电解制氢所需水的过程用原理图加以说明和解释

有关电解氢所需水的数据并不丰富且准确。 这是因为该领域的研究仍处于起步阶段，研究氢气生产及其用水的研究数量相对有限。 此外，该领域的初步研究主要集中在实验室小规模制氢。 这些研究中报告的数据没有考虑冷却等过程所需的水，这对于商业规模生产至关重要。 因此，如果全球氢气生产规模扩大，现有研究可能会低估预计的水需求。 本章旨在加深对扩大商业氢生产对水的影响以及各种生产过程的耗水量和取水强度的了解。

由于固体氧化物电解槽（SOEC）和阴离子交换膜（AEM）电解技术仍处于实验阶段，没有商业规模的项目数据，因此这些技术不包括在本次综述中。 在煤气化方面，考虑了水煤浆气化技术，因为几乎所有的煤制氢都采用该技术。 为了简单起见，水煤浆气化通常被称为煤气化。

1、制氢用水

下图1说明了典型的绿色（水电解制氢）、灰色（煤炭制氢）、蓝色（化学副产品或CCUS措施）和棕色氢（化石能源制氢）技术在整个生产过程中的位置。 提取和排放了多少水。 实际提取和消耗的水量因地点而异，并且可能因水源的类型和质量、具体的制氢技术、所采用的碳捕获技术和类型以及冷却技术等因素而变化。

图1：典型制氢技术生产1公斤氢气过程中的取水量和耗水量示意图（以升为单位）

笔记：

1）蓝色和粉色箭头分别代表进水和排水。 水量是对四种制氢方法的估计，使用当今最常见的技术（例如，绿色为碱性电解，灰色为SMR，蓝色为SMR+CCUS，棕色为水煤浆气化）。

2) 绿色和棕色示例的数据基于从工业界获得的工程设计模型。

3）灰色和蓝色示例的数据和流程来自NETL 2022中的案例1和案例2，它们在本报告审查的所有系统中具有最高效的设计。

4)“排出蒸汽”是SMR工艺过程中作为副产品产生的多余蒸汽，可被炼油厂中的其他应用利用以提高整体能源效率。

5) 用水量估算基于以下假设：

A。 以自来水为源水，绿、灰、蓝生产预处理渗透率为66%；

b. 绿色、灰色和蓝色生产的能源效率分别为70%、76%和71%；

C。 所有冷却过程均假设为蒸发冷却，绿色和棕色产品的浓缩周期为6。

d. 对特定工厂的估算将根据地点、气候、采用的具体技术、工厂的年龄、当地法规和管理而有所不同。

e. CCUS = 碳捕获、利用和封存； H2 = 氢气； Kg = 千克； L = 升； 蒸汽甲烷重整。

下图 2 所示的需水量是根据行业建议的常见生产假设以及图例中提到的估算得出的。 如图2所示，冷却补充水分别占绿色和棕色制氢装置总取水量的56%和52%。 因此，它是制氢过程中最大的需水源。 另一方面，冷却仅占灰氢生产设备总耗水量的14%。 对于蓝氢来说，由于文献不足，缺乏实际项目实例，生产和冷却的具体用水需求需要更多证据来建立一个没有争议的总体比例。

图2：制氢项目案例生产及冷却水需求占总需水量比例

笔记：

1）这些比例是对三种制氢方法的估计，以目前最常见的技术为例（例如碱性电解为绿色，蒸汽甲烷转化为灰色，水煤浆气化为棕色）。

2) 绿色和棕色示例的数据基于从工业界获得的工程设计模型。 对于灰氢，数据和过程来自Lewis等人的案例1。 （2022），其设计是作者审查的所有研究中最有效的。

3) 这些数据显示了冷却和工艺用水的总体规模。 具体的植物水分含量数据将根据地点、气候、使用的具体技术、植物年龄和管理而有所不同。

公斤=千克； M³ = 立​​方米。

但可以得出结论，蓝氢生产所需的冷却水比例会远高于灰氢生产，因为CCUS系统在碳捕获和压缩过程中需要充足的冷却水，而SMR也需要冷却水。 此外，过去的研究表明，高效SMR-CCUS系统的冷却水占总进水量的98%，因为生产过程中使用的大量冷却水将被回收利用。

在制氢过程中，蒸发冷却系统的浓缩周期通常为4～6个周期。 这意味着大约 70%-85% 的冷却水被蒸发（或消耗）。 增加浓缩循环可以在一定程度上减少冷却水消耗，但不会影响消耗。 一般来说，一个过程的能源效率越高，释放的热量就越少，消耗的冷却水也就越少。 此外，尽管空气冷却在技术上可行并且在发电行业中很常见，但从行业采访中获得的信息表明，由于资本和运营成本较高，目前没有氢气设施采用该技术。 对于绿氢和灰氢生产，水需要经过高纯度处理（水预处理如上图1所示）才能用于电解和SMR。

