在“雙碳”背景下，近年來，清潔氫能迅速崛起。據了解，氫能對于鋼鐵、化工、交通等典型的“難減排領域”突破減排瓶頸意義重大。
但隨著全球加速發(fā)展氫能產業(yè)，制氫用水問題也引起了關注。12月10日，由國際可再生能源署（IRENA）和未瀾咨詢（Bluerisk）共同撰寫的《全球制氫用水報告》（以下簡稱《報告》）在《聯合國氣候變化框架公約》第二十八次締約方大會（COP28）期間正式發(fā)布。這是全球首份系統性分析制氫用水問題的報告，從“水資源”角度為已經步入發(fā)展快車道的氫能產業(yè)提供可持續(xù)發(fā)展的重要建議。
氫能迅猛發(fā)展，水資源需求上升
據了解，雖然當下氫能生產僅占全球總工業(yè)用水需求的一小部分，但作為清潔替代能源領域備受關注的黑馬，如果氫能在未來幾十年預計會迅猛發(fā)展，其對水資源的需求自然也會相應上升。
目前，所有的制氫方式都需要用到水，制氫用水主要集中在制氫和冷卻兩個過程。
未瀾咨詢合伙人羅天一說：“在制氫環(huán)節(jié)，制氫技術耗水分三個部分，一是制造氫氣的物理或者化學反應過程會用到水，二是冷卻需要用水，三是對于所有藍氫技術，CCUS需要用到水。”
據介紹，綠氫一般是通過光電、風電等可再生能源電解水制氫；灰氫是以天然氣為原料制氫，需要水蒸氣與甲烷一起重整（SMR）棕氫以煤炭為原料，通過氣化制氫，需要水制備水煤漿；藍氫是在灰氫和棕氫的基礎上加用了碳捕集封存和利用技術（CCUS），減少二氧化碳排入大氣，而這些制氫系統加上CCUS之后，耗水量會大大增加，主要有兩個原因，第一是系統效率因為CCUS的能耗變低，第二是因為CCUS本身有大量的冷卻需求，而且在去雜質、吸附等每一步都需要用到水。
在冷卻環(huán)節(jié)，系統效率越高，能量損失產生的廢熱就越少，從而需要冷卻耗水也就越少。
眾所周知，綠氫是所有清潔氫能技術中用水效率最高的。就平均水平來看，質子交換膜（PEM）電解水的水耗強度最低，大約為生產每千克氫氣消耗17.5升水。堿性電解緊隨其后，水耗強度約為每千克22.3升。相比之下，基于蒸汽甲烷重整的藍氫（SMR-CCUS）技術的水耗約為32.2L/kg，而基于自熱重整的藍氫（ATR-CCUS）約為24.2L/kg。
煤氣化是目前可用制氫技術中耗水量最大的，其平均取水強度約為50L/kg，耗水強度為31L/kg，大約是PEM的兩倍。如果配備CCUS，其用水強度將增加約60%，升至每千克80.2升和49.4升。舉例而言，一個年產23.7萬噸氫氣并配備CCUS的煤制氫工廠，每年的取水量大約為1900萬立方米，足以支撐倫敦市半年的居民用水需求或者一個1吉瓦火電廠一年多的用水需求。
制氫或增加當地水壓力風險
現實是，能源行業(yè)是工業(yè)部門中的“用水巨頭”。隨著氣候變化加劇，極端天氣的頻度和強度上升，降水不確定性增大，全球范圍內因缺水導致能源設施被迫關閉或減產的案例頻見報端，“水—能”關系愈發(fā)緊張。
《報告》基于世界資源研究所（WRI）全球水道風險地圖（Aqueduct），評估了全球綠氫和藍氫項目（已經運營或已在計劃中）所在地的水壓力狀況。
比如，海灣阿拉伯國家合作委員會國家淡水資源匱乏，只能通過海水淡化和海水冷卻來滿足現階段灰氫用水需求。羅天一表示，海灣國家有計劃將這一地區(qū)打造成一個“氫能出口中心”，在2040年實現年產超三千萬噸，包括一千萬藍氫和兩千萬綠氫。這也大大了增加當地制氫產業(yè)的海水淡化成本以及海水鹵化的環(huán)境風險。
