化工行业作为全球经济发展的重要支撑，其产品广泛应用于农业、工业和服务业各个领域，尤其是高端装备制造、新能源、电动汽车、航空航天等新兴领域。在全球绿色低碳发展长久趋势当中，相较于其他行业，化工行业当前在气候行动方面进展缓慢，在实现净零排放的科学目标上存在差距。在众多低碳发展的路径当中，氢能是化工行业绿色转型的关键之一，氢能（和氢气）在化工行业的广泛应用，对于减少化工污染和降低化工行业碳排放具有重要意义，是行业实施“双碳”战略的关键措施。
随着全球气候压力的不断增大，各国纷纷加快了低碳和绿色转型的步伐。氢能的发展已成为全球主要国家的共同目标，全球范围内的氢经济布局已经启动。主要经济体对氢能的发展给予了高度重视，美国、德国、英国和日本等发达国家已将氢能纳入国家能源战略，将氢视为其化工领域低碳发展的关键。
美国的氢能源行业已进入快速成长期，政府投资推动化工行业低碳技术革新。2024年3月美国能源部宣布拨款60亿美元资助33个项目，推动化工和炼油等行业向低碳转型。项目聚焦于氢能替代、电气化供热、碳捕集利用与封存（CCUS）、塑料回收、甲醇生产和副产品循环利用等关键技术。其中，埃克森美孚公司获得3.32亿美元用于Baytown工厂的氢燃料降碳改造；ISP Chemicals等公司获得3520万美元推进Kentucky化工厂的供热电气化；陶氏公司得到9500万美元用于墨西哥湾沿岸的碳捕集设施；伊士曼化学公司得到3.75亿美元建设德克萨斯州的塑料回收设施；Orsted P2公司获得1亿美元用于二氧化碳捕集制甲醇；T.EN Stone & Webster Process Technology公司和朗泽科技公司共获得2亿美元开发清洁乙醇和乙烯的生物发酵及绿氢工艺；巴斯夫公司得到7500万美元用于化工副产品的循环利用和工艺改进。
绿氢驱动德国化工行业转型。绿氢和甲醇的市场增长是德国政府推动的一个新领域，即政府希望利用氢的生产来实现该国工业大部分行业的转型，涵盖从汽车到化工行业的方方面面。例如，德国企业Viridi RE目前正计划使用数十公顷的太阳能光伏板和风力涡轮机发电，以生产氢气和甲醇。该公司设定的目标是在2025年年底前，实现绿氢的年产量超过6万吨。但鉴于德国本身缺乏大规模生产氢气的能力，因此，采取进口与储存并举的战略。关于氢气的进口问题，德国最新版的《国家氢能战略》预测，截至2030年，德国所需氢能的大约50%至70%将依赖进口。
英国积极推进氢在化工等工业领域的应用，通过示范项目探索氢气作为清洁能源的潜力。英国实施绿氢和蓝色氢气双轨制，目标是到2030年在四个工业集群中通过CCUS减少1000万吨二氧化碳排放，并设立氢能基金鼓励绿色生产。政府已经加大了对氢能产业的资金支持，并启动了一系列氢能示范项目，这些项目涵盖了从氢气生产、储存和分配到在工业、住宅和交通领域的应用，如HyNet Northwest，也包括了氢燃料电池在交通工具上应用的创新示范，如Sheffield Hydrogen Demonstration Project。这些项目共同构成了英国氢能发展和低碳经济转型的重要基础。
日本的氢能工业应用广泛但面临绿氢生产与进口成本挑战。日本是全球最大的氢气生产国之一，每年生产约700万吨氢气。其中大部分用于工业用途，如化工和炼钢。目前，氢能在日本除了作为清洁能源，还广泛应用于汽车、运输、城市建设和发电等多个领域。但由于日本缺乏大规模部署风能和太阳能的自然资源条件，难以大规模生产绿氢，加之从海外进口氢能的成本较高，氢能战略实施和推行不及预期。
