水資源不足或降水不確定性成氫能發(fā)展瓶頸

氫能作為綠色、高效的二次能源，是全球能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要載體之一，發(fā)展氫能已成為加快能源轉(zhuǎn)型升級(jí)、培育經(jīng)濟(jì)新增長(zhǎng)點(diǎn)的重要戰(zhàn)略選擇。綠氫是氫能利用的理想形態(tài)，生產(chǎn)過(guò)程無(wú)碳排放，未來(lái)有望成為供氫主體。

近日，國(guó)際可再生能源署（IRENA）聯(lián)合行業(yè)研究機(jī)構(gòu)未瀾咨詢（Bluerisk）發(fā)布《全球制氫用水報(bào)告》（以下簡(jiǎn)稱《報(bào)告》）指出，目前主流制氫方式耗水量普遍較大，隨著全球氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴(kuò)張，將顯著增加項(xiàng)目所在地區(qū)用水壓力，用水緊缺可能成為未來(lái)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸。

《報(bào)告》顯示，目前全球主流制氫方式都需要用水，主要集中在制氫和冷卻兩大過(guò)程中。綠氫主要是利用光伏、風(fēng)電等可再生能源電解水制氫，藍(lán)氫需要用天然氣為原料與水蒸氣進(jìn)行重整制氫，煤制氫則需要用大量水冷卻，另外化石燃料制氫所需要的碳捕捉與封存技術(shù)同樣需要大量水資源進(jìn)行冷卻、吸附和提純。

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)?/span>CCUS的能耗變低，第二是因?yàn)?/span>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(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 32.2 L/kg，而基于自熱重整的藍(lán)氫（ATR-CCUS）約為 24.2 L/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。

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。

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)。