如何用非化石燃料替代品替代石化产品

化石燃料不仅用于为汽车提供动力、为建筑物供暖和保持照明。 毫不夸张地说，它们几乎融入了我们生活的方方面面。

从蜡笔、化妆品和地毯到织物、肥料和药品， 约70,000 日常产品是用化石燃料生产的“石化产品”制成的。 这些产品无处不在，以至于许多石油和天然气公司 押注化工生产 即使能源、供暖和运输领域的化石燃料使用量下降，仍能维持业务。

这会给人类和地球带来严重后果。 仅在美国，化学品生产每年直接排放 1.8 亿吨二氧化碳当量 (MTCO2e)，相当于近 4900 万辆燃气动力汽车的年排放量。 2021 年，美国化学行业还释放了 176,000 吨有毒污染物，使社区面临水和空气污染以及急性呼吸道症状、皮肤和眼睛刺激等健康风险。 癌症。

该行业为减少这些影响可以采取的最重要步骤之一是用非化石替代品取代用作化学产品成分的化石燃料。 这就是所谓的“去石化”。

尽管去石技术前景广阔，但很少大规模使用，并且面临着复杂的障碍。 一些替代材料目前只能少量供应。 如果不小心使用，其他人可能会面临增加排放的风险。 世界资源研究所的新分析探讨了美国化学公司如何以及在何处利用现有技术和未来技术来减少对化石燃料的依赖，降低排放并改善附近社区的生活。

化石燃料如何用于日常产品？

“石化产品”——从石油、天然气和煤炭等化石燃料中提取的化学物质——几乎存在于所有并非 100% 有机、矿物或金属的材料中。 这包括塑料、电子产品、纺织品、清洁产品、橡胶、油漆以及大多数人每天使用的数千种其他合成产品。

制造这些产品的过程始于将化石燃料加工成化学“原料”（或原材料）。 化学原料先转化为初级化学品，然后再转化为中间化学品和聚合物。 然后将它们制造成塑料和纤维等材料，最后用于最终产品。

美国最常见的化学加工链之一是从天然气（一种化学原料）中蒸馏乙烷，然后将其“裂解”成乙烯（一种主要化学品），最终转化为塑料和其他材料。

初级化学品（包括乙烯、丙烯、苯、甲苯、二甲苯、氨和甲醇）的生产在化学品供应链中排放的温室气体最多。 这些“过程排放”来自燃烧额外的化石燃料以产生将化石燃料转化为初级化学品所需的高温（高达 1,000 摄氏度）。

例如，氨由于用于合成肥料而成为全球最常见的化学品之一。 生产它需要氢气，氢气通常是通过将天然气重整成氢气、一氧化碳和二氧化碳的混合物而制成的。 产生的二氧化碳通常被排放到大气中。 提取天然气并将其运输到合成氨厂也会排放温室气体并存在甲烷泄漏的风险。 （甲烷是一种强效温室气体， 80次 20 年来二氧化碳的升温能力。）

因为这一小部分化学品是数千种最终产品的前体， 推动大部分排放 在产品生命周期中，它们提供了战略性的减排机会。

化工生产中如何替代化石燃料？

现代化学工业建立在化石燃料的基础上，因为它们富含能量以及碳和氢（大多数化学产品中的两种关键分子）。 这使它们成为一种经济的原料选择。 但是，从技术上讲，任何含有许多碳和氢原子的东西都可以用来替代化学生产中的化石燃料。