在化工产业中，氢气被广泛用于合成氨和甲醇等化学产品，同时也在加氢处理等炼化过程中扮演着关键角色。据国际能源署（IEA）《全球氢能回顾2023》报告（以下简称报告），全球氢能需求在2022年达到历史最高水平，为9500万吨，同比增长近3%，但仍集中在炼油和化工等传统领域。其中，全球工业用氢量为5300万吨，比2021年增长了2%，这一增长主要得益于几个关键因素：全球对氨的需求上升了0.4%，对甲醇的需求增长了5%，以及对直接还原铁（DRI）的需求增长了4%。
氢气在化工合成领域扮演着至关重要的角色，特别是在合成氨的生产上。哈伯—博施法使得氢与氮在金属催化剂的作用下结合生成氨，该技术是氢气应用最为广泛的领域之一。IEA报告，合成氨在2022年占据了工业氢需求的60%，预计随着全球经济增长，其需求量将显著增加。
氢气还能与二氧化碳反应生成甲醇等含碳化合物，这些化合物易于液化存储和运输，具有较高的能量密度和安全性，是实现零碳排放的液态燃料。甲醇作为一种重要的化工原料，不仅市场需求巨大，还因其高氢含量和能量密度，成为液态燃料和氢能载体的优选。它可以转化回氢气用于燃料电池，或直接作为内燃机和涡轮机的燃料。
此外，作为化学工业的主要上游产业，炼油行业也是全球氢气消费的主要领域之一。精炼过程，包括烃增氢、煤气化、重油精炼等，均需大量氢气以提升石油和天然气的品质，使汽油和柴油燃烧更为清洁。氢气在石脑油、粗柴油、燃料油、重油的脱硫以及石油炼制、催化裂化等环节中发挥着关键作用。特别是将原油转化为运输燃料和石化原料的炼制过程，是氢气应用的重要场景。
根据IEA报告，2022年炼油业的氢气使用量超过了4100万吨，刷新了2018年的历史记录。需求增长主要集中在北美和中东地区，这两个地区的总需求量超过100万吨，占全球2022年需求增长的约75%。加氢处理和加氢裂化是炼油部门中氢气消耗的主要工艺，分别用于降低成品中的硫含量和提高运输燃料产量，占炼油部门氢气消耗的90%以上。随着对石油产品硫含量监管的加强，炼油厂对氢气的需求预计将进一步增长。
国际氢能委员会预计，至2030年全球氢能产业链投资将超3000亿美元。随着成本降低，氢能将在化工、炼油等多个工业领域成为主要减碳方案。在IEA承诺目标情景下，到2030年工业领域的氢能需求将增至6500万吨，到2050年则会翻一番。其中，氨和甲醇生产等占工业氢需求的大部分，到2030年需求将增加近25%，到2050年增加近50%。此外，生产低碳合成燃料是氢能发展的机遇，IEA预计在净零排放情景下，到2030年该应用领域氢需求将超过700万吨，到2050年接近1亿吨。在炼油行业，预计到2050年炼油仍是氢的主要应用场景之一，届时该行业的氢需求将增加7%。
在我国，氢能的工业应用主要集中在化工行业，尤其是合成氨和合成甲醇的生产，这两个领域占据了国内氢需求的主要部分。2021年，国内用氢需求总量达到3342万吨，其中合成氨需求占37%，合成甲醇占19%，石油炼化占10%。然而，目前我国工业使用的氢气大多为灰氢，即通过化石燃料制得的氢气，我国年制氢产量约为3400万吨，其中有3000多万吨为灰氢。
合成氨作为化肥和化工原料，在我国的产量占全球的30%，2021年产量达到5909万吨，需求量为5989.64万吨。然而，合成氨的传统生产过程会产生大量二氧化碳，因此，随着全球减碳趋势的推进，我国合成氨行业正逐步向绿色生产转型，预计到2035年和2060年产量将分别下降至5700万吨和5500万吨，相应氢气需求也将减少。
合成甲醇方面，由于我国“富煤、贫油、少气”的能源结构特点，煤制甲醇成为主要生产方式，2021年需求量约为1295万吨氢气，占工业用氢总量的35%。为响应双碳目标，我国正积极发展以绿氢和二氧化碳为原料的合成甲醇技术，不仅能有效降低碳排放，还能促进清洁能源的存储和利用。
