【建投专题】生物柴油和可再生柴油：与政策息息相关

来源：CFC农产品研究时间：2023-03-01 03:04:46

作者 | 中信建投期货研究发展部田亚雄石丽红

本报告完成时间 | 2023年2月28日

(资料图片)

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一、可再生柴油和传统生物柴油的差异

可再生柴油生产的繁荣引发了一系列关于对美国农业潜在影响的问题。为了回答这些问题，首先要清楚地了解可再生柴油与生物柴油的区别，生物柴油在历史上是两种生物质柴油中更重要的一种。虽然同样的油脂原料被用来制造这两种燃料，但生产过程却完全不同。生物柴油使用相对简单的化学反应生产过程。因此，生物柴油通常与石化柴油混合用于现代柴油发动机。相比之下，可再生柴油使用石油精炼技术进行完全精炼和裂化。这就产生了一种符合石油柴油相同技术规格的“简易”碳氢化合物燃料，因此可以完全替代石化柴油。

美国可再生燃料(RFS)指令生效以来，生物质柴油迎来了显著的发展。符合RFS要求的两种主要生物质柴油是“生物柴油”和“可再生柴油”。长期以来，生物柴油的产量显著高于可再生柴油。生物质柴油的可燃成分是由含有游离脂肪酸的植物油、动物脂肪或回收油脂提供，虽然生物柴油和可再生柴油都被归类为基于生物质的柴油燃料，并且可以使用相同的原料生产，但它们在几个重要特征上有所不同。

1、生物柴油

生物柴油，通常被称为FAME生物柴油或简称FAME(FAME即脂肪酸甲酯)，是通过酯交换的过程生产，即将油脂与乙醇/甲醇和催化剂反应，将它们转化为脂肪酸烷基酯。甲醇通常用作反应物并产生脂肪酸甲酯。在酯交换过程中，每100磅植物油或脂肪通常与10磅甲醇反应，产生约100磅生物柴油和10磅甘油。相当于，每生产1加仑生物柴油和0.9磅甘油需要约7.5磅植物油原料，其副产物甘油可用于动物饲料或多种化学过程。

FAME生物柴油生产流程示意图下图所示。该示意图代表了所谓的“连续”生产过程。间歇工艺也用于较老和较小的生物柴油工厂。除了间歇法中的反应器阶段长得多之外，这两种方法的生产过程中的步骤是相似的。

原料首先经过预处理以去除杂质。然后将处理过的原料预热到大约130华氏度，游离脂肪酸含量测试通常在原料预热时进行。随后保持温度稳定，然后将原料与甲醇和碱催化剂一起装入反应器。然后搅拌混合物，直到化学反应完成，通常只需一小时。反应完成后，大体会让反应混合物静置几个小时。在此期间，由于密度不同，甘油和生物柴油将被分离，甘油沉淀到反应器底部，生物柴油沉淀到顶部。当沉降时间过去时，通过从反应器底部排出，甘油与甲酯分离，并通过去除多余的甲醇来纯化甘油，然后储存在罐中。甲酯被转移到不同的罐中，在那里用水洗涤多次，直到水变清（FAME几乎不溶于水）。洗涤除去甲酯中所有残留的催化剂、肥皂、盐、甲醇和剩余的甘油。洗涤后，甲酯经过深度干燥过程，水分将被完全去除。最后，脂肪酸甲酯(FAME)生物柴油被储存在罐中以备消费。

用这种方法生产的纯FAME生物柴油在业内被称为B100。需要强调的是，FAME不同于石油柴油：

1、FAME生物柴油含有氧原子，这使得FAME的能量比石油柴油减少了大约7%。

2、由于氧化导致腐蚀，FAME的更高的含氧量会限制其储存的时间长度。

3、储罐管理不善时，FAME的化学成分会使其更容易受到微生物污染，可能导致储罐腐蚀和燃料管线堵塞。

4、FAME生物柴油具有相对较高的浊点，在此温度下它将开始冻结并形成可见的晶体。例如，由大豆油制成的FAME生物柴油的浊点约为34华氏度，而石油柴油的浊点约为16华氏度。如果冻结过程继续，燃料将最终完全凝固，这种情况称为“凝胶化”一旦发生胶凝，凝固的燃油将不会流过燃油管路。由于这些原因，FAME生物柴油通常与石油柴油混合用于最终消费。常见的混合物包括B5(最多含5%的生物柴油)和B20(含6%至20%的生物柴油)。

