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发展氢能需要多少水?COP28这份报告详解“水-能”关系

   2023-12-10 中国环境
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核心提示:在“双碳”背景下,近年来,清洁氢能迅速崛起。据了解,氢能对于钢铁、化工、交通等典型的“难减排领域”突破减排瓶颈意义重大。

在“双碳”背景下,近年来,清洁氢能迅速崛起。据了解,氢能对于钢铁、化工、交通等典型的“难减排领域”突破减排瓶颈意义重大。

但随着全球加速发展氢能产业,制氢用水问题也引起了关注。12月10日,由国际可再生能源署(IRENA)和未澜咨询(Bluerisk)共同撰写的《全球制氢用水报告》(以下简称《报告》)在《联合国气候变化框架公约》第二十八次缔约方大会(COP28)期间正式发布。这是全球首份系统性分析制氢用水问题的报告,从“水资源”角度为已经步入发展快车道的氢能产业提供可持续发展的重要建议。

氢能迅猛发展,水资源需求上升

据了解,虽然当下氢能生产仅占全球总工业用水需求的一小部分,但作为清洁替代能源领域备受关注的黑马,如果氢能在未来几十年预计会迅猛发展,其对水资源的需求自然也会相应上升。

目前,所有的制氢方式都需要用到水,制氢用水主要集中在制氢和冷却两个过程。

未澜咨询合伙人罗天一说:“在制氢环节,制氢技术耗水分三个部分,一是制造氢气的物理或者化学反应过程会用到水,二是冷却需要用水,三是对于所有蓝氢技术,CCUS需要用到水。”

据介绍,绿氢一般是通过光电、风电等可再生能源电解水制氢;灰氢是以天然气为原料制氢,需要水蒸气与甲烷一起重整(SMR)棕氢以煤炭为原料,通过气化制氢,需要水制备水煤浆;蓝氢是在灰氢和棕氢的基础上加用了碳捕集封存和利用技术(CCUS),减少二氧化碳排入大气,而这些制氢系统加上CCUS之后,耗水量会大大增加,主要有两个原因,第一是系统效率因为CCUS的能耗变低,第二是因为CCUS本身有大量的冷却需求,而且在去杂质、吸附等每一步都需要用到水。

在冷却环节,系统效率越高,能量损失产生的废热就越少,从而需要冷却耗水也就越少。

众所周知,绿氢是所有清洁氢能技术中用水效率最高的。就平均水平来看,质子交换膜(PEM)电解水的水耗强度最低,大约为生产每千克氢气消耗 17.5 升水。碱性电解紧随其后,水耗强度约为每千克 22.3 升。相比之下,基于蒸汽甲烷重整的蓝氢(SMR-CCUS)技术的水耗约为 32.2 L/kg,而基于自热重整的蓝氢(ATR-CCUS)约为 24.2 L/kg。

煤气化是目前可用制氢技术中耗水量最大的,其平均取水强度约为50L/kg,耗水强度为31L/kg,大约是PEM的两倍。如果配备CCUS,其用水强度将增加约60%,升至每千克80.2升和49.4升。举例而言,一个年产23.7万吨氢气并配备CCUS的煤制氢工厂,每年的取水量大约为1900万立方米,足以支撑伦敦市半年的居民用水需求或者一个1吉瓦火电厂一年多的用水需求。

制氢或增加当地水压力风险

现实是,能源行业是工业部门中的“用水巨头”。随着气候变化加剧,极端天气的频度和强度上升,降水不确定性增大,全球范围内因缺水导致能源设施被迫关闭或减产的案例频见报端,“水—能”关系愈发紧张。

《报告》基于世界资源研究所(WRI)全球水道风险地图( Aqueduct),评估了全球绿氢和蓝氢项目(已经运营或已在计划中)所在地的水压力状况。

比如,海湾阿拉伯国家合作委员会国家淡水资源匮乏,只能通过海水淡化和海水冷却来满足现阶段灰氢用水需求。罗天一表示,海湾国家有计划将这一地区打造成一个“氢能出口中心”,在2040年实现年产超三千万吨,包括一千万蓝氢和两千万绿氢。这也大大了增加当地制氢产业的海水淡化成本以及海水卤化的环境风险。

又如,欧洲气候变化导致干旱加剧,对能源行业的影响也日益频繁。计划中的制氢项目有不少处于水资源本就紧缺的地方,“水—能”冲突在未来十年可能会进一步升级。

IRENA知识、政策和金融中心代理主任Ute Collier表示:“目前一些试图解决温室气体排放问题的制氢方式实际上会增加当地水压力风险,这也再次强化了一个事实——绿氢是帮助实现全球1.5摄氏度温升目标的最佳选择。”

据《报告》介绍,目前,每年全球制氢抽取的淡水规模为22亿立方米,占能源部门总取水量的0.6%。其中,灰氢生产占全球制氢取水量的约59%,棕氢占40%。到2040年,全球制氢的淡水取水量或将增至73亿立方米,增长逾230%,并在2050年达到121亿立方米,增幅近六倍。制氢行业在能源部门总淡水取水中所占比例可能从今天的0.6%上升到2040年的2.4%。

从全球层面上看,制氢行业尚不算用水“大户”,但若聚焦到具体的制氢点所在地,“水—能”冲突就可能显得十分严峻。

《报告》发现,目前全球绿氢和蓝氢(正在运营和已在规划中)产能中逾35%位于高水压力的地区。例如印度,到2040年或有99%的氢产能位于极端水压力的地区,中国、欧盟、美国和其它G20国家也都面临着不同程度的水压力,这会给制氢项目在未来可持续生产埋下隐患。因此,规划氢能发展必须从更长的时间范围、多个维度来全面考虑当地水资源的实际情况。

每提高1%的电解效率,绿氢的水耗就可降低约2%

值得注意的是,如何在发展氢能的时候更及时、更到位地把“水”作为关键生产要素纳入前期、中期和后期的规划,将会是实现水和能源两大要素协同发展的重要破局点,也将成为解锁地球可持续未来的关键所在。

在水资源紧缺的氢能产业重点地区,绿氢无疑应当被是为优先发展的选项,以减小对当地生态环境的影响以及自身生产风险。

近年来,中国积极布局氢能产业。在2022年年初发布的《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》中,中国已明确将氢能作为发展战略性新兴产业的重点方向,是构建绿色低碳产业体系、打造产业转型升级的新增长点。数据显示,预计到2025年,中国的氢能产业规模将达到10亿元人民币(1340亿美元)。

《报告》通过模拟发现,随着绿氢制造技术精进,每提高1%的电解效率,绿氢的水耗就可以降低约2%。

据了解,中国约 63%的氢能为碳排放和水耗量双高的棕氢。作为集聚了中国逾八成煤化工厂的区域,黄河流域是当下中国最重要的制氢产区之一,且流域内 70%的煤化工厂位于水资源紧张或极度紧张的区域。

在我国黄河流域,若用“水蒸气与甲烷一起重整技术+CCUS”、碱性电解或两者的混合来替代煤制氢生产,那么到2030年,黄河流域可以在减少用水量的同时,提高制氢量。比如,从棕氢转为蓝氢,制氢量上升11%,总提取水量减少18%,水消耗量增加15%;而从棕氢转为绿氢,制氢量增长11%,提取水量减少28%,消耗水量可减少20%。

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