对于绿色氢气生产，高纯度或高水质意味着低电导率和最少的有机碳。 提高水的纯度可以降低其电阻，从而提高能源效率。 水中的杂质会对电解槽的许多元件产生不利影响：例如，据观察，低质量水的循环会导致更高程度的降解，从而影响电解槽的使用寿命。

从水源获取的水质越低，生产相同量的氢气所需的取水量和处理量就越大。 水源水质，特别是盐度含量，会造成水预处理渗透率的显着差异。 根据业内分享的数据，典型自来水的渗透率为66%，河水或地下水为58%，海水为35%。 值得注意的是，即使是同一类型的水源，水质也会因地区、时间、干旱、洪水等极端天气前后的不同而存在差异。

氢气生产已经包括水的回收和再利用，这有助于减少用水量。 例如，如上图1所示，工艺冷凝水通常被重新用于甲烷转化，用于除灰和脱硫的废水被回收并重新用于制备水煤浆。 尽管回收和再利用减少了用水量，但并没有减少水的消耗。 换句话说，除非我们转向对水依赖较少的技术，否则水消耗只会随着产量的增加而增加。

2. 饮水量和用水强度

下图3比较了不同制氢技术的平均取水量和消耗量。 下面的表 1 总结了这些优势并提供了额外的统计数据。 如图3所示，平均而言，PEM的耗水强度最低，约为17.5升/公斤，而SMR每生产1公斤氢气所需的水量最少，约为20升。 煤制氢的取水量和耗水量最高。 在所有替代方案中，天然气 SMR 的耗水量最少。 没有 CCUS 的煤气化需要提取大约 50 升水才能产生 1 公斤氢气，消耗 31 升水。 与任何非煤炭技术相比，这种技术的取水和消耗更加密集。 从这个角度来看，相当于1吉瓦的煤气化制氢装置每天将消耗约3600万升水，足以满足约40万人的基本生活用水需求，包括饮用、洗碗和淋浴。

图3：制氢技术平均取水量与消耗强度对比

笔记：

1) 使用或假定这些数据点背后的水源是自来水（或类似质量的水源）。

2) 对于蓝氢，包括 CCUS 系统的冷却要求。

3）对于PEM和ATR，由于这些技术相对较新且可用的数据点有限，因此数值范围较小。

4) ATR = 自热重整； CCUS = 碳捕获、利用和封存； kg = 公斤氢； L = 升； PEM = 质子交换膜； SMR = 蒸汽甲烷重整。

表1：制氢技术取水量和消耗强度汇总

将 CCUS 与化石燃料制氢相结合还意味着需要更多的水，因为 CCUS 系统通常需要大量冷却，这会降低生产效率，并且吸附剂强度也需要水。 在集成CCUS的情况下，煤气化生产1公斤氢气需要提取80升水，比没有集成CCUS的煤气化多61%。 这大约是碱性电解所需水量的 2.5 倍，是目前市场上两种最常见的绿氢和蓝氢生产技术 SMR-CCUS 所需水量的 2.2 倍。

ATR是取水量最少的CCUS集成技术，尽管其耗水量仍高于任何绿色制氢技术。 如表2.1所示，与碱性电解法相比，PEM平均取水量减少20.3%，用水量减少21.4%。 根据绿色制氢的水平衡模型，这主要是因为质子交换膜比碱性电解更有效地将电能转化为氢气。 这意味着以热量形式浪费的能量更少，从而减少了对冷却水的需求。 下图 4 显示了水强度如何随着电解槽能源效率的提高而降低。 电解效率每提高1个百分点，绿色制氢的取水量和消耗量将减少约1%。 绿氢制氢取水量和耗水量将减少2%左右。

图4：典型电解项目氢转化效率与取水量和耗水量的关系

笔记：

这些曲线是根据典型绿色氢项目的水平衡模型估算的，保持除效率之外的所有系统变量不变。 系统假设与图 1 注释中提到的相同。

在局部范围内，用于制氢的取水量可能很大。 拟议的商业项目每年可生产数千吨至约 2,000 千吨氢气。 如图5所示，一座237万吨的制氢工厂每年需要470万至1900万立方米的水，大约是典型1吉瓦燃煤电厂年需水量的26%-104%。 值得注意的是，火力发电是迄今为止主要工业中最大的用水者（在美国）。

图 5：典型制氢项目、火力发电厂和市政当局的年取水量

笔记：

耗水量估算是根据表 2.1 中的平均系数计算的，并且对于发电厂，假设采用循环冷却。

CCUS = 碳捕获、利用和封存； GW = 吉瓦； Kt = 千吨； 蒸汽甲烷重整。