深度：電解水制氫到底需要消耗多少水？

 

電解消耗多少水

 

第一步：制氫

 

水的消耗來自兩個步驟：氫氣生產和上游能量載體的生產。就氫生產而言，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，這一比例可以在每千克氫18到24千克水之間，甚至高達25.7到30.2。

 

對于現有的生產工藝（甲烷蒸汽重整），最小耗水量為4.5kgH2O/kgH2（反應所需），考慮到工藝用水和冷卻，最小耗水量為6.4-32.2kgH2O/kgH2。

 

第二步：能源來源（可再生電力或天然氣）

 

另一個組成部分是生產可再生電力和天然氣的水消耗。光伏發電的用水量在50-400升/MWh（2.4-19kgH2O/kgH2）之間變化，風力發電的用水量在5-45升/MWh（0.2-2.1kgH2O/kgH2）之間。同樣，頁巖氣（根據美國數據）的天然氣產量可以從1.14kgH2O/kgH2提高到4.9kgH2O/kgH2。

 

 

綜上所述，光伏發電和風能產生氫氣的總耗水量平均分別為32和22kgH2O/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（7.6-37kgH2O/kgH2，平均為22kgH2O/kgH2）相同數量級。

 

 

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。如果僅使用化石發電的一小部分，那么與電相關的水消耗要遠遠高于電解過程中實際消耗的水。

 

例如，天然氣發電的用水量可高達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，產氫可消耗31-31.8kgH2O/kgH2，產煤可消耗14.7kgH2O/kgH2。隨著制造過程變得更有效率，光伏和風能的水消耗也預計會隨著時間的推移而減少，單位裝機容量的能源輸出也會提高。

 

2050年的總用水量

 

預計未來全球的氫使用量將比現在多出許多倍。例如，IRENA的《世界能源轉型展望》（World Energy Transitions Outlook）估計，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8.4EJ。

 

即使電解氫能滿足整個2050年的氫需求，用水量也將約為250億立方米。下圖將這個數字與其他人為的水消耗流進行了對比。農業用水是2800億立方米中最大的，工業用水接近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。

 

 

按應用計算的用水量（圓的大小與每次應用的用水量成正比，農業用量接近2,800km³/年）

 

因此，盡管由于電解途徑的改變和需求的增長，預計會有大量的水消耗，氫生產的水消耗仍然會比人類使用的其他流量小得多。另一個參考點是，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）的平均值計算，2050年的氫生產總量相當于一個人口為6200萬的國家。

 

供水的成本和能耗是多少

 

成本

 

電解槽需要高質量的水，需要水處理。低質量的水會導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（如鐵、鉻、銅等）的不利影響。要求水的電導率小于1μS/cm，總有機碳小于50μg/L。

 

水在能源消耗和成本中所占比例都相對較小。對這兩個參數來說，最壞的情況是使用海水淡化。反滲透技術是海水淡化的主要技術，占全球容量的近70%。該技術的成本為1900-2000美元/（m³/d），學習曲線速率為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可能更低。

 

此外，運輸成本大約還會增加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（以采收率計算）。

 

能源消費

 

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/立方米不等，額外的電能需求為2.5到5千瓦時/立方米，這取決于脫鹽技術。以熱電廠的保守情況（即較高的能源需求）為例，假設使用熱泵，能源需求將轉化為約0.7kWh/kg的氫。從這個角度來看，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總能量輸入的1%。

 

海水淡化的一個挑戰是鹽水的處理，這可能會對當地的海洋生態系統造成影響。該鹽水可以進一步處理，以減少其對環境的影響，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，電解的水質更嚴格，可能導致更高的處理成本，但與電力投入相比，這仍預計是很小的。

 

 

（a）氫氣生產成本；（b）能源消耗的貢獻

 

電解水制氫的水足跡是一個非常具體的位置參數，它取決于當地的水資源可用性、消耗、退化和污染。應考慮生態系統的平衡和長期氣候趨勢的影響。水的消耗將成為擴大可再生氫的主要障礙。