《科学》杂志将天然氢气选作为2023年10大突破技术，其中一个原因就是这种天然氢气的将来使用成本可能比较低。目前国家流行的使用氢气作为能源的技术是利用可再生能源生产氢气，例如使用风光等可再生能源，通过电解水生产氢气，以解决化石能源污染和无法持续供应的困境。但氢气的生产过程仍然面临多种挑战和问题。《自然》杂志最近对电解水产氢气消耗水的问题进行了讨论。

科学网—“天然氢”悄然走红全球 - 孙学军的博文 (sciencenet.cn)

科学网—2023年《科学》十大科技新闻：寻找天然氢气升温 - 孙学军的博文 (sciencenet.cn)

Sizing up hydrogen’s hydrological footprint (nature.com)

为了引导经济远离化石燃料并减少碳排放，需要从风能和太阳能等低碳能源生产氢气。这种绿色氢气对某些大型能源用户特别有吸引力，例如航运、航空和钢铁行业，这些行业将难以使用电池运行或直接通过电网插入可再生能源。生产氢气很简单：用电分解水分子变成氢气和氧气，以气态氢气和氧气的形式冒泡。然后，氢气可以通过管道输送到需要能量的地方。

利用太阳能发电，用这种电分解水产生氢气，这是比较理想的氢能源模式

然而，在水资源压力日益加剧的世界中，该过程对水的依赖正在引起人们的警觉。今年早些时候，华盛顿特区的非政府组织“食品与水观察”警告说，到2050年，氢气生产可能消耗相当于3400万美国公民每年使用的水量。然而，过去几年的一系列研究提供了更积极的图景，提供了证据，证明扩大氢气生产并不一定威胁到供水。“与总取水量相比，制氢的取水量可以忽略不计，”加利福尼亚州帕洛阿尔托卡内基科学研究所专门研究水、能源和食物之间联系的环境工程师洛伦佐·罗莎说。

尽管如此，罗莎说，水的考虑应该决定氢气的生产方式和地点，特别是因为气候变化导致的热量和降水变化正在加剧供水压力。“与目前用于化石能源转换的氢气相比，氢气的耗水量很小，与农业用水相比无关紧要，”加州大学欧文分校清洁能源研究所所长杰克·布劳维尔说。“但是，在地方和区域层面存在严重的水供应和输送挑战，需要加以考虑。”

Brouwer 和 Rosa 表示，扩大制氢技术和水处理方案可以使制氢商能够利用一系列非饮用水资源（包括海水）或削减用水量。与此同时，将水和可再生能源资源与预计的氢气生产和需求进行映射的地理空间分析可以确定投资节水技术（或决定进口而不是生产氢气）将是最大限度地减少推动氢气与保护水资源需求之间紧张关系的关键。

氢气生产是大量耗水过程

电解制氢需水量从一个简单的计算开始：每公斤氢气需要消耗 9升水。为消除会粘住电解工程的矿物质净化水处理，每公斤氢会再消耗15升水。

然而，这并不是故事的结局。如果包括为该过程提供动力的可再生能源，则需要更多的用水量。太阳能电池板和风力涡轮机的运行可能不会消耗太多水，但制造它们的过程需要消耗水。总而言之，制造一台风力涡轮机可使绿色氢气的水足迹增加 11 升。当今领先的太阳能发电品种的制造增加了124升，主要来自硅光伏晶片的制造。

尽管如此，制氢的用水需求似乎是可控的。作为罗莎共同领导的一项分析的一部分，如果能源完全来自风力发电，那么到2050年实现净零排放的全球经济将消耗400兆吨绿色氢气，这将使用全球可用水供应的0.13%，如果全部来自太阳能，则约为0.56%。

罗莎和他的同事们认为，已经面临水资源短缺的国家可以选择进口氢气来满足国内需求，而不是提高产量。事实上，许多被他们的研究确定为土地有限的国家已经在努力促进氢贸易，包括日本和欧洲部分地区。其他地区和国家——包括撒哈拉以南非洲、南美洲、加拿大和澳大利亚的地区——拥有足够的土地和水成为主要的氢出口国，许多地区和国家已经在为履行这一角色做准备。

