制氢技术：不同制氢技术路线的取水用水综述

氢眼所见 2023-12-30

所有制氢技术都需要水。它不仅用于生产(电解、化石燃料重整、气化)，也用于冷却。在某些情况下，低温水(例如7°C)用于氢净化。此外，CCUS系统需要水来进行吸收/吸附、分离和冷却。本文对于每项技术提供了大规模生产的取水和消耗强度的基本数据，并进行了分析。其中针对绿色、灰色和棕色制氢中依赖水的过程用原理图加以说明和解释。

一、制氢用水

下图1说明了典型的绿色（电解水制氢）、灰色（煤制氢）、蓝色（化工副产或具备CCUS措施）和棕色氢（化石能源制氢）技术在整个生产过程中从哪里提取和排放了多少水。实际取用和消耗的水量因地点而异，并可能因各种因素而异，例如，水源水的类型及其质量、特定的制氢技术、碳捕获的采用技术和类型以及冷却技术等。

图1：典型制氢技术生产1公斤氢气的工序取水及耗水量示意图(以升计量）

注：

1）蓝色和粉色箭头分别代表取水和排水。水量是四种制氢方法的估算值，以目前最常见的技术为例（如碱性电解为绿色，SMR 为灰色，SMR+CCUS 为蓝色，水煤浆气化为棕色）。

2）绿色和棕色示例的数据基于从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，这两个案例在本报告审查的所有系统中拥有最高效的设计。

4）"出口蒸汽 "是 SMR 过程中作为副产品产生的多余蒸汽，可被炼化厂中的其他应用所利用，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，绿色、灰色和蓝色生产的预处理渗透率为66%;

b、绿色、灰色和蓝色生产的能源效率分别为70%、76%和71%;

c、所有冷却过程均假定为蒸发冷却，绿色和棕色产品的浓度循环为6。

d、对特定植物的估计将根据地点、气候、采用的具体技术、植物的年龄、当地法规和管理而有所不同。

e、CCUS =碳捕获、利用和储存;H2 =氢;Kg =公斤;L =升;蒸汽甲烷重整。

下图2所示的需水量是根据业界建议的常用生产假设估计的，并在图注中提及。如图2 所示，冷却补水分别占绿色和棕色制氢设施总取水量的 56% 和 52%。因此，它是制氢过程中最大的需水来源。另一方面，冷却仅占灰色制氢设备总用水量的14%。对于蓝色氢气，由于文献资料不足和缺乏实际项目案例，生产和冷却的具体需水量需要更多证据才能确定一个没有争议的总体比例。

图2：生产和冷却取水需求占制氢项目案例总需水量的比例

注:

1）这些占比是对三种制氢方法的估算，以目前最常见的技术为例（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。对于灰色氢气，数据和工艺来自 Lewis 等人（2022 年）的案例 1，该案例是作者审查过的所有研究中设计效率最高的。

3）这些数据显示了冷却和生产用水占比的总体规模。具体工厂的水占比数据会因地点、气候、采用的具体技术、工厂年龄和管理而有所不同。

Kg =公斤;M³=立方米。

然而，可以得出的结论是，蓝色制氢所需的冷却水占比将大大高于灰色制氢，因为 CCUS 系统在碳捕获和压缩过程中需要足够的冷却水，此外 SMR 也需要冷却水。此外，过去的一项研究表明，冷却水占高效 SMR-CCUS 系统总取水量的 98%，因为生产过程中使用的大量冷却水将被循环利用。

在制氢过程中，蒸发冷却系统的浓缩周期通常为 4 到 6 个周期。这意味着约有 70%-85% 的冷却用水被蒸发（或消耗）。提高浓缩周期可以在一定程度上减少冷却用水量，但不会影响消耗量。一般来说，工艺的能效越高，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是可行的，而且在发电行业中也很常见，但从行业访谈中获得的信息表明，由于其资本和运营成本较高，目前还没有任何氢气设施采用这种技术。对于绿色和灰色制氢，水需要经过高纯度处理（如上图1所示的水预处理）后才能用于电解和 SMR。

对于绿色制氢而言，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。水的杂质会对电解槽的许多要素产生不利影响：例如，据观察，低质水的循环会导致更高水平的降解，从而影响电解槽的使用寿命。

从水源取水的水质越低，生产相同数量的氢气所需的取水量和处理量就越大。源水的水质，尤其是含盐量，会导致水预处理的渗透率出现显著差异，根据行业共享的数据，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，即使是同一类水源，水质也会因地域、时间、干旱和洪水等极端天气前后而不同。

氢气生产已包括水循环和再利用，这有助于减少取水量。例如，如上图 1 所示，工艺冷凝水通常回用于甲烷转化，用于灰处理和脱硫的排放水被回收并回用于制备水煤浆。虽然循环和回用减少了取水量，但并没有减少用水量。换句话说，除非我们改用对水依赖较少的技术，否则水的消耗量只会随着产量的增加而增加。

二、取水和用水的强度

下图3比较了不同制氢技术的平均取水量和耗水量。下表1对这些强度进行了总结，并提供了其他统计数据。如图3所示，平均而言，PEM 的耗水强度最低，约为17.5 升/千克，而SMR每生产1千克氢需要的水量最少，约为20升。煤基制氢的取水量和耗水量最高。在所有替代品中，天然气 SMR的取水强度最小。不使用 CCUS 的煤气化生产1千克氢气需要抽取约 50 升水，消耗31升水。这比任何非煤基技术的取水和耗水强度都要高。从这个角度来看，一个相当于 1 GW 的煤气化制氢装置每天将消耗约 3 600 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和消耗强度对比

注:

1）自来水（或类似水质的水源）被用作或假定为这些数据点背后的水源。

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，可用数据点有限，因此数值范围较小。

4）ATR = 自热重整；CCUS = 碳捕获、利用和储存；kg = 千克氢；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也意味着需要更多的水，因为 CCUS 系统通常需要大量冷却，会降低生产效率，而且吸附剂强度也需要用水。在集成 CCUS 的情况下，煤气化生产 1 千克氢气需要抽取 80 升水，比不集成 CCUS 的煤气化多 61%。这大约是碱性电解所需水量的 2.5 倍和 SMR-CCUS 所需水量的 2.2 倍，而 SMR-CCUS 是目前市场上最常见的两种绿色和蓝色制氢技术。

ATR 是需要取水量最少的 CCUS 集成技术，尽管其耗水量仍高于任何一种绿色制氢技术。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%。根据用于绿色制氢的水平衡模型，这主要是因为 PEM 比碱性电解法更有效地将电能转化为氢气。这意味着以热能形式浪费的能量更少，从而减少了冷却用水的需求。下图4显示了用水强度如何随着电解槽能效的提高而降低。电解效率每提高 1 个百分点，绿色制氢的取水量和耗水量就会下降约 1%。绿色制氢的取水量和用水量就会下降约 2%。

图4：典型电解工程氢气转化效率与取水量、耗水量的关系

注:

这些曲线是根据典型绿色氢能项目的水平衡模型估算的，除效率外，所有系统变量均保持不变。系统假设与图1注释中提到的相同。

在局部范围内，制氢取水量可能很大。拟议的商业项目每年可生产几千吨到 2000 千吨左右的氢气。如图5 所示，一个 237千吨的制氢工厂每年需要取水 470 万至 1900 万立方米，约为一个典型的 1 GW 燃煤发电厂年需水量的26%-104% 。值得注意的是，火力发电是迄今为止主要行业中最大的用水户（美国）。