电解水制氢需要消耗多少水？储氢成本有多高？​我国有多少加氢站？

氢能的发展须因地制宜，可再生能源分布、氢气储运成本、氢气下游消纳等因素首当其冲。电解的一另个常见问题是作为输入的水的消耗，以及它是否会对氢气的大规模生产造成限制。储氢成本有多高？

氢气的储存有多种技术路线：气态、液态和固态。近期比较火的是固态储氢，固态又分很多种，液态储氢有液氢、甲醇、甲酸、甲苯等。储氢的关键是成本，这里指平准化储氢成本，也就是全生命周期总投入和储氢循环的总量来算成本，但固态储氢目前还在自研阶段，成本无法计算。

目前高压容器储氢成本最低。液态储氢发展最好的是液氨储氢，氨的储氢量大，1立方米能储120公斤氢气，液氢液化可以储存50公斤，液氨储氢比液氢高出1倍多，而且氨基础设施完备，所以大规模、长距离的储运将来都是氨。车端储氢目前都是35MPa氢瓶，这个仍然是主流技术，中期突破的可能较小。下一步是提高氢瓶压力，目前70MPa氢瓶较贵，储氢价格在6000～7000元/公斤。降低氢瓶成本的核心材料是高强度碳纤维，需要材料国产化才能把价格降下来。

从运氢的角度看，如果氢气价格是11元/kg，拖车是20MPa，100km需要10元,加氢站费用10元，到最终加到车上大概30元。如果储运压力提到50MPa，单车运氢可接近1吨，运输成本会大幅下降。如果长距离(1000公里)运输，量比较小的时候，输电更加划算，1000公里8分钱/度电，超高压输电更有优势，将来如果大规模、长距离输氢管道更具优势。

我国有多少加氢站？

根据中国燃料电池产业未来发展目标，2050年氢能在我国能源体系中占比约为10%，年经济产值将超过10万亿元，燃料电池技术在交通和工业等领域将实现普及应用，燃料电池系统产能将达550万套/年。

在能源结构调整期的大背景下，2030年燃料电池汽车将进入快速发展轨道，2035年全球占比预计达5%。目前我国氢能应用在交通领域侧重商用车，且重型化趋势明显，2022年燃料电池乘用车销量为256辆、仅占比5%，货车占比70%，其中重卡占比47.7%。

同时，氢能基础设施建设步伐加快，截至2023年6月底，我国已建成加氢站379座，在营加氢站约200座，累计建成加氢站数量、在营加氢站数量、新建成加氢站数量均居全球首位。

电解消耗多少水？

第一步：制氢

水的消耗来自两个步骤:氢气生产和上游能量载体的生产。就氢生产而言，电解水的最小消耗大约是每千克氢消耗9千克水。然而，考虑到水的脱矿过程，这一比例可以在每千克氢18到24千克水之间，甚至高达25.7到30.2。

对于现有的生产工艺（甲烷蒸汽重整），最小耗水量为4.5kgH2O/kgH2（反应所需），考虑到工艺用水和冷却，最小耗水量为6.4-32.2kgH2O/kgH2。

第二步：能源来源（可再生电力或天然气）

另一个组成部分是生产可再生电力和天然气的水消耗。光伏发电的用水量在50-400升/MWh（2.4-19kgH2O/kgH2）之间变化，风力发电的用水量在5-45升/MWh（0.2-2.1kgH2O/kgH2）之间。同样，页岩气（根据美国数据）的天然气产量可以从1.14kgH2O/kgH2提高到4.9kgH2O/kgH2。

综上所述，光伏发电和风能产生氢气的总耗水量平均分别为32和22kgH2O/kgH2左右。不确定性来自太阳辐射、寿命和硅含量。这一耗水量与天然气制氢（7.6-37kgH2O/kgH2，平均为22kgH2O/kgH2）相同数量级。

