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绿色氢气应用将推动海水淡化市场开发

发布时间:2024-02-20 16:05 　作者:admin　点击量：　

01绿氢与全球能源转型
目前，氢气被广泛应用于各个领域，包括炼油和氨生产。然而，目前这些行业消耗的大部分氢气是灰氢，即通过天然气重整制氢，但在其生产过程中会导致温室气体排放。
一种清洁的制氢替代方法是利用可再生电力（太阳能、风能、水能等）通过电解水来生产氢气。众所周知，绿氢可能成为能源转型的主要推动者，因为氢是一种多功能分子，具有诸多独特性，例如其诱人的储能特性。
由于绿氢在实现脱碳方面的独特作用，预计未来几十年绿氢需求将大幅扩大。尽管实际落地项目的开发进展仍然缓慢，但近年来人们对绿氢市场的兴趣一直很大。根据罗兰·贝克战略咨询公司预测，到2030年，全球绿氢产量将达到约1300万吨，到2040年绿氢产量将真正飙升，有可能上升到1.2亿吨。为了实现全球更长期的气候目标，这一强劲的市场增长将是必要的。国际可再生能源机构（IRENA）在其《2023年世界能源转型展望》中描述了全球升温1.5℃的情景，估计到2050年所需的绿氢数量约为5亿吨/年。这一水平的绿氢生产将有助于钢铁生产、炼油和运输等难以减排的行业实现脱碳。
然而，为了使生产的绿氢具有竞争力，必须以低成本提供可再生电力。因此，假设目前与长距离运输氢气相关的挑战能够被克服，则拥有丰富太阳能或风能资源的国家很有可能成为未来绿氢供应的热点国家，如沙特阿拉伯、智利、澳大利亚、阿联酋、西班牙和摩洛哥。欧洲、美国和中国预计也将成为绿氢的主要生产地，但生产的绿氢主要用于本地消费。
当前围绕绿氢开发的讨论主要由能源行业推动，重点是确保所需的可再生电力和所生产氢气的出口。生产绿氢所需的另一个关键投入是电解用水。根据计算，到2030年，生产所需的绿色氢气可能需要多达1.3亿立方米的超纯水，到2050年将需要50亿立方米的超纯水，其中很大一部分将由海水淡化提供。这意味着到2030年每天的海水淡化能力将达到25万-50万立方米，到2050年将增加到每天1000万-2000万立方米。虽然与其他工业行业的用水量相比，绿氢生产所需的水很少（尤其是到2030年），且与海水淡化市场的整体规模和增长相比也很有限，但它们代表了海水淡化市场的一个潜在新增长领域。

