想象一下，如果你把宇宙中的所有东西都放在你的浴室秤上。其中 75%的重量来自元素周期表上最小的原子：氢。如此轻、如此小的原子是如何对我们周围的这么多事物负责的呢？氢的高结合潜力使其成为我们周围许多物品的关键组成部分，从肥皂和洗发水，到油漆和建筑材料，以及我们日常使用的塑料和包装。这些制造材料中的每一种都是化学品，由氢、碳和其他元素组合而成，为社会创造有用的产品。
在当今的美国，每年生产 1000 万公吨的氢——这与 2022 年爱荷华州使用的天然气质量相同——其中超过 90%被用作化工产品的原料。随着我们展望能源转型，我们看到对石化产品（包括塑料）的需求持续上升，导致全球对氢的需求和生产进一步增加。2019 年，用于化学品生产的氢产生了大约 1.3 亿吨二氧化碳当量的排放——几乎占美国化工部门排放量的一半。如今，大多数氢来自天然气（甲烷），并通过蒸汽甲烷重整反应转化为氢，同时产生大量的二氧化碳排放和热量需求。值得庆幸的是，有更清洁、更低排放的制氢途径，例如利用可再生能源将水转化为氢。通过在制造过程中用这种低排放的氢替代原料，可以减少与化学品生产相关的总体排放。通过解决工艺热问题——通过直接电气化、提高效率以及在高温应用中某些情况下将氢用作燃料——可以进一步减少排放。当我们谈到化学品时，我们经常将“初级”化学品称为少数几种被制造出来然后转化为社会上几乎所有化学产品的化学品。
这些化学品的列表可能会有所不同，但在本文中，我们将讨论五种主要化学品：氨、甲醇、乙烯、丙烯和苯。由于氢是许多化学品的基本组成部分，并且可以在这些设施中的高温过程中用作能源，其生产排放物在化工部门中起着关键作用。为了减少化工部门的排放，我们需要减少氢生产本身的排放，解决工艺热需求和来源问题，并解决与原料提取和加工相关的排放问题。
化工厂中的氢气生产及用途
氢气在初级化学品的制造过程中有两种主要用途：作为化学反应的原料，或者作为替代工艺热源以替代天然气。
情景一：用低排放氢气替代现有氢气原料
清洁氢气，例如电解氢，它利用可再生电力和水作为原料来生产氢气，可以引入化学制造过程以减少排放。Star e-methanol 项目正在进行这一尝试，该项目获得了美国能源部（DOE）工业示范计划的资助，利用电解氢和二氧化碳生产甲醇，与传统船用燃料相比，排放量减少了 90%以上。如果将初级化学品（氨、甲醇、乙烯、丙烯和苯）的所有原料氢气都替换为可再生的电解氢，这些化学品的生产总排放量可减少高达 32%，其中大部分减排来自氢气和氢衍生分子（氨和甲醇）。高价值化学品（乙烯、丙烯、苯）使用的原料氢气非常少，因此从原料来源转换中获得的益处较小。
情景二：用低排放氢气替代现有天然气供热
如今，化工厂的大部分热量输入来自天然气的燃烧，就像一些家庭厨房中的燃气灶一样。当天然气燃烧时，会产生二氧化碳和热量。然而，当氢气燃烧时，会产生水蒸气，对环境的影响要小得多。化工厂的加热器可以用电气化选项（热泵、直接电加热）替代，提高效率，或者有时进行改造以接受氢气作为热源而不是天然气。虽然这可能成本高昂，但对减少这些设施的排放也能产生巨大影响。由于反应所需的高温，化工厂中的一些加热器在短期内实现经济电气化面临很高的障碍，对于这些情况，氢气是减少排放的有力解决方案。例如，美国能源部工业示范计划资助了一个项目，通过对烯烃（乙烯和丙烯）生产商的天然气燃烧设备进行改造以使用氢气，从而避免每年 250 万公吨的碳排放。如果目前化工厂用于产生热量的所有天然气都被可再生能源直接电气化或利用可再生能源生产的电解氢所替代，化工部门的总排放量可减少高达 28%。（落基山研究所 CI 模型）。高价值化学品（乙烯、丙烯、苯）的排放量有可能减少 33%，而基于氢的化学品（氨和甲醇）的排放量有可能减少 21%。
用排放强度较低的生产方式取代现有的由天然气制取氢气的生产方式，在用作原料或工艺热源时，有可能大幅减少排放。根据每种化学品的制造工艺，从原料转换或燃料转换中可以看到更高的减排效果。我们必须清楚地了解每种制造工艺，以确定应在何处部署氢气作为减排杠杆，从而产生最大的影响。
益处与障碍
为了减少化工部门的排放，我们必须多管齐下——在原料提取和加工中寻找减排机会、提高效率、对工艺和热量进行直接电气化、进行工艺热燃料转换、开发替代工艺以及发现新材料。就氢气而言，有两个关键因素使氢气成为化工生产中有利的脱碳杠杆：
1）作为无数化学品的核心组成部分，它是化学品生产的关键要素；
2）它已经在化工行业中得到广泛应用，因此在减排方面有更多机会扩大其作用。对于氢气是关键试剂的化学品，用更清洁的氢气替代场外的灰氢可以减少排放，而无需进行任何现场改造或资本支出。此外，使用氢气的场所已经熟悉适当的处理程序、安全风险和泄漏缓解措施。尽管目前清洁氢气仅占全球氢气总产量的约1%，但有政策动力鼓励其生产。因此，预计到2030年，低排放（蓝氢和绿氢）氢气的供应量将增加到3800万吨，且价格更低。目前，向清洁氢气过渡的一个关键障碍是成本；通过水电解产生的氢气比通过天然气蒸汽甲烷重整产生的氢气更昂贵。降低清洁氢气生产成本并为低排放化学品创造市场的措施可以帮助推动更多的绿氢流入市场。这些措施包括可再生能源的可用性、电解技术的进步、供需结合、政策激励以及行业需求的增加。
此外，如果上游天然气蒸汽甲烷重整制氢的碳捕获过程中天然气泄漏率很高且未得到缓解，那么碳捕获装置的安装可能无法带来任何温室气体减排效益。存在甲烷认证计划来测量并提供解决方案以减少甲烷泄漏，以确保生产出更低排放的产品。向更清洁的氢气转变应与其他脱碳机会（如直接电气化和提高能源效率）进行权衡。
持续关注化学品的创新和替代生产路线将有助于进一步加速减排，因为随着新技术和具有更低能源需求的生产路线被发现。通过原料或工艺热利用通过低排放途径生产的氢气，在减少化工部门的温室气体排放方面显示出巨大的潜力。为了最大限度地减少排放，确定化工部门内最有效的应用并支持鼓励广泛部署清洁氢气的举措/政策至关重要。