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電解水制氫到底需要消耗多少水？

時(shí)間：2023-02-09 來(lái)源：瀏覽：

電解水制氫到底需要消耗多少水？

氫能源與燃料電池 3060

3060

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功能介紹傳播國(guó)家2030年碳達(dá)峰/2060年碳中和的政策、知識(shí)、技術(shù)與優(yōu)良做法

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正文開(kāi)始

氫能的發(fā)展須因地制宜，可再生能源分布、氫氣儲(chǔ)運(yùn)成本、氫氣下游消納等因素首當(dāng)其沖。電解的一另個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是作為輸入的水的消耗，以及它是否會(huì)對(duì)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(wèn)題相關(guān)的一些關(guān)鍵問(wèn)題。

CCTC? 3060

電解消耗多少水

第一步：制氫

水的消耗來(lái)自?xún)蓚€(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(guò)程，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(duì)于現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝（甲烷蒸汽重整）， 最小耗水量為4.5kgH ₂ O/kgH ₂ （反應(yīng)所需），考慮到工藝用水和冷卻，最小耗水量為 6.4-32.2kgH ₂ O/kgH ₂ 。

第二步：能源來(lái)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（2.4-19kgH ₂ O/kgH ₂ ） 之間變化，風(fēng) 力發(fā)電的用水量在5-45升/MWh（0.2-2.1kgH ₂ O/kgH ₂ ） 之間。同樣，頁(yè)巖氣（根據(jù)美國(guó)數(shù)據(jù)）的天然氣產(chǎn)量可以從 1.14kgH ₂ O/kgH ₂ 提高到4.9kgH ₂ O/kgH ₂ 。

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22kgH ₂ O/kgH ₂ 左右。不確定性來(lái)自太陽(yáng)輻射、壽命和硅含量。這一耗水量與天然氣制氫（7.6-37kgH ₂ O/kgH ₂ ，平均為22kgH ₂ O/kgH ₂ ）相同數(shù)量級(jí)。

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(lèi)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(guò)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)氫可消耗31-31.8kgH ₂ O/kgH ₂ ，產(chǎn)煤可消耗14.7kgH ₂ O/kgH ₂ 。隨著制造過(guò)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(lái)全球的氫使用量將比現(xiàn)在多出許多倍。例如，IRENA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(lái)自可再生氫。相比之下，今天（純氫）是 8.4EJ 。

即使電解氫能滿(mǎn)足整個(gè)2050年的氫需求，用水量也將約為 250億立方米。下圖將這個(gè)數(shù)字與其他人為的水消耗流進(jìn)行了對(duì)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。目前天然氣重整和煤氣化制氫的用水量約為15億立方米。

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2,800km3/年）

因此，盡管由于電解途徑的改變和需求的增長(zhǎng)，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(lèi)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(guó)）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(wàn)的國(guó)家。

CCTC? 3060

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(duì)較小。對(duì)這兩個(gè)參數(shù)來(lái)說(shuō)，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/kgH ₂ 。從這個(gè)角度來(lái)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/kgH ₂ ，而平均資源的成本是 4-5美元/kgH ₂ 。

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)。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0.7kWh/kg的氫。從這個(gè)角度來(lái)看，電解槽的電力需求約為50-55kWh/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(duì)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(duì)環(huán)境的影響，從而使水的成本再增加0.6-2.4美元/m3。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。