除了使用生物柴油面临的一些挑战之外，它还为用户提供了其他积极的方面。例如，生物柴油由于其化学组成而具有理想的润滑特性，该特性有助于防止发动机过早磨损。

2、可再生柴油

可再生柴油，被称为加氢处理植物油(HVO)或绿色柴油，是使用几种生产工艺生产的。在美国，最常见的工艺被称为加氢处理或加氢处理(AFDC，2022b)。加氢处理过程类似于在原油精炼厂将原油“裂解”成汽油、柴油和其它石油产品的过程。

因此，可再生柴油生产设施越来越多地转化为原油精炼厂的部分或精炼厂的完全转化。有些是全新的炼油厂。如果经济条件允许，所有技术都有可能在原油和有机油脂精炼之间转换。因为原油精炼技术用于生产可再生柴油，所以与FAME生产相比，可再生柴油生产的资本成本要高得多。

图2显示了使用加氢处理生产可再生柴油的示意图。像FAME生产过程一样，在开始精炼过程之前，必须去除杂质。下一步是处理过的可再生原料和氢气进入加氢处理反应器，在那里它们流过固体颗粒催化剂床。在这一阶段，催化剂在高温高压下引发氢气与原料的反应，主要形成水和液态烃分子，这些分子经过额外加工后适合用作燃料。加氢处理后，反应器产物混合物移至分离装置，在此蒸汽和其他轻质产物气体以蒸汽形式除去，氢化液态烃离开工艺，主要由长链烷烃组成。然后，液体流通过一系列蒸馏塔，根据沸点分离产品。

除了生产可再生柴油之外，这还会产生燃料气、液化石油气和石脑油等副产品。可再生柴油生产对原料的要求高于生物柴油，并根据生产过程中所需的最终副产品比例而有所不同。原料需求较高的原因是在可再生柴油生产过程中损失了大量材料。虽然在可再生柴油生产行业中有很大的变化，但合理的基准是使用大约8磅原料生产1加仑可再生柴油和少量石脑油和丙烷。

可再生柴油从根本上不同于FAME生物柴油，因为它只含有氢和碳，这使它成为一种碳氢化合物燃料，就像石化柴油一样。虽然不等同于石油柴油，但可再生柴油非常接近，被认为是石油柴油的“直接”替代品。换句话说，可再生柴油不需要与石油柴油混合，就可以在现代柴油发动机中用作“特殊”燃料。与FAME生物柴油相比，可再生柴油的可再生性是一个显著优势。与石油柴油相比，可再生柴油的能量含量确实较低(按体积计低4%)，但这可能会被可再生柴油的其他理想特性所抵消。少量生物柴油与可再生柴油混合以达到润滑目的的情况并不少见。

二、生物质柴油消费：与政策息息相关

在过去的两年里，可再生柴油形式的生物质柴油生产消费正在经历繁荣时期，但人们还没理解到这次热潮完全是受政策导向的。最有利的事实证据就是生物质柴油价格（以FAME生物柴油为代表）几乎是传统石化柴油的两倍。这意味着，在没有大量政策激励时，美国几乎不会生产和消费生物质菜油。这也意味着，政策对于生物质柴油消费有着较强的引导作用。

从生物质柴油和传统柴油价格的历史数据来看，生物柴油的价格一直高于超低硫柴油（ULSD）的价格。通常价格差异在1美元到3美元每加仑，而近期膨胀到了5美元/加仑。在此期间，生物柴油价格平均比ULSD价格高出2.12美元/加仑。这一差额是ULSD价格的110%，可以说生物柴油的平均价格是ULSD的两倍，这暗示没有政策激励时几乎不会生产和消费生物质柴油。

在过去的十年里，美豆油生柴消费增长120%，年均增速8.5%，较平坦的食用需求可谓飙升，生柴消费成为美豆油需求增长的重要动能。在2007年通过的《能源独立与安全法案》中，美国国会明确了燃料供应中生物燃料的逐年添加要求，设定的2022年可再生燃料总掺混目标为360亿加仑。其中，纤维素燃料掺混目标160亿加仑，生物质柴油不低于10亿加仑，高级生物燃料为210亿加仑。

美国环保署每年制定RVOs方案，炼油厂及掺混商将被分配一定量的法定掺混义务，通过RINs编码来完成。为刺激生产及掺混积极性，美国对相关环节提供一定数量的税收抵免，LCFS和RINs编码均可进行买卖，这些生产附加值带来的收益支持激励着过去这些年来的生物质柴油产业快速扩张。

现行的政策激励，如图6所示，是强制性的法定掺混量，掺混税收抵免和碳信用积分。额外的抵免反映了加州的低碳燃料标准（LCFS）和对BBD生产者的激励措施。这项标准处罚使用运输用的化石燃料，并鼓励使用低碳的可再生燃料，如BBD，以实现减少碳排放的目标。分析大部分都与第三种方案相同，掺混税收抵免和碳信用积分是分开计算的。BBD的总成本由掺混商（blender），纳税人（蓝色部分），加州消费者（灰色部分）和普通消费者（粉色部分）划分。

