全球制氢用水报告英

©IRENA2023 除非另有说明，否则本出版物中的材料可以自由使用、共享、复制、复制、印刷和/或存储，前提是IRENA作为来源和版权持有人给予适当的确认。本出版物中属于第三方的材料可能受单独的使用条款和限制的约束，在使用此类材料之前，可能需要获得这些第三方的适当许可。 ISBN:978-92-9260-526-1 引文:IRENA和Bluerisk（2023年），制氢用水,国际可再生能源机构，Bluerisk，阿布扎比，阿拉伯联合酋长国。 关于IRENA 国际可再生能源机构（IRENA）是一个政府间组织，支持各国向可持续能源未来过渡，并作为国际合作的主要平台，卓越中心以及可再生能源政策，技术，资源和金融知识的存储库。IRENA促进广泛采用和可持续利用各种形式的可再生能源，包括生物能源，地热，水电，海洋，太阳能和风能，以追求可持续发展，能源获取，能源安全以及低碳经济增长和繁荣。 关于BLUERISK Bluerisk是一家水战略和数据分析咨询公司，致力于在面对新出现的水挑战时提高抵御能力和降低风险。 ACKNOWLEDGEMENTS 该报告是在IRENA知识政策和金融中心Ute Collier代理主任的指导下编写的，由Emanuele Bianco（IRENA），天意罗（Bluerisk）和Divyam Nagpal（前IRENA）撰写。 IRENA的同事Ann - Kathrin Lipponer，Luis Janeiro和Francisco Bosell提供了宝贵的意见。 Aneta Cornell（Ecolab），Lorenzo Rosa（斯坦福大学），Chao Zhang和Yinshuang Xia（同济大学）为该报告提供了技术贡献。Marina Melnikova和Yury Melnikov（Mylonastars）提供了有用的贡献和观察。 该报告得益于专家的审查和评论，包括Alistair Wyess，Rachael Raid（BP），Niti Bassi（CEEW），Y Zhag，Ziya Sha（中国氢能产业促进会），Cristia Carraretto、Roberto Gozales (EBRD)、Aeta Corell、Emilio Teta (Ecolab)、MassimoSatarelli (都灵理工大学)、Alejadro Loggeira (Rolad Berger)和Smeeta Foeer (工发组织)。 出版支持由Francis Field和Stephanie Clarke（IRENA）提供。该报告由Fayre Makeig编辑，设计由Elkanodata提供。有关更多信息或提供反馈： 免责声明 该出版物和本文的材料“按原样”提供。IRENA已采取所有合理的预防措施来验证本出版物中材料的可靠性。但是，IRENA及其任何官员，代理商，数据或其他第三方内容提供商均不提供任何形式的明示或暗示的保证，他们对使用本文的出版物或材料的任何后果不承担任何责任或义务。 此处包含的信息不一定代表IRENA所有成员的观点。提及特定公司或某些项目或产品并不意味着它们被IRENA认可或推荐，而不是未提及的类似性质的其他项目或产品。本文所采用的名称和材料的呈现并不意味着IRENA表达了任何关于任何地区，国家，领土，城市或地区或其当局的法律地位，或关于边界或边界划界的意见。 