有点担心电解水绿氢经济会影响全球水资源？来看看文中分析
2023-06-07 15:57:01   来源： ()　   评论：0 点击：

1766年，亨利·卡文迪什发现了一种轻质气体，当它在空气中燃烧时会变成水。1787年，安托万·拉瓦锡将这种新气体命名为“氢”，这是氢和基因的结合，字面意思是“水形成者”。（1） 不久之后，科学家们发现，通过向水中通电，可以通过反向反应产生氢气。如今，氢被用作化学合成的原料，但其他应用已经成为现实，包括储能和运输燃料。如果氢气是由可再生电力产生的，它不会释放温室气体排放，这意味着它可以成为应对气候变化的关键参与者。

为了发展无排放氢气在日常生活中广泛使用的“绿色氢气经济”，创新者正在使用电化学水电解法从两种简单的成分产生氢气：电和水。随着可再生能源电价的下降和电解槽效率的提高，一些评论家开始问第二种成分的问题：是否有足够的水来支持氢经济？一些人认为答案是否定的，因为在整个生产过程中，包括将水作为原料和冷却剂用于生产氢气的热电方法，如蒸汽甲烷重整（SMR），都需要大量的水。（2） 然而，绿色氢能经济的目标是完全从可再生能源中获得能源，这些可再生能源不使用水进行冷却或化石燃料过程。因此，在考虑氢气生产对全球水储量的影响时，仅包括直接用于水电解的水是至关重要的。在下面的分析中，我们发现，通过分离用于电解步骤的水，与可用水量相比，氢气生产所消耗的水量的影响可以忽略不计。

1.电解的水需求在我们之前的工作中，我们考虑了未来所有适用领域对氢气的总体需求，包括化学合成、运输、建筑和供暖以及储能。计算出的遥远的可再生能源未来的氢气需求量为每年2.3亿吨。（3） 在我们的愿景中，氢气将通过可再生能源驱动的水电解生产。与国际气候变化专门委员会最坏的RCP8.5情景相比，根据未来的排放预测，这样的愿景可以每年将能源部门的碳排放量减少10.2亿吨。（3） 在进一步发展氢经济之前，重要的是确定每年所需水量2.3 Gt氢的可行性。几位作者（2，4）表达了他们对水换氢的担忧，指出为经济获取水将过于昂贵或对水和能源需求要求很高。在这里，我们计算了预测的氢气经济性所需的水量，包括为电解提取和消耗的总水量。抽出物是指直接返回到提取水的水体中的水。任何被转化为另一种无法使用的形式或没有返回到原始水体的水都将被视为被消耗。

根据反应化学计量，每产生一公斤氢气，就必须消耗9公斤水。因此，2.3 Gt的氢气每年需要205 Gt，即205亿立方米的淡水，而淡水仅占地球可用淡水的1.5 ppm。氢的大多数应用都需要将其燃烧或泵送通过燃料电池，燃料电池将氢气转化为电和水，但尽管大多数水可以回收，但通常不会返回到原始水体，而是在消耗时进行处理。唯一一个使用氢气不能通过燃料电池或燃烧再生全部水原料的部门是化学合成，它将占5.4亿吨氢气，每年最多使用48亿立方米或0.3 ppm的全球淡水。（3） 与其他氢气生产用水需求预测相比，（2）上述淡水需求相当低。这是因为我们假设未来所有的氢气都将使用可再生能源生产，如风能和太阳能，这些能源几乎没有水消耗。当化石燃料用于一次能源生产和发电时，对水的需求相当大。2014年，从煤炭、石油和天然气等化石燃料中提取了2510亿立方米淡水用于发电和能源生产，310亿立方米用于冷却、采矿、水力压裂和炼油。（5） 相比之下，尽管必须消耗205亿立方米用于电解制氢的水，但这仍然比目前化石燃料能源相关的使用量少33%（图1）。此外，电解将使化石燃料能源过时，因为能源部门能够更多地转向可再生技术，节省了100亿立方米与能源相关的化石燃料使用所消耗的淡水。因此，很明显，使用氢气作为实现可再生能源社会的一种方法将带来巨大的节水，而不是支出。

图1。三个不同部门的全球淡水提取和消费比较：化石燃料能源生产和发电、农业和全球氢能经济的实施。请注意，条形图是对数刻度的（3，5）。

与灌溉农业部门等其他部门相比，电解的耗水量尤其少，灌溉农业部门占世界淡水总抽取量的70%，即每年超过2700亿立方米。（5） 其中，每年消耗约11000亿立方米的水（5），是未来氢能经济所需水量的50倍多（图1）。尽管如此，即使相邻部门使用的水远远超过最雄心勃勃的氢气预测，对淡水短缺的担忧（6，7）也要求从所有可用的角度减少水的开采。因此，提出一种允许氢气进入地球广泛盐水资源的解决方案，可以进一步减少氢气的水足迹。

2.盐水淡化可获得的淡水仅占地球水的不到1%，（8，9）最好避免对淡水使用造成任何额外负担，尤其是在难以获得饮用水的地区。然而，几乎所有剩余的99%，即约14亿km3，都是海水，在用作电解原料之前，可以通过脱盐工艺进行净化。当今领先的海水淡化技术是反渗透（RO），它使用外加压力和半透膜来拒绝水中存在的离子，比蒸馏等其他海水淡化方法消耗更少的能量。（10） 然而，一些进入反渗透工艺的水无法使用，回收率定义了工艺产生的可用清洁水在给水总量中的百分比。目前最先进的反渗透装置，如以色列的阿什凯隆装置，可以实现高达50%的回收率，（8）这意味着必须向工艺中加入两倍于出口所需水量的水，每年总共抽取410亿立方米的海水用于制氢。这大约是世界每年可用海水供应量的30 ppb，与可用资源相比微不足道，无法回收的水被送回同一水体，因此不会被消耗。

值得注意的是，添加脱盐工艺增加了电解氢生产生命周期的能源需求，但与为电解槽本身供电相比，这也可以忽略不计。总的来说，RO生产的每立方米清洁水需要3.5–5千瓦时的能量。（10） 对于2.3 Gt的全球氢气需求，这将产生额外的0.26–0.37 EJ的年能量，用于进行水电解反渗透，即通过电化学水分解生产氢气所需的最小能量的0.06–0.13%。从经济角度来看，反渗透脱盐将增加每立方米生产的清洁水0.53–1.50美元的能源成本，（8）这将增加每公斤氢气生产成本不超过0.01美元。这与Khan等人的分析一致。该分析发现，脱盐将占电解所需能源的0.1%，并使每公斤氢气的成本增加0.02美元。

绿色氢气生产每年将消耗地球上1.5 ppm的淡水或30 ppb的盐水，这一数量低于目前基于化石燃料的能源生产和发电所消耗的数量。如果使用RO脱盐，额外的能源需求将低于电解生产氢气所需最低能源的0.2%，能源成本将使每公斤氢气的价格增加约0.01美元。这些数字表明，供水将不是电解槽的限制，相反，我们应该继续关注电解槽能效的技术改进，这是目前的限制因素，有可能取得重大进展。虽然对“水问题”的担忧在新闻界比在科学家中更为普遍，但新闻界可能会对氢作为一个不断增长的市场的接受产生重大影响。因此，我们必须严格描述电解技术的真实用水需求，而不受当前不可再生基础设施用水需求的影响，以清楚地了解氢气对可再生能源未来的影响。