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如果其他資源的限制會讓氫的使用停止，那么增加氫的使用就沒有意義了。
在這里，IRENA的Herib Blanco總結(jié)了他們通過電解(即從水中)生產(chǎn)氫需要多少水的研究。為了計算氫生產(chǎn)過程中所消耗的水量，以及為其提供動力的能源(可再生能源或天然氣)，人們進(jìn)行了廣泛的分析。假設(shè)到2050年，全世界電解氫的使用量超過70EJ，用水量將達(dá)到250億立方米左右。相比之下，全球農(nóng)業(yè)用水量為2.8萬億立方米，工業(yè)用水量為8000億立方米，城市用水量為4700億立方米。這相當(dāng)于一個有6200萬居民(人均400立方米)的發(fā)達(dá)國家。水的成本(處理，運輸)將只占?xì)渖a(chǎn)總成本的2%。任何海水淡化都會消耗1%的氫生產(chǎn)所需的總能量。布蘭科指出，水足跡是非常具體的地點，并取決于當(dāng)?shù)氐乃Y源可用性、消耗、退化和污染。對生態(tài)系統(tǒng)的影響也必須考慮在內(nèi)。但Blanco說，這些數(shù)字表明，水的消耗不應(yīng)該成為擴大可再生氫的規(guī)模的主要障礙。
氫是凈零排放能源系統(tǒng)的重要組成部分。它通過提供比電力更容易運輸和儲存的高能量密度的能量載體來補充電力。因此，它使那些難以通電的應(yīng)用程序脫碳成為可能。
與電類似，氫可以由多種能源產(chǎn)生。電解的方法是利用電把水分解成氧和氫。這可以利用持續(xù)下降的可再生電力成本，為電力部門提供靈活性，并使一個綜合能源系統(tǒng)，而不是單獨的部門。
電解的一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(guī)模生產(chǎn)造成限制。本文旨在回答與這個問題相關(guān)的一些關(guān)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(chǎn)和上游能量載體的生產(chǎn)。就氫生產(chǎn)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，根據(jù)[1]，這一比例可以在每千克氫18到24千克水之間，甚至高達(dá)25.7到30.2。
對于現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝(甲烷蒸汽重整)，最小耗水量為4.5 kgH2O/kgH2(反應(yīng)所需)，考慮到工藝用水和冷卻，最小耗水量為6.4-32.2 kgH2O/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(chǎn)可再生電力和天然氣的水消耗。光伏發(fā)電的用水量在50-400升/ MWh (2.4-19 kgH2O/kgH2)之間變化，風(fēng)力發(fā)電的用水量在5-45升/ MWh (0.2-2.1 kgH2O/kgH2)之間。同樣，頁巖氣(根據(jù)美國數(shù)據(jù))的天然氣產(chǎn)量可以從1.14 kgH2O/kgH2提高到4.9 kgH2O/kgH2。
綜上所述，光伏發(fā)電和風(fēng)能產(chǎn)生氫氣的總耗水量平均分別為32和22 kgH2O/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(7.6-37 kgH2O/kgH2，平均為22 kgH2O/kgH2)相同數(shù)量級。
（圖1 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(fā)電的一小部分，那么與電相關(guān)的水消耗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電解過程中實際消耗的水。
例如，天然氣發(fā)電的用水量可高達(dá)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(chǎn)氫[2]可消耗31-31.8 kgH2O/kgH2，產(chǎn)煤[4]可消耗14.7 kgH2O/kgH2。隨著制造過程變得更有效率，光伏和風(fēng)能的水消耗也預(yù)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(yù)計未來全球的氫使用量將比現(xiàn)在多出許多倍。例如，IRENA[6]的《世界能源轉(zhuǎn)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8.4 EJ。
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。圖2(下)將這個數(shù)字與其他人為的水消耗流進(jìn)行了對比。農(nóng)業(yè)用水是2800億立方米中最大的，工業(yè)用水接近8000億立方米，城市用水4700億立方米[7-9]。目前天然氣重整和煤氣化制氫的用水量約為15億立方米。
因此，盡管由于電解途徑的改變和需求的增長，預(yù)計會有大量的水消耗，氫生產(chǎn)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(chǎn)總量相當(dāng)于一個人口為6200萬的國家。
圖2 按應(yīng)用計算的用水量（圓的大小與每次應(yīng)用的用水量成正比，農(nóng)業(yè)用量接近2,800 km3/年）
供水的成本和能耗是多少?
成本
電解槽需要高質(zhì)量的水，需要水處理。低質(zhì)量的水會導(dǎo)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(zhì)(如鐵、鉻、銅等)的不利影響。要求水的電導(dǎo)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(shù)來說，最壞的情況是使用海水淡化。反滲透技術(shù)是海水淡化的主要技術(shù)，占全球容量的近70%。該技術(shù)的成本為1900 - 2000美元/(m3/d)，學(xué)習(xí)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(qū)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(shù)[12]。以熱電廠的保守情況(即較高的能源需求)為例，假設(shè)使用熱泵，能源需求將轉(zhuǎn)化為約0.7 kWh/kg的氫。從這個角度來看(見圖3，右)，電解槽的電力需求約為50-55 kWh/kg，所以即使在最壞的情況下，脫鹽的能源需求約為系統(tǒng)總能量輸入的1%。
海水淡化的一個挑戰(zhàn)是鹽水的處理，這可能會對當(dāng)?shù)氐暮Ｑ笊鷳B(tài)系統(tǒng)造成影響。該鹽水可以進(jìn)一步處理，以減少其對環(huán)境的影響，從而使水的成本再增加0.6-2.4美元/m3[14]。此外，與飲用水相比，電解的水質(zhì)更嚴(yán)格，可能導(dǎo)致更高的處理成本，但與電力投入相比，這仍預(yù)計是很小的。
圖3 海水淡化對整體(a)氫氣生產(chǎn)成本(b)能源消耗的貢獻(xiàn)
水足跡是一個非常具體的位置參數(shù)，它取決于當(dāng)?shù)氐乃Y源可用性、消耗、退化和污染。應(yīng)考慮生態(tài)系統(tǒng)的平衡和長期氣候趨勢的影響。然而，沒有人預(yù)見到水的消耗將成為擴大可再生氫的主要障礙。
資料來源：
《Hydrogen production in 2050: how much water will 74EJ need?》——Herib Blanco