历史上，FAME生物柴油的产能及产量远超于可再生柴油，但随着近几年可再生柴油的生产规模扩建热潮，这种情况开始发生变化。2021年拜登政府上台后，提出激进的减排目标，延长生物质柴油税收抵免政策至2022年。在政策的支持下，石油巨头及大粮商们纷纷入场布局可再生柴油，由于每生产1份可再生柴油可获得1.7个RINs编码，多于生物柴油的1.5份，且在加州附近生产还能获得碳信用积分，过去几年里大量可再生柴油产能被扩建。

2022年8月，美国的《降低通胀法案》延长生柴税收抵免政策至2024年，此外还给予航空燃油最高1.75美元/加仑的补贴，2025年起普通清洁燃油将获得和减排挂钩的补贴，这对相关产业的扩张形成进一步的利好。伴随着产量的扩张，可再生柴油消费也获得了大幅提振。根据EIA统计，2022年6月，美国可再生柴油消费量创下1.68亿加仑的记录高位，较2021年拜登政府上台时翻了2倍多，相应投料需求的增长驱动美豆油大幅走强。

然而，成也政策败也政策。在市场已经根据产能筹建情况，预期2023及2024年美国可再生柴油产能将被进一步扩张至36亿、60亿加仑之后，过度乐观的预期被政策带来的反转折了腰。在去年12月姗姗来迟的提案中，EPA提议将2023-2025年可再生燃料掺混义务量分别设定为208.2亿加仑、218.7亿加仑、226.8亿加仑，虽逐年呈现增长态势，但增幅却不及此前预期。

其中，2023年的可再生燃料总掺混义务仅较2022年高出1.9亿加仑，增幅来自包括生物质柴油在内的高级生物燃料。然而，按照1加仑生柴需投料7.6磅油脂，豆油投料占比45%左右测算，即便高级生物燃料的掺混义务增量全由生物质柴油来完成，仅能带来2023年6亿磅左右的美豆油需求增长，更不用说菜油纳入可再生柴油原料后可能导致豆油投料占比的下滑了。

在此政策指引下，USDA在12月的美豆油平衡表中，将其2022/23年度生物燃料需求预估从118下调至116亿磅，但我们预计仍存在高估，后期面临进一步下修的可能。按照近几个月的美国生物质柴油生产情况及2023年的生物质柴油掺混义务粗略测算，2022/23年度的美豆油生柴需求预估或降至110亿磅左右，此外其他平衡表项目也将跟随出现一定调整，这将为美豆油平衡表带来较大改变。具体来看，随着美豆油生物燃料需求驱动减弱，美豆当前高榨利或难维持，将有望带来美豆油产量预估的下调。此外，因预期美豆油需求预估下调，美豆油净出口潜力有望获得相应提高。但从整体来看，即便同时考虑美豆油产量下滑及净出口增长，2022/23年度的美豆油期末库存也恐将进一步出现上调，这或令美豆油价格重心进一步下移。

值得注意的是，虽然2024、2025年的可再生燃料掺混义务分别有10.5亿、8.1亿加仑的增量，但可能难以带来传统液体生物燃料掺混量的大幅增长。EPA在12月的方案中，提议创建一个e-RIN，将RFS计划扩大到电动汽车，如果使用可再生资源（如垃圾填埋场的沼气）作为电动汽车动力，就有资格生成D3类RIN，用于满足纤维素燃料或更高级别生物燃料的掺混义务。

随着e-RIN从2024年1月1日生效，纤维素燃料的掺混义务也将从2023年的7.2亿加仑大幅提高至2024年的14.2亿加仑及2025年的21.3亿加仑，这占据了大部分的高级生物燃料及总可再生燃料掺混义务增量。而在2024至2025年间，生物质柴油的掺混义务增量仅分别在0.7、0.6亿加仑。将电力纳入RINs交易意味着长期液体生物燃料掺混需求将被挤占，这可能阻碍部分待筹建的可再生柴油产能投产，且对美国已有的生物柴油产能利用率也会产生不利影响，美豆油的长期需求增量将面临挑战。虽然当前该方案尚未经过听证，在相关利益集团的游说下，明年6月的最终方案可能将出现调整，但至少从目前的形势来看，美豆油的生物柴油题材暂时是偃旗息鼓了。