此外，氢气在炼油工业中的应用也不容忽视，加氢技术在油品质量升级和生产过程清洁化中扮演着重要角色。我国加氢装置的年加工能力超过5000万吨，尽管与世界平均水平相比仍有差距，但已在低投资、低能耗的加氢技术上取得了显著进展。精细化工领域中，催化加氢技术因其连续操作、低污染等优势而被广泛应用于医药、农药等产品的合成。粗苯精制工艺的发展，也体现了氢气在化工原料提纯和升级中的重要作用。
到2050年，国内氢消费量将超过1亿吨，产业链年产值预计达到12万亿元。化工原料相关的氢气需求量将达到3500万吨，占总消费量的35%。鉴于石化领域在氢能生产和消费中的规模效应，该领域有望成为推动氢能产业发展的重要力量。
在国内化工行业中，氢能的大规模推广面临的难点和问题：
绿氢生产成本高昂。虽然绿氢在化工行业的碳减排中扮演着关键角色，但现行的电解水制氢技术成本较高，主要由电价因素驱动，这在短期内限制了绿氢对传统化石燃料制氢的替代能力。
关键技术与设备依赖性问题。氢能产业的关键材料和设备技术复杂度高且成本昂贵，部分关键技术存在对外依赖，例如PEM制氢技术中使用的质子交换膜等。这增加了国内化工行业应用氢能的技术难度和经济成本。
基础设施建设滞后。氢能基础设施，包括加氢站和输氢管道等，建设不足，限制了氢能产业链的高效运作。
应用领域局限，创新动力不足。氢能技术的应用目前过度集中于交通领域，特别是氢燃料电池商用车，而在化工、冶金等其他潜在领域中的应用尚未得到充分开发。技术研发和项目实施进度缓慢，未能完全挖掘氢能在促进减碳或脱碳方面的应用潜力。
产业定位与政策规划不足。当前，我国部分地区的氢能产业规划尚未与国家碳达峰和碳中和目标紧密结合，缺少明确的长期目标和实施路径。此外，现有政策在推动区域协同发展方面尚显不足，导致资源配置分散，低效重复建设现象频发。
基于上述问题提出的解决途径：
推动技术进步以降低成本。支持传统煤化工耦合新型绿氢制甲醇等试点；推动CCUS和氢气技术的创新，建立CCUS创新中心有助于设计和快速验证新技术和工艺，尤其是二氧化碳捕集技术等，通过政策保障和财政补贴等手段消除企业对于发展前沿技术风险的担忧。同时，利用国家政策对绿氢生产给予补贴或税收优惠，逐步实现成本竞争力。
构建国家级氢能技术创新与应用示范体系。整合科研与产业资源，建立国家级氢技术重点实验室，专注于基础与关键技术研究。同时，依托行业研究机构和龙头企业，建立绿氢合成燃料、合成氨、氢冶金等示范技术中心，形成协作创新与应用推广体系。
加大对氢能基础设施的投入。建设加氢站和输氢管道，形成网络化布局。同时，鼓励社会资本参与基础设施建设，形成政府引导、市场运作的模式。
鼓励跨行业协同创新。特别是在化工、冶金等重点领域，加大对氢能应用技术的研发投入。设立示范项目，推动氢能在非交通领域的应用，同时提供政策支持和激励措施，加速技术创新和应用推广。
国家战略引领下氢能产业发展规划与碳中和目标协同发展。制定国家层面的氢能产业发展规划，明确氢能产业在实现碳达峰和碳中和目标中的角色和路径。建立长期目标，延长规划时限至2050年，与国际标准接轨。强化政策的指导性和可操作性，确保各地区规划与国家战略同步。
国内化工行业正面临绿色低碳转型的重要机遇，氢能在这一进程中具有不可替代的作用。目前，国内化工用氢主要依赖灰氢，但全球减碳趋势促使中国向绿氢转型，以降低二氧化碳排放。
面对绿氢生产成本高、技术依赖进口、基础设施建设滞后等挑战，中国需加强技术创新，构建氢能技术创新与应用示范体系，加大对氢能基础设施的投入，并促进跨行业协同创新。国家层面的氢能产业发展规划应与碳达峰和碳中和目标同步，为氢能应用提供政策支持。
展望未来，中国化工行业通过氢能的深度融合与创新应用，将实现绿色低碳发展，推动化工行业的绿色转型。氢气作为清洁能源和关键化学原料，将助力中国化工行业在全球可持续发展中发挥重要作用，为实现国家双碳目标贡献力量。
作者：中国化信情报事业部资深情报顾问 月光
