化工行业专题研究：二氧化碳加氢制甲醇有望迎来产业化

化工行业专题研究：二氧化碳加氢制甲醇有望迎来产业化1

CO2制甲醇前景广阔二氧化碳的资源化利用意义重大CO2资源化利用的意义

减碳化工工艺可以减少工业生产中二氧化碳的排放量。但对于部分反应，二氧化碳作为产物或者副产物，其产生和排放难

以避免。因此，碳的资源化利用是实现碳中和目标的不可或缺的环节。

从另一个角度来看，二氧化碳作为一种廉价易得、环境友好的可再生碳一资源，其资源化利用不仅可减少二氧化碳排放，

而且可提供绿色制备的技术路线，对绿色与可持续发展意义重大。二氧化碳资源化利用研究进展迅速近二十年来，二氧化碳化学转化研究发展迅速，尤其是纳米材料、离子液体等新型功能材料的涌现为其化学转化提供了新

的发展契机，二氧化碳的资源化利用成为自然界碳循环的有力补充。

二氧化碳热力学稳定、动力学惰性，通常可以使用热催化转化、光/电催化还原、聚合反应等方式将二氧化碳转化为其他

化工产品，实现二氧化碳的资源化利用。甲醇有望成为CO2资源化利用下的主要产品甲醇是一种基本的有机化工原料，用途十分广泛。甲醇可以用于合成纤维、甲醛、塑料、医药、农药、染料、合成蛋白质等

化工产品。甲醇还可以用作直接甲醇燃料电池(DMFC)和改进的柴油发动机的液体燃料。甲醇还可以通过裂解释放出氢气，

从而成为氢气储运的载体。

甲醇分子结构简单，利用二氧化碳制备甲醇，过程也较为容易实现，因此甲醇是从CO2还原获得的理想产物之一。通过二氧

化碳制备甲醇，可以依托现有的C1化工体系来实现化工品的绿色制造，因此甲醇有望成为CO2资源化利用的重要的方向。二氧化碳的电催化反应制甲醇尚面临许多困难目前研究的较多的CO2制甲醇的技术路线分为：（1）二氧化碳电催化还原制甲醇；（2）二氧化碳加氢制甲醇。

其中，CO2电还原制甲醇工业化尚存一些关键性挑战，相比之下CO2加氢耦合H2O电解制甲醇被证明是最具可实

施性和规模化的路线。CO2电催化反应原理

二氧化碳的电催化还原反应是指通过电极提供能量将二氧化碳还原为

一氧化碳，再转化为其他化学产品的反应。由于其易于控制、易于回

收利用电解质、系统紧凑，易模块化的特点而备受关注。CO2电催化制备甲醇面临问题

1）CO2电还原反应条件比较苛刻，需要非常高的能量和极高活性的催

化剂；

2）因为反应能量较高，容易引发副反应和分解反应，转化率不高，副

产物包括甲烷、一氧化碳、甲酸、草酸及其盐、甲醛、乙烯等。

3）目前二氧化碳还原反应还没有找到稳定性较高的催化剂。二氧化碳加氢制甲醇反应技术已逐步成熟CO2加氢反应过程简单，工艺日趋成熟。反应原理

以氢气和二氧化碳为原料反应制备甲醇。二氧化碳和氢气在多原子金属簇催化剂表面吸附，逐步转化为气态的甲醇

CH3OH。其中所使用的催化剂多为Cu-Zn-Al体系。

该过程的本质是将可再生能源的能量存储在燃料甲醇中，使能量便于储存与运输，提升化学能的利用率。通过绿色化学反

应产生的甲醇可在一些领域替代传统化石能源，壮大我国清洁能源产业，提升能源多元化保障能力，有助于双碳目标实现

。2

CO2制甲醇效益逐步显露煤制甲醇是我国主要的甲醇生产路线，成本较煤制甲醇成本计算

中国由于“富煤、缺油、少气”的资源现状，因此多采用煤为原料生产甲醇。煤制甲醇的生产成本主要由原料煤、燃料煤、

人工、折旧和其他制造费用等构成。我们可以看到在煤价为800元/吨（含税价）时，煤制甲醇生产成本仅为1953元，而当煤价下降

至300元/吨时，甲醇成本不足1000元/吨，具有明显的成本优势。二氧化碳加氢制甲醇核心是使用绿氢从反应原理可以看到二氧化碳加氢制甲醇相比于传统的合成气制甲醇需要多消耗一分子的氢气。世界能源理事会将氢气分