多种因素表明，绿色氢对区域水的影响可能比罗莎的研究结果所暗示的更加有限。例如，在过去几年中，分析师和能源规划者降低了对长期将生产多少绿色氢气的估计。国际能源署 （IEA） 在 9 月份将全球气温上升限制在 1.5 °C 的预测中预计，到 2050 年，氢气使用量将比其 2021 年报告中的预测减少五分之一。

在计算氢气的水文足迹时，另一个重要的考虑因素是氢气作为化石燃料替代品的能力，化石燃料本身就是水密集型能源。到目前为止，大多数研究都没有考虑到这种替代的影响。例如，Rosa和他的同事们假设，随着汽油和柴油的使用逐步减少，2020年至2050年间石油精炼将减少五倍。但它们并不能相应地减少用水量，这可以进一步改善氢气的水文足迹。如果绿色氢气取代天然气，使用水力开采天然气生产商的大量用水量将减少。例如，美国和欧洲的许多司法管辖区正在考虑使用绿色氢气为燃气发电厂提供燃料，以弥补太阳能和风力发电场的供应缺口。

有的氢气生产喜欢脏水

在许多情况下，氢气生产商可以通过使用受污染或含盐的水而不是饮用水来避免增加饮用水供应的压力。选项包括城市废水、石油和天然气生产废水甚至海水。水处理和海水淡化厂的建设成本很高，但相对于制氢的总成本，投资相对较小。

2022年，一项分析康涅狄格州纽黑文耶鲁大学的一个研究小组得出结论，即使处理海水——最难准备的水源作为此类设施的输入——也只需要电解厂总能源预算的0.3%。“最重要的是，”我们不需要消耗用于饮用的淡水资源“来生产氢气，”耶鲁大学化学和环境工程师、该研究的主要作者Lea Winter说。国际可再生能源署对此表示同意，并在2020年得出结论：“即使在缺水的地方，海水淡化也可以在成本或效率方面受到有限的惩罚。

在加利福尼亚州，纽约的电解槽制造商Plug Power计划建造一座水处理厂，并将其移交给当地市政当局，以换取制氢水源。该工厂将要建造的门多塔目前正在耗尽地下水以满足对饮用水的需求。市政府官员表示，新工厂将清理污水以增加该市的供水量，从而减少地下水的使用，并将水出售给Plug Power。

利用海水具有几乎无限的潜力，但也对环境产生了令人不安的影响。一些海水淡化厂将装有处理化学品的加热盐水释放回海中;它们还可以吸入并摧毁海洋生物。根据 2020 年的审查，这些植物对生态系统的影响最大4，当超咸盐水导致其细胞脱水时，对海洋生物（包括鱼类、浮游生物和藻类）造成致命的渗透冲击。风险最大的是红海、地中海和波斯湾等半封闭海域的生物。世界上近一半的海水淡化能力集中在波斯湾。

然而，一些观察家预测，如果氢气生产商利用海水和废水，可能会产生潜在的环境红利。德国伍珀塔尔气候、环境与能源研究所的政治学家托马斯·阿迪索恩（Thomas Adisorn）认为，像Plug Power这样的项目有潜力通过支持国际发展来改善环境。“在出口氢气的发展中国家，投入更多精力使用回收废水可以提高他们建设废水基础设施的能力，”阿迪索恩说，他在 2022 年组织了一次会议，以帮助缺水的约旦官员规划其氢经济。

新技术和工程集成有望进一步降低非常规用水成本，同时获得额外的水处理费用的其他宝贵好处。例如，一个活跃的研发领域是将绿色氢的氧气副产品货币化。污水处理厂的好氧处理池依靠泵送的空气来维持其以废物为食的微生物。根据Brouwer的说法，一些大型污水处理厂泵入纯氧而不是空气，以刺激更快的消化。Brouwer说，有了电解槽，他们可以免费获得氧气，而不是操作昂贵的空气分离装置。

