|
深度：电解水制氢到底需要消耗多少水？时间：2023-02-13 氢能的发展须因地制宜，可再生能源分布、氢气储运成本、氢气下游消纳等因素首当其冲。电解的一另个常见问题是作为输入的水的消耗，以及它是否会对氢气的大规模生产造成限制。本文旨在回答与这个问题相关的一些关键问题。 电解消耗多少水 第一步：制氢 水的消耗来自两个步骤:氢气生产和上游能量载体的生产。就氢生产而言，电解水的最小消耗大约是每千克氢消耗9千克水。然而，考虑到水的脱矿过程，这一比例可以在每千克氢18到24千克水之间，甚至高达25.7到30.2。 对于现有的生产工艺（甲烷蒸汽重整），最小耗水量为4.5kg H2O/kg H2（反应所需），考虑到工艺用水和冷却，最小耗水量为6.4-32.2kg H2O/kg H2。 第二步：能源来源（可再生电力或天然气） 另一个组成部分是生产可再生电力和天然气的水消耗。光伏发电的用水量在50-400升/MWh（2.4-19kgH2O/kgH2）之间变化，风力发电的用水量在5-45升/MWh（0.2-2.1kgH2O/kgH2）之间。同样，页岩气（根据美国数据）的天然气产量可以从1.14kgH2O/kgH2提高到4.9kgH2O/kgH2。 综上所述，光伏发电和风能产生氢气的总耗水量平均分别为32和22kgH2O/kgH2左右。不确定性来自太阳辐射、寿命和硅含量。这一耗水量与天然气制氢（7.6-37kgH2O/kgH2，平均为22kgH2O/kgH2）相同数量级。
不同制氢途径的生命周期用水量 总水足迹：使用可再生能源时更低 与二氧化碳排放类似，电解路线水足迹低的先决条件是使用可再生能源。如果仅使用化石发电的一小部分，那么与电相关的水消耗要远远高于电解过程中实际消耗的水。 例如，天然气发电的用水量可高达2500升/MWh。这也是化石燃料（天然气）的最佳案例。如果考虑煤气化，产氢可消耗31-31.8kgH2O/kgH2，产煤可消耗14.7kgH2O/kgH2。随着制造过程变得更有效率，光伏和风能的水消耗也预计会随着时间的推移而减少，单位装机容量的能源输出也会提高。 2050年的总用水量 预计未来全球的氢使用量将比现在多出许多倍。例如，IRENA的《世界能源转型展望》(World Energy Transitions Outlook)估计，2050年的氢需求将约为74EJ，其中约三分之二将来自可再生氢。相比之下，今天（纯氢）是8.4EJ。 即使电解氢能满足整个2050年的氢需求，用水量也将约为250亿立方米。下图将这个数字与其他人为的水消耗流进行了对比。农业用水是2800亿立方米中最大的，工业用水接近8000亿立方米，城市用水4700亿立方米。目前天然气重整和煤气化制氢的用水量约为15亿立方米。
按应用计算的用水量（圆的大小与每次应用的用水量成正比，农业用量接近2800km³/年） 因此，尽管由于电解途径的改变和需求的增长，预计会有大量的水消耗，氢生产的水消耗仍然会比人类使用的其他流量小得多。另一个参考点是，人均用水量在每年75（卢森堡）到1200（美国）立方米之间。以400立方米/（人均*年）的平均值计算，2050年的氢生产总量相当于一个人口为6200万的国家。 供水的成本和能耗是多少 成本 电解槽需要高质量的水，需要水处理。低质量的水会导致更快的降解和更短的寿命。许多元素，包括用于碱性的隔膜和催化剂，以及PEM的膜和多孔传输层，都可能受到水杂质（如铁、铬、铜等）的不利影响。要求水的电导率小于1μS/cm，总有机碳小于50μg/L。 水在能源消耗和成本中所占比例都相对较小。对这两个参数来说，最坏的情况是使用海水淡化。反渗透技术是海水淡化的主要技术，占全球容量的近70%。该技术的成本为1900-2000美元/(m³/d)，学习曲线速率为15%。在这样的投资成本下，处理成本约为1美元/m³，在电力成本低的地区可能更低。 此外，运输成本大约还会增加1-2美元/m³。即使在这种情况下，水处理成本约为0.05美元/kgH2。从这个角度来看，如果有良好的可再生资源，可再生氢的成本可以是2-3美元/kgH2，而平均资源的成本是4-5美元/kgH2。 因此，在这种保守的情况下，水的成本将不到总成本的2%。使用海水可使采水量增加2.5-5倍（以采收率计算）。 能源消费 看看海水淡化的能源消耗，与电解槽输入所需的电力相比，这也是非常小的。目前运行的反渗透装置耗电量约为3.0千瓦/立方米。相比之下，热力脱盐厂的能耗要高得多，从40到80千瓦时/立方米不等，额外的电能需求为2.5到5千瓦时/立方米，这取决于脱盐技术。以热电厂的保守情况（即较高的能源需求）为例，假设使用热泵，能源需求将转化为约0.7kWh/kg的氢。从这个角度来看，电解槽的电力需求约为50-55kWh/kg，所以即使在最坏的情况下，脱盐的能源需求约为系统总能量输入的1%。 海水淡化的一个挑战是盐水的处理，这可能会对当地的海洋生态系统造成影响。该盐水可以进一步处理，以减少其对环境的影响，从而使水的成本再增加0.6-2.4美元/m³。此外，与饮用水相比，电解的水质更严格，可能导致更高的处理成本，但与电力投入相比，这仍预计是很小的。
(a)氢气生产成本；(b)能源消耗的贡献 电解水制氢的水足迹是一个非常具体的位置参数，它取决于当地的水资源可用性、消耗、退化和污染。应考虑生态系统的平衡和长期气候趋势的影响。水的消耗将成为扩大可再生氢的主要障碍。 |
