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如果其他資源的限制會(huì)讓氫的使用停止，那么增加氫的使用就沒有意義了。
在這里，IRENA的Herib Blanco總結(jié)了他們通過電解(即從水中)生產(chǎn)氫需要多少水的研究。為了計(jì)算氫生產(chǎn)過程中所消耗的水量，以及為其提供動(dòng)力的能源(可再生能源或天然氣)，人們進(jìn)行了廣泛的分析。假設(shè)到2050年，全世界電解氫的使用量超過70EJ，用水量將達(dá)到250億立方米左右。相比之下，全球農(nóng)業(yè)用水量為2.8萬億立方米，工業(yè)用水量為8000億立方米，城市用水量為4700億立方米。這相當(dāng)于一個(gè)有6200萬居民(人均400立方米)的發(fā)達(dá)國家。水的成本(處理，運(yùn)輸)將只占?xì)渖a(chǎn)總成本的2%。任何海水淡化都會(huì)消耗1%的氫生產(chǎn)所需的總能量。布蘭科指出，水足跡是非常具體的地點(diǎn)，并取決于當(dāng)?shù)氐乃Y源可用性、消耗、退化和污染。對生態(tài)系統(tǒng)的影響也必須考慮在內(nèi)。但Blanco說，這些數(shù)字表明，水的消耗不應(yīng)該成為擴(kuò)大可再生氫的規(guī)模的主要障礙。
氫是凈零排放能源系統(tǒng)的重要組成部分。它通過提供比電力更容易運(yùn)輸和儲(chǔ)存的高能量密度的能量載體來補(bǔ)充電力。因此，它使那些難以通電的應(yīng)用程序脫碳成為可能。
與電類似，氫可以由多種能源產(chǎn)生。電解的方法是利用電把水分解成氧和氫。這可以利用持續(xù)下降的可再生電力成本，為電力部門提供靈活性，并使一個(gè)綜合能源系統(tǒng)，而不是單獨(dú)的部門。
電解的一個(gè)常見問題是作為輸入的水的消耗，以及它是否會(huì)對氫氣的大規(guī)模生產(chǎn)造成限制。本文旨在回答與這個(gè)問題相關(guān)的一些關(guān)鍵問題。
電解消耗多少水?
第一步:制氫
水的消耗來自兩個(gè)步驟:氫氣生產(chǎn)和上游能量載體的生產(chǎn)。就氫生產(chǎn)而言，電解水的最小消耗大約是每千克氫消耗9千克水。然而，考慮到水的脫礦過程，根據(jù)[1]，這一比例可以在每千克氫18到24千克水之間，甚至高達(dá)25.7到30.2。
對于現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝(甲烷蒸汽重整)，最小耗水量為4.5 kgH2O/kgH2(反應(yīng)所需)，考慮到工藝用水和冷卻，最小耗水量為6.4-32.2 kgH2O/kgH2。
第二步:能源來源(可再生電力或天然氣)
另一個(gè)組成部分是生產(chǎn)可再生電力和天然氣的水消耗。光伏發(fā)電的用水量在50-400升/ MWh (2.4-19 kgH2O/kgH2)之間變化，風(fēng)力發(fā)電的用水量在5-45升/ MWh (0.2-2.1 kgH2O/kgH2)之間。同樣，頁巖氣(根據(jù)美國數(shù)據(jù))的天然氣產(chǎn)量可以從1.14 kgH2O/kgH2提高到4.9 kgH2O/kgH2。
綜上所述，光伏發(fā)電和風(fēng)能產(chǎn)生氫氣的總耗水量平均分別為32和22 kgH2O/kgH2左右。不確定性來自太陽輻射、壽命和硅含量。這一耗水量與天然氣制氫(7.6-37 kgH2O/kgH2，平均為22 kgH2O/kgH2)相同數(shù)量級。
（圖1 不同制氫途徑的生命周期用水量）
總水足跡:使用可再生能源時(shí)更低
與二氧化碳排放類似，電解路線水足跡低的先決條件是使用可再生能源。如果僅使用化石發(fā)電的一小部分，那么與電相關(guān)的水消耗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電解過程中實(shí)際消耗的水。
例如，天然氣發(fā)電的用水量可高達(dá)2500升/ MWh。這也是化石燃料(天然氣)的最佳案例。如果考慮煤氣化，產(chǎn)氫[2]可消耗31-31.8 kgH2O/kgH2，產(chǎn)煤[4]可消耗14.7 kgH2O/kgH2。隨著制造過程變得更有效率，光伏和風(fēng)能的水消耗也預(yù)計(jì)會(huì)隨著時(shí)間的推移而減少，單位裝機(jī)容量的能源輸出也會(huì)提高。
