在300℃以上、8MPa 左右。CO2加氫制甲醇工藝三廢主要是弛放尾氣、精餾塔廢水、失效催化劑,沒有原料氣制備和凈化產(chǎn)生的三廢問題。

        綜合而言,CO2加氫制綠色甲醇工藝與煤制甲醇相比,最大優(yōu)勢是縮短了流程段,降低了復(fù)雜度和設(shè)備投資,生產(chǎn)排放也大幅減少。

        2.3 降碳效應(yīng)

        姬加良[29]研究了煤與不同原料重整氣化制甲醇對CO2排放的影響,給出了煤制甲醇二氧化碳排放系數(shù)3.0 噸CO2/噸甲醇的研究結(jié)論。全球甲醇協(xié)會甲醇研究所(Methanol Institute)在報(bào)告《甲醇碳足跡報(bào)告2022》[4]中,給出了煤制甲醇全生命周期碳排放300g CO2/MJ(折合5.85t CO2/t 甲醇)的分析結(jié)論,其中生產(chǎn)段約3.1t CO2/t 甲醇;天然氣制甲醇,甲醇的全生命周期碳排放為100g CO2/MJ(折合1.85t CO2/t 甲醇),其中生產(chǎn)段約0.5t CO2/t 甲醇。

        綠色甲醇原料中H2來自綠色電力電解水、CO2來自碳捕集(或其他可再生CO2),因此具有極低的碳排放足跡。綠色甲醇全生命周期碳排放為4~10gCO2/MJ[4](折合0.08~0.2t CO2/t 甲醇),與煤制甲醇相比可減少96%~99%的碳排放,不僅如此還可額外消納約1 億噸CO2。在碳中和目標(biāo)下,綠色甲醇逐漸替代煤制甲醇或天然氣制甲醇的生產(chǎn)和利用,是甲醇產(chǎn)業(yè)升級并降低碳排放強(qiáng)度的有效策略。

        2.4 綠電及CO2轉(zhuǎn)化消納

        綠電是指在生產(chǎn)電力過程中的CO2排放量為零或趨近于零,綠電主要來源為太陽能、風(fēng)力、水力、生物質(zhì)能、地?zé)岬?,我國綠電主要以太陽能和風(fēng)能為主。2022 年5 月12 日,中央宣傳部舉行的“中國這十年”系列主題新聞發(fā)布會介紹到,我國風(fēng)電、光伏發(fā)電等綠色電力裝機(jī)容量居世界第一。2022 年7 月舉行的《中國電力行業(yè)年度發(fā)展報(bào)告2022》發(fā)布會報(bào)道[30],2022年底全國發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到26 億千瓦左右,其中非化石能源發(fā)電裝機(jī)合計(jì)達(dá)到13 億千瓦左右,并預(yù)計(jì)到2025 年,我國電源裝機(jī)達(dá)到30 億千瓦左右,其中非化石能源發(fā)電裝機(jī)占比約50%,煤電發(fā)電量占比將從2020 年的61%下降到2025年的56%。

        綠電的生產(chǎn)易受自然條件影響,隨著我國綠電裝機(jī)規(guī)模不斷增大,需要考慮及時(shí)消納問題,以避免“棄風(fēng)棄光”或建設(shè)高成本的化學(xué)儲能系統(tǒng)。將綠電電解水制氫再合成甲醇的技術(shù)路線則是一個(gè)很好的解決方案。甲醇質(zhì)量能量密度達(dá)19.95GJ/t,既可作為優(yōu)質(zhì)燃料,又是大宗的基礎(chǔ)化工產(chǎn)品,相比氫氣而言儲運(yùn)成本更低、更安全。氫氣運(yùn)輸成本為32.2~64.3CNY/(GJ·100km)、甲醇的運(yùn)輸成本則為1.49~2.72CNY/(GJ·100km)。因此綠色甲醇可以作為綠電消納的良好載體。計(jì)算發(fā)現(xiàn),若采用成熟的堿性槽電解水制氫(制氫電耗約4.5kWh/m3)、氫氣用于合成甲醇,每制得1t 甲醇至少可消納9830kWh 綠 電, 其 中 制 氫9480kWh、 合 成350kWh。目前我國甲醇產(chǎn)能接近9800萬噸,若全部采用綠電制氫并甲醇合成,預(yù)期最大將消納9633.4×108kWh綠電,而據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的能源數(shù)據(jù),2022年我國風(fēng)力發(fā)電量6867.2×108kWh、太陽能發(fā)電量2290×108kWh,綠色甲醇遠(yuǎn)期消納綠電能力與兩者目前的發(fā)電總量相接近;另一方面,與當(dāng)前主流的鋰電化學(xué)儲能對比,鋰電電芯單體能量密度約160Wh/kg,折合5.76GJ/t,1t 甲醇存儲能量是鋰電的3.46倍。

