中金大宗商品 | 全球生物燃料系列·美国篇：行业稳健发展，但难有跨越式增长

摘要

生物燃料泛指由生物质组成或萃取的固体、液体或气体燃料，可用来替代由石油制取的汽油和柴油，是全球可再生能源开发利用的重要方向。第一次石油危机爆发以来，对于生物燃料的开发利用和相关研究一直受到持续关注。俄乌冲突以来不断攀升的能源与粮食价格和持续的通胀问题使得能源安全、粮食安全、碳中和、成本经济性等问题重要性凸显。我们看到，今年各国生物燃料政策的密集出台，拜登政府宣布准许掺混比例15%的乙醇汽油全年销售、巴西B15生物柴油政策随着新政府的上台有望加速出台、印尼计划2023年实施B40政策，而生物燃料政策对未来全球粮油供需以及能源市场价格走势带来何种影响，引发各方高度关注。

生物燃料作为连接能源与农产品板块的重要纽带，创造了一条两种资源转化的特殊技术路径，而农产品可再生的属性又与当下热议的环境保护、ESG、碳中和等话题紧密相关。美国作为全球最大的农产品生产和出口国，拥有丰富的农业资源，在过去相当长的一段时间内一直是全球生物燃料消费第一大国。本篇报告是中金研究部大宗组全球生物燃料系列研究的第一篇，我们率先选取世界最大生物燃料生产和消费国——美国进行研究，从政策发展路径出发，对政策性RINs市场建构和主要生物燃料（燃料乙醇和生物柴油）基本面情况进行细致梳理，同时对市场较为关心的“化石燃料与生物燃料替代关系”、“生物燃料发展与粮食安全”两大问题进行分析。

►  美国政策路径：能源安全战略指引下的高度发展，依托立法和产业政策扶持，但“黄金时代”或已结束

石油危机下的能源恐慌促使美国政府寻求替代能源，美国政府自上世纪八十年代以来先后出台了多项促进可再生能源发展的法案。第一次石油危机的发生促使美国将能源安全与独立和降低对国外石油进口依赖的目标上升至事关国家安全的发展战略，出台了一系列影响深远的法案和政策。

可再生燃料标准（RFS）：强政策支持下的产量标准助推生物燃料发展，建立可再生识别号（RIN）交易系统，转移超额生物燃料成本以实现支持政策目标，扶助生物能源发展。根据《能源政策法案2005》，国会授权环境保护局（EPA）负责，与美国能源部、农业部及其他利益相关者协调，发布可再生燃料标准（RFS），创建可再生识别号RIN系统，制定并监督成品油生产商和进口商完成经过算法分配的可再生燃料义务RVO，通过RIN追踪义务方是否完成指标，而伴随生物燃料产生的RINs在确认被使用后也可以进行交易，以“完成指标”的形式进行市场化流通。

2022年民主党政府《通胀削减法案》出台，但生物燃料领域博弈加剧。今年4月，拜登总统宣布容许E15汽油全年销售，打破了一直以来掺混上限（E10 Blending Wall）的限制。同时，为了应对国内高企的通货膨胀而出台的一揽子法案《通胀削减法案》（Inflation Reduction Act of 2022 IRA）中，对于发展可再生能源的支持力度远超此前。但值得关注的是，在11月中期选举中共和党取得了对众议院的控制权（对发展生物燃料态度相对保守），未来能否继续推行有利的生物燃料发展政策仍有较大不确定性（12月2日，美国环保署仅将2023年生物燃料规定用量提高到208.2亿加仑，比早先的206.3亿加仑仅高出1%，令市场倍感失望）。

►  传统化石燃料价格不直接影响生物燃料供需基本面，但二者价格呈现“共振”效应

原油价格波动对于生物燃料产量影响并不显著，生物燃料产量主要受政策支持及季节性主导。从季节因子来看，燃料乙醇产量旺季主要是冬季12月-次年1月，对应美玉米收割结束，供应较充足。生物柴油的产量高峰从3月开始，延续至夏季，我们认为这主要由于生物柴油在冬季性能表现不佳。从年度趋势性来看，自2005年能源政策法案落地以来，燃料乙醇及生物柴油产量逐年上涨。2000-2010年，燃料乙醇产量呈现迅速抬升态势，而生物柴油产量也在2004-2020年明显上行。然而，我们并没有观察到原油价格在2000-2020年内呈现出明显的年度趋势，这说明，在美国政府的鼓励政策之下，生物能源作为新兴行业，其产量在近20年间一直处于快速扩张期内，叠加EPA的强制掺混政策，使得生物燃料的推行更加顺畅。通过测算，去除年度趋势和季节性因子后，二者产量近似正态分布，均与原油价格走势不再相关。

生物燃料消费主要受EPA政策引导，长期趋势下并不受原油价格波动影响。我们发现，生物燃料的成本高于其混合的石油基传统燃料。在这种情况下，掺混商以更高的价格出售RIN，以便他们可以抵消更昂贵的原料成本，并继续以满足RFS合规性的水平进行混合。在掺混量达到EPA要求后，生产商不再有动力自发地进行生物燃料消费。另外，RFS目标设定的水平高于正常市场驱动下生物燃料消费所能支持的水平。在这种情况下，较高的RIN价格鼓励混合到更高的目标水平。这些超额价值激励了掺混商和零售商以折扣价提供更高的生物燃料混合物，进而鼓励增加生物燃料的消费量，以满足增加的RFS目标。因此，生物燃料的消费量主要是以EPA规定的掺混量为准，而不受原油价格波动影响。

原油价格与生物燃料价格的共振效应并不能说明两者具备因果关系。尽管基本面与原油价格不相关，但我们看到，美国燃料乙醇与布伦特原油价格走势相关性达到了0.79，而美国生物柴油与布伦特原油价格走势相关性也达到了0.7。原因为：1）宏观经济周期的普遍影响；2）市场情绪助推生物燃料价格。我们发现，在能源价格快速波动时，市场倾向于关注能否通过增加生物燃料的产量而对冲化石燃料价格上涨所带来的冲击，虽然生物燃料并未受化石燃料价格上涨的带动而出现增产，但市场关注度的提升也将短期内对行业价格形成利好。从行为金融学角度，商品之间的共振可能是因为金融市场上的“herd behavior”，即交易商们倾向于认为商品板块的价格会遵循相同的行情走势，即使没有基本面的支撑。

►  我们认为生物燃料产量上涨或是CBOT粮价上涨的重要推手，但近年来影响已逐步趋弱

玉米、油料作物作为美国生物燃料的原材料，生物燃料的发展会直接影响农产品消费。根据IEA数据显示，2021/22年度，美国燃料乙醇产量为156.03亿加仑，按照每加仑燃料乙醇消耗11.84kg玉米计算，折合消费玉米1.85亿吨，占2021/22年度美玉米产量的48.25%，占美国国内玉米总消费的58.25%；从生物柴油看，2021/22年度以豆油为原料生产的生物柴油产量为16.36亿加仑，按照每加仑生物柴油消耗7.6磅豆油计算，折合消费豆油124.34亿磅（563.97万吨）占2021/22年度美豆油产量的47.55%，占美国国内豆油消费的50.13%。若按照美豆19%的出口率来计算，则需要消费美豆2968.24万吨，占2021/22年度美豆产量的24.42%，占美豆国内消费量的47.28%。

我们认为，生物燃料从消费端对于国际玉米及油脂油料作物价格均形成了较为明显的推升。在2001-2021年间，CBOT玉米年均价由213.18美分/蒲式耳上涨至569.16美分/蒲式耳，累计涨幅为165.9%，而大豆价格也由459.14美分/蒲式耳上涨至1361.58美分/蒲式耳，累计涨幅达171.6%。然而，从生产成本来看，美玉米的农资成本2001年为119.56美分/蒲式耳，其余成本为154.59美分/蒲式耳，因此，2001年每蒲式玉米的生产成本为274.14美分/蒲式耳，反观2021年，每蒲式耳生产成本上涨到了401.47美分，较2001年上涨127.32美分，远低于期货价格上涨的355.98美分/蒲式耳。美大豆情况与美玉米类似。

除了对价格的显著推升外，美国对于生物燃料的大力发展也在一定程度上扰动全球农产品的出口供给。美国作为全球主要的农作物出口国，对于稳定国际粮食供应链具有显著作为，但我们看到，在2001-2021年间，美玉米的出口占全球玉米总出口的比例由63.44%下降至29.88%，美豆出口占全球大豆出口比例由54.02%下降至32.91%。我们测算发现，美豆出口占全球大豆出口比例与美国生物柴油产量相关性为-0.76，美玉米出口占全球玉米出口比例与美国燃料乙醇产量相关性为-0.84。

►  向后看，我们认为美国生物燃料发展前景稳健，但难有跨越式增长

碳中和与ESG背景下生物燃料具备独特优势 但或已充分释放。生物燃料碳循环周期显著短于化石能源，可再生属性适应当前碳中和主题，技术进步继续降低生产过程碳排放，但美国产能扩充受粮食资源限制已接近上限。