目录 Chapter1氢水关系介绍14 Chapter2对水量要求的审查商业规模氢气生产21 Chapter3全球氢气生产的水足迹和风险32 Chapter4中国北方、海湾和欧洲的深潜分析42 数字 图S1平均取水量和平均取水量的比较消耗量7制氢技术的强度图S2目前和预计的淡水取水量全球9制氢，通过途径图2.1工艺专用取水示意图和消耗量24对于典型的氢气技术，以产生1公斤氢气图2.2生产和取水需求的份额冷却26整体需水制氢实例：图2.3平均取水量和平均取水量的比较消耗量28制氢技术的强度图2.4氢转化效率与氢转化效率的关系水30典型电解项目的提取和消耗强度图2.5典型制氢的年取水量项目,31火力发电厂和市政当局图3.1当前和预计的未来全球氢生产33在1.5°C情景下图3.2目前和预计的淡水取水量全球34制氢，通过途径图3.3用于制氢和冷却的淡水，今天205036图3.4全球水胁迫条件和绿色和蓝色氢气382040年项目地点图3.5全球运营和计划绿色和蓝色40当前和2040年按水胁迫水平计算的氢气生产能力图3.6全球运营和计划绿色和蓝色412040年按水胁迫水平和地区划分的制氢能力图4.1产氢煤化工厂和levels42黄河流域的水胁迫图4.2年度取水量和消耗量煤基43按省份划分的黄河流域氢气生产 图4.3产氢煤化工的分布植物44黄河流域目前的水胁迫水平 图4.4年取水和用水量requirements45四种情景下黄河流域煤基制氢 图4.5海湾合作委员会的制氢厂国家46以及该地区目前的水胁迫条件 图4.6当前和预测的未来氢生产47海湾合作委员会国家 图4.7当前和预计的海水取水量和脱盐48海湾合作委员会国家制氢的海水需求 图4.8氢项目概述Europe49 图4.9水应力和操作图计划50欧洲生产技术的氢气项目 图4.10欧洲业务和业务的分布计划512040年按水胁迫水平划分的氢气项目 Tables Table2.1取水和用水量总结强度29通过制氢技术Table3.1当前和预计的淡水取水量和消耗量37氢生产（十亿立方米），今天到2050年表A1取水和消耗强度数据来源63 盒子 Box3.1氢在世界能源转型Outlook32Box3.2什么是水压力？39 缩写 AEM阴离子交换膜ATR自热重整CCS碳捕集与封存CCUS碳捕获、利用和储存GCC海湾合作委员会GHG温室气体H2氢气PEM质子交换膜PV光伏SDG可持续发展目标SMR甲烷蒸汽重整SOEC固体氧化物电解槽 测量单位 GW吉瓦特kg千克kt千吨L升m3立方米Mtmagatonne 词汇表 排污水:故意从冷却系统中排出水，以防止矿物质积聚。 浓缩周期:冷却系统中溶解矿物积聚的量度。通过比较从冷却系统流出的水中的特定溶解固体的浓度与流入系统的水中的浓度来计算循环。 去离子水:一种不含任何原子、离子或分子的高度净化水。去离子可去除水中的溶解物质，如氯化钠、矿物质、二氧化碳、有机污染物和各种其他污染物。 补给水:将水添加回冷却系统，以代替由于蒸发，泄漏而损失的水，等。 渗透速率:在基于膜的水处理系统中，通过膜的水的体积与原水的总量之比。 取水:用从水源抽取的水量来衡量(例如河流、湖泊、地下水)供使用。 取水量/消耗强度:为生产单位产品而提取或消耗的水量(例如一兆瓦时的能量，一百万吨的氢气)。 水应力:用水压力对人类和环境福祉构成重大风险,是各部门和使用之间水竞争的代表。 执行摘要 能源部门是所有工业部门中最大的用水者。从燃料提取到发电，许多过程都需要水。正如2022年欧洲核电站关闭所看到的那样，水资源短缺可能会严重扰乱该行业。而且这种中断可能会持续下去，并变得更加频繁，特别是在气候变化中极端天气事件加剧的情况下。为了应对不断上升的气候风险，能源部门已经在建立将水因素纳入规划的良好做法。该行业可以通过过渡到可再生能源来减轻其水风险，可再生能源比传统化石燃料消耗更少的水。 清洁氢已成为应对气候变化的可行替代方案。氢是改变游戏规则的人，尤其是对“难以减少”的人，例如炼钢，化工生产，航空，运输和卡车运输。评估氢生产的用水影响，特别是在缺水地区，对于管理潜在的生产中断至关重要。 所有制氢技术都需要水作为投入。不仅在生产中需要水，而且在冷却中也需要水。清洁制氢所需的水的提取和消耗一直存在争议，但讨论往往没有深入了解这些仍处于萌芽状态的技术。 这份由国际可再生能源机构（IRENA）和Bluerisk编写的报告旨在回答其中一些问题。 制氢厂实际消耗多少水？ 