        黨的二十大報(bào)告要求“加強(qiáng)煤炭清潔高效利用”、全國能源工作會議要求“發(fā)揮煤炭的兜底保障作用,著力調(diào)整優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)”。文獻(xiàn)顯示我國當(dāng)前有至少超過1600個(gè)大型CO2排放源,包括火電廠、水泥廠、鋼鐵廠、石油、化工等[31];國際能源署(IEA)在2020年報(bào)告預(yù)測,2030年我國碳捕集量約達(dá)4 億噸、2050 年約16 億噸、2070 年約22 億噸,目前基于燃煤電廠煙氣捕集1t CO2綜合成本超過300 元[32](化學(xué)吸收法),而空氣捕集的成本更高。大量CO2捕集下如不能形成資源利用產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益,會對碳中和目標(biāo)帶來不利影響。CO2是合成綠色甲醇必須原料之一,因此綠色甲醇生產(chǎn)可與捕集的CO2形成工藝上的匹配及上下游產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)系,促進(jìn)CO2消納并帶來經(jīng)濟(jì)效益。煤化工領(lǐng)域一直也是大的CO2排放源,采用煤、天然氣等制備化工原料或材料時(shí),CO2排放量很大且濃度高。從CO2捕集角度看,對煤化工過程的CO2進(jìn)行捕集方法更靈活、成本也比從大氣或煙氣捕集更低;從發(fā)展綠色甲醇角度看,CO2的來源也可能先從煤化工捕集開始。

        2.5 市場需求

        作為大型船舶的“零碳”燃料可能是綠色甲醇未來最先實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用場景[33]。國際航運(yùn)溫室氣體(GHG)排放已于2008年達(dá)峰,2018年二氧化碳排放量約10.76億噸,占全球2.89%,IMO(國際海事組織)初步戰(zhàn)略[34]是,到2050 年GHG 排放總量至少減少50%,碳排放強(qiáng)度力爭減少70%。2017 年IMO 正式確定甲醇為船舶燃料,我國《甲醇/乙醇燃料動(dòng)力船舶技術(shù)與檢驗(yàn)暫行規(guī)則》已完成評審,ISO正在制定甲醇船舶燃料國際標(biāo)準(zhǔn)。綜合相關(guān)報(bào)道,截至2022 年底全球已訂購商業(yè)化甲醇燃料船舶93 艘(1 艘大型貨輪的需求為2 萬噸/年),主流船用發(fā)動(dòng)機(jī)廠家均完成船基甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)。全球最大集裝箱承運(yùn)輸公司Maersk 2022 年宣布與6 家綠色甲醇生產(chǎn)企業(yè)戰(zhàn)略合作[35],并預(yù)測到2030 年前,將有600萬噸的可再生甲醇需求,用于驅(qū)動(dòng)其700艘船中的25%,同時(shí)宣布,所有新購、新建造船只必須能使用干凈的甲醇、氨等碳中和燃料,以達(dá)成2050 年前凈零碳排目標(biāo)。國際可再生能源屬(IRENA)發(fā)布《創(chuàng)新展望:可再生甲醇》的研究報(bào)告,預(yù)計(jì)到2025 年,全球甲醇年產(chǎn)量預(yù)計(jì)將從目前的1億噸增長到1.2億噸,2050年達(dá)到5億噸,其中綠色甲醇產(chǎn)量將達(dá)到2.5 億噸、生物甲醇1.35億噸,傳統(tǒng)甲醇1.15 億噸。以此推算,要生產(chǎn)2.5億噸綠色甲醇,將需要約3.5 億噸CO2和4800 萬噸H2,需要建設(shè)約200 多條百萬噸級以上的甲醇產(chǎn)線。綠色甲醇行業(yè)具有極大的市場空間。需要指出的是,盡管綠色甲醇可能最先在大型船運(yùn)領(lǐng)域普及應(yīng)用,但其最大的市場需求仍將是作為化工中間原料和材料,而該需求在甲醇的應(yīng)用占比中達(dá)80%以上。

        2.6 促進(jìn)甲醇工業(yè)綠色轉(zhuǎn)型

        甲醇期貨交易數(shù)據(jù)顯示,2022年下半年~2023年4 月,甲醇現(xiàn)貨報(bào)價(jià)2450~2700CNY/t,煤制甲醇完全成本則在3300 CNY/t左右,成本與現(xiàn)貨價(jià)格出現(xiàn)倒掛,煤制甲醇原料煤和燃料煤的成本占總生產(chǎn)成本的70%~80%,煤炭價(jià)格走勢對甲醇成本端的影響非常明顯。CO2加氫制綠色甲醇成本主要受綠氫價(jià)格影響(影響占70%~80%),而綠氫價(jià)格由綠電價(jià)格決定。本文根據(jù)相關(guān)邊界條件對煤制甲醇和綠色甲醇生產(chǎn)成本進(jìn)行了大致測算對比,如表2所示。

