所有制氫技術都需要水。它不僅用于生產(電解、化石燃料重整、氣化)，也用于冷卻。在某些情況下，低溫水(例如7°C)用于氫凈化。此外，CCUS系統需要水來進行吸收/吸附、分離和冷卻。本文對于每項技術提供了大規模生產的取水和消耗強度的基本數據，并進行了分析。其中針對綠色、灰色和棕色制氫中依賴水的過程用原理圖加以說明和解釋。

關于電解制氫所需水的數據不是很多也不準確。這是因為目前該領域的研究尚處于起步階段，研究氫氣生產及其用水的研究數量也相對有限。此外，這方面的初步研究主要集中在實驗室的小規模氫氣生產。這些研究報告的數據沒有考慮冷卻等過程所需的水，而這對商業化的規模生產至關重要。因此，如果全球氫氣生產規模擴大，現有的研究可能低估了預計的水需求。本章旨在加深對擴大商業氫氣生產規模對水的影響以及各種生產工藝的耗水量和取水強度的理解。

由于固體氧化物電解槽 (SOEC) 和陰離子交換膜 (AEM) 電解技術仍處于試驗階段，沒有商業規模的項目數據，因此本綜述未將這些技術包括在內。在煤氣化方面，考慮了水煤漿氣化技術，因為幾乎所有的煤基氫氣生產都采用該技術。為簡單起見，水煤漿氣化通常被稱為煤氣化。

一、制氫用水

下圖1說明了典型的綠色（電解水制氫）、灰色（煤制氫）、藍色（化工副產或具備CCUS措施）和棕色氫（化石能源制氫）技術在整個生產過程中從哪里提取和排放了多少水。實際取用和消耗的水量因地點而異，并可能因各種因素而異，例如，水源水的類型及其質量、特定的制氫技術、碳捕獲的采用技術和類型以及冷卻技術等。

圖1：典型制氫技術生產1公斤氫氣的工序取水及耗水量示意圖(以升計量）

注：

1）藍色和粉色箭頭分別代表取水和排水。水量是四種制氫方法的估算值，以目前最常見的技術為例（如堿性電解為綠色，SMR 為灰色，SMR+CCUS 為藍色，水煤漿氣化為棕色）。

2）綠色和棕色示例的數據基于從業界獲得的工程設計模型。

3）灰色和藍色示例的數據和流程來自 NETL 2022 中的案例 1 和案例 2，這兩個案例在本報告審查的所有系統中擁有最高效的設計。

4）"出口蒸汽 "是 SMR 過程中作為副產品產生的多余蒸汽，可被煉化廠中的其他應用所利用，以提高整體能源效率。

5）用水量估算基于以下假設：

a、以自來水為源水，綠色、灰色和藍色生產的預處理滲透率為66%;

b、綠色、灰色和藍色生產的能源效率分別為70%、76%和71%;

c、所有冷卻過程均假定為蒸發冷卻，綠色和棕色產品的濃度循環為6。

d、對特定植物的估計將根據地點、氣候、采用的具體技術、植物的年齡、當地法規和管理而有所不同。

e、CCUS =碳捕獲、利用和儲存;H2 =氫;Kg =公斤;L =升;蒸汽甲烷重整。

下圖2所示的需水量是根據業界建議的常用生產假設估計的，并在圖注中提及。如圖2 所示，冷卻補水分別占綠色和棕色制氫設施總取水量的 56% 和 52%。因此，它是制氫過程中最大的需水來源。另一方面，冷卻 僅占灰色制氫設備總用水量的14%。對于藍色氫氣，由于文獻資料不足和缺乏實際項目案例，生產和冷卻的具體需水量需要更多證據才能確定一個沒有爭議的總體比例。

圖2：生產和冷卻取水需求占制氫項目案例總需水量的比例

注:

1）這些占比是對三種制氫方法的估算，以目前最常見的技術為例（如堿性電解為綠色，蒸汽甲烷轉化為灰色，水煤漿氣化為棕色）。

2）綠色和棕色示例的數據基于從工業界獲得的工程設計模型。對于灰色氫氣，數據和工藝來自 Lewis 等人（2022 年）的案例 1，該案例是作者審查過的所有研究中設計效率最高的。

3）這些數據顯示了冷卻和生產用水占比的總體規模。具體工廠的水占比數據會因地點、氣候、采用的具體技術、工廠年齡和管理而有所不同。

Kg =公斤;M3=立方米。

然而，可以得出的結論是，藍色制氫所需的冷卻水占比將大大高于灰色制氫，因為 CCUS 系統在碳捕獲和壓縮過程中需要足夠的冷卻水，此外 SMR 也需要冷卻水。此外，過去的一項研究表明，冷卻水占高效 SMR-CCUS 系統總取水量的 98%，因為生產過程中使用的大量冷卻水將被循環利用。

