电解水制氢可持续性分析与水源选择
编者按：“双碳”目标下，氢气（H2）似乎已被定义为无污染、无碳排的“终极”能源。在众多制氢法中，电解水制氢是最具潜力的制氢路线之一。该技术一是取决于清洁能源或化石能源谷电，再就是持续性的水源供应。从全球来看，目前化石能源仍然占据主导地位（>60%），而在我国化石能源占比更是高达80%。因此，电解水制氢能源转化率以及相应的碳排放是首要考虑问题。对于电解水制氢水源问题，与地下水、地表水、海水相比，污水处理厂出水具有较大的水源优势。所以，在城市中原位建设制氢站不无可能，关键取决于电的来源。从能源结构、水源供应、经济成本和环境影响多个角度对电解水制氢进行了全方位分析。尽管电解水制氢能源转化效率仅为74.5%~83.0%，但若有夜间谷电或“弃风”、“弃光”能源场景，利用污水处理出水发展电解水制氢则有可能。否则，约20%的制氢能量损耗得不偿失。本文已于2023年9月第18期发表于《中国给水排水》。
整理 | 闫颖颖
责编 | 郝晓地
文章亮点
01氢能乃似乎是“终极”能源，故，电解水制氢备受关注。但可再生能源生产的绿氢方具可持续性。
02电能→氢能转化通常存在20%能源损耗，化石源电能必然伴随着较高的间接碳排放。
03“弃风”、“弃光”以及谷电可为绿氢生产创造条件。但只有可再生能源的谷电方真正称得上是绿氢。
04相较其它水源，市政污水处理厂出水水量稳定、水质较好，可成为电解水制氢的替代水源。
01前言
在当前环境与能源危机下，氢能被认为是“终极”能源。但目前每年全球生产的H2中有95%以上都是通过化石能源所获得，势必伴随着大量CO2排放。因此，这种能源方式生产的H2并非是绿氢。目前，制氢工业正在寻求摆脱这种碳密集型生产方式，或者将蒸汽甲烷（CH4）重整与碳捕获、储存相结合（生产蓝氢），或者使用可再生能源为电解水提供能量（绿氢）。因此，可再生能源电解水制氢备受关注，问题是电解水制氢过必然着能源转化效率下降问题。为此，首先核算了电解水制氢能源转化效率，并对可再生能源（包括风、光电能）以及谷底煤电（谷电）利用进行分析，以确定利用绿电或谷电发展电解水制氢的可行性。其次，对地表水资源、海水以及污水处理厂出水作为制氢水源进行了综合评价，以分析不同制氢工艺的经济成本及其对环境的影响。最后，试图确定以污水处理厂出水作为电解水制氢的发展前景。
02制氢能量转化
2.1 电解水能量效率
电解水本质是水分解反应，该过程理论耗电量：
式中：q为电荷量，mol；F为法拉第常数；U为电压。
标准状态下水顺利分解需其热力学电压达到1.23 V，由此得到理论上产生1 m3 H2需电量2.94 kWh；但实际工程中须施加大于理论热力学电压方能促使水顺利分解，由此得到实际生产1 m3 H2需电量为4.30~4.78 kWh。评估氢气蕴含能量，取氢气燃烧热值143 KJ/g、密度为0.0899 g/L，计算得出1 m3 H2 对应电当量为3.57 kWh-eq/m3。与表1中三种电解方式实际电耗相比，电解水制氢能源转化效率为74.5%~83.0%，平均约80%，这就意味着无论何种能源作为动力，制氢过程中均会有约20%的能量损失。
2.2 水脱盐能耗
不同的电解水技术均对电解水质有较高要求。因此，必须对原水进行预处理，去除其中的盐分。目前脱盐主要采用反渗透（RO）、多级闪蒸（MSF）、多效蒸馏（MED）等淡化技术，几种方法淡化水的能耗见表2。按照电解1 m3水可产生约42~55 kg H2计算，约合460~620 m3 H2/m3水，最终折算水质净化环节对应电耗数据见表2。显然，水质净化能耗（＜0.03 kW·h/Nm3 H2）远低于表1中电解水制氢能耗（2.2~7.5 kW·h/Nm3 H2），意味着，从能耗角度考虑未来电解水制氢研究的核心方向应该是提高电解水制氢效率，而非水质净化。
