摘要
当前，我国绿色电力蓬勃发展，同时也伴生着过剩风光电问题。利用上不了网的绿电制成氢气，然后将氢气就地转化为氨与甲醇，进而衍生出一条新的产业链。绿氢制取氨和甲醇，对存量市场冲击有多大，抑或说绿氢市场制成氨或甲醇就地消纳的空间有多大，本文将进行详细分析。
1.
氢储能起初指通过电解水的方式，利用低谷富余的电能制氢;在用电高峰将氢经燃料电池转换对缺口进行补充，即电‒氢‒电(Power-to-Power，P2P)过程。由于电-氢转化效率约为60-80 %，而氢-电转化效率更低，对于电能的总利用率不到三成。后提出进行电-氢的单向转化，称为P2G(Power-to-Gas)。由于氢气存在爆炸限范围宽、存储蒸发量大、缺乏配套设施等问题，氢就地转化为氨与甲醇再进行储运等措施被重视，即P2X(Power-to-X)。
氢气的主要来源有煤制氢、天然气制氢、工业副产氢及电解水制氢。中国在煤制氢方面有天然的成本优势;天然气制氢相较前者有较低的碳排放，可作为迈向氢能的短期替代;电解水制氢，特别是绿电解水制氢成为实现“碳中和”的关键。
图 1：各年风、光电装机总量
资料来源：国家能源局，国家统计局，香橙会研究院整理
风光易受环境影响，存在间歇、波动和随机等特点，电力输出不连续，容易冲击电网。随着可再生能源发展规模的扩大，如何抑制波动，提升可再生能源的消纳能力成为关键难点。
自2018年国家发改委和能源局印发《清洁能源消纳行动计划(2018-2020年)》以来，弃风弃光率连年下降，取得显著成效，至2022年风电利用率达到96 %，光伏利用率超过98 %。然而随着全年发电量的稳定增长，弃电总量逐年增多，如何消纳这部分资源使得氢储能备受关注。
图 2：各年弃电量
资料来源：国家能源局，国家统计局，香橙会研究院整理
氢气理化性质上的诸多缺点促使人们将其转化为其他化工产品再加以利用。氨和甲醇是七种基本化学品之二，对人类社会进步和经济发展起着不可替代的作用。同体积下，液氨所含氢比液氢多60 %，且其体积能量密度相对较高，是液氢的1.5倍。氨储运基础设施较为完善，成本更低，在常温下加压即可液化，不易蒸发，在储存及运输中的损耗量都较低。
相较于氢和氨，甲醇的一个显著优势在于常温下为液体，存储、运输方式接近石油。甲醇的生产端技术，即烟道废气中富集或其他化工过程联产CO2均相对成熟。在民用消费侧，可在已建成的加油站基础上适当扩建，降低设备建设的成本。
表 1：氢、氨、甲醇物性及储运成本对比
资料来源：公开数据，香橙会研究院整理
2.
2022年，中国国内氢气总消耗量约为3540万吨，其中煤制氢约占氢气总消耗量的56.5 %;天然气制氢和工业副产氢分占21.2 %和20.1 %;剩余部分包含电解水制氢等占比不到2.2%。
原料以上海地区为基准，天然气到厂价格为2.5元/m3，煤炭450元/t，氧气外购0.5元/m3，3.5 MPa蒸汽100元/t，水4元/m3，电0.8元/(kW·h)。经计算得天然气制氢成本为1.15元/m3，煤制氢成本为0.88元/m3，而电解水制氢成本约3.5元/m3，是天然气的3倍，煤炭的4倍。电解水制氢成本中80 %的费用由用电产生，假设用电成本降至0.15元/(kW·h)，则绿氢可以与灰/蓝氢达到平价。
图 3：2022年中国氢气来源与消费结构示意图
资料来源：氢界，香橙会研究院整理
3.3.1 氨
氨作为重要的基础化工产品，是生产农业化肥、工业炸药等的主要原料之一，在国民经济中占据重要地位。自2015年起，政府出台《合成氨工业污染防治技术政策》，鼓励合成氨企业调整原料来源、更新生产工艺，推动形成上下游一体的产业体系，实现企业多元化发展。
图 4：氨产能、产量及年均增长率