2050年的總用水量
預(yù)計(jì)未來全球的氫使用量將比現(xiàn)在多出許多倍。例如，IRENA[6]的《世界能源轉(zhuǎn)型展望》(World Energy Transitions Outlook)估計(jì)，2050年的氫需求將約為74ej，其中約三分之二將來自可再生氫。相比之下，今天(純氫)是8.4 EJ。
即使電解氫能滿足整個(gè)2050年的氫需求，用水量也將約為250億立方米。圖2(下)將這個(gè)數(shù)字與其他人為的水消耗流進(jìn)行了對比。農(nóng)業(yè)用水是2800億立方米中最大的，工業(yè)用水接近8000億立方米，城市用水4700億立方米[7-9]。目前天然氣重整和煤氣化制氫的用水量約為15億立方米。
因此，盡管由于電解途徑的改變和需求的增長，預(yù)計(jì)會(huì)有大量的水消耗，氫生產(chǎn)的水消耗仍然會(huì)比人類使用的其他流量小得多。另一個(gè)參考點(diǎn)是，人均用水量在每年75(盧森堡)到1200(美國)立方米之間。以400立方米/(人均*年)的平均值計(jì)算，2050年的氫生產(chǎn)總量相當(dāng)于一個(gè)人口為6200萬的國家。
圖2 按應(yīng)用計(jì)算的用水量（圓的大小與每次應(yīng)用的用水量成正比，農(nóng)業(yè)用量接近2,800 km3/年）
供水的成本和能耗是多少?
成本
電解槽需要高質(zhì)量的水，需要水處理。低質(zhì)量的水會(huì)導(dǎo)致更快的降解和更短的壽命。許多元素，包括用于堿性的隔膜和催化劑，以及PEM的膜和多孔傳輸層，都可能受到水雜質(zhì)(如鐵、鉻、銅等)的不利影響。要求水的電導(dǎo)率小于1μS/cm，總有機(jī)碳小于50μg/L。
水在能源消耗和成本中所占比例都相對較小。對這兩個(gè)參數(shù)來說，最壞的情況是使用海水淡化。反滲透技術(shù)是海水淡化的主要技術(shù)，占全球容量的近70%。該技術(shù)的成本為1900 - 2000美元/(m3/d)，學(xué)習(xí)曲線速率為15%。在這樣的投資成本下，處理成本約為1美元/m3，在電力成本低的地區(qū)可能更低。
此外，運(yùn)輸成本大約還會(huì)增加1-2美元/m3。即使在這種情況下，水處理成本約為0.05美元/kgH2。從這個(gè)角度來看，如果有良好的可再生資源，可再生氫的成本可以是2-3美元/kgH2，而平均資源的成本是4-5美元/kgH2。
因此，在這種保守的情況下，水的成本將不到總成本的2%。使用海水可使采水量增加2.5-5倍(以采收率計(jì)算)。
能源消費(fèi)
看看海水淡化的能源消耗，與電解槽輸入所需的電力相比，這也是非常小的。目前運(yùn)行的反滲透裝置耗電量約為3.0千瓦/立方米。相比之下，熱力脫鹽廠的能耗要高得多，從40到80千瓦時(shí)/立方米不等，額外的電能需求為2.5到5千瓦時(shí)/立方米，這取決于脫鹽技術(shù)[12]。以熱電廠的保守情況(即較高的能源需求)為例，假設(shè)使用熱泵，能源需求將轉(zhuǎn)化為約0.7 kWh/kg的氫。從這個(gè)角度來看(見圖3，右)，電解槽的電力需求約為50-55 kWh/kg，所以即使在最壞的情況下，脫鹽的能源需求約為系統(tǒng)總能量輸入的1%。
海水淡化的一個(gè)挑戰(zhàn)是鹽水的處理，這可能會(huì)對當(dāng)?shù)氐暮Ｑ笊鷳B(tài)系統(tǒng)造成影響。該鹽水可以進(jìn)一步處理，以減少其對環(huán)境的影響，從而使水的成本再增加0.6-2.4美元/m3[14]。此外，與飲用水相比，電解的水質(zhì)更嚴(yán)格，可能導(dǎo)致更高的處理成本，但與電力投入相比，這仍預(yù)計(jì)是很小的。
圖3 海水淡化對整體(a)氫氣生產(chǎn)成本(b)能源消耗的貢獻(xiàn)
水足跡是一個(gè)非常具體的位置參數(shù)，它取決于當(dāng)?shù)氐乃Y源可用性、消耗、退化和污染。應(yīng)考慮生態(tài)系統(tǒng)的平衡和長期氣候趨勢的影響。然而，沒有人預(yù)見到水的消耗將成為擴(kuò)大可再生氫的主要障礙。
資料來源：
《Hydrogen production in 2050: how much water will 74EJ need?》——Herib Blanco