美国燃料乙醇的用量呈现基本稳定的态势，而生物柴油的增速也明显放缓。燃料乙醇对于美玉米的消费占比自12/13年度达到41.9%峰值后，一直维持稳定水平，后起之秀生物质柴油也于21/22年度达到同样接近四成的38.4%的历史最高比例。继续发展生物燃料对农产品的需求扩张将推升农产品的价格走高，而这种程度的上涨对于美国国内的通货膨胀以及低收入群体造成的压力也势必需要纳入考量，国际上欠发达地区因此面临的粮食短缺同样面临道德风险。

eRINs登上舞台：RFS改革推进可再生电力发展：页岩气革命后，可再生替代能源需求迫切性下降。同时，新能源电动汽车压缩生物燃料进一步发展的空间。在某种程度上可以说，不同类型新能源之间在技术路径上互为由替代效应的竞争者。

综合考虑美国政府对于生物能源的定位：减少对外石油依赖性、消耗过剩的农业资源、对第一产业进行变相转移支付、创造就业和推动技术进步，我们认为在保障粮食供应的基础上，美国所能提供的政策支持或将维持在40%上下的相应农产品消费量，即预计美国生物燃料板块未来对于农产品消费量的影响或将有限。

正文

生物燃料泛指由生物质组成或萃取的固体、液体或气体燃料，可用来替代由石油制取的汽油和柴油，是全球可再生能源开发利用的重要方向。自第一次石油危机爆发以来，对于生物燃料的开发利用和相关研究一直受到各国政府、企业以及社会各界的关注。俄乌冲突爆发以来，不断攀升的能源与粮食价格和随之而来的通胀问题使得能源安全、粮食安全、碳中和、成本经济性等问题，再度成为各方关注的焦点。今年夏天拜登政府宣布准许掺混比例为15%的乙醇汽油全年销售[1]，巴西B15生物柴油政策随着新政府的上台有望加速出台[2]，印尼计划2023年实施B40政策[3]，各国生物燃料政策的密集出台。在此基础上，生物燃料政策对未来粮油供需以及能源市场带来更多不确定性，并加剧全球粮油价格波动，需持续关注。

生物燃料作为连接能源与农产品板块的重要纽带，创造了一条两种资源转化的特殊技术路径，而农产品可再生的属性又有利与当下热议的环境保护、ESG、碳中和等话题紧密相关。美国作为全球最大的农产品生产和出口国，拥有丰富的农业资源，在过去相当长时间内,美国一直是全球能源消费第一大国，能源安全与独立和处理富余粮食资源的需要碰撞在一起，使得美国发展生物能源顺理成章。本篇报告作为中金大宗组全球生物燃料系列研究的第一篇，我们重点选取世界第一大生物燃料生产和消费国——美国，作为研究对象，从政策发展脉络、政策性RINs市场建构和主要生物燃料（燃料乙醇和生物柴油）基本面情况等方面进行系统、细致的梳理，同时就市场关心的“化石燃料与生物燃料替代关系”、“生物燃料发展与粮食安全”等问题进行分析。

美国政策路径：能源安全战略指引下的快速发展依托立法和产业政策扶持，黄金时期或已结束

美国拥有得天独厚的地理环境和发达的农业体系，而一直以来过剩的农业资源似乎也成为了困扰美国当局和农场主们的问题——产能过剩。与此同时，确保能源安全一直以来都被美国政府视作确保国家安全的重要前提。作为全球第一批发展生物燃料的国家，美国一直以来都将发展生物质能源作为提高能源独立性和安全性、减少对外能源依赖、促进农业资源合理配置、刺激经济发展增加就业以及维持多层次国际话语权的重要国家战略。美国政府自上世纪八十年代以来先后出台了多项促进可再生能源发展的法案。

石油危机下的能源恐慌促使美国政府寻求替代能源

第一次石油危机中，石油输出国组织(OPEC)对石油进行禁运，造成油价的上涨。当时原油价格从1973年的每桶不到3美元上涨至超过13美元，长期以来依靠中东廉价石油的美国经济造成了显著的影响，也促使美国将能源安全与独立和降低对国外石油进口依赖这一目标上升至事关国家安全的发展战略。这也进一步促进了美国政府对于发展生物燃料的支持。

图表：美国生物燃料主要政策发展一览

资料来源：U.S. House of Repsentatives，USAGov，EPA，RFA，中金公司研究部

最早，美国于20世纪初期就已尝试使用生物燃料，如福特T型车就曾使用乙醇燃料，但发展进程较为缓慢。随着美国本土汽车工业的蓬勃发展，1970年美国《清洁空气法案》修正案颁布，该法案是世界范围内最早一批倡议减少汽车排放污染的举措，同时成立了存在至今且影响深远的环境保护署（Environmental Protection Agency，EPA）。第一次和第二次石油危机（1973年和1979年），石油输出国组织针对性的石油禁运使得美国经济承受了很大的压力。1974年，美国能源部建立了国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory，NREL），并于1977年开始工作。此后，可再生能源在美国的发展正式起步。2005年国会投票通过的《能源政策法案》显著促进了可再生燃料的发展（是对1992年能源政策法案EPAct的发展）。在2005年能源政策法的框架下，国会针对生物柴油和燃料乙醇均制定了扩大产能规划以及税收减免优惠，旨在鼓励将可再生燃料混合到机动车燃料供应中。

在税收政策的鼓励上，1978年颁布的《能源税法案》规定每加仑乙醇可免税0.40美元，在此基础上1982年通过的《地面运输援助法案》将免税额增加到每加仑乙醇0.5美元，而1984年的《税收改革法案》则将免税额继续增加到了0.60美元。1990年出台的《综合预算调节法案》将乙醇税的免税额延长到2000年，但同时减税金额则降低到每加仑0.54美元。而根据1998年《二十一世纪运输效率法案》该税收优惠再次被延长到2007年，但于2005年将优惠金额降至每加仑0.51美元。2004年，该项税收减免政策通过《创造就业法案》再次豁免延长至2010年，但将消费税免税改为混合税收抵免，而后又降到0.45美元。

可再生燃料标准（RFS）：强政策支持下的产量标准助推生物燃料发展

可再生燃料标准（Renewable Fuel Standard RFS）计划是一项国家政策，要求一定数量的可再生燃料来替代或减少石油基运输燃料，取暖油或航空燃料的数量。根据《2005年能源政策法案》，该法案通过建立第一个全美可再生燃料标准来补充最早缺乏强制效力的《清洁空气法案》。美国国会授权美国环境保护局（EPA）负责该工作，同时与美国能源部、美国农业部以及其他利益相关者协调，以设计和实施这个该计划这三者也成为了之后生物燃料市场的主要政策制订主体。

RVO与RIN监督责任方完成目标

EPA于2007年4月发布了RFS的详细规定。法规主要的适用对象为燃料供应商，同时创建了用于合规和交易信用的可再生识别号（Renewable Identification Numbers RIN）系统，以及豁免规则。EPA根据能源部能源信息管理局创建的汽油使用量估计计算每年的混合标准。为纤维素生物燃料、生物质柴油、先进生物燃料和总可再生燃料确定了单独的配额和混合要求。在计算混合比率时，考虑了小生产者的豁免。

与此同时，油气生产商的个人义务称为可再生能源数量义务（Renewable Volume Obligations RVO），其具体的确认标准为，通过将生产商的产量乘以EPA宣布的每个标准的混合比率来确定。生产商必须通过RIN系统来证明其合规性，即完成规定的数量义务，而其也可以通过购买RIN来弥补生产中的任何不足，多余的RIN可以出售，这类交易通过EPA的审核交易系统完成。

D码和当量值（EV）为RIN交易市场的搭建提供基础

在RSF的基础上，根据《能源独立与安全法案》进一步扩大了实施范围，2009年5月，EPA发布了对全美可再生燃料标准计划的修订，涉及对可再生燃料标准计划的改变。修订后的标准，为纤维素生物燃料、生物质柴油、高级生物燃料以及每年必须用于运输燃料的全部可再生燃料四个类别，制定了新的具体数量标准。修订后的RSF还对可再生燃料以及用于生产这些燃料的原料进行了重新定义，并制定统一了标准，包括可再生燃料的温室气体排放（GHG）阈值，而RFS的监管要求也进行了进一步的扩展，同时适用于国内和国外的可再生燃料生产商以及进口商。

RFS将可再生燃料分为四个类别，由于EPA使用RIN（Renewable identification numbers，可再生燃料识别码）来监督成品油生产商和进口商是否履行义务，每一种生物燃料都在RINs中被赋予了不同D码。当量值（Equivalence Value，EV）用于确定每加仑可再生燃料产生多少RIN的数字。