数据来源：国家统计局，中国氮肥工业协会，香橙会研究院整理
此后中国合成氨产量逐年下降，由2015年合成氨总产量5791.4万吨降至2018年4587.05万吨。至2018年，随着市场集中度提升、产能置换工作基本完成等，合成氨市场产能过剩现象基本缓解。至2022年合成氨产量爬坡到5249.88万吨。
图 5：2022年合成氨下游产品分布
数据来源：卓创资讯，香橙会研究院整理
目前，我国国内合成氨下游消费量主要由农业消费和工业消费两方面组成。农业用氨主要用于肥料生产，产品有尿素、磷肥等。工业用氨类别有在脱硫脱硝过程做还原剂、生产丙烯晴和己内酰胺等。自2016年起，氮肥产量连续三年下降，至2018年年产量为3457.12万吨。2022年农业用氨消耗占合成氨总产量的7成，相较上一年占比略有减少。氨下游消费量总体上呈现出“减肥增化”的转型趋势，氮肥产量的下降显著降低农业用氨的比重;工业用氨增长明显，合成氨在车用尿素和电厂脱硫脱硝领域的消费量增长最快;其次，在己内酰胺、三聚氰胺、脲醛树脂等化工新材料方面的发展也拉动了合成氨消费量的增长，近5年年均增速超过10 %。氮肥行业在中国农业生产中占有重要基础地位，需求具有一定刚性。合成氨产业受氮肥领域波动的影响较大，月平均价呈现周期性重复，从长期来看工业用氨更稳定，能有效消减合成氨价格的骤升骤降。
图 6：合成氨表观消费量及年均价格
数据来源：中国海关，国家统计局，香橙会研究院整理
中国氨进口总量在2015年之后不断抬升，在2020年达到115.4万吨进口峰值。2022年进口总量23.15万吨，相较于2021年降幅达71.4 %，出口总量跃升至23.8万吨，与进口量持平。中国向氨出口国转变，一定程度上缓和了国内供需压力。
中国氨进口主要来自于东南亚以及中东地区，从印度尼西亚、沙特阿拉伯、马来西亚进口数量位列前三，2022年分别为13.54、5.52、3.28万吨，占比分别为58.5 %、23.9 %、14.2 %。中国氨出口目的地有印度、土耳其等国家。自海关总署将氯化铵、尿素、硝酸铵等29个商品列入目录以来，氮肥间接转变为以氨态氮形式的出口，印度由原来中国的尿素进口大国逐步扩展为合成氨进口大国。
图 7：合成氨进出口量
数据来源：中国海关，香橙会研究院整理
图 8：2022年中国氨进口来源地
资料来源：中国海关，香橙会研究院整理
图 9：2022年中国氨出口目的地
资料来源：中国海关，香橙会研究院整理
3.2 甲醇
近年来，随着碳一化学的发展，由甲醇出发合成乙二醇、乙醛、乙醇等工艺路线日益受到关注。
图 10：甲醇主要用途
资料来源：公开资料，香橙会研究院整理
甲醇下游化工产品仍以甲醇制烯烃为主，2022年占比达到53.36 %。近年随着国产技术的迅速发展，烯烃已经成为近五年推动甲醇消费增长的最大动力，2017-2021年MTO(甲醇制烯烃)年复合增长率接近15 %。但行业预计未来几年增速将放缓。
图 11：2022年甲醇下游产品分布
资料来源：WIND，香橙会研究院整理
甲醇制醋酸行业与烯烃相类似，占比为6.21 %。在经历了前几年的高价格高盈利之后，醋酸行业2022年供需趋于平衡，价格和盈利能力双下滑。甲醇传统下游行业中，MTBE(甲基叔丁醚)行业由于打开国外市场，部分企业选择出口套利，2022年盈利上升明显。
在新兴领域，醇制燃料、有机硅、甲醇制氢、BDO(1,4-丁二醇)等行业值得关注，尤其是甲醇制氢领域，得益于部分炼化装置加氢需求增加以及清洁能源政策的推广，其在甲醇年总消费中占比已达到4.82 %。2022年能源价格普遍高位，醇制燃料的经济性凸显，占比达4.6 %。此外，作为锂电池电解液的主要原料之一的碳酸二甲酯以及作为可降解塑料上游的BDO未来都有较大产能，预估拉带动甲醇消费增长5 %到8 %。