03能源供应
氢能自身是一种清洁能源，但制氢若使用煤电，不仅会出现20%的能源损耗，且伴随着较高的间接碳排放。因此，必须寻找清洁能源来支撑制氢产业，以实现绿氢生产。
谷电利用具有一定合理性。2022年5月20号欧盟发布的能源转型授权法案中提及，若能证明氢气生产所使用的电力来自供应过剩期间（即，谷电），就可认为该种方式生产的氢气是“绿氢”。错峰制氢将能充分保证过剩电能的使用，国家发改委也通过电价调整，鼓励错峰充分利用谷电。
近几年风电、光伏产业发展迅速，但大量可再生能源没有并网，处于被抛弃状态。我国2020年“弃光”、“弃风”总量达到2.2×1010 kW·h，假设这些电力全部用于制氢，可得约40×104 t H2/a，按照1 kgH2等同于汽油5.5 kg，意味着可替代/减少220×104 t/a汽油使用，减少3300×104 tCO2/a排放。
04水量、水质
不同电解水制氢工艺不同，电解槽对水质要求也存在一定差异，但基本都选择淡水来源。
4.1 水源选择
对几种常见水源进行了定性评估，见表3。相比之下，我国城镇污水处理厂出水水量稳定、水质较海水要好，可成为电解水制氢的替代水源。
4.2 水量
根据不同电解水制氢工艺，实际工程电解水获得1 kg H2需提供18~24 L水。据中国氢能联盟预测数据，匡算实现产氢目标所需水量见表4。可看出，制氢用水量占比其它水资源量＜0.2%。若考虑污水处理出水制氢，其所需水量占比也不到2.5%。但自然水体受季节性汛期和枯水期的影响，水量供应并不稳定；同时，我国地下水资源分布存在南多北少差异。相对而言，污水处理厂出水水量较为稳定，供应完全可以获得保证。
以北京市为例核算电解水制氢实际用水量需求。2019年北京市汽油消耗量为 0.051×108 t/a，若考虑未来将这些汽油车全部由氢能源汽车替代，则需要供应相当于9.1×105 t H2/a，而制得这些H2需水量为1.9×107 m3/a，约占2019年全市自产水资源总量的0.8%。2019年北京市再生水利用率约60%，还有近40%出水还未得到利用。可见，像北京等这样的大中城市利用污水处理出水电解水制氢水源可以获得保证。
4.3 水质
电解水水质直接关系到电解水制氢技术的效率及可行性。由表5可知，各种水源水质均不能满足电解水制氢标准，需一定预处理措施。
二级出水水质基本上与地表水和地下水水质处于同一量级。但地表水和地下水受经纬度等地质变化和季节性因素的影响，水质差异较大。相对而言，二级出水水质稳定，直接受限于所规定的出水排放标准。反观海水盐度，是其他水源的10~30倍，总溶解性固体等均超出其他水源几个数量级。因此，从水质角度考虑优先级，处理出水>地表水/地下水>海水。
05制氢成本
制氢全流程经济成本与效益是决定制氢工艺健康发展的决定因素。电解水制氢全流程工艺流程如图1所示，分别从5个环节加以分析。
图1 电解水制氢主要工艺流程
5.1 水源取水与输送
有研究指出，高达60%~90%制氢供水成本由输水环节造成。有人对海水水源与污水处理出水水源进行了电解制氢经济性评估，分析了不同地区（位于大西洋海岸近海城市A和远离海岸乡村B）的供水成本（包括水源取水、运输与储存成本），相关结果见图2。
图2 A地与B地不同水源供水成本分布
