文献精读：Nat. Commun. 利用风能和太阳能绿色制氢的全球潜力评估、土地与水资源限制

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成果掠影 & 研究背景

低碳电力电解制氢有助于达成温室气体净零排放、控制全球变暖。2020 年全球氢气年产量 9400 万吨，预计 2050 年达 5.3 亿吨。当前 98% 的氢气靠化石原料制取，蒸汽甲烷重整占比最高。虽有低碳制氢替代方案，但面临原料地域限制、碳捕获基础设施难题、甲烷泄漏及二氧化碳捕获率有限等问题。天然气泄漏影响蓝氢碳强度，水电解制氢占比仅 2%，不过与可再生能源结合有望实现大规模低碳制氢。

大规模部署电解制氢面临土地和水资源问题。现有评估多从全球层面出发，未考虑各国实际限制。安装可再生能源设施会减少耕地，引发土地用途竞争，人口增长、生物燃料生产也加剧这一情况，且风能、光伏设施对环境有负面影响。全球水需求上升，水资源减少、污染加重，地区差异导致用水竞争。相比食品生产，制氢水需求对全球水文影响小，但局部水限制影响国家制氢及出口能力，太阳能丰富地区常缺水，多数电解槽产能计划建于这些地区。题为“Global land and water limits to electrolytic hydrogen production using wind and solar resources”的研究从国家层面评估大规模电解制氢的土地和水需求与供给，分解不同年份、部门及国家的氢气需求，结合可再生能源发电与土地数据确定制氢潜力，分析土地和水需求，识别受资源限制难以实现净零目标下电解氢自给的国家，探讨大规模氢经济的地缘政治影响。

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研究内容 & 图文数据

（1）特定国家的氢需求

要点精读：

1. 对2020年和2050年国家及行业层面的氢能潜在需求进行了估算，详细结果在补充数据集中。

2. 2020年的情景假设中，化工、水泥、炼油、轻工业、钢铁生产及运输等行业的所有燃料或原料投入均由电解氢提供，而非化石资源。

3. 2020年至2050年间，炼油行业氢需求下降80%，化工行业（氨和甲醇生产）氢需求增至三倍，全球运输行业氢需求从无增长到超2亿吨/年。

4. 多数国家2020年至2050年人均氢需求增长幅度大于人均直接用电需求增长幅度，部分国家除外，特立尼达和多巴哥是个中特例，其电解氢生产所需产能远高于直接用电需求产能 。

图1 a）2020年以及b）2050年部分国家的氢气需求与产能比较。该图展示了按2050年各国特定需求排名前35位的国家各部门的氢气需求情况。左侧纵轴上的堆积条形图表示每个部门电解制氢所需的人均产能。右侧纵轴上的绿色标记表示电解制氢所需产能与直接电力需求所需产能的比率。要得出直接电力需求的产能（人均千瓦电，kWel），需将电解制氢的产能（左侧纵轴）除以电解制氢产能与直接电力需求产能的相应比率（右侧纵轴）。所使用的换算系数为：1千瓦电（kWel） = 0.62千瓦时氢气（kWH₂），1千瓦时氢气（kWhH₂） = 0.03千克氢气（kgH₂），以及1千瓦电（kWel） = 8760千瓦小时电每年（kWhel/y）。除特立尼达和多巴哥以及卡塔尔外，这些国家是按照2050年的氢气总需求量进行排序的。注意：补充数据集提供了各国特定的氢气需求和产能结果。

（2）土地需求

1. Figure 2a、b对比部分国家2020 - 2050年满足氢能需求的人均土地需求与合格土地（总面积减去农、人工、森林占地），确定可再生能源用地。

2. 区间条示2050年两种极端氢能需求范围，各国土地需求基于全球4亿吨/年参考情景。2050年，太阳能板用地0.09 - 60万平方千米，风机用地190 - 1350万平方千米。

3. 特立尼达和多巴哥仅靠太阳能板满足2020年氢能需求时土地够（需80%合格地覆盖率）；加、澳等国靠太阳能板满足2050年氢能需求仅需1%合格地覆盖率。风机用地比太阳能板高十倍以上，韩、日等国所需土地可能超合格范围。

4. 2050年多数氢能需求情景不影响缺水情况，仅荷、韩用风机发电时例外，低需求情景下不缺地。

图2 2020年和2050年各国满足氢气需求的人均土地需求：a）太阳能发电和b）陆上风力发电。该图展示了在国家层面上，以人均土地需求来衡量的满足氢气需求的土地要求（a、b），以及根据a、c太阳能发电和b、d陆上风力发电，在2020年和2050年以全球总土地需求来衡量的情况（c、d）。这些国家选自2050年氢气总需求量排名前30的国家，并根据适合安装太阳能电池板的土地数量进行排序（出于比例缩放的原因，不包括特立尼达和多巴哥）。区间条形图表示基于2050年全球氢气需求的参考情景和极端情景下2050年所需的土地范围：4000万吨/年（参考值）、920万吨/年（最小值）、6460万吨/年（最大值）。灰色区域（和粉色区域）表示如“土地稀缺”方法小节中所定义的合格土地的比例（和倍数），用于与每个国家满足氢气需求的土地要求进行比较。对于相同的氢气需求量，不同的能源发电技术所需的土地数量各不相同。