图 12：甲醇产能、产量及年均增长率
资料来源：公开数据，香橙会研究院整理
2014年甲醇产能突增23 %以来，近8年产能增长平稳，至2022年全国有效产能9947万吨，相较2021年同比增长2.82 %。2022年甲醇产量超8100万吨，同比增长2.54 %，产能利用率由2015年58.5 %，上升到2022年82 %。
从甲醇进出口数据来看，我国甲醇年进口数量远大于出口数量，呈波动上升态势。2022年我国甲醇进口数量为1219.3万吨，较2021年增加了8.9 %;甲醇年出口数量为17.28万吨，较上一年减少56 %。
中国主要从阿曼、伊朗、沙特阿拉伯、阿联酋等国家进口甲醇，2022年甲醇进口量分别为379.6、212.0和173.4万吨，分别占比为31.1 %、17.4 %和14.2 %。中国甲醇出口目的地主要是东亚、东南亚国家，2022年向印度尼西亚、越南、韩国分别出口5.88、4.45和3.90万吨甲醇，占全年总出口量的34.1 %、25.7 %和22.6 %。
图 13：甲醇进出口量
资料来源：中国海关，香橙会研究院整理
图 14：2022年中国甲醇进口来源地
资料来源：中国海关，香橙会研究院整理
图 15：2022年中国甲醇出口目的地
资料来源：中国海关，香橙会研究院整理
我国甲醇产能主要分布于西北、华北、华东等地区，而我国甲醇进口主要在东部沿海城市。目前我国甲醇消费市场不断扩大，是国际甲醇销售的主要目标市场，且货源地天然气制甲醇工艺优势明显，外部货源涌入我国市场的趋势难以在短期内扭转，进口甲醇规模将继续维持高位。
图 16：甲醇表观消费量及年均价格
资料来源：公开数据，香橙会研究院整理
2022年甲醇表观消费量达9300万吨，同比增长3.5 %，且近几年来甲醇消费量始终保持增长，从全国甲醇价格走势看，甲醇市场整体呈现稳中向好，年均价格在1500-3000元/吨范围内波动。
国家实施能源资源安全战略为甲醇燃料提供了发展空间。我国在甲醇领域的尝试，为能源替代提供了有效途径。未来若可再生甲醇技术可靠、经济可行，将成为一种绿色低碳可循环的能源供给，是保障能源安全、减少碳排放、实现碳达峰的有效途径之一。
4.全球氨、甲醇现状及未来发展
欧盟：
欧洲化石能源保有量少，需要大量进口。据欧盟委员会数据，欧盟消费的天然气中有约90 %需要进口，2021年欧盟天然气进口主要来自俄罗斯、挪威等地，其中从俄罗斯进口的天然气占45.3 %，约1550亿立方米。欧洲合成氨和合成甲醇工艺流程中，氢气来源多为天然气制氢，而2022年天然气价格飙升500 %，直接影响欧洲化工行业，氨和甲醇产能不断萎缩，间接导致化肥等产量下滑，产业链向外转移，欧洲不得不进口氨和氮肥来弥补农业用氮等缺口。
美国：
得益于页岩革命的成功，美国液化天然气产业以惊人的速度迅速发展。2020年美国的液化天然气生产能力达到6910万吨/年，仅次于澳大利亚和卡塔尔。而21年12月美国天然气出口量大幅提升至770万吨左右，跃升至全球第一。
美国天然气的价格长期较低，有利于氨和甲醇产能的扩大。相较于2012年，2021年美国氨产能几乎翻倍，仅次于中国和俄罗斯。然而，截至2021年，作为农业大国的美国仍需进口约15 %的氨来满足其国内氮肥需求。随着天然气制氨工厂的兴建，预计在3-5年内，美国氨行业有望实现自给，并逐步转向出口。甲醇产能在2014年页岩气革命成功后就掀起了扩张热潮，2014-2015年产能增速接近100%。2021年美国由甲醇净进口国转变为净出口国，同时不断建设新装置，年均产能增速超过10 %。甲醇在美国国内的应用以燃油添加剂、制烯烃以及醋酸产业为主，出口目的地主要有韩国、日本、欧洲等地。