在制氫過程中，蒸發冷卻系統的濃縮周期通常為 4 到 6 個周期。這意味著約有 70%-85% 的冷卻用水被蒸發（或消耗）。提高濃縮周期可以在一定程度上減少冷卻用水量，但不會影響消耗量。一般來說，工藝的能效越高，釋放的熱量就越少，消耗的冷卻水也就越少。此外，盡管空氣冷卻在技術上是可行的，而且在發電行業中也很常見，但從行業訪談中獲得的信息表明，由于其資本和運營成本較高，目前還沒有任何氫氣設施采用這種技術。對于綠色和灰色制氫，水需要經過高純度處理（如上圖1所示的水預處理）后才能用于電解和 SMR。

對于綠色制氫而言，高純度或高水質意味著低電導率和最少的有機碳。提高水的純度可以降低其電阻，從而提高能源效率。水的雜質會對電解槽的許多要素產生不利影響：例如，據觀察，低質水的循環會導致更高水平的降解，從而影響電解槽的使用壽命。

從水源取水的水質越低，生產相同數量的氫氣所需的取水量和處理量就越大。源水的水質，尤其是含鹽量，會導致水預處理的滲透率出現顯著差異，根據行業共享的數據，典型自來水的滲透率為 66%，河水或地下水為 58%，海水為 35%。值得注意的是，即使是同一類水源，水質也會因地域、時間、干旱和洪水等極端天氣前后而不同。

氫氣生產已包括水循環和再利用，這有助于減少取水量。例如，如上圖 1 所示，工藝冷凝水通常回用于甲烷轉化，用于灰處理和脫硫的排放水被回收并回用于制備水煤漿。雖然循環和回用減少了取水量，但并沒有減少用水量。換句話說，除非我們改用對水依賴較少的技術，否則水的消耗量只會隨著產量的增加而增加。

二、取水和用水的強度

下圖3比較了不同制氫技術的平均取水量和耗水量。下表1對這些強度進行了總結，并提供了其他統計數據。如圖3所示，平均而言，PEM 的耗水強度最低，約為17.5 升/千克，而SMR每生產1千克氫需要的水量最少，約為20升。煤基制氫的取水量和耗水量最高。在所有替代品中，天然氣 SMR的取水強度最小。不使用 CCUS 的煤氣化生產1千克氫氣需要抽取約 50 升水，消耗31升水。這比任何非煤基技術的取水和耗水強度都要高。從這個角度來看，一個相當于 1 GW 的煤氣化制氫裝置每天將消耗約 3 600 萬升水，足以滿足約 40 萬人的基本生活用水需求，包括飲用、洗碗和淋浴。

圖3：制氫技術平均取水量和消耗強度對比

注:

1）自來水（或類似水質的水源）被用作或假定為這些數據點背后的水源。

2）對于藍氫，包括 CCUS 系統的冷卻要求。

3）對于 PEM 和 ATR，由于這些技術相對較新，可用數據點有限，因此數值范圍較小。

4）ATR = 自熱重整；CCUS = 碳捕獲、利用和儲存；kg = 千克氫；L = 升；PEM = 質子交換膜；SMR = 蒸汽甲烷重整。

表1：制氫技術取水量和消耗強度匯總

將 CCUS 與化石燃料制氫相結合也意味著需要更多的水，因為 CCUS 系統通常需要大量冷卻，會降低生產效率，而且吸附劑強度也需要用水。在集成 CCUS 的情況下，煤氣化生產 1 千克氫氣需要抽取 80 升水，比不集成 CCUS 的煤氣化多 61%。這大約是堿性電解所需水量的 2.5 倍和 SMR-CCUS 所需水量的 2.2 倍，而 SMR-CCUS 是目前市場上最常見的兩種綠色和藍色制氫技術。

ATR 是需要取水量最少的 CCUS 集成技術，盡管其耗水量仍高于任何一種綠色制氫技術。如表 2.1 所示，與堿性電解法相比，PEM 平均取水量減少 20.3%，用水量減少 21.4%。根據用于綠色制氫的水平衡模型，這主要是因為 PEM 比堿性電解法更有效地將電能轉化為氫氣。這意味著以熱能形式浪費的能量更少，從而減少了冷卻用水的需求。下圖4顯示了用水強度如何隨著電解槽能效的提高而降低。電解效率每提高 1 個百分點，綠色制氫的取水量和耗水量就會下降約 1%。綠色制氫的取水量和用水量就會下降約 2%。

圖4：典型電解工程氫氣轉化效率與取水量、耗水量的關系

注:

這些曲線是根據典型綠色氫能項目的水平衡模型估算的，除效率外，所有系統變量均保持不變。系統假設與圖1注釋中提到的相同。

在局部范圍內，制氫取水量可能很大。擬議的商業項目每年可生產幾千噸到 2000 千噸左右的氫氣。如圖5 所示，一個 237千噸的制氫工廠每年需要取水 470 萬至 1900 萬立方米，約為一個典型的 1 GW 燃煤發電廠年需水量的26%-104% 。值得注意的是，火力發電是迄今為止主要行業中最大的用水戶（美國）。

圖5：典型制氫項目、火電廠和市政當局年取水量

注:

用水量估算是根據表2.1中的平均系數計算的，對于發電廠，假定為循環冷卻。

CCUS =碳捕獲、利用和儲存;GW =千兆瓦;Kt =千噸;蒸汽甲烷重整。