1)生物质柴油（Biomass-based diesel），主要原料为豆油、棕榈油等植物油，废弃油脂和动物油脂，D码为4。

2)纤维素生物燃料（Cellulosic biofuel），主要原料为玉米秸秆、木屑、芒草、沼气，D码为3，如果是纤维素柴油则D码为7。

3)先进生物燃料（Advanced biofuel），主要原料为甘蔗、生物丁醇等，D码为5。

4)所有可再生燃料（Total renewable fuel），包括先进生物燃料和传统可再生燃料；传统可再生燃料通常指玉米乙醇，原料为玉米淀粉，D码为6。

值得注意的是，生物质柴油和纤维素生物燃料是先进生物燃料的子集，而先进生物燃料又是所有可再生燃料的子集，这也就意味着，汽柴油生产商和进口商在使用RINs码证明已履行义务时，D3、D7和D4也可以用以证明完成先进生物燃料义务，而D3、D4、D5和D7也可以用以证明完成（传统）可再生燃料义务。

图表：不同类型生物燃料及其所对应的D码

资料来源：EPA，中金公司研究部

图表：不同生物燃料RVO对应当量值表

资料来源：EPA，中金公司研究部

图表：2009年RSF拟定生产计划（EPA会根据具体情况进行一定程度的调整）

资料来源：EPA，中金公司研究部

而EPA于本年12月1日公布的最新可再生燃料掺混方案，将2023-2025年可再生燃料掺混义务量（RVOs）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，但增幅较为保守。其中，2023年的可再生燃料总掺混义务较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。

建立可再生识别号（RIN）交易系统，转移超额生物燃料成本以实现支持政策目标，扶助生物能源发展

RIN在各义务方中流通，通过支付超额溢价使义务方完成指标基础上获得一定自主决策权，掺混比例的波动多来源于此

由于每年EPA会通过RIN来追踪企业是否完成了可再生燃料义务（RVO），生物燃料的生产即伴随着RINs（Attached RINs）的产生，RINs也将一直伴随生物燃料进行流通（若被用于出口，则对应的RINs作废）。若其被卖给掺混商，则RINs也随之转移给掺混商，直至它与汽油混配后销售或者出口，RIN才和所对应的生物燃料分离。分离后的RINs有专门的交易市场，具有对应的可以波动的价格。产业链上需要完成自身可再生燃料义务的生产商、汽柴油炼厂和进口商，以及其它相关运营主体均需要向EPA提交所有有关RINs生产、转让、交易等的信息报告，也都可以参与分离后的RINs的交易活动。义务方可以通过将生物燃料掺混至成品油中获得RIN，也可以在市场上购买已经分离的RIN，从而向EPA证明已经履行义务；而EPA则通过RINs保证可再生燃料被实际生产和使用。

值得注意的是，分离的RIN多产生于掺混环节，而其所负担的义务却相对不成比例的偏小，掺混商通过售卖多余的RIN来实现成本转移。进而影响整个成品油供应市场中的微观决策，市面上的乙醇汽油和生物柴油中的掺混比例波动也多数来源于这个环节。这种精巧的机制设计为市场和实际生产经营提供了许多空间和灵活度，而豁免权的获得也会对上述问题造成影响。

图表：RINs的产生与流通

资料来源：EPA，中金公司研究部

乙醇和生物质柴油的可再生识别号（RIN）价格长期居高不下：环保燃料并不经济

RIN价格上涨的第一个原因是生物燃料的成本高于其混合的石油基传统燃料。在这种情况下，掺混商以更高的价格出售RIN，以便他们可以抵消更昂贵的原料成本，并继续以适合RFS合规性的水平进行混合。全球对用于制造生物燃料的农产品需求不断增长，使生物柴油比传统柴油更昂贵，推动D4 RIN的价格在2022年上涨[4]，而这种上涨反过来激励生物柴油和可再生柴油的混合行为。

RIN价格上涨的第二个原因是RFS目标设定的水平高于正常市场驱动下生物燃料消费所能支持的水平。在这种情况下，较高的RIN价格鼓励混合到更高的目标水平。这些超额价值激励了掺混商和零售商以折扣价提供更高的生物燃料混合物，进而鼓励增加生物燃料的消费量，以满足增加的RFS目标。因此，最近D6 RIN价格的上涨是由于EPA于2022年6月3日宣布了更高的RFS目标[2]。EPA公告将乙醇的隐含RVO目标设定为法定最高150亿RIN，这与2019年的目标持平。这一目标比2020年和2021年的目标有所增加，由于COVID-19大流行期间驾驶需求减少，在此前的两年这些目标有所降低。

民主党通胀削减法案出台但中期选举后生物燃料领域博弈加剧

现阶段，美国使用的大多数汽油都为E10混合汽油。今年，拜登总统于4月份宣布了容许E15汽油全年销售的政策，进一步扩展了生物燃料特别是燃料乙醇使用的通用性，是打破一直以来掺混上限（E10 Blending Wall）的有力举措。同时，为了应对国内高企的通货膨胀而出台的一揽子法案《通胀削减法案》（Inflation Reduction Act of 2022 IRA）中，对于发展可再生能源的支持力度尤为显眼，它延长了40A条款掺混抵税补贴政策（BTC）至2024年底，新增加了40B条款对可持续航空燃料SAF的激励措施，而在针对未来的下一阶段计划中，在2025到2027年，新增加45Z条款，进一步细化税收抵免政策，使可再生柴油和SAF有资格获得清洁燃料生产信贷（CFPC），以期会影响可再生柴油和可持续航空燃料的原料选择。

值得关注的是，拜登政府所代表的民主党人对于环保议题的关注度较高，以传统能源和军工复合体等为主要背景的共和党人普遍对可再生能源持较为保守的态度。而在11月中期选举中，共和党取得了对众议院的控制权，这对本届美国政府下半程继续通过和实施对生物燃料有利的政策是否会造成一定的阻碍值得进一步关注。12月1日EPA公布的掺混方案预案（RFS计划下的）便已初见端倪。该预案将对未来三年的掺混比例进行指导。该方案将2023-2025年的可再生燃料掺混义务量（RVO）分别定为208.2加仑、218.7加仑与226.8加仑，虽呈上涨趋势，但涨幅并不及此前普遍期待。

基本面观察：美国生物燃料快速发展时期已过，产需均领先全球

从全球来看现阶段全球生物燃料不论是从产业成熟度或者市场占有率来看，燃料乙醇和生物柴油均处前列。美国和巴西由于其本身独有的农业资源优势，是最早发展燃料乙醇的国家，其中美国以玉米制乙醇为主，而巴西则选择甘蔗作为生物炼制的原料，由于燃料乙醇技术门槛较低，所以发展历史更为悠久。生物柴油的生产和使用晚于燃料乙醇，以欧洲、印度尼西亚、美国、巴西、马来西亚等国家和地区为主。整体来看，由于其深度依赖农业资源和政策支持的特点，生物燃料的生产和消费集中度较高。

过去20年的美国，生产生物燃料对于原料谷物和油籽的需求在整体农产品需求中的比例迅速攀升，临界将至

以美国为例，美玉米作为原料主要用于生产燃料乙醇（Fuel Ethonal)，2021/22年度美玉米的燃料乙醇投放量需求在53.3亿蒲式耳，复合年均增长率达到11%（00/01-21/22年度），占美玉米总需求的35.6%，而同期，美豆油作为原料主要用于生产生物柴油(BD)和可再生柴油(RD)，2021/22年度美豆油的生物燃料投料需求在384.2亿磅，复合年均增长速率达到29%(00/01-21/22年度)占美国豆油总需求的38.4%。可以说，在这段时间内，生物燃料的需求对于粮食价格形成了较大的支撑。

同时也可以观察到，美国燃料乙醇发展较早，1980年后需求占比开始提升，2005年受能源政策法案出台的提振，有了较大幅度的增长，在超过40%的高点后增速放缓，需求占比小幅下降。而较晚发展的生物质柴油对于美豆油的需求也呈现类似的走势，而其在达到高点后是会继续攀升还是延续类似燃料乙醇的稳定比例，很大程度上取决于政策导向。

图表：美玉米用于生产燃料乙醇的比例迅速扩大

资料来源：USDA，中金公司研究部

图表：美豆油需求中作为生物燃料投料的占比增大

资料来源：USDA，中金公司研究部

燃料乙醇的全球领跑者：美国成熟的乙醇汽油产销市场技术进步潜力十足

美国燃料乙醇产量位居世界第一，2021年美国和巴西产燃料乙醇合计占全球产量的82%，其中美国生产15015百万加仑占全球生产总量的近六成。根据美国农业部和经合组织的预测，2022年美国燃料乙醇产量将接近6000万吨。受新冠疫情冲击影响，2020年美国燃料乙醇的产量跌至5440万吨（约13941百万加仑），为2015年以来最低水平。美国燃料乙醇行业的大规模发展晚于巴西，随着2005年《能源政策法案》（Energy Policy Act of 2005）的出台以及玉米产量的大幅增加（得益于转基因玉米的大量种植），美国燃料乙醇的产量和市占率一路攀升，并于次年（2006年）超越巴西，成为全球第一大燃料乙醇生产国，并一直保持至今。

