在“雙碳”背景下，近年來(lái)，清潔氫能迅速崛起。據(jù)了解，氫能對(duì)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(wèn)題也引起了關(guān)注。12月10日，由國(guó)際可再生能源署（IRENA）和未瀾咨詢(xún)（Bluerisk）共同撰寫(xiě)的《全球制氫用水報(bào)告》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《報(bào)告》）在《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》第二十八次締約方大會(huì)（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(wèn)題的報(bào)告，從“水資源”角度為已經(jīng)步入發(fā)展快車(chē)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(dāng)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(lái)幾十年預(yù)計(jì)會(huì)迅猛發(fā)展，其對(duì)水資源的需求自然也會(huì)相應(yīng)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(gè)過(guò)程。
未瀾咨詢(xún)合伙人羅天一說(shuō)：“在制氫環(huán)節(jié)，制氫技術(shù)耗水分三個(gè)部分，一是制造氫氣的物理或者化學(xué)反應(yīng)過(guò)程會(huì)用到水，二是冷卻需要用水，三是對(duì)于所有藍(lán)氫技術(shù)，CCUS需要用到水。”
據(jù)介紹，綠氫一般是通過(guò)光電、風(fēng)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(guò)氣化制氫，需要水制備水煤漿；藍(lán)氫是在灰氫和棕氫的基礎(chǔ)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(huì)大大增加，主要有兩個(gè)原因，第一是系統(tǒng)效率因?yàn)镃CUS的能耗變低，第二是因?yàn)镃CUS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(lái)看，質(zhì)子交換膜（PEM）電解水的水耗強(qiáng)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(qiáng)度約為每千克22.3升。相比之下，基于蒸汽甲烷重整的藍(lán)氫（SMR-CCUS）技術(shù)的水耗約為32.2L/kg，而基于自熱重整的藍(lán)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(qiáng)度約為50L/kg，耗水強(qiáng)度為31L/kg，大約是PEM的兩倍。如果配備CCUS，其用水強(qiáng)度將增加約60%，升至每千克80.2升和49.4升。舉例而言，一個(gè)年產(chǎn)23.7萬(wàn)噸氫氣并配備CCUS的煤制氫工廠，每年的取水量大約為1900萬(wàn)立方米，足以支撐倫敦市半年的居民用水需求或者一個(gè)1吉瓦火電廠一年多的用水需求。
制氫或增加當(dāng)?shù)厮畨毫︼L(fēng)險(xiǎn)
現(xiàn)實(shí)是，能源行業(yè)是工業(yè)部門(mén)中的“用水巨頭”。隨著氣候變化加劇，極端天氣的頻度和強(qiáng)度上升，降水不確定性增大，全球范圍內(nèi)因缺水導(dǎo)致能源設(shè)施被迫關(guān)閉或減產(chǎn)的案例頻見(jiàn)報(bào)端，“水—能”關(guān)系愈發(fā)緊張。
《報(bào)告》基于世界資源研究所（WRI）全球水道風(fēng)險(xiǎn)地圖（Aqueduct），評(píng)估了全球綠氫和藍(lán)氫項(xiàng)目（已經(jīng)運(yùn)營(yíng)或已在計(jì)劃中）所在地的水壓力狀況。
比如，海灣阿拉伯國(guó)家合作委員會(huì)國(guó)家淡水資源匱乏，只能通過(guò)海水淡化和海水冷卻來(lái)滿(mǎn)足現(xiàn)階段灰氫用水需求。羅天一表示，海灣國(guó)家有計(jì)劃將這一地區(qū)打造成一個(gè)“氫能出口中心”，在2040年實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)超三千萬(wàn)噸，包括一千萬(wàn)藍(lán)氫和兩千萬(wàn)綠氫。這也大大了增加當(dāng)?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(fēng)險(xiǎn)。
又如，歐洲氣候變化導(dǎo)致干旱加劇，對(duì)能源行業(yè)的影響也日益頻繁。計(jì)劃中的制氫項(xiàng)目有不少處于水資源本就緊缺的地方，“水—能”沖突在未來(lái)十年可能會(huì)進(jìn)一步升級(jí)。
IRENA知識(shí)、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(wèn)題的制氫方式實(shí)際上會(huì)增加當(dāng)?shù)厮畨毫︼L(fēng)險(xiǎn)，這也再次強(qiáng)化了一個(gè)事實(shí)——綠氫是幫助實(shí)現(xiàn)全球1.5攝氏度溫升目標(biāo)的最佳選擇。”
據(jù)《報(bào)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(mén)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(zhǎng)逾230%，并在2050年達(dá)到121億立方米，增幅近六倍。制氫行業(yè)在能源部門(mén)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(hù)”，但若聚焦到具體的制氫點(diǎn)所在地，“水—能”沖突就可能顯得十分嚴(yán)峻。
《報(bào)告》發(fā)現(xiàn)，目前全球綠氫和藍(lán)氫（正在運(yùn)營(yíng)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(guó)、歐盟、美國(guó)和其它G20國(guó)家也都面臨著不同程度的水壓力，這會(huì)給制氫項(xiàng)目在未來(lái)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(zhǎng)的時(shí)間范圍、多個(gè)維度來(lái)全面考慮當(dāng)?shù)厮Y源的實(shí)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(shí)候更及時(shí)、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(huì)是實(shí)現(xiàn)水和能源兩大要素協(xié)同發(fā)展的重要破局點(diǎn)，也將成為解鎖地球可持續(xù)未來(lái)的關(guān)鍵所在。
在水資源緊缺的氫能產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)地區(qū)，綠氫無(wú)疑應(yīng)當(dāng)被是為優(yōu)先發(fā)展的選項(xiàng)，以減小對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的影響以及自身生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。
近年來(lái)，中國(guó)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(zhǎng)期規(guī)劃（2021-2035年）》中，中國(guó)已明確將氫能作為發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)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(jí)的新增長(zhǎng)點(diǎn)。數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)到2025年，中國(guó)的氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)到10億元人民幣（1340億美元）。
《報(bào)告》通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，隨著綠氫制造技術(shù)精進(jìn)，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(guó)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(guó)逾八成煤化工廠的區(qū)域，黃河流域是當(dāng)下中國(guó)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(guó)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(lái)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(shí)，提高制氫量。比如，從棕氫轉(zhuǎn)為藍(lán)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(zhǎng)11%，提取水量減少28%，消耗水量可減少20%。
來(lái)源：中國(guó)環(huán)境
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