这意味着即使是近海城市，海水作为制氢水源也并不具备经济性。而处理出水水源运输成本与电解水制氢厂所在地关系差别不是很大。
5.2 水处理成本
水处理能耗主要取决于水处理工艺、水厂规模以及水源水质。对于不同水处理工艺，热蒸馏（MSF、MED）工艺需同时消耗电能和热能，这部分成本约占水处理总成本的60%；反渗透工艺仅依赖电能，这部分成本仅占44%左右。
水厂规模也会影响制水成本。不同规模下海水淡化单位水量处理成本如表6所示。可以看出，单位水量成本基本介于0.5~2.0美元/m3，呈现较强的规模效应，规模越大其单位水量成本越低。
水质差异也会造成水处理成本不同。以反渗透技术为例，其能耗取决于原水盐度、温度和水回收率。高盐进水要求设备渗透压更高，对反渗透膜性能和耐用能力产生影响，会造成能耗增加；研究表明，较低TDS海水淡化能耗较低。
5.3 氢气制取
电力成本与电解槽类型是导致制氢能耗高、限制其发展的关键因素。对比已经商业化的碱性电解与PEM电解技术，假设电价 0.3元/（kW·h），则两者的制氢成本分别为21.6元/kg H2和31.7元/kg H2；其中，电力成本分别为18.6元/kg H2和16.8元/kg H2，分别占总成本的 86%和53%。这意味着在无其它政策支持情况下，电解水制氢无法与煤炭气化制氢（12.1元/kg H2）和天然气重整制氢技术（14.6元/kg H2）相竞争。况且，目前电价很难达到0.3元/（kW×h），因此，在当前市场电价下电解水制氢路线显然不具备市场竞争力。倘若能够使用低成本电力即获得可再生能源发电，当其成本下降至0.15元/（kW×h）及以下时，电解水制氢的电力成本可接近7元/kg H2。短期来看，这种廉价的电力只有在弃风、弃光电力消纳过程中才可能实现。
5.4 氢气储运、消纳
氢气储运技术也是氢能高效利用的关键环节，也是限制氢能大规模产业化发展的重要瓶颈。高压气态运输是目前我国氢气运输的主要方式，但仅适用于300 km以内短距离运输。从氢气客户需求角度考虑，氢气就近消纳是最为经济的有效方式，现实建设中也需因地制宜权衡考虑。
5.5 其它成本
水脱盐过程会产生副产物——卤水，其处理、处置也会增加制氢成本。相对海水而言，处理出水卤水产量和污染物浓度相对较低，处理成本也相应会低。若制氢直接在污水处理厂内进行，还可将卤水中阴离子和污泥焚烧后提磷时撇除的阳离子结合生产混凝剂产品。海水淡化卤水含有丰富的镁/锂/溴等化学资源，有效利用卤水可以创造极佳的经济价值，也会有效避免卤水回海对环境产生的影响。
综上，经济角度分析制氢成本，海水运输和处理需求较高，导致相应成本增大；而污水处理出水相较于海水制氢成本要低，地表水制氢成本与处理出水基本一致。
06结语
在全球碳中和背景下，绿氢是未来能源发展方向，但需要相应的清洁能源供应与水源作为保障。随着可再生能源的快速发展，“弃风”、“弃光”以及谷电为绿氢生产创造了条件。长远来看，只有可再生能源的谷电才是绿氢生产的真正能源所在。
与地下水、地表水、海水相比，污水处理厂出水具有较大制氢水源优势。只要可再生能源易得，处理出水将成为一种较好的水源选择。但目前这种情况可能更适合于我国西部地区，因为那里有着丰富的弃风、弃光能。然而，我国氢能消费主要集中于中东部及沿海地区，而且这些地区淡水资源匮乏，发展氢能除了可利用污水处理出水外，还可与海水淡化相结合。若再能与沿海风电、潮汐能结合，生产绿氢则极为可能。
总之，对于城市而言，电解水制氢的水源不成问题，完全可以依赖于污水处理厂出水深度处理，关键是需要生产绿氢。否则，用化石能换氢能带来的碳排放要比直接利用化石能源至少还要高20%。
