在“雙碳”背景下，近年來(lái)，清潔氫能迅速崛起。據了解，氫能對于鋼鐵、化工、交通等典型的“難減排領(lǐng)域”突破減排瓶頸意義重大。
但隨著(zhù)全球加速發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，制氫用水問(wèn)題也引起了關(guān)注。12月10日，由國際可再生能源署（IRENA）和未瀾咨詢(xún)（Bluerisk）共同撰寫(xiě)的《全球制氫用水報告》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《報告》）在《聯(lián)合國氣候變化框架公約》第二十八次締約方大會(huì )（COP28）期間正式發(fā)布。這是全球首份系統性分析制氫用水問(wèn)題的報告，從“水資源”角度為已經(jīng)步入發(fā)展快車(chē)道的氫能產(chǎn)業(yè)提供可持續發(fā)展的重要建議。
氫能迅猛發(fā)展，水資源需求上升
據了解，雖然當下氫能生產(chǎn)僅占全球總工業(yè)用水需求的一小部分，但作為清潔替代能源領(lǐng)域備受關(guān)注的黑馬，如果氫能在未來(lái)幾十年預計會(huì )迅猛發(fā)展，其對水資源的需求自然也會(huì )相應上升。
目前，所有的制氫方式都需要用到水，制氫用水主要集中在制氫和冷卻兩個(gè)過(guò)程。
未瀾咨詢(xún)合伙人羅天一說(shuō)：“在制氫環(huán)節，制氫技術(shù)耗水分三個(gè)部分，一是制造氫氣的物理或者化學(xué)反應過(guò)程會(huì )用到水，二是冷卻需要用水，三是對于所有藍氫技術(shù)，CCUS需要用到水?！?/p>
據介紹，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；藍氫是在灰氫和棕氫的基礎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，第一是系統效率因為CCUS的能耗變低，第二是因為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，系統效率越高，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，水耗強度約為每千克 22.3 升。相比之下，基于蒸汽甲烷重整的藍氫（SMR-CCUS）技術(shù)的水耗約為 32.2 L/kg，而基于自熱重整的藍氫（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，其平均取水強度約為50L/kg，耗水強度為31L/kg，大約是PEM的兩倍。如果配備CCUS，其用水強度將增加約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(chǎng)，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(chǎng)一年多的用水需求。
制氫或增加當地水壓力風(fēng)險
現實(shí)是，能源行業(yè)是工業(yè)部門(mén)中的“用水巨頭”。隨著(zhù)氣候變化加劇，極端天氣的頻度和強度上升，降水不確定性增大，全球范圍內因缺水導致能源設施被迫關(guān)閉或減產(chǎn)的案例頻見(jiàn)報端，“水—能”關(guān)系愈發(fā)緊張。
《報告》基于世界資源研究所（WRI）全球水道風(fēng)險地圖（ Aqueduct），評估了全球綠氫和藍氫項目（已經(jīng)運營(yíng)或已在計劃中）所在地的水壓力狀況。
比如，海灣阿拉伯國家合作委員會(huì )國家淡水資源匱乏，只能通過(guò)海水淡化和海水冷卻來(lái)滿(mǎn)足現階段灰氫用水需求。羅天一表示，海灣國家有計劃將這一地區打造成一個(gè)“氫能出口中心”，在2040年實(shí)現年產(chǎn)超三千萬(wàn)噸，包括一千萬(wàn)藍氫和兩千萬(wàn)綠氫。這也大大了增加當地制氫產(chǎn)業(yè)的海水淡化成本以及海水鹵化的環(huán)境風(fēng)險。
又如，歐洲氣候變化導致干旱加劇，對能源行業(yè)的影響也日益頻繁。計劃中的制氫項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。
IRENA知識、政策和金融中心代理主任Ute Collier表示：“目前一些試圖解決溫室氣體排放問(wèn)題的制氫方式實(shí)際上會(huì )增加當地水壓力風(fēng)險，這也再次強化了一個(gè)事實(shí)——綠氫是幫助實(shí)現全球1.5攝氏度溫升目標的最佳選擇?！?/p>
據《報告》介紹，目前，每年全球制氫抽取的淡水規模為22億立方米，占能源部門(mén)總取水量的0.6%。其中，灰氫生產(chǎn)占全球制氫取水量的約59%，棕氫占40%。到2040年，全球制氫的淡水取水量或將增至73億立方米，增長(cháng)逾230%，并在2050年達到121億立方米，增幅近六倍。制氫行業(yè)在能源部門(mén)總淡水取水中所占比例可能從今天的0.6%上升到2040年的2.4%。
從全球層面上看，制氫行業(yè)尚不算用水“大戶(hù)”，但若聚焦到具體的制氫點(diǎn)所在地，“水—能”沖突就可能顯得十分嚴峻。
《報告》發(fā)現，目前全球綠氫和藍氫（正在運營(yíng)和已在規劃中）產(chǎn)能中逾35%位于高水壓力的地區。例如印度，到2040年或有99%的氫產(chǎn)能位于極端水壓力的地區，中國、歐盟、美國和其它G20國家也都面臨著(zhù)不同程度的水壓力，這會(huì )給制氫項目在未來(lái)可持續生產(chǎn)埋下隱患。因此，規劃氫能發(fā)展必須從更長(cháng)的時(shí)間范圍、多個(gè)維度來(lái)全面考慮當地水資源的實(shí)際情況。
每提高1%的電解效率，綠氫的水耗就可降低約2%
值得注意的是，如何在發(fā)展氫能的時(shí)候更及時(shí)、更到位地把“水”作為關(guān)鍵生產(chǎn)要素納入前期、中期和后期的規劃，將會(huì )是實(shí)現水和能源兩大要素協(xié)同發(fā)展的重要破局點(diǎn)，也將成為解鎖地球可持續未來(lái)的關(guān)鍵所在。
在水資源緊缺的氫能產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)地區，綠氫無(wú)疑應當被是為優(yōu)先發(fā)展的選項，以減小對當地生態(tài)環(huán)境的影響以及自身生產(chǎn)風(fēng)險。
近年來(lái)，中國積極布局氫能產(chǎn)業(yè)。在2022年年初發(fā)布的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(cháng)期規劃（2021-2035年）》中，中國已明確將氫能作為發(fā)展戰略性新興產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)方向，是構建綠色低碳產(chǎn)業(yè)體系、打造產(chǎn)業(yè)轉型升級的新增長(cháng)點(diǎn)。數據顯示，預計到2025年，中國的氫能產(chǎn)業(yè)規模將達到10億元人民幣（1340億美元）。
《報告》通過(guò)模擬發(fā)現，隨著(zhù)綠氫制造技術(shù)精進(jìn)，每提高1%的電解效率，綠氫的水耗就可以降低約2%。
據了解，中國約 63%的氫能為碳排放和水耗量雙高的棕氫。作為集聚了中國逾八成煤化工廠(chǎng)的區域，黃河流域是當下中國最重要的制氫產(chǎn)區之一，且流域內 70%的煤化工廠(chǎng)位于水資源緊張或極度緊張的區域。
在我國黃河流域，若用“水蒸氣與甲烷一起重整技術(shù)+CCUS”、堿性電解或兩者的混合來(lái)替代煤制氫生產(chǎn)，那么到2030年，黃河流域可以在減少用水量的同時(shí)，提高制氫量。比如，從棕氫轉為藍氫，制氫量上升11%，總提取水量減少18%，水消耗量增加15%；而從棕氫轉為綠氫，制氫量增長(cháng)11%，提取水量減少28%，消耗水量可減少20%。