不同制氢途径的生命周期用水量

总水足迹：使用可再生能源时更低

与二氧化碳排放类似，电解路线水足迹低的先决条件是使用可再生能源。如果仅使用化石发电的一小部分，那么与电相关的水消耗要远远高于电解过程中实际消耗的水。

例如，天然气发电的用水量可高达2500升/MWh。这也是化石燃料（天然气）的最佳案例。如果考虑煤气化，产氢可消耗31-31.8kgH2O/kgH2，产煤可消耗14.7kgH2O/kgH2。随着制造过程变得更有效率，光伏和风能的水消耗也预计会随着时间的推移而减少，单位装机容量的能源输出也会提高。

2050年的总用水量

预计未来全球的氢使用量将比现在多出许多倍。例如，IRENA的《世界能源转型展望》(World Energy Transitions Outlook)估计，2050年的氢需求将约为74EJ，其中约三分之二将来自可再生氢。相比之下，今天（纯氢）是8.4EJ。

即使电解氢能满足整个2050年的氢需求，用水量也将约为250亿立方米。下图将这个数字与其他人为的水消耗流进行了对比。农业用水是2800亿立方米中最大的，工业用水接近800亿立方米，城市用水470亿立方米。目前天然气重整和煤气化制氢的用水量约为15亿立方米。

按应用计算的用水量（圆的大小与每次应用的用水量成正比，农业用量接近2,800km³/年）

因此，尽管由于电解途径的改变和需求的增长，预计会有大量的水消耗，氢生产的水消耗仍然会比人类使用的其他流量小得多。另一个参考点是，人均用水量在每年75（卢森堡）到1200（美国）立方米之间。以400立方米/（人均*年）的平均值计算，2050年的氢生产总量相当于一个人口为6200万的国家。

供水的成本和能耗是多少

成本:

电解槽需要高质量的水，需要水处理。低质量的水会导致更快的降解和更短的寿命。许多元素，包括用于碱性的隔膜和催化剂，以及PEM的膜和多孔传输层，都可能受到水杂质（如铁、铬、铜等）的不利影响。要求水的电导率小于1μS/cm，总有机碳小于50μg/L。

水在能源消耗和成本中所占比例都相对较小。对这两个参数来说，最坏的情况是使用海水淡化。反渗透技术是海水淡化的主要技术，占全球容量的近70%。该技术的成本为1900-2000美元/(m³/d)，学习曲线速率为15%。在这样的投资成本下，处理成本约为1美元/m³，在电力成本低的地区可能更低。

此外，运输成本大约还会增加1-2美元/m³。即使在这种情况下，水处理成本约为0.05美元/kgH2。从这个角度来看，如果有良好的可再生资源，可再生氢的成本可以是2-3美元/kgH2，而平均资源的成本是4-5美元/kgH2。

因此，在这种保守的情况下，水的成本将不到总成本的2%。使用海水可使采水量增加2.5-5倍（以采收率计算）。

能源消费:

看看海水淡化的能源消耗，与电解槽输入所需的电力相比，这也是非常小的。目前运行的反渗透装置耗电量约为3.0千瓦/立方米。相比之下，热力脱盐厂的能耗要高得多，从40到80千瓦时/立方米不等，额外的电能需求为2.5到5千瓦时/立方米，这取决于脱盐技术。以热电厂的保守情况（即较高的能源需求）为例，假设使用热泵，能源需求将转化为约0.7kWh/kg的氢。从这个角度来看，电解槽的电力需求约为50-55kWh/kg，所以即使在最坏的情况下，脱盐的能源需求约为系统总能量输入的1%。

海水淡化的一个挑战是盐水的处理，这可能会对当地的海洋生态系统造成影响。该盐水可以进一步处理，以减少其对环境的影响，从而使水的成本再增加0.6-2.4美元/m³。此外，与饮用水相比，电解的水质更严格，可能导致更高的处理成本，但与电力投入相比，这仍预计是很小的。

电解水制氢的水足迹是一个非常具体的位置参数，它取决于当地的水资源可用性、消耗、退化和污染。应考虑生态系统的平衡和长期气候趋势的影响。水的消耗将成为扩大可再生氢的主要障碍。