图表：美国燃料乙醇产量位居全球第一（2021年）

资料来源：RFA，USDA，中金公司研究部

图表：全球燃料乙醇产量稳步增加

资料来源：OECD，EIA，中金公司研究部

产能集中，多位于中西部农业主产区 

根据EIA于2022年初发布的最新数据，美国共有275个生物燃料生产工厂，产能达到210亿加仑/年，其中五分之四以上的产能用于生产燃料乙醇。在燃料乙醇产能最高的13个州中，有12个位于中西部。生产能力最强的三个州分别是：爱荷华州、内布拉斯加州和伊利诺伊州（同时也是美国玉米产量前三的州），他们合计拥有全乙醇总产能的一半。根据所收集的192家燃料乙醇厂的数据，美国燃料乙醇的总产能为174亿加仑/年，较2021年初减少了2亿加仑/年。从各州的情况来看，爱荷华州共有41家乙醇工厂，2022年产能接近47亿加仑每年，占全美产能的27%，其后的内布拉斯加和伊利诺伊分别占全美产能的13%和10%。爱荷华州2021/22年生产玉米25.4亿蒲式耳，为全美最大的玉米出产州，伊利诺伊州和内布拉斯加在则在去年分别生产21.9和18.5亿蒲式耳，占全美玉米产量的四成以上。

从数据上可以看出，美国乙醇产能逐渐向中西部集中，自2017年以来，东西海岸和墨西哥湾沿岸的PADD1、3、5区域内燃料乙醇产能均出现了明显减少，其中东海岸产能萎缩超过50%，而洛基山区的PADD4则基本维持不变，中西部地区的燃料乙醇产能则增加了12.8亿加仑/年。进一步与农业主产区重合。

图表：美国燃料乙醇的生产能力大多位于中西部

资料来源：EIA，中金公司研究部

图表：PADD2产能占全美产能94%

资料来源：EIA，中金公司研究部

消费市场庞大且稳定，主要集中于交通运输行业

美国在燃料乙醇的消费和乙醇汽油混配使用方面同样居于世界领先，现阶段推广使用的乙醇汽油多以添加10%乙醇含量E10乙醇汽油为主，大多使用玉米为生产原料采用干磨法制备。2021年美国燃料乙醇国内消费量为5375万吨，占全球总消费的43%。因为美国较大的能源消费需求，早在2004年美国就超过巴西成为当时世界上最大的燃料乙醇消费国，由于可再生燃料标准的强制执行，含有10%的乙醇（E10）汽油在全美普及，与此同时，2022年四月美国总统拜登宣布将允许高掺混比例乙醇汽油E15进行全年销售[1]，15%乙醇掺混汽油即E15以及51%-83%乙醇掺混汽油(E85)的使用也进一步快速增加。根据RFA的最新数据，在美国注册的2.63亿辆汽车中，大约95%能够使用E15，但E15的市场占有率仍然较小，而掺混比例更高的E85则只能在灵活燃料汽车（FFV）上使用，目前FFV占总注册车辆的8.5%；能提供E85的加油站占全美汽油站总数的3.4%。

图表：美国消耗全球四成以上燃料乙醇（2021年）

资料来源：RFA，中金公司研究部

图表：全球乙醇消费由快速增长逐渐趋稳

资料来源：USDA，中金公司研究部

而全球乙醇消费的增长率也逐渐趋稳，2010年之前一直维持着两位数的同比增长率，2002年最高曾达到32.3%的增长率，而随后的十几年中燃料乙醇的增长一直处于较为温和的状态，而自EPA于2007年根据正式出台的《能源独立和安全法案》（Energy Independence and Security Act of 2007 ，EISA 2007）制定并监督可再生燃料标准（RSF）执行后，美国燃料乙醇消费在2008年取得38.5%的同比增长，政策对燃料乙醇需求的影响非常大。2020年受到新冠疫情冲击的影响，全美燃料乙醇需求较前一年下降12.2%。

2022年6月至8月，由于俄乌冲突导致的能源供给问题，在美销售的汽油中燃料乙醇含量（掺混比例）达到创纪录的水平。2022年4月29日，美国环境保护局（EPA）发布了一项紧急燃料豁免令，允许E15汽油在美国所有地区的夏季驾驶季节出售[7]。如果没有豁免，E15汽油不能在夏季向没有重新配制汽油（RFG）计划的地区（约占全国三分之二）出售。

图表：22年4月燃料乙醇消费受疫情影响下降明显

资料来源：USDA，IEA，中金公司研究部

图表：政策支持下乙醇消费快速增长

资料来源：USDA，中金公司研究部

而从各州的情况来看，2020年消费量位于前五名的州分别为：得克萨斯州、加利福尼亚州、佛罗里达州、纽约州和佐治亚州，2020年德州燃料乙醇消费量为3192.6万桶，占到全国总消费量的10.6%，反超加利福尼亚3075.2万桶的消费量位居全美第一，此前，加州由于是全美最早通过低碳燃料标准（Low Carbon Fuel Standard LCFS）的州[8]，其燃料乙醇消费量一直领先其他州，该项标准要求到2020年凡是在加州销售的汽车燃料，“碳含量”都必须降低10％，促进了加州及周边地区的燃料乙醇使用。其中交通运输所使用的燃料占到整体消费的95.7%，商业和工业消费占比很小。

世界最大乙醇出口国，加拿大、韩国、印度等为主要出口目的地

美国是世界上最大的乙醇出口国，2021年乙醇出口量为12.3亿加仑，其中添加汽油为主的变性燃料乙醇占比超50%。美国乙醇出口目的地涵盖世界六大洲约90个国家，三分之二的乙醇从墨西哥湾出口，其余从美西港口运往世界各地。

随着美国乙醇产量在2021的恢复，其在全球产量中所占份额反弹至疫情前的55%。同时，由于不利的甘蔗种植条件、行业经济和疫情的持续影响，巴西乙醇产量进一步下降至3045万吨，约占美国产量的一半，欧盟占全球产量的5%，与2020年持平，尽管印度的产量显著增加至344万吨，但没有其他国家的份额超过3%。

尽管如此，美国的出口仍较为低迷，出口量降至五年来的最低水平。加拿大仍然是第一大目的地，占美国乙醇出口量的近三分之一，比2020年有所增加。与此同时，对韩国的出口销售额大幅增长，超过印度成为第二大出口目的地。值得注意的是，2021年中国重新加入了购买者的行列，系自2018年双反和贸易摩擦以来首次大规模购买美国乙醇[9]。出口总额下降的主要原因是，巴西对从美国进口的所有乙醇产品征收了20%的关税，这导致美国对巴西的发货量进一步大幅下降，除在甘蔗收获间期购买了适量的美国乙醇外，巴西在全年其他时间并未成规模进口美国乙醇。

燃料乙醇深度解析：工艺改进助力减排目标，碳中和优势明显

得益于发达的农业资源，美国拥有世界上最大规模的乙醇生产能力，这也直接影响了早期美国的生物能源路线选择。美国燃料乙醇产销量均位居世界第一，占全球燃料乙醇生产总量的一半左右。2021年，全球燃料乙醇产量达到1.24亿吨，美国生产5869万吨，占世界总产量的47%。其中，在交通领域的利用也始终走在前列，当前全美市面上销售和使用的汽油几乎全部添加10%无水乙醇（E10），2022年4月，拜登总统针对掺混比例更高的E15乙醇汽油提出了更有力的支持政策，容许其全年销售，尽管现阶段市场覆盖率较小（5%左右），但为燃料乙醇行业发展带来更多机遇

全美超过91%的燃料乙醇通过干磨工艺生产，其余来自湿磨法。这两种工艺的主要区别在于对谷物的初始处理。平均1蒲式耳玉米（25.4公斤）由干磨法生物炼制生产可以得到：1）2.9加仑（11升）变性燃料乙醇；2）6.95公斤的酒糟饲料（含10%水分）；3）0.36公斤的玉米蒸馏油；4）7.7公斤的捕获生物二氧化碳。值得注意的是，仅在2021年，乙醇生物精炼厂捕获二氧化碳总计达270万吨，这些二氧化碳被用于干冰生产、装瓶、食品加工和其他用途。

图表：美国燃料乙醇生产以干磨法为主（2021年）

资料来源：RFA，USDA，中金公司研究部

图表：美国不同原料生产乙醇占比（2021年）

资料来源：RFA，中金公司研究部

干磨法（Dry Milling）：玉米收获和储存后，工厂将玉米研磨成较小的颗粒，小颗粒玉米粉在随后的加工流程中可以提高乙醇的产出率。随后进入下一道工序，按照最大经济效益和转化率配比的水和酶将会被添加到玉米粉中搅拌形成泥状物，在大型加工炉中进行蒸煮，冷却后转移至发酵罐中使淀粉糖化，分解为葡萄糖。如前所述，得益于工艺的升级，现阶段美国各州在役的生物乙醇工厂，可以收集混合物液化和发酵过程中产生的二氧化碳。发酵完毕后的混合物将会进入蒸馏柱，蒸馏获得的乙醇需使用分子筛（Molecular Sieve）去除乙醇中的水分，进而得到纯化的产品。同时，为了使其区分于食用酒精（生产此类酒精面对完全不同的法律规制和额外的酒精饮料税）一般会在无水乙醇中加入2%的汽油变性剂（Denaturant）使其无法饮用。此时获得的乙醇在经过与汽油的掺混之后，即可进入全美的燃料消费市场。

