氫能的發展須因地制宜,可再生能源分布、氫氣儲運成本、氫氣下游消納等因素首當其沖。電解的一另個常見問題是作為輸入的水的消耗,以及它是否會對氫氣的大規模生產造成限制。本文旨在回答與這個問題相關的一些關鍵問題。
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。