所有制氫技術(shù)都需要水。它不僅用于生產(chǎn)(電解、化石燃料重整、氣化)，也用于冷卻。在某些情況下，低溫水(例如7°C)用于氫凈化。此外，CCUS系統(tǒng)需要水來(lái)進(jìn)行吸收/吸附、分離和冷卻。本文對(duì)于每項(xiàng)技術(shù)提供了大規(guī)模生產(chǎn)的取水和消耗強(qiáng)度的基本數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了分析。其中針對(duì)綠色、灰色和棕色制氫中依賴(lài)水的過(guò)程用原理圖加以說(shuō)明和解釋。

關(guān)于電解制氫所需水的數(shù)據(jù)不是很多也不準(zhǔn)確。這是因?yàn)槟壳霸擃I(lǐng)域的研究尚處于起步階段，研究氫氣生產(chǎn)及其用水的研究數(shù)量也相對(duì)有限。此外，這方面的初步研究主要集中在實(shí)驗(yàn)室的小規(guī)模氫氣生產(chǎn)。這些研究報(bào)告的數(shù)據(jù)沒(méi)有考慮冷卻等過(guò)程所需的水，而這對(duì)商業(yè)化的規(guī)模生產(chǎn)至關(guān)重要。因此，如果全球氫氣生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大，現(xiàn)有的研究可能低估了預(yù)計(jì)的水需求。本章旨在加深對(duì)擴(kuò)大商業(yè)氫氣生產(chǎn)規(guī)模對(duì)水的影響以及各種生產(chǎn)工藝的耗水量和取水強(qiáng)度的理解。

由于固體氧化物電解槽 (SOEC) 和陰離子交換膜 (AEM) 電解技術(shù)仍處于試驗(yàn)階段，沒(méi)有商業(yè)規(guī)模的項(xiàng)目數(shù)據(jù)，因此本綜述未將這些技術(shù)包括在內(nèi)。在煤氣化方面，考慮了水煤漿氣化技術(shù)，因?yàn)閹缀跛械拿夯鶜錃馍a(chǎn)都采用該技術(shù)。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，水煤漿氣化通常被稱(chēng)為煤氣化。

一、制氫用水

下圖1說(shuō)明了典型的綠色（電解水制氫）、灰色（煤制氫）、藍(lán)色（化工副產(chǎn)或具備CCUS措施）和棕色氫（化石能源制氫）技術(shù)在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中從哪里提取和排放了多少水。實(shí)際取用和消耗的水量因地點(diǎn)而異，并可能因各種因素而異，例如，水源水的類(lèi)型及其質(zhì)量、特定的制氫技術(shù)、碳捕獲的采用技術(shù)和類(lèi)型以及冷卻技術(shù)等。

圖1：典型制氫技術(shù)生產(chǎn)1公斤氫氣的工序取水及耗水量示意圖(以升計(jì)量）

注：

1）藍(lán)色和粉色箭頭分別代表取水和排水。水量是四種制氫方法的估算值，以目前最常見(jiàn)的技術(shù)為例（如堿性電解為綠色，SMR 為灰色，SMR+CCUS 為藍(lán)色，水煤漿氣化為棕色）。

2）綠色和棕色示例的數(shù)據(jù)基于從業(yè)界獲得的工程設(shè)計(jì)模型。

3）灰色和藍(lán)色示例的數(shù)據(jù)和流程來(lái)自 NETL 2022 中的案例 1 和案例 2，這兩個(gè)案例在本報(bào)告審查的所有系統(tǒng)中擁有最高效的設(shè)計(jì)。

4）"出口蒸汽 "是 SMR 過(guò)程中作為副產(chǎn)品產(chǎn)生的多余蒸汽，可被煉化廠中的其他應(yīng)用所利用，以提高整體能源效率。

5）用水量估算基于以下假設(shè)：

a、以自來(lái)水為源水，綠色、灰色和藍(lán)色生產(chǎn)的預(yù)處理滲透率為66%;

b、綠色、灰色和藍(lán)色生產(chǎn)的能源效率分別為70%、76%和71%;

c、所有冷卻過(guò)程均假定為蒸發(fā)冷卻，綠色和棕色產(chǎn)品的濃度循環(huán)為6。

d、對(duì)特定植物的估計(jì)將根據(jù)地點(diǎn)、氣候、采用的具體技術(shù)、植物的年齡、當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)和管理而有所不同。

e、CCUS =碳捕獲、利用和儲(chǔ)存;H2 =氫;Kg =公斤;L =升;蒸汽甲烷重整。

下圖2所示的需水量是根據(jù)業(yè)界建議的常用生產(chǎn)假設(shè)估計(jì)的，并在圖注中提及。如圖2 所示，冷卻補(bǔ)水分別占綠色和棕色制氫設(shè)施總?cè)∷康?56% 和 52%。因此，它是制氫過(guò)程中最大的需水來(lái)源。另一方面，冷卻 僅占灰色制氫設(shè)備總用水量的14%。對(duì)于藍(lán)色氫氣，由于文獻(xiàn)資料不足和缺乏實(shí)際項(xiàng)目案例，生產(chǎn)和冷卻的具體需水量需要更多證據(jù)才能確定一個(gè)沒(méi)有爭(zhēng)議的總體比例。