三、美国FAME生柴产业概况

美国生物柴油生产能力的特点是有许多相对较小的工厂、少数大型工厂，并且大部分生产集中在原料产地、炼油区和交通枢纽附近的美国东半部。爱荷华州是最大的FAME生产州，11家工厂的总生产能力略低于5亿加仑。超过40%的FAME生物柴油工厂位于五个州：爱荷华州、德克萨斯州、密苏里州、伊利诺伊州和阿肯色州。可再生能源集团(REG)是美国最大的生物柴油生产商，拥有5家工厂，产能为4.32亿加仑。自2020年以来，FAME生物柴油的总产能大幅下降，总降幅超过4亿加仑。COVID限制的影响功不可没，但迄今为止最大的影响是来自可再生柴油生产商的日益激烈的竞争。

回顾一下截至2022年1月FAME生物柴油生产设施在美国的位置，这些数据是作为能源信息署(EIA)产能年度调查的一部分收集的。目前在美国有72家FAME生物柴油生产工厂。这72家工厂的总铭牌产能为每年23亿加仑。植物分散在美国各地，最集中在美国东半部和远西部。

FAME生物柴油工厂的地理分布与乙醇工厂形成鲜明对比，乙醇工厂高度集中在玉米带。Fortenbery、Deller和Amiel (2013年)认为，两个因素解释了FAME生物柴油工厂的更大分散性：

1、许多早期知名的生物柴油工厂是由企业家开发的，他们与生产农业没有密切联系。

2、FAME生物柴油可以通过管道混合和运输，这使得生物柴油工厂的选址更加灵活。

此外美国东部广泛存在的生物柴油原料(如大豆油和玉米油)也可能是工厂选址的一个影响因素。图表显示，爱荷华州是最大的生物柴油生产州，11家工厂的总生产能力不到5亿加仑。德克萨斯州是排名第二的州，拥有6家工厂和大约3亿加仑的生产能力。超过40%的FAME工厂位于爱荷华州、德克萨斯州、密苏里州、伊利诺伊州和阿肯色州这五大州。

图表列出了截至2022年1月美国15家最大的FAME生物柴油生产厂及其位置。最大的工厂RBFPortNechesLLC，位于德克萨斯州的休斯顿，年产能为1.44亿加仑。第二大由可再生能源集团运营，位于华盛顿州的霍基姆，容量为1.07亿加仑。有趣的是，两个最大的工厂并不在设施最集中的中西部。名单上的其余工厂，除了世界能源公司的Biox生物燃料有限责任公司的工厂，都位于中西部或中西部附近。

表3按公司而不是单个工厂考察了生产能力的分布。可再生能源集团(REG)是美国最大的生物柴油生产商，拥有5家工厂，产能为4.32亿加仑。REG于2022年6月被雪佛龙收购(Ramon，2022)。第二大FAME生产商是AgProcessingInc.，该公司在爱荷华州和密苏里州经营着两家主要的生物柴油生产设施，2022年的产量可达1.94亿加仑。第三大生物柴油制造商是嘉吉公司，该公司经营两家工厂，总产能为1.46亿加仑。最大的四家公司控制了40%的生产能力，这是一个中等程度的集中。

还应注意的是，一些较大的生产商经营着与其FAME生物柴油生产厂相关的大豆压榨设施。AGP、嘉吉和路易达孚已经将FAME生物柴油生产与他们的大豆加工能力相结合，这有助于他们保持稳定的生产原料管道，并可能使他们降低成本。

下图显示了2009年1月至2022年11月美国FAME生物柴油总产能。从2009年到2015年，可操作的FAME生物柴油产能通常接近21亿加仑。此后，产能开始增加，并于2018年达到26亿加仑的峰值。5亿加仑的产能扩张是由RFS对生物质柴油的要求不断提高所推动的。从2018年1月到2020年7月，产能在26亿加仑的历史峰值水平附近保持稳定。产能从2020年开始急剧下降，这反映了新冠肺炎疫情期间许多FAME生物柴油厂的关闭和/或闲置。随后，在2021年和2022年，面对可再生柴油生产的繁荣，产能重启速度更快。美国的生物柴油总产能现在回到了2009-2016年的平均产能水平，约为21亿加仑。

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Biodiesel and Renewable Diesel: What’s the Difference? Maria Gerveni and Scott Irwin Department of Agricultural and Consumer Economics University of Illinois

Todd Hubbs Economic Research Service U.S. Department of Agriculture farmdoc daily (13):22

Overview of the Production Capacity of U.S. Biodiesel Plants Maria Gerveni and Scott Irwin Department of Agricultural and Consumer Economics University of Illinois Todd Hubbs Economic Research Service U.S. Department of Agriculture

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