又如，歐洲氣候變化導致干旱加劇，對能源行業(yè)的影響也日益頻繁。計劃中的制氫項目有不少處于水資源本就緊缺的地方，“水—能”沖突在未來十年可能會進一步升級。
IRENA知識、政策和金融中心代理主任UteCollier表示：“目前一些試圖解決溫室氣體排放問題的制氫方式實際上會增加當地水壓力風險，這也再次強化了一個事實——綠氫是幫助實現全球1.5攝氏度溫升目標的最佳選擇?！?br />
據《報告》介紹，目前，每年全球制氫抽取的淡水規(guī)模為22億立方米，占能源部門總取水量的0.6%。其中，灰氫生產占全球制氫取水量的約59%，棕氫占40%。到2040年，全球制氫的淡水取水量或將增至73億立方米，增長逾230%，并在2050年達到121億立方米，增幅近六倍。制氫行業(yè)在能源部門總淡水取水中所占比例可能從今天的0.6%上升到2040年的2.4%。
從全球層面上看，制氫行業(yè)尚不算用水“大戶”，但若聚焦到具體的制氫點所在地，“水—能”沖突就可能顯得十分嚴峻。
《報告》發(fā)現，目前全球綠氫和藍氫（正在運營和已在規(guī)劃中）產能中逾35%位于高水壓力的地區(qū)。例如印度，到2040年或有99%的氫產能位于極端水壓力的地區(qū)，中國、歐盟、美國和其它G20國家也都面臨著不同程度的水壓力，這會給制氫項目在未來可持續(xù)生產埋下隱患。因此，規(guī)劃氫能發(fā)展必須從更長的時間范圍、多個維度來全面考慮當地水資源的實際情況。
每提高1%的電解效率，綠氫的水耗就可降低約2%
值得注意的是，如何在發(fā)展氫能的時候更及時、更到位地把“水”作為關鍵生產要素納入前期、中期和后期的規(guī)劃，將會是實現水和能源兩大要素協同發(fā)展的重要破局點，也將成為解鎖地球可持續(xù)未來的關鍵所在。
在水資源緊缺的氫能產業(yè)重點地區(qū)，綠氫無疑應當被是為優(yōu)先發(fā)展的選項，以減小對當地生態(tài)環(huán)境的影響以及自身生產風險。
近年來，中國積極布局氫能產業(yè)。在2022年年初發(fā)布的《氫能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035年）》中，中國已明確將氫能作為發(fā)展戰(zhàn)略性新興產業(yè)的重點方向，是構建綠色低碳產業(yè)體系、打造產業(yè)轉型升級的新增長點。數據顯示，預計到2025年，中國的氫能產業(yè)規(guī)模將達到10億元人民幣（1340億美元）。
《報告》通過模擬發(fā)現，隨著綠氫制造技術精進，每提高1%的電解效率，綠氫的水耗就可以降低約2%。
據了解，中國約63%的氫能為碳排放和水耗量雙高的棕氫。作為集聚了中國逾八成煤化工廠的區(qū)域，黃河流域是當下中國最重要的制氫產區(qū)之一，且流域內70%的煤化工廠位于水資源緊張或極度緊張的區(qū)域。
在我國黃河流域，若用“水蒸氣與甲烷一起重整技術+CCUS”、堿性電解或兩者的混合來替代煤制氫生產，那么到2030年，黃河流域可以在減少用水量的同時，提高制氫量。比如，從棕氫轉為藍氫，制氫量上升11%，總提取水量減少18%，水消耗量增加15%；而從棕氫轉為綠氫，制氫量增長11%，提取水量減少28%，消耗水量可減少20%。
來源：中國環(huán)境
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