蒸馏后的剩余物质，通过离心分离和进一步的加工可以获得玉米油以及酒糟副产品（含可溶物干玉米酒糟Distiller’s Dried Grains with Solubles，DDGS），玉米蒸馏油除可以用作饲料外也可用于制作生物柴油，而DDGS因具有较高的能量价值且富含蛋白质，多被用于动物饲料，作为饲料中的蛋白质来源，与玉米和豆粕等有替代作用，我国曾大量从美国进口。

湿磨法（Wet Milling）:对谷物杂质进行清理后，先进行乳酸条件下浸泡，将玉米颗粒分离成基本的组成部分。浸泡过后的混合液，通过研磨加工，分离玉米胚芽（可以用于提取玉米油）。剩余的纤维、面筋和淀粉成分进一步分离。谷蛋白成分被过滤和干燥，以产生动物饲料。剩下的淀粉可以发酵成乙醇，后续步骤和干磨法相似。

图表：干磨法燃料乙醇生产流程

资料来源：RFA，中金公司研究部

工艺提升使得生产燃料乙醇过程中的碳排放不断下降。从2005年到2019年，单位面积玉米产量持续增加，达到168蒲式耳/英亩（10.5吨/公顷，增长15%），而由于每英亩的化肥投入保持不变，所以化肥投入强度下降（每蒲式耳玉米收获所需要的氮和钾肥用量分别减少7%和18%）。同时，由于乙醇生物工厂的技术改进，乙醇的转化率增加了6.5%，转化率从2.70加仑乙醇/蒲式耳玉米增加至2.86加仑乙醇/蒲式耳玉米（根据RFA最新统计，2022年全美平均单位蒲式耳玉米可以获得已达到2.9加仑变性燃料乙醇），在此基础上乙醇工厂的能源使用减少了24%。综合计算，美国玉米乙醇温室气体排放强度（碳强度Carbon Intensity）在15年间显著降低（减少了23%），美国燃料乙醇行业通过降低单位碳强度和增加乙醇生产量两种渠道，获得的温室气体减排总收益估计为1.4亿吨，同期运输燃料市场中用玉米乙醇汽油替代石油汽油，导致温室气体减排总效益为5.44亿吨。

生物柴油发展迅猛：但支持力度减弱，增速放缓

近年产量增长显著，已超越印尼成为全球第二大产区

美国生物柴油的发展晚于燃料乙醇，美国用于制作两种生物燃料的主要原料玉米和大豆产量充足，2021年其燃料乙醇产量位列世界第一，生物柴油产量居世界第二，当年美国生产生物柴油850万吨，约为同期乙醇产量的七分之一。而全球生物柴油2021年产量为4827万吨，燃料乙醇产量为12438万吨，约为生物柴油产量的2.58倍。

从数据上可以看出，全球生物柴油增速最高的时间是从2000年开始至2015年，在2008-2010年全球经济衰退前于2017年一度曾录得60%年同比增涨。美国最早于2004出台《创造就业法案》（American Jobs Creation Act of 2004）生物柴油政策。首次推出针对生物柴油消费的补贴方案，规定每混合一加仑生物柴油可以享受1美元的税收抵免[10]。该政策出台后美国生物柴油产量增速创历史最高纪录，达到225%的同比增速。在经过2008-2010年的衰退后。随着上台的奥巴马政府继续加大对生物能源的政策支持力度，制定了推进美国生物燃料开发和商业化的战略步骤，同时EPA监督下的RSF对生物柴油产量标准得到执行，美国生物柴油产量再次大幅增长。

通过对比生物柴油和燃料乙醇数据可以看出，由于美国和欧洲燃料乙醇掺混比例提升不大，而巴西因为早已普及使用E85的灵活燃料汽车，未来对燃料乙醇的需求增长边际贡献有限，在过去相当长的一段时间以来全球燃料乙醇产量、消费增速明显缓于生物柴油。

图表：全球生物柴油产量不断扩张

资料来源：OECD，中金公司研究部

图表：2021年美国生物柴油产量占全球约两成

资料来源：OECD，中金公司研究部

图表：全球生物柴油和燃料乙醇同比增速对比

资料来源：OECD，中金公司研究部

图表：美国生物柴油和燃料乙醇同比增速对比

资料来源：OECD，中金公司研究部

产能集中于中西部和德州、阿肯色等地区，产能连续三年小幅下降

2022年1月，生物柴油生产商在全美共运营72家工厂，美国生物柴油生产能力总计为23亿加仑/年，比2021年1月减少了2亿加仑/年。这种产能下降趋势自2019年开始，伴随疫情一直延续至今，已连续三年小幅度下滑。美国生物柴油产能的一半以上位于中西部，主要位于爱荷华州、密苏里州和伊利诺伊州，其余大部分位于海湾和西海岸，在前15个生产生物柴油的州中，有10个位于中西部。燃料乙醇生产者占美国生物燃料总产能的81%，其次是生物柴油生产者，占11%，可再生柴油和其他生物燃料生产者占8%。

爱荷华州是美国最大的玉米和大豆生产州。自2001年以来，每年都是美国生物柴油产量最高的州。爱荷华州拥有全美最大的生物柴油工厂产能，2022年达到每年近4.7亿加仑，约占全国总产能的21%。自2016年超过伊利诺斯州和密苏里州以来，德克萨斯州一直是全美第二大生物柴油生产州，工厂位于德州休斯顿的Rbf Port Neches LLC公司拥有全美最大的生物柴油炼制能力，每年可生产1.44亿加仑生物柴油，几乎与整个东海岸的产能相当。

图表：全球生物柴油产量不断扩张

资料来源：EIA，中金公司研究部

图表：美国生物柴油产能变化趋势

资料来源：EIA，中金公司研究部

消费受政策刺激快速增长，2019年以来与传统柴油价格差距进一步拉开，掺混需求缓慢下滑

欧洲是全球生物柴油消耗最多的地区，其后分别是美国、印度尼西亚和巴西，2021年欧盟消费1751万吨生物柴油，占全球的30%，美国消费944万吨，占全球生物柴油消费总量的19%。印度尼西亚消费780万吨，巴西消费560万吨。美国在全球生物柴油市场上的消费和产量占比高度一致。

2004年《创造就业法案》推出针对生物柴油的消费补贴后，美国生物柴油消费量出现爆发式增长。走出衰退后，受益于奥巴马政府对于可再生能源政策的支持以及可再生燃料标准的执行步入正轨，自2010年以来，美国生物柴油消费量迅速增加。2001年消费量为24万桶，2004年为64万桶，2010年为619万桶，2011年时则达到2110万桶，2018年消费量已高达4533万桶，分别是2001年和2010年消费量的185倍和7倍。随后2019年以来，美国生物柴油消费量一直在小幅下降。而生物柴油消费也反映出了和生产相同的季节性。消费量的增加较产量增加提早半个月到一个月之间，对产量扩张有较强作用。

通过对于生物柴油和传统柴油价格的对比，可以明显地发现，当2019年生物柴油价格高于传统柴油之后，生物柴油的使用和生产都出现了明显的缓慢下行，考虑到RIN市场对于提升可再生能源竞争力的作用，当价差较小时这种倾向不明显，而当2019年两者价差快速拉开后，这种对于消费的选择以及企业对产能资本开支更审慎的态度就暴露无疑了。

图表：全球生物柴油消费结构（2021年）

资料来源：OECD，中金公司研究部

图表：全球生物柴油消费情况

资料来源：OECD，中金公司研究部

图表：生物柴油和传统柴油的价格对比

资料来源：USDA，中金公司研究部

图表：生物柴油进出口情况

资料来源：EIA，中金公司研究部

2022年1月至7月美国进口生物柴油276万桶，出口441万桶，净出口165万桶，去年同期净出口约29万桶。2019年至今，每年净进口量仅55-65万桶，只占美国生物柴油总供给的一成左右，目前主要进口来源是德国、加拿大和西班牙，而从历史数据来看，美国生物柴油进口过去主要来自阿根廷和印度尼西亚，来自两国进口量自2013年迅速增长，直到2017年美国商务部决定对阿根廷及印度尼西亚的进口生物柴油征收反补贴税，限制了两国生物柴油进口，美国的生物柴油进口量开始迅速下滑，从2016年的1688万桶下滑至2018年的3969千桶，随后几年有所回升，2021年共进口500万桶，净进口仅为55万桶。

贸易量低位徘徊，国内交通运输使用为主，德州消费下滑明显

自2013年以来，德克萨斯州的生物柴油消费量是所有州中最多的，它在2020年消费了近636.4万桶，约占全国总量的14%。德克萨斯州的馏分燃料油（柴油）消费量在所有州中较为领先，其车辆行驶里程数在全国排名第二，仅次于加利福尼亚州。德克萨斯州还要求政府车队使用替代车辆，并提供一些与生物柴油有关的激励措施。加利福尼亚州有许多与生物柴油有关的法律和激励措施，在2018年超过了伊利诺伊州，成为生物柴油消费量第二多的州，2020年消费了近634.4万桶生物柴油，与德克萨斯州相差无多。此前德州的生物柴油消费量接近加州的两倍，相较于2018年近800万桶的消费[11]，德州生物柴油的使用量出现了大幅度的下降，而加州则在两年间增加了约200万桶的消费。