圖2：生產(chǎn)和冷卻取水需求占制氫項(xiàng)目案例總需水量的比例

注:

1）這些占比是對(duì)三種制氫方法的估算，以目前最常見(jiàn)的技術(shù)為例（如堿性電解為綠色，蒸汽甲烷轉(zhuǎn)化為灰色，水煤漿氣化為棕色）。

2）綠色和棕色示例的數(shù)據(jù)基于從工業(yè)界獲得的工程設(shè)計(jì)模型。對(duì)于灰色氫氣，數(shù)據(jù)和工藝來(lái)自 Lewis 等人（2022 年）的案例 1，該案例是作者審查過(guò)的所有研究中設(shè)計(jì)效率最高的。

3）這些數(shù)據(jù)顯示了冷卻和生產(chǎn)用水占比的總體規(guī)模。具體工廠的水占比數(shù)據(jù)會(huì)因地點(diǎn)、氣候、采用的具體技術(shù)、工廠年齡和管理而有所不同。

Kg =公斤;M3=立方米。

然而，可以得出的結(jié)論是，藍(lán)色制氫所需的冷卻水占比將大大高于灰色制氫，因?yàn)?CCUS 系統(tǒng)在碳捕獲和壓縮過(guò)程中需要足夠的冷卻水，此外 SMR 也需要冷卻水。此外，過(guò)去的一項(xiàng)研究表明，冷卻水占高效 SMR-CCUS 系統(tǒng)總?cè)∷康?98%，因?yàn)樯a(chǎn)過(guò)程中使用的大量冷卻水將被循環(huán)利用。

在制氫過(guò)程中，蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的濃縮周期通常為 4 到 6 個(gè)周期。這意味著約有 70%-85% 的冷卻用水被蒸發(fā)（或消耗）。提高濃縮周期可以在一定程度上減少冷卻用水量，但不會(huì)影響消耗量。一般來(lái)說(shuō)，工藝的能效越高，釋放的熱量就越少，消耗的冷卻水也就越少。此外，盡管空氣冷卻在技術(shù)上是可行的，而且在發(fā)電行業(yè)中也很常見(jiàn)，但從行業(yè)訪談中獲得的信息表明，由于其資本和運(yùn)營(yíng)成本較高，目前還沒(méi)有任何氫氣設(shè)施采用這種技術(shù)。對(duì)于綠色和灰色制氫，水需要經(jīng)過(guò)高純度處理（如上圖1所示的水預(yù)處理）后才能用于電解和 SMR。

對(duì)于綠色制氫而言，高純度或高水質(zhì)意味著低電導(dǎo)率和最少的有機(jī)碳。提高水的純度可以降低其電阻，從而提高能源效率。水的雜質(zhì)會(huì)對(duì)電解槽的許多要素產(chǎn)生不利影響：例如，據(jù)觀察，低質(zhì)水的循環(huán)會(huì)導(dǎo)致更高水平的降解，從而影響電解槽的使用壽命。

從水源取水的水質(zhì)越低，生產(chǎn)相同數(shù)量的氫氣所需的取水量和處理量就越大。源水的水質(zhì)，尤其是含鹽量，會(huì)導(dǎo)致水預(yù)處理的滲透率出現(xiàn)顯著差異，根據(jù)行業(yè)共享的數(shù)據(jù)，典型自來(lái)水的滲透率為 66%，河水或地下水為 58%，海水為 35%。值得注意的是，即使是同一類(lèi)水源，水質(zhì)也會(huì)因地域、時(shí)間、干旱和洪水等極端天氣前后而不同。

氫氣生產(chǎn)已包括水循環(huán)和再利用，這有助于減少取水量。例如，如上圖 1 所示，工藝?yán)淠ǔ；赜糜诩淄檗D(zhuǎn)化，用于灰處理和脫硫的排放水被回收并回用于制備水煤漿。雖然循環(huán)和回用減少了取水量，但并沒(méi)有減少用水量。換句話說(shuō)，除非我們改用對(duì)水依賴(lài)較少的技術(shù)，否則水的消耗量只會(huì)隨著產(chǎn)量的增加而增加。