（3）水需求

要点精读：

1. Figure 3a、b展示特定国家满足电解氢及其他行业需求的需水量。区间条示全球氢能需求两种极端范围，各国需水量基于4亿吨/年参考情景。2050年，太阳能板制氢需水136 - 956亿立方米，风机制氢32 - 226亿立方米，制氢需水占全球农、工、市政总取水量（39760亿立方米）不到3%。

2. 该图对比2020和2050年部分国家取水量与可再生水资源量，条形为缺水计算分子，背景轮廓为分母，浅灰线是100%用水极限（可再生水资源减环境流量需求）。风机运行比太阳能板需水少。

3. 沙特等多国已超可持续水资源量。制氢需水占各国农、工、市政总取水量不到5%，多数国家制氢需水少于其他行业，但特立尼达和多巴哥等国，太阳能板制氢需水比其他行业大超一个数量级。

4. 除特立尼达和多巴哥外，2050年不同氢能需求情景未在其他国家引发缺水。

图3 2020年和2050年各国满足氢气需求的人均水资源需求：a）太阳能发电和b）陆上风力发电。该图展示了在国家层面上，以人均水资源需求来衡量的满足氢气需求的水资源要求（a、b），以及根据a、c太阳能发电和b、d陆上风力发电，在2020年和2050年以全球总水资源需求来衡量的情况（c、d）。这些国家选自2050年氢气总需求量排名前30的国家，并根据可再生可用水量进行排序。区间条形图表示基于2050年全球氢气需求的参考情景和极端情景下2050年所需的土地范围：4000万吨/年（参考值）、920万吨/年（最小值）、6460万吨/年（最大值）。灰色区域表示每个国家可用水资源（水资源减去环境流量需求）中对应于取水量的比例。红色区域表示取水量超过了水资源可利用限度（分别为100%、250%和500%）。紫色、蓝色和黄色的堆积条形分别代表农业、工业和市政的取水量。红色堆积条形代表2020年和2050年满足氢气需求所需的水量。总取水量超过100%表明存在水资源短缺的情况。

（4）土地稀缺与水资源短缺

图4 考虑到a、c、e太阳能发电以及b、d、f陆上风力发电的不同土地覆盖比例，2050年全球各国因氢气生产而导致的土地稀缺情况。土地稀缺程度取决于每个国家对于可再生能源技术所假定的合格土地覆盖比例（fcoverage），这反映了经济和社会政治方面的限制因素。值得注意的是，陆上风力发电的功率密度较低，导致出现土地稀缺情况的国家数量显著增多。以灰色显示的国家缺少可用数据。这些地图是使用Python的Matplotlib和Geopandas软件包绘制的。

图5 与当前农业、工业和市政活动的取水量相比，2050年通过水电解制氢所需额外用水导致的水资源短缺加剧情况。分别为a）太阳能电池板发电和b）陆上风力发电的情况。仅制氢的用水需求本身并不会在原本不存在水资源短缺的国家引发短缺问题。然而，制氢产生的额外用水需求会使那些已经面临水资源短缺的国家的缺水状况更加恶化。图中未着色的国家不存在水资源短缺问题。灰色的国家表示数据缺失。这些地图是使用Python的Matplotlib和Geopandas软件包绘制的。

图6 考虑到a、c、e太阳能发电以及b、d、f陆上风力发电的不同土地覆盖比例，2050年全球所有国家因预计的氢气生产而导致的土地和水资源短缺情况。用颜色标注的区域代表短缺状况：绿色表示无短缺，红色表示土地和水资源都短缺，黄色表示仅土地短缺，蓝色表示仅水资源短缺。灰色的国家表示数据缺失。这些地图是使用Python的Matplotlib和Geopandas软件包绘制的。

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总结 & 原文链接

本文研究表明，全球氢生产水需求（32 - 956亿立方米）与全球可用水（105600亿立方米）相比可忽略不计，但各国水电解氢的水供应和需求分布不均，并非所有国家都适合制氢，需进行当地水评估。太阳能板单位面积发电量高于风机，但制造过程水足迹更大，制氢电解过程有水需求，且未考虑电解槽冷却用水。光伏和风电系统的土地需求可通过优化设计等方式缓解，利用海水和微咸水的国家可采用海水淡化技术制高纯水用于制氢，成本影响小，内陆国家可净化非传统水资源，但海水淡化产生的高盐卤水排放有环境影响。研究分别评估太阳能和风能潜力，而混合风 - 光系统呈增长趋势。总之，全球氢生产水需求虽总体较小，但需明确哪些国家和地区氢生产会与其他部门竞争并加剧土地和水稀缺，特立尼达和多巴哥、韩国、日本及西欧国家资源稀缺问题突出，而西非、中非 - 东非、南美、加拿大和澳大利亚等地区资源丰富，有望成为氢出口国。虽氢生产水需求一般不会造成新的缺水（除特立尼达和多巴哥外），但可能加剧水资源的不可持续利用，多数国家建立电解氢经济面临大规模土地需求，社会、政治和经济因素可能使在土地有限、风光资源差或氢需求高的地区大规模利用土地制氢不可行 。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-41107-x

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