图表：2020年美国各州生物柴油消费情况

资料来源：EIA，中金公司研究部

生物柴油深度解析：品种多样性和技术进步潜力尚有空间

生物柴油是一种来自植物或动物的柴油燃料，由长链脂肪酸酯组成。它通常是通过将动物脂肪（牛脂）、大豆油、棕榈油或其他一些植物油等脂质与醇化学反应制成的，通过酯交换过程产生甲基、乙酯或丙酯。

与用于为改装柴油发动机提供燃料的植物油和废油不同，生物柴油是一种即用型生物燃料，这意味着它与现有的柴油发动机和分销基础设施兼容。它通常与石油柴油混合，因为大多数发动机未经修改不能使用纯生物柴油运行。美国国家生物柴油委员会将“生物柴油”定义为单烷基酯。生物柴油和传统碳氢化合物基柴油的混合物最常用于零售柴油燃料市场。世界上大部分地区使用称为“B”因子的系统来说明任何燃料混合物中生物柴油的含量。

纯生物柴油被称为B100，它也可以与传统柴油混合，最常见的是B5（5%的生物柴油和95%的柴油）和B20（20%的生物柴油和80%的柴油）。生物柴油已经在美国环境保护署（EPA）注册，且被准许以任何掺混比例在道路和非道路柴油车辆（非道路车辆主要指农机等）上合法使用。

生物柴油的生产工艺和分类：生物柴油通常由植物油或动物脂肪原料酯交换反应生产。进行这种酯交换反应的方法有几种，包括普通间歇法、非均相催化剂、超临界法、超声法，甚至微波法。在化学上，酯交换生物柴油包括长链脂肪酸的单烷基酯的混合物。最常见的形式使用甲醇（转化为甲醇钠）来生产甲酯（通常称为脂肪酸甲酯 – FAME），因为它是最便宜的酒精，尽管乙醇可用于生产乙酯（通常称为脂肪酸乙酯 – FAEE）生物柴油和高级醇，如异丙醇和丁醇也被使用过。使用较高分子量的醇可以改善所得酯的冷流动性能，但代价是酯交换反应效率较低。脂质酯交换生产工艺用于将基础油转化为所需的酯。基础油中的任何游离脂肪酸（FFA）要么转化为肥皂并从工艺中去除，要么使用酸性催化剂进行酯化（产生更多的生物柴油）。经过这种处理后，与纯植物油不同，生物柴油具有与石油柴油非常相似的燃烧特性，并且可以在当前大多数用途中取代它。大多数生物柴油生产过程中使用的甲醇是使用化石燃料投入制成的。然而，有一些使用二氧化碳或生物质作为原料制造的可再生甲醇来源，使其生产过程不含化石燃料。酯交换过程的副产物是甘油的生产。

图表：生物柴油的分类

资料来源：美国国家生物柴油委员会，中金公司研究部

图表：生物柴油的生产工艺

资料来源：美国国家生物柴油委员会，中金公司研究部

在全球的生物柴油的生产结构中，植物油因为产量较大且较为稳定，所以在所有原料中占比最高。2021年，棕榈油占全球生物柴油生产原料的30%，主要集中于欧盟地区、印度尼西亚和马来西亚等地区，而豆油则占生产的25%，集中于美国和巴西等大豆主产区，随后分别是废弃食用油占比15%，菜籽油占14%，动物油脂仅占8%。而在美国，豆油占生产使用的50%，而玉米油也占到15%，值得注意的是，玉米油本身也是燃料乙醇的副产品。

图表：全球生物柴油原料结构（2021年）

资料来源：EIA，中金公司研究部

图表：美国生物柴油原料结构（2021年）

资料来源：EIA，中金公司研究部

生物柴油较传统化石柴油具备的关键优势是减轻排放，它减少了一氧化碳、颗粒物（PM）和硫酸盐，以及碳氢化合物和空气毒性物质的排放。

传统化石燃料价格不直接影响生物燃料产消，但二者价格呈现“共振”效应

2022年以来，受到俄乌地缘冲突的影响，能源价格与粮食价格均出现大幅攀升，引发全球对于上游大宗商品供给问题的担忧。而生物燃料作为传统化石燃料的替代品，同时又是农产品下游消费的新兴力量，在能源市场与粮食市场之间形成了纽带。当前，市场普遍关注在传统化石能源价格上涨之时，生物燃料是否会通过增加产量来弥补能源市场的供给，达到平抑能源价格上涨的效果。此外，在生物燃料行业蓬勃发展之际，其对于玉米、油脂等农产品的大量消费是否将导致粮食市场供给的收缩。

与化石燃料相比，生物燃料经济效益较低

由于生物燃料当前主要作为传统化石燃料的替代品，其产量会一定程度受到原油价格的影响，当原油价格高企时，生物燃料的经济效益显现，下游消费增加，将会刺激生产商加大生物燃料的生产。从热值比较来看，生物柴油热值为37.27MJ/Kg，比传统柴油低9%，因此，生物柴油与传统柴油比价应该:1:1.1；而燃料乙醇热值为26.77MJ/Kg，常规汽油热值为43.5MJ/Kg，因此，燃料乙醇与传统汽油比价应该在1:1.62。而从美国实际的生物燃料与传统化石燃料的比价中我们看到，生物燃料往往价格都会高于基于化石燃料价格估算的理论价格，自2019年至2022年4月，根据IEA数据显示，美国生物柴油与美国柴油之间比价平均值为1:0.47，美国燃料乙醇与美国汽油间比价为1：1.08。不仅美国生物燃料出现溢价情况，欧洲地区生物燃料也高于理论价格。因此，整体来看，当前生物燃料的价格是明显高于释放同等热量的化石燃料的，消费者从经济效益角度出发，并没有动力去主动选择生物燃料进行消费，因此政府需要进行及时的补贴，来刺激生物燃料的需求。

图表：燃料乙醇与汽油价格对比

资料来源：IEA，中金公司研究部

图表：生物柴油与汽油价格对比

资料来源：IEA，中金公司研究部

原油价格波动对于生物燃料产量影响并不显著，生物燃料产量主要受政策支持及季节性主导

在发现了原油价格与生物燃料价格的联动性后，我们进一步分析传统能源价格的波动是否将进而影响到生物燃料的基本面。首先我们发现，不论是美国的燃料乙醇还是生物柴油，其产量均呈现出较强的季节性规律。

图表：美国燃料乙醇产量季节性

资料来源：EIA，中金公司研究部

图表：美国生物柴油产量季节性

资料来源：EIA，中金公司研究部

而从季节因子来看，燃料乙醇的产量旺季主要是冬季的12月-次年1月，这也对应着美玉米收割结束后，供应较为充足。但尽管大豆也在秋季收获，生物柴油的产量高峰却从每年的3月开始延续至夏天，我们认为，这主要是生物柴油在冬季性能表现不佳导致的。柴油冬季的表现性能主要通过Cloud Point（CP）来衡量，在温度低于CP时，生物柴油里将会开始出现固体结晶。生物柴油的CP约在1℃，而一号柴油的CP则在-40℃，二号柴油的CP也在-18℃[12]，相比而言，生物柴油在冬天更容易因为低温出现结晶堵塞而无法正常使用。因此，柴油车辆的掺混比例多选择B2或B5，而导致生物柴油的掺混量有所下降。

图表：美国燃料乙醇产量季节因子

资料来源：EIA，中金公司研究部

图表：美国生物柴油产量季节因子

资料来源：EIA，中金公司研究部

在去除季节性规律后，我们看到燃料乙醇与生物柴油的产量还具备较强的年度趋势性，自2005年美国能源政策法案落地以来，燃料乙醇及生物柴油产量逐年上涨。在2000-2010年间，燃料乙醇产量呈现迅速抬升态势，而生物柴油产量也在2004-2020年间明显上行。然而，我们并没有观察到原油价格在2000-2020年内呈现出明显的年度趋势，这说明，在美国政府的鼓励政策之下，生物能源作为新兴行业，其产量在近20年间处于快速扩张期内，叠加EPA的强制掺混政策，使得生物燃料的推行更加顺畅。因此，我们对生物燃料产量进行去趋势化处理。

图表：燃料乙醇去除年度趋势

资料来源：EIA，中金公司研究部

图表：生物柴油去除年度趋势

资料来源：IEA，中金公司研究部

在去除年度趋势后，我们看到无法被季节性与年度趋势解释的燃料乙醇产量（E_re）与生物柴油产量（D_re）近似正态分布的分布形态。对于E_re而言，数据均值为0，标准差为749，对于D_re而言，数据均值为0，标准差为151。且从相关性来看，E_re与D_re均与原油价格走势不再相关。因此，我们认为，生物燃料的产量主要是受到政策鼓励下逐年上行的产量趋势与季节性规律共同主导。

