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电解水制氢到底需要消耗多少水?

日期:2021-07-23    来源:氢启未来

国际氢能网

2021
07/23
09:27
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关键词: 电解水 制氢 用氢

如果其他资源的限制会让氢的使用停止,那么增加氢的使用就没有意义了。

在这里,IRENA的Herib Blanco总结了他们通过电解(即从水中)生产氢需要多少水的研究。为了计算氢生产过程中所消耗的水量,以及为其提供动力的能源(可再生能源或天然气),人们进行了广泛的分析。

假设到2050年,全世界电解氢的使用量超过70EJ,用水量将达到250亿立方米左右。相比之下,全球农业用水量为2.8万亿立方米,工业用水量为8000亿立方米,城市用水量为4700亿立方米。这相当于一个有6200万居民(人均400立方米)的发达国家。水的成本(处理,运输)将只占氢生产总成本的2%。任何海水淡化都会消耗1%的氢生产所需的总能量。

布兰科指出,水足迹是非常具体的地点,并取决于当地的水资源可用性、消耗、退化和污染。对生态系统的影响也必须考虑在内。但Blanco说,这些数字表明,水的消耗不应该成为扩大可再生氢的规模的主要障碍。

氢是净零排放能源系统的重要组成部分。它通过提供比电力更容易运输和储存的高能量密度的能量载体来补充电力。因此,它使那些难以通电的应用程序脱碳成为可能。

与电类似,氢可以由多种能源产生。电解的方法是利用电把水分解成氧和氢。这可以利用持续下降的可再生电力成本,为电力部门提供灵活性,并使一个综合能源系统,而不是单独的部门。

电解的一个常见问题是作为输入的水的消耗,以及它是否会对氢气的大规模生产造成限制。本文旨在回答与这个问题相关的一些关键问题。

电解消耗多少水?

第一步:制氢

水的消耗来自两个步骤:氢气生产和上游能量载体的生产。就氢生产而言,电解水的最小消耗大约是每千克氢消耗9千克水。然而,考虑到水的脱矿过程,根据[1],这一比例可以在每千克氢18到24千克水之间,甚至高达25.7到30.2。

对于现有的生产工艺(甲烷蒸汽重整),最小耗水量为4.5 kgH2O/kgH2(反应所需),考虑到工艺用水和冷却,最小耗水量为6.4-32.2 kgH2O/kgH2。

第二步:能源来源(可再生电力或天然气)

另一个组成部分是生产可再生电力和天然气的水消耗。光伏发电的用水量在50-400升/ MWh (2.4-19 kgH2O/kgH2)之间变化,风力发电的用水量在5-45升/ MWh (0.2-2.1 kgH2O/kgH2)之间。同样,页岩气(根据美国数据)的天然气产量可以从1.14 kgH2O/kgH2提高到4.9 kgH2O/kgH2。

综上所述,光伏发电和风能产生氢气的总耗水量平均分别为32和22 kgH2O/kgH2左右。不确定性来自太阳辐射、寿命和硅含量。这一耗水量与天然气制氢(7.6-37 kgH2O/kgH2,平均为22 kgH2O/kgH2)相同数量级。

图1 不同制氢途径的生命周期用水量

总水足迹:使用可再生能源时更低

与二氧化碳排放类似,电解路线水足迹低的先决条件是使用可再生能源。如果仅使用化石发电的一小部分,那么与电相关的水消耗要远远高于电解过程中实际消耗的水。

例如,天然气发电的用水量可高达2500升/ MWh。这也是化石燃料(天然气)的最佳案例。如果考虑煤气化,产氢可消耗31-31.8 kgH2O/kgH2,产煤[4]可消耗14.7 kgH2O/kgH2。随着制造过程变得更有效率,光伏和风能的水消耗也预计会随着时间的推移而减少,单位装机容量的能源输出也会提高。

2050年的总用水量

预计未来全球的氢使用量将比现在多出许多倍。例如,IRENA[6]的《世界能源转型展望》(World Energy Transitions Outlook)估计,2050年的氢需求将约为74ej,其中约三分之二将来自可再生氢。相比之下,今天(纯氢)是8.4 EJ。

即使电解氢能满足整个2050年的氢需求,用水量也将约为250亿立方米。图2(下)将这个数字与其他人为的水消耗流进行了对比。农业用水是2800亿立方米中最大的,工业用水接近8000亿立方米,城市用水4700亿立方米[7-9]。目前天然气重整和煤气化制氢的用水量约为15亿立方米。

因此,尽管由于电解途径的改变和需求的增长,预计会有大量的水消耗,氢生产的水消耗仍然会比人类使用的其他流量小得多。另一个参考点是,人均用水量在每年75(卢森堡)到1200(美国)立方米之间。以400立方米/(人均*年)的平均值计算,2050年的氢生产总量相当于一个人口为6200万的国家。

图2 按应用计算的用水量(圆的大小与每次应用的用水量成正比,农业用量接近2,800 km3/年)

供水的成本和能耗是多少?

成本

电解槽需要高质量的水,需要水处理。低质量的水会导致更快的降解和更短的寿命。许多元素,包括用于碱性的隔膜和催化剂,以及PEM的膜和多孔传输层,都可能受到水杂质(如铁、铬、铜等)的不利影响。要求水的电导率小于1μS/cm,总有机碳小于50μg/L。

水在能源消耗和成本中所占比例都相对较小。对这两个参数来说,最坏的情况是使用海水淡化。反渗透技术是海水淡化的主要技术,占全球容量的近70%。该技术的成本为1900 - 2000美元/(m3/d),学习曲线速率为15%。在这样的投资成本下,处理成本约为1美元/m3,在电力成本低的地区可能更低。

此外,运输成本大约还会增加1-2美元/m3[13]。即使在这种情况下,水处理成本约为0.05美元/kgH2。从这个角度来看,如果有良好的可再生资源,可再生氢的成本可以是2-3美元/kgH2,而平均资源的成本是4-5美元/kgH2。

因此,在这种保守的情况下,水的成本将不到总成本的2%。使用海水可使采水量增加2.5-5倍(以采收率计算)。

能源消费

看看海水淡化的能源消耗,与电解槽输入所需的电力相比,这也是非常小的。目前运行的反渗透装置耗电量约为3.0千瓦/立方米。相比之下,热力脱盐厂的能耗要高得多,从40到80千瓦时/立方米不等,额外的电能需求为2.5到5千瓦时/立方米,这取决于脱盐技术[12]。以热电厂的保守情况(即较高的能源需求)为例,假设使用热泵,能源需求将转化为约0.7 kWh/kg的氢。从这个角度来看,电解槽的电力需求约为50-55 kWh/kg,所以即使在最坏的情况下,脱盐的能源需求约为系统总能量输入的1%。

海水淡化的一个挑战是盐水的处理,这可能会对当地的海洋生态系统造成影响。该盐水可以进一步处理,以减少其对环境的影响,从而使水的成本再增加0.6-2.4美元/m3[14]。此外,与饮用水相比,电解的水质更严格,可能导致更高的处理成本,但与电力投入相比,这仍预计是很小的。

图3 海水淡化对整体(a)氢气生产成本(b)能源消耗的贡献

水足迹是一个非常具体的位置参数,它取决于当地的水资源可用性、消耗、退化和污染。应考虑生态系统的平衡和长期气候趋势的影响。然而,没有人预见到水的消耗将成为扩大可再生氢的主要障碍。

资料来源:

《Hydrogen production in 2050: how much water will 74EJ need?》——Herib Blanco


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