在“雙碳”背景下，近年來，清潔氫能迅速崛起。據(jù)了解，氫能對于鋼鐵、化工、交通等典型的“難減排領(lǐng)域”突破減排瓶頸意義重大。
但隨著全球加速發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，制氫用水問題也引起了關(guān)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(lián)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(tǒng)性分析制氫用水問題的報告，從“水資源”角度為已經(jīng)步入發(fā)展快車道的氫能產(chǎn)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(jù)了解，雖然當下氫能生產(chǎn)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(lǐng)域備受關(guān)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(shù)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(shù)，CCUS需要用到水。”
據(jù)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(shù)（CCUS），減少二氧化碳排入大氣，而這些制氫系統(tǒng)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(tǒng)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(zhì)、吸附等每一步都需要用到水。
在冷卻環(huán)節(jié)，系統(tǒng)效率越高，能量損失產(chǎn)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(shù)中用水效率最高的。就平均水平來看，質(zhì)子交換膜（PEM）電解水的水耗強度最低，大約為生產(chǎn)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(shù)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(shù)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(chǎn)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?shù)厮畨毫︼L險
現(xiàn)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(nèi)因缺水導致能源設施被迫關(guān)閉或減產(chǎn)的案例頻見報端，“水—能”關(guān)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(jīng)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(xiàn)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(xiàn)年產(chǎn)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?shù)刂茪洚a(chǎn)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?shù)厮畨毫︼L險，這也再次強化了一個事實——綠氫是幫助實現(xiàn)全球1.5攝氏度溫升目標的最佳選擇。”
據(jù)《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?cè)∷康?.6%。其中，灰氫生產(chǎn)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?qū)⒃鲋?3億立方米，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?qū)用嫔峡矗茪湫袠I(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(xiàn)，目前全球綠氫和藍氫（正在運營和已在規(guī)劃中）產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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?shù)厮Y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(guān)鍵生產(chǎn)要素納入前期、中期和后期的規(guī)劃，將會是實現(xiàn)水和能源兩大要素協(xié)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(guān)鍵所在。
在水資源緊缺的氫能產(chǎn)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?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的影響以及自身生產(chǎn)風險。
近年來，中國積極布局氫能產(chǎn)業(yè)。在2022年年初發(fā)布的《氫能產(chǎn)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(chǎn)業(yè)的重點方向，是構(gòu)建綠色低碳產(chǎn)業(yè)體系、打造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的新增長點。數(shù)據(jù)顯示，預計到2025年，中國的氫能產(chǎn)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(xiàn)，隨著綠氫制造技術(shù)精進，每提高1%的電解效率，綠氫的水耗就可以降低約2%。
據(jù)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(chǎn)區(qū)之一，且流域內(nèi)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(shù)+CCUS”、堿性電解或兩者的混合來替代煤制氫生產(chǎn)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)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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