俄罗斯：
俄罗斯作为世界化石能源最为丰富的国家之一，天然气探明储量37.4万亿立方米，位居全球第一。俄罗斯设计充分利用天然气资源，结合CCS技术进行蓝氢的生产，在本国国内市场推广氢能，于2024年达成氢出口量20万吨作为第一阶段的目标。
作为氨生产大国，2021年俄罗斯合成氨出口量约为1700万吨，是欧洲和中亚等地氮肥的主要供应源，甲醇出口量占全球总出口量的10 %，主要销往欧洲。俄乌冲突爆发以来，受到欧美国家对其经济的多项制裁，俄罗斯化工品的海外出口一落千丈。而俄罗斯出口的甲醇由于港口和货轮方面的限制，间接地被拒于欧盟门外。
中东：
天然气与石油高度集中于中东地区，是中东国家经济发展的重要基础。而单一的能源也成为了他们不容忽视的风险，一些依赖化石燃料出口的中东国家意识到了可再生能源的潜力，开始借鉴先发国家的经验，大力投资风光项目。尽管当前新能源在中东地区总发电量占比不到1%，但中东各国不断押注可再生能源，阿联酋、沙特阿拉伯、卡塔尔、阿曼、科威特等国预计将投资1823亿美元，到2025年达到57 GW的装机。
伊朗作为欧佩克第五大产油国与全球第三大天然气产国，拥有庞大的化石能源储量。受限于伊朗自身的经济和化工发展水平，氨和甲醇下游需求量较低，以对外出口为主。氨等产品瞄准印度、非洲市场，而甲醇出口目的地主要为中国。
南美洲：
随着美国在甲醇和氨行业的产能不断扩大，南美洲向美国输出产品的空间不断被挤占，近年来已逐渐退出美国市场，转向出口到中国市场。特立尼达和多巴哥、委内瑞拉等国为其中的代表，资源丰富但工业基础薄弱，化石能源及衍生产品是其外汇的主要支柱。
非洲：
迄今为止，非洲已发现超过5000亿立方米的天然气，蕴藏的钴、锰和铂储量占全球储量的30%以上。然而，受限于“脱碳”要求，非洲化石能源，主要是煤炭和石油的利用受到极大限制，这直接导致非洲有接近6亿人缺乏能源供应。非洲不得不在经济和科技实力都不足的情况下尝试实现跨越式发展。
此外，非洲工业基础薄弱，氨、甲醇及其衍生物如氮肥、醋酸等大量需要进口，此外部分国家还需大量进口粮食。而俄乌冲突的爆发，俄罗斯和乌克兰出口双降，极大的恶化了非洲粮食供给情况，未来相对较长的时间内，非洲的粮食危机难以缓解。
5.绿氢
截至2022年，中国绿氢应用占比不到1%，主要因素来自成本。随着“碳中和”目标的逐渐迫近，碳税的征收会逐渐提升上游厂商通过煤或天然气制氢的成本，同时随科技的发展，电解水制氢的成本有望进一步降低，进而逐渐替代原本的灰氢和蓝氢。
短期而言，绿氢的发展将以建立产业示范园区为主，例如中石化新疆库车绿氢示范项目和伊犁州伊宁市绿色氢能创新应用工程项目。通过项目逐步拓展上下游产业链，为减碳脱碳提供解决方案，寻找可行且可复制的商业模式。
对于中期而言，待成本达到平价，在政策、市场的支持下，绿氢将会逐渐替代灰氢，主要应用领域为合成氨和合成甲醇的制备以及部分石油化工产品的加工。当前工艺氢气利用率不高，因煤制氢气等流程须经脱硫、铜洗等工序，氢气利用率约为85%，而电解水所制得氢气较纯，氢气利用率可进一步提高。而2022年中国灰氢合成氨约为4300万吨，理论计算需氢气760万吨，计算氢气利用率后，合成氨总灰氢消耗量为万吨;同理，合成甲醇中绿氢对灰氢替代需求最多约万吨;中国合成氨进出口总体保持平衡，绿氢替代空间不大，合成甲醇年均缺口1200万吨，若全部用绿氢制甲醇替代，绿氢需求约万吨。
以上加总，在合成氨、甲醇领域，我国绿氢替代空间1920万吨。当然随着液氨、绿色甲醇作为新型能源载体、以及新型燃料后，绿氢替代空间进一步打开。