        表2 煤制甲醇和綠色甲醇大致成本對比表

        由表2 可知,當(dāng)煤價(jià)低于1000CNY/t 時(shí),煤制甲醇成本優(yōu)勢明顯;當(dāng)煤價(jià)位于1000~1500CNY/t、綠 電 價(jià) 格 位 于0.1~0.2CNY/kWh 時(shí)(CO2價(jià) 格200CNY/t),綠色甲醇生產(chǎn)成本與煤制甲醇比較接近。

        國家新能源電價(jià)政策要求,2022 年以后風(fēng)光電價(jià)實(shí)行平價(jià)上網(wǎng)。國家發(fā)改委能源研究所報(bào)告數(shù)據(jù)顯示,截止2022 年底我國風(fēng)光發(fā)電裝機(jī)占比達(dá)到29.6%;國家能源局預(yù)期2023年風(fēng)光裝機(jī)將新增1.6 億千瓦,累計(jì)占比超過32%。另據(jù)聯(lián)合國全球契約領(lǐng)導(dǎo)人峰會報(bào)告《光伏產(chǎn)業(yè)展望2025》預(yù)測,到2025 年全球光伏電價(jià)將平均降至1 美分/kWh 甚至更低(約合0.067CNY/kWh),中國到2025 年,新建光伏項(xiàng)目的度電成本將較新建煤電項(xiàng)目低30%以上。綠電價(jià)格能夠降低一方面是因可再生能源項(xiàng)目的建設(shè)成本快速下降;另一方面是裝機(jī)規(guī)模和占比在電源結(jié)構(gòu)中的快速提升,與之相對的煤電總規(guī)模雖可能因產(chǎn)能優(yōu)化和清潔能源替代而大幅降低,但煤電價(jià)格受煤價(jià)影響卻未必能夠下降,煤電的遠(yuǎn)景作用為用于可再生能源調(diào)峰和承擔(dān)基礎(chǔ)負(fù)荷以保障電力穩(wěn)定,大規(guī)模的綠電產(chǎn)能從電力生產(chǎn)源頭上起到CO2排放大幅減量的促進(jìn)作用。隨“光伏+儲能”制氫技術(shù)的極大進(jìn)步,綠電制氫大規(guī)模應(yīng)用將具備經(jīng)濟(jì)可行性,屆時(shí)制氫成本將降至1.005~1.675CNY/m3。

        可見隨著綠電裝機(jī)規(guī)模不斷增加,價(jià)格將不斷降低,當(dāng)綠電成本低于0.1CNY/kWh 以及碳交易機(jī)制不斷完善、碳稅補(bǔ)貼等落實(shí),綠色甲醇將體現(xiàn)出極大的成本優(yōu)勢、經(jīng)濟(jì)性和競爭力。此外,在綠電成本低的情況下,甲醇等煤化工產(chǎn)業(yè)也可以大量使用綠電作為生產(chǎn)用能,不僅原料來源實(shí)現(xiàn)綠色,還間接促進(jìn)了用能過程CO2排放量的大幅降低。總而言之,當(dāng)綠色甲醇生產(chǎn)成本大幅降低而效益提升時(shí),無疑將促進(jìn)煤制甲醇乃至整個(gè)煤化工產(chǎn)業(yè)鏈的綠色轉(zhuǎn)型。

        3 結(jié)語

        甲醇工業(yè)是我國重要的基礎(chǔ)化學(xué)工業(yè),綠色甲醇則契合了降碳、消納綠電及CO2等技術(shù)優(yōu)勢,隨著全球?qū)夂蜃兓闹匾暭叭蚝竭\(yùn)業(yè)等重點(diǎn)領(lǐng)域?qū)κ褂谩傲闾肌比剂系挠残砸?,綠色甲醇需求將越來越大,在政策鼓勵(lì)、綠電裝機(jī)規(guī)模不斷提高、氫氣及CO2原料獲取成本逐漸下降等條件下,綠色甲醇生產(chǎn)成本也將不斷降低,與煤制甲醇相比將體現(xiàn)出經(jīng)濟(jì)性和競爭性,對促進(jìn)煤化工產(chǎn)業(yè)升級尤其實(shí)現(xiàn)“綠色甲醇化工”提供助力。總而言之,在碳中和宏觀目標(biāo)下,發(fā)展綠色甲醇十分必要。

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