本报告详细回顾了各种制氢技术的取水和消耗要求。数据来自对行业专家的访谈和对现有文献的回顾，揭示了扩大清洁制氢的用水影响。平均取水和消耗强度和范围如图S1所示。 绿色氢气是所有清洁氢气类型中最高效的水。发现平均而言，质子交换膜（PEM）电解的耗水强度最低，约为每公斤氢气17.5升（L / kg）。碱性电解遵循PEM电解，耗水强度为22.3 L / kg。这些可以与蒸汽甲烷重整-碳捕获，利用和存储（SMR - CCUS）进行比较32.2L/kg,并且自热重整(ATR)-CCUS为24.2L/kg。 到目前为止，煤气化是现有技术中最耗水的；如果配备CCUS，其强度将增加约60％。煤气化的取水量约为50L/kg，平均消耗31L/kg -大约是PEM的取水量和消耗要求的两倍。配备CCUS后，煤气化的取水量和消耗要求可能分别进一步增加到80.2和49.4 L / kg。每年生产237千吨（kt）氢气并配备CCUS的煤气化制氢厂将提取约1900万立方米（m3）每年的水；这一水量可以支持伦敦市全年一半的用水需求。 需要水作为生产的输入和作为所有类型氢气生产的冷却介质。根据技术的不同，用于冷却的提取份额可以在14％至92％的范围内。用于冷却的水提取的份额对于灰色氢气生产是最低的,为约14%。绿色和棕色氢的份额分别为56％和52％。蓝色氢气生产需要更多的水进行冷却，因为CCUS系统需要大量的水进行传热。根据美国国家能源技术实验室的数据，冷却可以占蓝色氢总提取需求的92％。但是，在可以毫无争议地确定一般的生产冷却比之前，需要更多的证据。 电解效率每提高1个百分点，绿色制氢的取水量和消耗需求将减少约2％。这主要是因为，对于相同类型的制氢技术，系统的能效越高，需要传递的废热就越少；这意味着冷却需要更少的水。 清洁氢的全球影响是什么？ 本报告全面分析了与当前和预计的未来全球氢气生产相关的水足迹和风险。该分析基于IRENA的1.5°C情景，该情景预计到2050年氢气生产将大幅增长。 今天，约22亿米3每年都有大量的淡水被用于全球氢气生产；这占能源行业淡水总提取量的0.6%。如图S2所示，灰色氢气产量约占全球淡水氢气产量的59％，棕色氢气占40％，其余来自绿色和蓝色氢气。 与今天相比，到2040年，用于全球氢气生产的淡水提取量可能增加两倍以上，到2050年增加六倍。在全球氢气需求大幅扩张的推动下，全球氢气生产所需的淡水总提取量预计约为73亿立方米3到2040年和121亿米3到2050年，考虑到技术进步。能源部门的氢生产占淡水总量的份额可能会从今天的0.6%上升到2040年的2.4%。 Note:自来水（或水质相似的水源）被假定为水源（s）。计划的脱盐和海水冷却的氢气生产(例如在海湾合作委员会国家)被排除在外。蓝色H2包括SMR-CCUS，ATR-CCUS和煤炭-CCUS，预计到2050年，ATR-CCUS的份额将逐渐增加到75％。蓝色H2生产中的冷却包括CCUS系统的冷却需求。绿色H2包括碱性和PEM电解，预计到2050年PEM电解的份额将逐渐增加到75％。假设在未来三十年中，电解效率逐渐提高（碱性电解为7.5个百分点，PEM电解为4.5个百分点）。出于计算的目的，Lewis案例2中蓝色H2的冷却和生产份额。etal.ATR=自热重整;CCUS=碳捕获、利用和储存;H2=氢;PEM=质子交换膜;SMR=蒸汽甲烷重整。 当地的影响? 尽管氢生产所消耗的水不会在全球范围内产生重大影响，但在规划氢开发时考虑当地水环境的重要性不可低估，尤其是长期的水风险，例如水压力。 全球35％以上的绿色和蓝色氢气生产能力（在运营和计划中）位于高度缺水的地区。使用渡槽水风险地图集，本报告评估了全球绿色和蓝色氢气项目已经运行或正在计划中的地区的水压力条件。重要的区域调查结果显示，到2040年，印度的氢容量可能会在水资源极度紧张的地区达到99％，而中国和欧盟27国也面临着巨大的水资源