图表：去除季节性与趋势性后的燃料乙醇产量

资料来源：IEA，中金公司研究部

图表：去除季节性与趋势性后的生物柴油产量

资料来源：IEA，中金公司研究部

生物燃料消费主要受EPA政策引导，长期趋势下并不受原油价格波动影响

我们在上文中提到，将生物燃料搀兑至成品油中更多是一种政策性需求（并非市场化需求）。首先，我们看到，生物燃料的成本高于其混合的石油基传统燃料。在这种情况下，掺混商以更高的价格出售RIN，以便他们可以抵消更昂贵的原料成本，并继续以适合RFS合规性的水平进行混合。在掺混量达到EPA要求后，生产商不再有动力自发地进行生物燃料消费。其次，RFS目标设定的水平高于正常市场驱动下生物燃料消费所能支持的水平。在这种情况下，较高的RIN价格鼓励混合到更高的目标水平。这些超额价值激励了掺混商和零售商以折扣价提供更高的生物燃料混合物，进而鼓励增加生物燃料的消费量，以满足增加的RFS目标。因此，生物燃料的消费量主要是以EPA规定的掺混量为准，而不受原油价格波动影响。

图表：美国燃料乙醇消费量

资料来源：EIA，中金公司研究部

图表：美国生物柴油消费量

资料来源：EIA，中金公司研究部

原油价格与生物燃料价格的共振效应

虽然当前生物燃料价格明显高于基于热量计算的理论价格，但生物燃料与对应的化石燃料之间价格走势仍然十分相关。而柴油与汽油作为原油的裂解产品，与原油价格走势也较为密切。因此，我们看到，美国燃料乙醇与布伦特原油价格走势相关性达到了0.79，而美国生物柴油与布伦特原油价格走势相关性也达到了0.7。

宏观经济周期的普遍影响

从上文分析发现，既然原油价格不会直接对于生物燃料的产量与消费量造成影响，那么为何两者的价格之间会呈现出较强的相关性。在1990年Pindyck和Rotemberg的The excess co-movement of commodity prices[13]中选取了七类商品，并发现即使在交叉弹性几乎为零的商品之间也会呈现出一定的价格共振。而解释价格共振现象的首要原因，就是宏观经济对供需的普遍影响，例如当工业生产上升时，不论是能源板块还是有色金属板块，其作为生产原料都会同时出现的价格上涨，而工业生产值的上升则会提高居民收入，进而促进农产品板块的消费，推升农产品板块价格。此外，在Gohin和Chantret 2020年的The Long-Run Impact of Energy Prices on World Agricultural Markets: The Role of Macro-Economic Linkages[14]中发现，除了直接添加原油作为原料的商品外，由于固定生产的成本的存在，原油价格的波动短期内不会从成本端明显显现。因此，我们选择美国工业生产指数、美国CPI同比与美国居民收入同比变化作为宏观指标观测，我们发现宏观指标与能源价格走势较为相关，且经过显著性检验后，上述宏观指标作为商品价格的自变量，均能通过5%的显著性检验。因此，在宏观经济周期的影响下，原油价格与生物燃料价格的共振并不能说明两者间具备因果关系。

图表：燃料价格与宏观指标走势

资料来源：Wind，中金公司研究部

原油价格波动下，市场情绪助推生物燃料价格

除了宏观因素对与市场的普遍影响，我们认为生物燃料与传统化石燃料的替代关系也导致两者价格的相关性增强，这主要是因为，在能源价格快速波动时，市场倾向于关注能否通过增加生物燃料的产量而对冲化石燃料价格上涨所带来的冲击，虽然生物燃料并未受化石燃料价格上涨的带动而出现增产，但市场关注度的提升也将短期内对行业价格形成利好。此外，从行为金融学角度，商品之间的共振可能是因为金融市场上的“herd behavior”，即交易商们倾向于认为整个商品板块的价格会遵循相同的行情走势，即使并没有基本面的支撑。在Pindyck和Rotemberg的研究中，我们看到期货市场上商品的价格上涨可能是因为其他版块价格上涨的连带效应。那么，在原油价格出现明显波动时，投资者的“herd behavior”将会认为整个能源板块均具相似的价格走势，进而推动生物能源价格跟随原油价格波动。

生物燃料产量上涨或是CBOT粮价上涨的重要推手，但近年来影响逐步趋弱

玉米、油料作物作为美国生物燃料的原材料，生物燃料的发展会直接相关农产品需求。根据IEA数据显示，2021/22年度，美国燃料乙醇产量为156.03亿加仑，按照每加仑燃料乙醇消耗11.84kg玉米计算，折合消费玉米1.85亿吨，占2021/22年度美玉米产量的48.25%，占美国国内玉米总消费的58.25%；从生物柴油看，2021/22年度以豆油为原料生产的生物柴油产量为16.36亿加仑，按照每加仑生物柴油消耗7.6磅豆油计算，折合消费豆油124.34亿磅（563.97万吨）占2021/22年度美豆油产量的47.55%，占美国国内豆油消费的50.13%。若按照美豆19%的出口率来计算，则需要消费美豆2968.24万吨，占2021/22年度美豆产量的24.42%，占美豆国内消费量的47.28%。

生物燃料导致美玉米、豆油消费量明显上涨

在了解到生物燃料对玉米及豆油较大的消费需求后，我们认为，生物燃料从消费端对于国际玉米及油脂油料作物价格均形成了较为明显的推升。在2001-2021年间，CBOT玉米年均价由213.18美分/蒲式耳上涨至569.16美分/蒲式耳，累计涨幅为165.9%，而大豆价格也由459.14美分/蒲式耳上涨至1361.58美分/蒲式耳，累计涨幅达171.6%。然而，从生产成本来看，美玉米的农资成本2001年为119.56美分/蒲式耳，其余成本为154.59美分/蒲式耳，因此，2001年每蒲式玉米的生产成本为274.14美分/蒲式耳，反观2021年，每蒲式耳生产成本上涨到了401.47美分，较2001年上涨127.32美分，远低于期货价格上涨的355.98美分/蒲式耳。美大豆情况与美玉米类似，2001年至2021年间，美豆生产成本由619.76美分/蒲式耳上涨至984.57美分/蒲式耳，累积上涨364.82美分/蒲式耳，但期货价格却上涨了902.45美分/蒲式耳。那么，生物燃料产量的大幅上涨便成为了美玉米与美豆需求端的显著变数，或成为农作物价格上涨的重要推手。

图表：美玉米生产成本及CBOT玉米价格

资料来源：USDA，中金公司研究部

图表：美豆生产成本及CBOT大豆价格

资料来源：USDA，中金公司研究部

图表：美玉米出口与燃料乙醇产量关系

资料来源：EIA，中金公司研究部

图表：美国生物柴油产量及大豆出口量

资料来源：EIA，中金公司研究部

生物燃料高需求下，美玉米及美豆出口份额受到压缩

除了对价格的显著推升外，美国对于生物燃料的大力发展大概率将扰动全球农产品的出口供给。美国作为全球主要的农作物出口国，对于稳定国际粮食供应链具有显著作为，但我们看到，在2001-2021年间，美玉米的出口占全球玉米总出口的比例由63.44%下降至29.88%，美豆出口占全球大豆出口比例由54.02%下降至32.91%。我们测算发现，美豆出口占全球大豆出口比例与美国生物柴油产量相关性为-0.76，美玉米出口占全球玉米出口比例与美国燃料乙醇产量相关性为-0.84。可见，美国大力发展生物燃料，对于全球的粮食出口形成了一定挑战，出口量的下降可能加剧粮食危机的担忧。

最新RVOs方案不及预期，生物燃料对相应农作物消费提振逐渐放缓

12月1日美国EPA公布可再生燃料掺混方案，该方案将对未来三年的掺混比例进行指导。与市场先前的乐观预期相悖，该方案将2023-2025年的可再生燃料掺混义务量（RVOs）分别定为208.2加仑、218.7加仑与226.8加仑，虽呈现逐年上涨趋势，但涨幅并不及市场预期。其中，2023年还有2.5亿吨的补充义务，因此总体上2023年的义务量达到210.7亿磅。从可再生能源掺混方案规定来看，2022年生物质柴油为27.6亿加仑，2023年生物质柴油为28.2亿加仑，我们取两年平均作为2022/23作物年度内的生物柴油量，在按照每加仑生物柴油需要7.6磅豆油以及50%的豆油投料比计算，2022/23年度美豆油生柴需求预计为108.81亿磅，低于11月USDA的118亿磅的预计，对豆油价格形成明显利空。

