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為了發(fā)展無排放氫氣在日常生活中廣泛使用的“綠色氫氣經濟”，創(chuàng)新者正在使用電化學水電解法從兩種簡單的成分產生氫氣：電和水。隨著可再生能源電價的下降和電解槽效率的提高，一些評論家開始問第二種成分的問題：是否有足夠的水來支持氫經濟？一些人認為答案是否定的，因為在整個生產過程中，包括將水作為原料和冷卻劑用于生產氫氣的熱電方法，如蒸汽甲烷重整（SMR），都需要大量的水。（2） 然而，綠色氫能經濟的目標是完全從可再生能源中獲得能源，這些可再生能源不使用水進行冷卻或化石燃料過程。因此，在考慮氫氣生產對全球水儲量的影響時，僅包括直接用于水電解的水是至關重要的。在下面的分析中，我們發(fā)現，通過分離用于電解步驟的水，與可用水量相比，氫氣生產所消耗的水量的影響可以忽略不計。
 

1.電解的水需求在我們之前的工作中，我們考慮了未來所有適用領域對氫氣的總體需求，包括化學合成、運輸、建筑和供暖以及儲能。計算出的遙遠的可再生能源未來的氫氣需求量為每年2.3億噸。（3） 在我們的愿景中，氫氣將通過可再生能源驅動的水電解生產。與國際氣候變化專門委員會最壞的RCP8.5情景相比，根據未來的排放預測，這樣的愿景可以每年將能源部門的碳排放量減少10.2億噸。（3） 在進一步發(fā)展氫經濟之前，重要的是確定每年所需水量2.3 Gt氫的可行性。幾位作者（2，4）表達了他們對水換氫的擔憂，指出為經濟獲取水將過于昂貴或對水和能源需求要求很高。在這里，我們計算了預測的氫氣經濟性所需的水量，包括為電解提取和消耗的總水量。抽出物是指直接返回到提取水的水體中的水。任何被轉化為另一種無法使用的形式或沒有返回到原始水體的水都將被視為被消耗。
 

根據反應化學計量，每產生一公斤氫氣，就必須消耗9公斤水。因此，2.3 Gt的氫氣每年需要205 Gt，即205億立方米的淡水，而淡水僅占地球可用淡水的1.5 ppm。氫的大多數應用都需要將其燃燒或泵送通過燃料電池，燃料電池將氫氣轉化為電和水，但盡管大多數水可以回收，但通常不會返回到原始水體，而是在消耗時進行處理。唯一一個使用氫氣不能通過燃料電池或燃燒再生全部水原料的部門是化學合成，它將占5.4億噸氫氣，每年最多使用48億立方米或0.3 ppm的全球淡水。（3） 與其他氫氣生產用水需求預測相比，（2）上述淡水需求相當低。這是因為我們假設未來所有的氫氣都將使用可再生能源生產，如風能和太陽能，這些能源幾乎沒有水消耗。當化石燃料用于一次能源生產和發(fā)電時，對水的需求相當大。2014年，從煤炭、石油和天然氣等化石燃料中提取了2510億立方米淡水用于發(fā)電和能源生產，310億立方米用于冷卻、采礦、水力壓裂和煉油。（5） 相比之下，盡管必須消耗205億立方米用于電解制氫的水，但這仍然比目前化石燃料能源相關的使用量少33%（圖1）。此外，電解將使化石燃料能源過時，因為能源部門能夠更多地轉向可再生技術，節(jié)省了100億立方米與能源相關的化石燃料使用所消耗的淡水。因此，很明顯，使用氫氣作為實現可再生能源社會的一種方法將帶來巨大的節(jié)水，而不是支出。

圖1。三個不同部門的全球淡水提取和消費比較：化石燃料能源生產和發(fā)電、農業(yè)和全球氫能經濟的實施。請注意，條形圖是對數刻度的（3，5）。

與灌溉農業(yè)部門等其他部門相比，電解的耗水量尤其少，灌溉農業(yè)部門占世界淡水總抽取量的70%，即每年超過2700億立方米。（5） 其中，每年消耗約11000億立方米的水（5），是未來氫能經濟所需水量的50倍多（圖1）。盡管如此，即使相鄰部門使用的水遠遠超過最雄心勃勃的氫氣預測，對淡水短缺的擔憂（6，7）也要求從所有可用的角度減少水的開采。因此，提出一種允許氫氣進入地球廣泛鹽水資源的解決方案，可以進一步減少氫氣的水足跡。
 

2.鹽水淡化可獲得的淡水僅占地球水的不到1%，（8，9）最好避免對淡水使用造成任何額外負擔，尤其是在難以獲得飲用水的地區(qū)。然而，幾乎所有剩余的99%，即約14億km3，都是海水，在用作電解原料之前，可以通過脫鹽工藝進行凈化。當今領先的海水淡化技術是反滲透（RO），它使用外加壓力和半透膜來拒絕水中存在的離子，比蒸餾等其他海水淡化方法消耗更少的能量。（10） 然而，一些進入反滲透工藝的水無法使用，回收率定義了工藝產生的可用清潔水在給水總量中的百分比。目前最先進的反滲透裝置，如以色列的阿什凱隆裝置，可以實現高達50%的回收率，（8）這意味著必須向工藝中加入兩倍于出口所需水量的水，每年總共抽取410億立方米的海水用于制氫。這大約是世界每年可用海水供應量的30 ppb，與可用資源相比微不足道，無法回收的水被送回同一水體，因此不會被消耗。
 

值得注意的是，添加脫鹽工藝增加了電解氫生產生命周期的能源需求，但與為電解槽本身供電相比，這也可以忽略不計?？偟膩碚f，RO生產的每立方米清潔水需要3.5–5千瓦時的能量。（10） 對于2.3 Gt的全球氫氣需求，這將產生額外的0.26–0.37 EJ的年能量，用于進行水電解反滲透，即通過電化學水分解生產氫氣所需的最小能量的0.06–0.13%。從經濟角度來看，反滲透脫鹽將增加每立方米生產的清潔水0.53–1.50美元的能源成本，（8）這將增加每公斤氫氣生產成本不超過0.01美元。這與Khan等人的分析一致。該分析發(fā)現，脫鹽將占電解所需能源的0.1%，并使每公斤氫氣的成本增加0.02美元。
 

綠色氫氣生產每年將消耗地球上1.5 ppm的淡水或30 ppb的鹽水，這一數量低于目前基于化石燃料的能源生產和發(fā)電所消耗的數量。如果使用RO脫鹽，額外的能源需求將低于電解生產氫氣所需最低能源的0.2%，能源成本將使每公斤氫氣的價格增加約0.01美元。這些數字表明，供水將不是電解槽的限制，相反，我們應該繼續(xù)關注電解槽能效的技術改進，這是目前的限制因素，有可能取得重大進展。雖然對“水問題”的擔憂在新聞界比在科學家中更為普遍，但新聞界可能會對氫作為一個不斷增長的市場的接受產生重大影響。因此，我們必須嚴格描述電解技術的真實用水需求，而不受當前不可再生基礎設施用水需求的影響，以清楚地了解氫氣對可再生能源未來的影響。

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