为三类：通过化石能源制备的“灰氢”、通过化石原料制备同时使用碳捕集碳封存技术制备的“蓝氢”、使用可再生能源

制备的“绿氢”。其中灰氢的制备伴随着二氧化碳的排放；蓝氢的制备虽引入低碳技术，但无法彻底避免二氧化碳的排放；

只有绿氢才是真正实现零排放的制氢方式。不同制氢方式产生的碳排放量不同，若要实现真正的减碳，在二氧化碳加氢过

程中应当使用绿氢。绿氢成本目前仍然较高电解水制氢成本与化石能制氢成本对比

根据氢气来源和制备技术的不同，制氢成本存在一定差异。目前，以化石原料制氢成本较低，在中国由于煤炭资源丰富，

煤炭制氢技术应用最广泛，成本约为9-14元/kg。

目前电解制氢技术仍处于发展阶段。根据热力学原理，电解水制得

1Nm3

氢气和

0.5Nm3

氧气的最低电耗需要

3.52

度电，

考虑到电解的效率一般在

75%~85%，因此，一般工业生产一标方氢气需耗电

4.5-5.0

度左右。此外，目前电解槽制氢装

置投资及运行费用一般为0.3~0.5

元/Nm3

。综上，目前使用光伏等可再生能源直接制备氢气，其成本在0.83~2.67元

/Nm3（分别对应于0.13元/kWh电价和8000h的工作时间，0.4元/kWh电价和2000h的工作时间）对应于单位质量成本

9.30~29.90元/kg。电解水制氢成本取决于电费和装置投资，有望持续下降电解水制氢成本计算

目前碱性电解水制氢技术的发展速度很快，近年来也已得到广泛应用。在电解水制氢的成本中，电费和装置折旧占比最高，

其中电费对于成本的影响最为显著，目前在小型电解水装置上使用工业用电的制氢成本可达22.97元/kg。考虑到未来随着

电解水装置的大型化发展，以及电解水装置连续工作时间的提升，预计电解水制氢的折旧成本仍有很大的降低空间。同时

考虑到可再生能源发电的成本逐步下降，未来电解水制氢的成本有望下降至较低水平。二氧化碳加氢制甲醇成本快速下降，若考虑碳税，则经济性将凸显不考虑碳税情况下，技术进步推动二氧化碳加氢制甲醇成本与煤制甲醇差距快速缩小

在煤价800元/吨时，煤制甲醇的成本约为1953元/吨。在此甲醇成本之下，若使用二氧化碳+绿氢制甲醇，对应的氢气成本需

要降至7.01元/kg

（0.63元/Nm3，取CO2价格200元/吨，制造费用400元/吨），电解水电价下降至0.07元/度（不考虑氧气

收益，取包含折旧、人工在内的电解水固定成本0.3元/Nm3

）。考虑碳排放成本，二氧化碳加氢制甲醇相比煤制甲醇经济性逐渐显现

目前国内尚未开始征收碳税，但是中国目前已经开始试点交易碳排放配额。目前煤制甲醇过程中，生产一吨甲醇的CO2总排放

量为3.85t，其中包括2.06吨的工艺排碳。而二氧化碳和绿氢结合制甲醇，不仅不产生工艺排碳，反而会消耗CO2作为原料，

实现每生产一吨甲醇减排CO2至少1.375吨。若不考虑加工过程的碳排放（能源消耗），仅工艺端而言，二氧化碳和绿氢结合

制甲醇相比煤制甲醇可减少碳排放3.44吨。按照2021年12月10日全国碳市场碳排放配额（CEA）收盘价42.69元/吨计算，则

减排的CO2价值147元。国际货币基金组织预测，为实现2030年2℃的控温目标，每吨二氧化碳定价应在75美元左右，若按此

计算，则二氧化碳和绿氢结合制甲醇相比煤制甲醇所减排的CO2价值可高达1677元，那么长期来看二氧化碳和绿氢结合制甲

醇的优势将越来越明显。3

碳排放制约化工行业发展2015年10月26日在党的十八届五中全会上，中央首次提出实行能源消耗总量和强度“双控”行动。“十四五”规划中，中

央进一步提出要完善能源消费总量和强度双控制度，重点控制化石能源消费，2025年单位GDP能耗和碳排放比2020年分别

降低13.5％、18％。未来国家将实施以碳强度控制为主、碳排放总量控制为辅的制度。2021年12月的中央经济会议上，中央进一步提出要正确认识和把握碳达峰碳中和。要狠抓绿色低碳技术攻关。要科学考核，

新增可再生能源和原料用能不纳入能源消费总量控制，创造条件尽早实现能耗“双控”向碳排放总量和强度“双控”转变，

加快形成减污降碳的激励约束机制，防止简单层层分解。化工行业能源消费量和CO2排放量占比较高化工行业是经济社会发展的支柱产业,

同时也是耗能和温室气体排放大户。

2018年，石化化工行业能源消费8.77亿吨标煤，占我国能源消费总量47.1亿吨标煤的18.6%，占工业终端能源消费量30.0

亿吨标煤的26.3%。化工行业碳排放主要来自于原料和燃料的转化4

终端治理是减碳必由之路二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)是CO2终端治理的主要方式之一。CCUS指将CO2从工业排放源中分离后或直接加以利用或封

存，以实现CO2减排的工业过程。CCUS是目前唯一能够实现化石能源大规模低碳化利用的减排技术，未来有广阔的发展空间。

近年来，我国CCUS各环节技术均取得了显著进展，目前正在加快CCUS在碳循环经济等领域的应用，为绿氢、可再生能源电

解水制氢等创造更多碳循环应用场景。未来随着CCUS技术全面进步，绿氢与二氧化碳结合制甲醇，将有着十分广阔的空间。5

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