向后看，我们认为美国生物燃料行业发展前景稳健，但难有跨越式增长

碳中和与ESG背景下生物燃料具备独特优势 但或已充分释放

自工业革命以来，化石能源承担着供养经济社会发展的重任，而对于能源短缺的担忧也如同悬在人类发展上的达摩克利斯之剑。近年来，随着环境问题的日益尖锐，寻找替代能源的需求和呼声日益高涨。生物燃料生产主要来源于植物（作物为主，当前动物脂肪占比较少），作物在生长过程中可以将空气中的碳固定，而碳化合物也作为载体将植物通过光合作用固定下来的能量保存。人类通过食用（植物的果实和由其供养的其他动物）和燃烧（木柴等直接使用或地质运动后动植物遗体形成的化石能源）等方式对这些能量加以利用。但是由于化石能源的形成需要极长的时间周期，其所固定的碳量级较大，现代工业在对这些能量加以利用时，不可避免造成多余的碳以温室气体的形式在大气中堆积和滞留。相较于传统化石能源动辄以亿年为单位的碳循环周期，生物燃料的完整循环周期明显缩减。

工业化以来的两百年余年，燃烧化石能源导致大量以固体形式存在于地质中的碳被释放出来，使得短期内大气中温室气体浓度上升。而生物燃料的固碳效应，使得在大气中的碳被吸收和释放的速度趋于一致，可以使得大气中碳含量的波动率（短期内的上升趋势）可以得到有效的控制，这一特点符合实现全球碳中和的共识，所以发展生物燃料是实现碳中和目标，以及可再生能源开发利用的重要方向。

用生物燃料取代化石燃料能产生许多好处。与可耗尽资源的化石燃料相比，生物燃料是由可再生原料生产的。因此从理论上讲，它们的生产和使用可以无限期地持续下去。而根据EPA对可再生燃料标准（RFS）的分析预测，几种类型的生物燃料在30年内产生的生命周期温室气体排放量低于汽油[15]。同时，与传统燃料相比，第二代和第三代生物燃料在减少温室气体排放方面具有潜力，因为原料可以使用边际土地生产。此外，就废物生物质而言，不需要额外的农业生产，如果废物没有其他生产用途，间接市场所导致的温室气体排放量可以降至最低。

但必须指出，生物燃料的生产和消费本身不会减少温室气体或常规污染物的排放，不会减少石油进口，也不会减轻对可耗尽资源的压力。生物燃料的生产和使用必须与减少化石燃料的生产和使用同时进行，才能产生这些效益。如果生物燃料的排放和资源需求增加，而不是取代化石燃料的排放和需求，那么这些优点也就不复存在了。

图表：生物燃料碳循环周期显著短于传统化石燃料

资料来源：USDA，中金公司研究部

第一代生物燃料由糖作物（甘蔗、甜菜）、淀粉作物（玉米、高粱）、油籽作物（大豆、油菜籽）和动物脂肪制成。糖和淀粉作物通过发酵过程转化为生物醇，包括乙醇、丁醇和丙醇（可利用生物燃料以乙醇为主），而植物油和动物脂肪等可以加工成生物柴油。乙醇是使用最广泛的生物酒精燃料，在美国，大多数车辆可以使用含有10%乙醇（按体积计）的乙醇汽油，灵活燃料车辆可以使用E85，这是一种含有85%乙醇汽油。截至2022年11月，美国各地有超过4180个E85加油站，同时有超过810个加油站提供含有20%及以上的生物柴油掺混柴油[16]。第二代生物燃料或纤维素生物燃料由纤维素制成，纤维素可从非粮食作物和废弃生物质（如玉米秸秆、玉米芯、稻草、木材和木材副产品）中获得。第三代生物燃料使用藻类作为原料。商业纤维素生物燃料生产于2013年在美国开始，而藻类生物燃料尚未商业化生产。

明晰美国政策定位，稳健发展或成未来生物燃料主旋律

总体来看，美国常规可再生燃料（燃料乙醇）的掺混比例呈现基本稳定的态势，而高级生物燃料的增速也在逐渐放缓当中，燃料乙醇对于美国玉米的使用占比自2012/2013年度达到41.9%峰值后便维持在较为稳定的水平还略有下降，而生物质柴油作为后起之秀也于2021/22年度达到了同样接近四成的38.4%的美豆油使用历史最高比例。综合考虑美国政府对于生物能源的定位：减少对外石油依赖性、消耗过剩的农业资源、对第一产业进行变相转移支付、创造就业和推动技术进步，我们认为在保障粮食供应的基础上，美国所能提供的政策支持或将维持在40%的相应农产品消费量，即预计生物燃料板块未来对于农产品消费量的影响或将变得较为保守且有限。

我们认为，考虑到两党对于环境保护的态度差异，生物燃料所具备的减碳优势或始终不是美国社会或者说美国政府所关注的主要政策目标。与此同时，扩大生物燃料发展对农产品的需求将进一步推升农产品的价格走高，而这种程度的上涨对于美国国内的通货膨胀以及低收入群体造成的压力也势必需要纳入考量，继续扩大对于生物燃料的生产和使用并不符合美国社会的整体利益。而页岩气革命后，美国社会整体的能源使用安全也获得较大提升，这也使得对于可再生替代能源的需求没有此前那样迫切。

另一个值得注意的点是，15%以上掺混比例的乙醇汽油（E85）会对不经特殊处理的车辆以及地下储油设施（加油站设施）造成腐蚀，而使用这种更高掺混比例的灵活燃料汽车（FFV）目前占全美总注册车辆的8.5%，而能提供E85的加油站占全美汽油站总数的3.4%，也就是说在全美成品油特别是汽油使用增速无明显增长的前提下，对于乙醇汽油的需求也不可能出现大幅增长。而新能源汽车的发展也并不只局限于此，电动汽车近年来的异军突起显著压缩了生物燃料也包括传统燃料进一步发展的空间。在某种程度上可以说，不同类型新能源之间在技术路径上互为有替代效应的竞争者。

eRINs登上舞台：RFS改革推进可再生电力发展

在EPA公布的最新预案中，除了生物质柴油的发展不及预期外，电力可再生识别号（eRINs）也出现在市场的关注中。该方案旨在明确如何将可再生电力纳入RFS的支持中。EPA提议的eRINs方法将允许汽车初始设备制造商（OEMs），通过与合格的沼气发电方签订合同，根据他们销售的电动汽车产生eRINs。根据该预案，eRINs将表示汽车生产商在新制造的以及此前销售的（传统的）轻型汽车制造过程中所消耗的可再生电力数量，以监督和确保OEM已经协议购买或使用了满足义务要求的可再生电力，进而确保足额的可再生电力被产出。只要OEM证明其生产的车辆使用了相应数量的“环保”电力，将允许规模化生产的可再生电力投入到服务于美国本土的商业电网中，以获得eRIN。根据拟议的方法，EPA将为沼气发电场和电力生产商制定要求，但将只允许OEMs生成eRIN（这类似于传统RIN体系中RINs仅由制造商产生，且具备可分离属性），而eRIN随后将在多方之间通过市场进行分配。

此外讨论的替代方案还包括：允许可再生电力生产商生成eRIN，允许公共充电站生成eRIN，允许独立第三方生成eRIN，以及一些允许多方生成eRIN的混合方法。但该预案尚处于提议和征求意见阶段，最终将以何种方式执行尚无法明确，但是通过RIN市场对于未来可再生能源以及环保发展的制度化市场调控手段或会成为常态。进一步的，这种手段是否会成为今后美国政府进行产业政策调控的固定路径也值得关注。

[1]https://www.nytimes.com/2022/04/12/business/economy/biden-ethanol-gas.html

[2]https://www.reuters.com/business/energy/brazil-keep-10-biodiesel-mandate-until-march-cnpe-2022-11-21/

[3]https://www.reuters.com/business/sustainable-business/indonesia-runs-road-test-biodiesel-with-40-palm-oil-2022-07-27/

[4]https://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=53019

[5]https://www.epa.gov/renewable-fuel-standard-program/news-notices-and-announcements-renewable-fuel-standard

[6]http://www.nbd.com.cn/articles/2022-04-12/2215649.html

[7]https://www.epa.gov/newsreleases/epa-issues-emergency-fuel-waiver-e15-sales

[8]https://ww2.arb.ca.gov/our-work/programs/low-carbon-fuel-standard

[9]https://www.reuters.com/article/us-usa-ethanol-china-exclusive/exclusive-three-ships-carrying-u-s-ethanol-head-to-china-sources-idUSKBN2B02JN

[10]https://www.congress.gov/bill/108th-congress/house-bill/4520

[11]https://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=44496

[12]https://farm-energy.extension.org/biodiesel-cloud-point-and-cold-weather-issues/

[13]http://web.mit.edu/rpindyck/www/Papers/ExcessComovementCommodPricesEJ1990.pdf

[14]https://iatrc.umn.edu/wp-content/uploads/seattle-ChantretGohin.pdf

[15]https://nepis.epa.gov/Exe/ZyPDF.cgi/P1006DXP.PDF?Dockey=P1006DXP.PDF

[16]https://afdc.energy.gov/fuels/ethanol_locations.html#/analyze?country=US&fuel=E85

文章来源

本文摘自：2022年12月4日已经发布的《农产品：全球生物燃料系列·美国篇：行业稳健发展，但难有跨越式增长》

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