2022 年，悉尼市水务局和澳大利亚悉尼大学的研究人员估计，将电解槽集成到污水处理厂中每年可为该市节省约 150 万美元5.据纽约标准普尔全球（S&P Global）分析师称，他们计算出该市每年13.7吉升未使用的污水每年可产生0.88兆吨绿色氢气，是澳大利亚和新西兰预计在2030年产量的十分之一。悉尼水务公司表示，其未发表的研究证实了在进一步净化后使用其处理过的水生产氢气和氧气的可行性。

另一项创新可能被证明是使用海水生产氢气的主要好处，即能够在海上操作电解槽。在过去的一年里，中国和欧洲的团队部署了结合海水淡化设备和电解槽的平台。人们希望浮动电解厂能够可靠地运行，如果它们能够在风暴和其他对海上硬件的攻击中可靠运行，将降低海上风能的成本。通过管道运输氢气通常比通过输电线路输送等量的能量便宜，氢气的支持者押注这一规则将适用于将能量从海上风电场传递回陆地。

氢气生产商 Lhyfe 的 1 兆瓦试点平台今年使用淡化海水在海上运行了 5 个月，并计划于 2026 年在比利时水域建造一个 10 兆瓦的平台。位于法国南特的 Lhyfe 公司希望通过在处理过程中避免使用化学添加剂，并用额外的海水稀释盐水来减轻海水淡化的影响，Lhyfe 的海上项目经理 Stéphane Le Berre 说。

Lhyfe现在正在探索海上电解产生的氧气是否可以抵消海洋中溶解氧水平的下降 - 这种情况正在阻碍某些地区的海洋生态系统。今年7月，研究人员预测，全球海上风电场和电解槽的人工氧化可以使严重缺氧区的体积减少1.1-2.4%6.但他们也报告了一些违反直觉的区域影响。例如，他们的模拟预测，注入氧气可能会扩大印度洋孟加拉湾现有的缺氧区。

已知的未知数

与此同时，技术通配符可能会改变围绕制氢的耗水量计算。在一项审查中，国际能源署确定了40家公司，这些公司正在探索一种可能比电解更清洁的潜在氢源：天然的气体袋，其中一些可能使用很少的水来开采。但是，就像向海洋注入氧气一样，看似节水的技术可能会产生不良影响。获取“地质”氢可能需要对岩层进行压裂，类似于用于回收石油和天然气的水力压裂或“水力压裂”。一些氢气勘探者计划通过向富含铁的岩层注入水来刺激原位氢气生产。

位于马萨诸塞州萨默维尔的绿色能源公司Eden GeoPower计划与该国能源和矿产部合作，在缺水的阿曼的橄榄岩岩层中测试氢气增产。该公司希望利用其无水电压裂技术提高地下渗透性。首席执行官帕里斯·斯莫尔斯（Paris Smalls）表示，“信封背面的计算”表明，净用水量将与每公斤氢气的电解量相当。

Eden GeoPower对水资源的关注在氢气生产商中是例外。国际能源署的报告或 2022 年对制氢技术的“关键”审查中都没有提到供水7.

鉴于氢气的产生和用水有着千丝万缕的联系，供水不太可能继续被省略。Brouwer 和 Rosa 都说，令人不安的事实是，太阳能是可用于生产氢气的最便宜的低碳能源，但拥有最佳太阳能资源的地区也是最干旱的地区之一。

Brouwer 是加州氢能开发计划背后的主要团队成员之一，该计划在 10 月份授予连接生产商和消费者的区域“氢中心”的 70 亿美元美国联邦资金中获得了 12 亿美元。他说，氢气工厂可以利用常规供水或清理废水，但在加州实现净零碳排放最终将需要在沙漠中建造更多的太阳能电池板。

将太阳能转化为氢气将迫使该州建设更多的基础设施，并做出重要的选择。正如 Brouwer 所说：“我们最终将不得不弄清楚，我们是要把大电线从太阳能资源延伸到水的地方，还是要把大管道送到沙漠。