   02对水的需求
绿色氢气是通过电解水方式生产的，在这个过程中，水分子被电流分解为氢气和氧气。事实上，在生产绿色氢气的过程中，水有两种用途。
1）作为工艺用水：超纯水（具有非常低的电导率和有机负荷）用作电解槽制氢的工艺用水，在电解槽中H₂O分子被分解为氢气和氧气。理论上，生产1千克氢气需要9升水，但实际上由于电解槽中的损耗，大约需要10升水。
2）作为工艺冷却水：电解槽运行过程中也会产生废热，因此需要冷却。这种冷却可以是基于水的，在这种情况下需要冷却水；也可以是基于空气的，在这种情况下不需要冷却水。
在这项研究中，要重点关注绿色制氢过程中对工艺用水的需求。由于电解过程需要超纯水，绿色制氢装置通常会连接一套水处理装置，这套装置可以过滤引入的供水，将其转化为超纯水。这些引入的水可以是自来水、地下水、地表水（来自河流和湖泊的水）、经过处理的污水或海水。供水的纯度越低，相同产量的超纯水所需的水量就越大。为了生产1千克绿色氢气所需的10升超纯水，需要14至33升的进水，具体取决于水源。
   03海水淡化的新增长空间
未来几十年绿氢生产大规模扩张所需的水源来自哪里？虽然与社会的总体水需求相比，生产绿氢的水需求量很小，但研究人员认为淡水成为电解制氢用水来源的可能性不大。人口增长、社会经济发展和消费者行为变化等因素正在推高全球对淡水的需求，而气候变化和水污染正在限制淡水的供应。水对社会的自我维持也至关重要。因此任何需要水的新工业应用都可能面临公众的强烈反对，无论是否有正当理由。出于这个原因，工业将宝贵的淡水用作绿氢项目的工艺用水似乎不太可能。
最近宣布的绿色氢能项目似乎证实了这一点。在已宣布的绿色氢能项目中，只有不到一半的项目将依赖海水淡化。但随着时间的推移，这一比例可能会上升。
可用于生产绿氢的两种非常规水源是经过处理的污水和海水。使用经过处理的污水比使用海水更节省水资源。此外，将废水处理与绿色氢气生产放在一起，可以利用副产品氧气进行吹气（废水处理中的一个标准净化步骤），以及利用电解槽的废热干燥污水污泥，从而实现协同增效。然而，依靠经处理的污水的绿色制氢装置必须位于废水处理厂附近，其规模受到经处理的污水排放的限制。
虽然生产相同的绿氢所需的污水处理量比海水少，但事实上比其他水源，使用海水生产超纯水有四个明显的优势:
1）地理位置接近：预计绿氢生产将集中在低成本可再生电力资源丰富的地区（海湾合作委员会国家、澳大利亚、智利和非洲部分地区），然后以氢或其衍生物的形式出口到高需求地区（欧洲、日本和韩国）。因此，出口地区的氢生产很可能集中在港口周围，这些港口可以直接获得海水。
2）对当地水资源没有影响：目前宣布的绿色制氢项目包括许多较小的项目，不会对传统水源产生明显影响。然而，绿色制氢项目规模预计将在未来几十年内增长，并可能影响当地水资源。此外，使用海水不太可能引起公众反对，尽管确保正确处理淡化盐水也很重要。
3）对成本的影响可以忽略不计：即使需要进行脱盐处理，生产绿氢所需的工艺用水也只占生产氢气成本的一小部分。因此，项目开发商可能会选择最可靠、无风险的生产用水来源，即通常是淡化海水。
4）不受水资源短缺的影响：受气候变化的部分影响，社会的水需求在增长，供应在减少。随着这一趋势的持续，绿氢生产对传统水资源的依赖将受到越来越多的监督和审查，政府监管机构可能会推广使用淡化海水等替代水作为绿色制氢的水资源。
   04未来超纯水需求
根据对绿色氢气需求的预期增长，罗兰·贝克战略咨询公司计算出供应给电解槽的超纯水需求到2030年将达到约1.3亿立方米，到2050年将达到50亿立方米。假设超纯水深度处理步骤的转化效率约为75%，那么到2030年将需要总计约1.75亿立方米的过滤水生产超纯水，到2050年将需要66亿立方米的过滤水作为超纯水生产用水。
因此，根据用作水预处理过程投入的水源，到2030年，水的总需求量可能达到每年2亿-4亿立方米；到2050年，每年将达到70亿-160亿立方米。应该指出的是，这只是淡水提取总量的一小部分（目前每年约4万亿立方米），因此绿色制氢的用水需求不太可能对水资源产生显著影响。
假设一半到全部的绿氢都是使用淡化海水生产，并且典型的海水淡化厂每年运行8000小时，可计算出到2030年为绿氢项目提供工艺用水的海水淡化能力总需求可能为每天25万-50万立方米，到2050年上升到每天1000万-2000万立方米。
在2030年之前，氢生产不太可能对海水淡化市场产生显著影响。尽管预计每天需要25万-50万立方米的脱盐能力，而用于市政应用的典型脱盐厂每天需要数万甚至数十万立方米。但在2030年后，特别是在一个气候目标加快实现的要求下，绿氢生产可能成为海水淡化市场增长的更重要驱动力，有助于海水淡化产能的投资决策。
在严重缺水的地区，对绿氢生产用水脱盐的需求往往与对饮用水、其他工业用途，甚至农业用水脱盐的需求齐头并进，因此预计不会出现为制氢设施服务的专用海水淡化厂——即使是数千兆瓦的电解装置也每天只需要1万-10万立方米的海水淡化能力，这可以由一个中型海水淡化厂生产。尽管如此，研究人员认为绿氢正在成为推动海水淡化产能投资的几个因素之一。
因此，绿氢产量的增长为海水淡化市场的参与者打开了一个新的增长市场。
   05海水淡化市场的潜力发掘
到2022年，全球约有21000家海水淡化厂投入运营，总生产能力超过每天1亿立方米脱盐水。由于需要为日益干旱的世界提供可靠的水源，海水淡化市场规模已经在强劲增长。绿氢生产可能带来的额外海水淡化需求，尽管与市场的整体规模和增长相比并不多，但代表着市场参与者可以利用的额外增长空间，特别是在2030年之后的几十年里。
如前文所述，有充分的理由相信，如果能够克服当前长距离运输氢气的挑战，那么绿色氢气生产所需的新海水淡化产能的很大一部分将位于海湾合作委员会国家、澳大利亚、智利和非洲部分地区。这些地区拥有一流的可再生电力资源，但往往面临严重的缺水问题。
   06对市场参与者的建议
海水淡化公司将需要熟练地驾驭新兴的绿氢生态系统，并可能需要开展以下行动来为即将到来的市场扩张做准备。
首先，也是最重要的，海水淡化公司必须在绿氢联盟中找到自己的位置。最近的绿氢项目通常是由不同类型的公司组成的财团或联盟开发的，包括可再生能源公司、化学公司和氢承购商或贸易商等。海水淡化公司需要确定开发商，并将自己定位为首选解决方案的提供商。为此，他们需要提供端到端的产品，涵盖与水相关的所有要求，包括脱盐等。供应给电解槽的工艺水的质量对电解槽性能和耐用性有重大影响，因为杂质会永久损坏电极。因此，绿氢项目开发者将密切关注供水商的声誉和可靠性。
其次，海水淡化公司必须谨慎地与地方政府和监管机构密切合作。虽然海水淡化在中东等地区很常见，但在一些预计绿氢生产将会蓬勃发展的国家，海水淡化尚未得到广泛应用。在这些国家，海水淡化企业需要说服政策制定者、地方政府和监管机构允许引进海水淡化工厂，并在适当情况下提供财政支持。
一个特别重要的问题是盐水的管理，盐水是海水淡化过程的副产品。目前，这种盐水通常被排放回大海，但海水淡化公司应该研究限制甚至完全避免这种情况的方法，转而捕获盐水中存在的有价值的元素。
另一个关键问题是利用可再生能源为海水淡化厂提供动力——这可能是赢得氢能组织和监管机构支持的关键成功因素。一些参与者，特别是沙特阿拉伯和阿拉伯联合酋长国等中东国家的参与者，已经在海水淡化和可再生电力方面有了较为丰富的经验，这些参与者具备为世界各地即将推出的绿氢产品提供海水淡化厂的能力。
最后，海水淡化参与者必须了解水需求的增长动态，特别是在海水淡化可能成为相关水来源的地区和特定应用中，并将它们纳入投资考虑因素。

来源：世界金属导报

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