世界资源研究所的分析考虑了以下替代原料，这些原料要么目前很丰富，要么预计在未来几年会大量存在：

• 电解氢： 纯氢可以通过使用电通过电解过程将水 (H2O) 分解为氢气和氧气来获得。 这应该使用清洁能源来完成，以避免增加化石燃料电力的温室气体排放。
• 捕获的二氧化碳： 从工业来源（例如水泥制造商）或从大气中（通过直接空气捕获和其他方法）捕获的碳可用于化学生产。
• 废弃生物质： 这包括未使用的植物部分以及农业、林业和城市垃圾中收集的其他有机材料。 废弃生物质可以成为化石燃料的替代品，因为从技术上讲，化石燃料只是在地下数百万年受到热量和压力的生物质和动物物质； 两者都含有相同的碳和氢分子。 重要的是，生物质确实来自废物，而不是专门为化学工业而种植的，因为将富含碳的自然生态系统转变为农田可能会导致巨大的土地利用变化排放。
• 乙醇： 目前在美国通过发酵玉米广泛生产乙醇，可以用来代替化石燃料来生产化学乙烯。 虽然使用主要农田生产玉米乙醇存在机会成本，但使用乙醇作为化学原料比将其与汽油混合作为“可再生”燃料更具生产力。 捕获乙醇生产过程中排放的二氧化碳将减少现有设施的排放。

再次考虑氨。 合成氨厂不是从天然气中提取氢气，而是通过电解将水分解成氢气和氧气分子来进行去石化。 如果电力来自风能或太阳能等零碳来源，并且不会取代电网其他地方使用的清洁能源，那么电解就不会排放温室气体。 由于氨生产造成的大部分排放来自天然气重整，用清洁的氢气替代它使该过程几乎为零碳。

美国化学生产去化石化的机遇

世界资源研究所的新分析着眼于美国四种主要化学品的去化石化机会：乙烯、丙烯、氨和甲醇。 它评估了每种原料的总需求，确定了当今最有前途的脱石技术，并估计了满足需求所需的这些原料的数量。 它还标出了替代原料相对于现有化工厂和基础设施的有效位置或可能位置。

我们发现，在全国范围内，目前对替代原料的估计需求大于可用原料供应。 在某些情况下，差异相对较小：美国目前每年产生约 3.15 亿吨废弃生物质，预计化学品生产需求约为 3.75 亿吨。 在其他情况下，需求大大超过供应。 例如，需要多达 29-4100 万吨电解（清洁）氢作为化学原料。 美国目前生产 几乎没有，尽管由于最近的生产激励措施，这种情况预计会改变。 虽然美国生产 10-1100 万吨常规（脏）氢，但这并不是低碳原料。

然而，从区域角度来看，前景有所不同。 在某些化学品产量较少的地区，大量的潜在资源供应很容易满足需求。

在中西部利用可再生能源生产氨

中西部地区是 1.27亿英亩 的农田，其中大部分生产 使用玉米 用于生产乙醇和喂养牲畜（分别占玉米作物的 45% 和 40%）以及大豆和其他粮食作物。 这一巨大的农业产量依赖于数百万吨以天然气为原料制成的氨基肥料。 为了满足这一需求，大多数美国合成氨工厂分布在整个地区，额外的需求则由墨西哥湾沿岸生产的产品满足。

我们估计，中大陆、五大湖和中西部上部地区——构成了美国“玉米带”的大部分地区——生产了全国约一半的氨（每年 690 万吨）。 在这一过程中，用清洁的电解氢气替代天然气原料每年需要约 120 万吨氢气。 幸运的是，中西部地区还拥有美国最好的风能潜力和可观的太阳能潜力。 根据电解槽的效率，生产 120 万吨电解氢将需要 42-62 千吉瓦时 (GWh) 的清洁电力。 这大约是7%-11% 可再生能源总量 到 2050 年，中西部地区的电网脱碳率可达 95%。

中西部的氨去石化可能需要需求方和供应方的解决方案。 为了避免使用该地区高达 11% 的可再生能源，一种选择是仅过渡 一半 中西部的氨生产转化为可再生电力生产的氢气。 这每年将减少约 7.5 吨二氧化碳排放量，相当于一年减少约 150 万辆汽油动力汽车。 如果随着地面交通电气化而种植用于生产乙醇燃料的玉米作物减少，氨需求也可能会下降，从而降低挑战的规模。

墨西哥湾沿岸的化学生产去石化

最大的区域障碍是墨西哥湾沿岸的去石化，该地区生产美国一半以上的初级化学品。 尽管如此，它仍然具有巨大的原料资源潜力，二氧化碳排放量最高，预计 2050 年可再生能源发电量位居美国各地区第五位。 乙醇运输 连接中西部和墨西哥湾沿岸的网络。 换句话说，公司可以灵活地选择使用哪些途径来消除生产中的化石燃料，而不是全部竞争一种原料。