二、取水和用水的強(qiáng)度

下圖3比較了不同制氫技術(shù)的平均取水量和耗水量。下表1對(duì)這些強(qiáng)度進(jìn)行了總結(jié)，并提供了其他統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。如圖3所示，平均而言，PEM 的耗水強(qiáng)度最低，約為17.5 升/千克，而SMR每生產(chǎn)1千克氫需要的水量最少，約為20升。煤基制氫的取水量和耗水量最高。在所有替代品中，天然氣 SMR的取水強(qiáng)度最小。不使用 CCUS 的煤氣化生產(chǎn)1千克氫氣需要抽取約 50 升水，消耗31升水。這比任何非煤基技術(shù)的取水和耗水強(qiáng)度都要高。從這個(gè)角度來(lái)看，一個(gè)相當(dāng)于 1 GW 的煤氣化制氫裝置每天將消耗約 3 600 萬(wàn)升水，足以滿(mǎn)足約 40 萬(wàn)人的基本生活用水需求，包括飲用、洗碗和淋浴。

圖3：制氫技術(shù)平均取水量和消耗強(qiáng)度對(duì)比

注:

1）自來(lái)水（或類(lèi)似水質(zhì)的水源）被用作或假定為這些數(shù)據(jù)點(diǎn)背后的水源。

2）對(duì)于藍(lán)氫，包括 CCUS 系統(tǒng)的冷卻要求。

3）對(duì)于 PEM 和 ATR，由于這些技術(shù)相對(duì)較新，可用數(shù)據(jù)點(diǎn)有限，因此數(shù)值范圍較小。

4）ATR = 自熱重整；CCUS = 碳捕獲、利用和儲(chǔ)存；kg = 千克氫；L = 升；PEM = 質(zhì)子交換膜；SMR = 蒸汽甲烷重整。

表1：制氫技術(shù)取水量和消耗強(qiáng)度匯總

將 CCUS 與化石燃料制氫相結(jié)合也意味著需要更多的水，因?yàn)?CCUS 系統(tǒng)通常需要大量冷卻，會(huì)降低生產(chǎn)效率，而且吸附劑強(qiáng)度也需要用水。在集成 CCUS 的情況下，煤氣化生產(chǎn) 1 千克氫氣需要抽取 80 升水，比不集成 CCUS 的煤氣化多 61%。這大約是堿性電解所需水量的 2.5 倍和 SMR-CCUS 所需水量的 2.2 倍，而 SMR-CCUS 是目前市場(chǎng)上最常見(jiàn)的兩種綠色和藍(lán)色制氫技術(shù)。

ATR 是需要取水量最少的 CCUS 集成技術(shù)，盡管其耗水量仍高于任何一種綠色制氫技術(shù)。如表 2.1 所示，與堿性電解法相比，PEM 平均取水量減少 20.3%，用水量減少 21.4%。根據(jù)用于綠色制氫的水平衡模型，這主要是因?yàn)?PEM 比堿性電解法更有效地將電能轉(zhuǎn)化為氫氣。這意味著以熱能形式浪費(fèi)的能量更少，從而減少了冷卻用水的需求。下圖4顯示了用水強(qiáng)度如何隨著電解槽能效的提高而降低。電解效率每提高 1 個(gè)百分點(diǎn)，綠色制氫的取水量和耗水量就會(huì)下降約 1%。綠色制氫的取水量和用水量就會(huì)下降約 2%。

圖4：典型電解工程氫氣轉(zhuǎn)化效率與取水量、耗水量的關(guān)系

注:

這些曲線是根據(jù)典型綠色氫能項(xiàng)目的水平衡模型估算的，除效率外，所有系統(tǒng)變量均保持不變。系統(tǒng)假設(shè)與圖1注釋中提到的相同。

在局部范圍內(nèi)，制氫取水量可能很大。擬議的商業(yè)項(xiàng)目每年可生產(chǎn)幾千噸到 2000 千噸左右的氫氣。如圖5 所示，一個(gè) 237千噸的制氫工廠每年需要取水 470 萬(wàn)至 1900 萬(wàn)立方米，約為一個(gè)典型的 1 GW 燃煤發(fā)電廠年需水量的26%-104% 。值得注意的是，火力發(fā)電是迄今為止主要行業(yè)中最大的用水戶(hù)（美國(guó)）。

圖5：典型制氫項(xiàng)目、火電廠和市政當(dāng)局年取水量

注:

用水量估算是根據(jù)表2.1中的平均系數(shù)計(jì)算的，對(duì)于發(fā)電廠，假定為循環(huán)冷卻。

CCUS =碳捕獲、利用和儲(chǔ)存;GW =千兆瓦;Kt =千噸;蒸汽甲烷重整。