美国化工生产要如何去化石化？

消除美国所有化学品生产中的化石燃料将是一项长达数十年的任务。 这需要政府和私营部门付出巨大努力和投资，并采取措施改善受化工厂影响的社区。

克服技术障碍

虽然一些去化石化方法已经在商业上可行，但废弃生物质和清洁氢气等原料的可持续供应有限。 碳捕获技术需要更多的私人投资和部署。 清洁氢所需的可再生能源发电已经落后于净零经济所需的速度。 对清洁电力等资源的竞争将使化工行业与其他寻求减少排放的行业产生矛盾。

其他技术，如直接空气捕获，尚未得到足够规模的验证，但有望在十年内得到验证。

改造现有化工厂以及建设新工厂和基础设施也需要付出巨大的努力。 为新技术提供资金、重新设计现有设施​​以适应新设备，以及许可和建设清洁能源和能源基础设施（例如输电线路、二氧化碳和氢气管道）可能是最大的障碍。

然而，现有的政策机会可以帮助清除这些障碍。 两党基础设施​​法 (BIL) 和通货膨胀削减法案 (IRA) 为工业脱碳提供了数十亿美元的政府资金。 这些法律制定的一些计划可用于化学物质去化石化，包括对化学品的税收抵免 清洁氢气, 碳利用 和能量储存； 为首个低排放商业和 示范 设施; 和 研究与开发 资金。

确保利益流向受影响社区

去石化还可以通过减少当地污染来提供一些社会和健康效益。 位于化工生产设施附近的社区长期以来一直受到空气和水污染的影响，导致 高于平均水平 癌症、呼吸道疾病、不孕症和生育问题以及其他健康问题的发病率。 坚持不懈的“牺牲区” 结构性不平等 由于环境破坏和经济投资不足，例如路易斯安那州的“癌症巷，”也看到了普遍的贫困。

对于这些社区中的一些人来说，关闭化学设施可能是唯一可接受的解决方案。 但其他人可能将工厂视为就业来源，如果设施关闭，这些就业机会就不会存在。 去石化可以提供一个中间立场。 例如，用可再生能源为一些化学过程提供电力可以保持设施的运行和当地人的就业，同时消除燃烧化石燃料并造成当地空气污染的过程。

美国最近以公平为重点的政策——例如拜登政府的“Justice40”倡议——可以帮助确保社区成员获得新就业机会等福利。 在许多情况下，由 IRA 或 BIL 资助的项目必须提交社区福利计划，概述投资将如何从经济、健康和/或环境的角度使附近社区受益。 虽然此类举措是朝着正确方向迈出的一步，但它们应该只是进一步行动的基础。

加强联邦和地方各级的政策支持

强有力的联邦和州政策可以帮助化学生产去石化。 政策制定者需要维持或扩大现有的激励措施，例如税收抵免、贷款和脱碳赠款，以帮助为燃料转换和新技术提供资金。 其他政策可以帮助刺激对清洁化学品的需求，包括采购计划和差价合同。 排放上限和碳税是迫使企业做出改变的方法，并将为环境和市场提供更大的确定性。 与碳交易市场相结合，这些政策还可以为转型提供融资。

最后，清洁能源许可改革和增加对研发的支持等政策转变对于最大限度地发挥脱碳激励措施的潜力至关重要。 虽然其中一些政策比其他政策在政治上更具挑战性，但需要将这些政策结合起来才能使去石化行动落地。

是时候停止忽视化学工业了

迄今为止，化学行业在气候讨论中受到的关注相对较少。 然而，其巨大的排放影响和无处不在意味着该行业迫切需要改变。 化学品生产商有许多可用的近期工具来减少排放和清洁其制造过程，而去石化将是其中的关键。

正如其他行业一样，尽可能地从化学生产中去除化石燃料对于实现美国气候目标和促进社区健康和福祉至关重要。