综述：通过绿氢实现可持续能源生产的技术路径：一项面向可持续性的文献计量学和技术分析

《Results in Engineering》：Technological pathway for sustainable energy generation through green hydrogen: a bibliometric and technical analysis oriented toward sustainability

　　José Marrugo-Negrete | José Pinedo-Hernández | Marco Hernández-Montiel | Jhon Vidal–Urango | Kevin Theeran | Fabio Fuentes–Gandara
科尔多瓦大学，基础科学学院，化学系，水质、应用与环境化学小组，蒙特里亚，哥伦比亚

**摘要**
本研究旨在提出一条通过绿色氢气实现可持续能源生成的技术路径，旨在促进哥伦比亚加勒比地区的可持续发展。该方法基于文献计量学和技术分析。与以往将氢氣生产和水处理视为独立领域的研究不同，本研究将区域水质评估、可再生能源潜力以及电解槽选择整合到一个考虑当地社会环境条件的、模块化的框架中。2015年至2024年间进行的系统搜索涵盖了三个主题方向：（i）水电解与电解槽；（ii）基于电凝聚的水处理；（iii）区域地表水和地下水的物理化学特性分析。研究结果显示，电化学方法是全球研究的重点，其中碱性电解槽（AWE）因技术成熟度而受到关注，质子交换膜电解槽（PEM）系统则因其高效性和与可再生能源的兼容性而受到重视。自2021年以来，相关出版物数量呈指数级增长，拉丁美洲的贡献也在增加。水质分析表明水体存在高浊度、高电导率和营养物质负荷问题，这说明需要进行预处理。本研究提出了一种模块化且可复制的方案，包括：收集水；使用回收铝电极进行电凝聚以去除浊度、颜色和固体；消毒；通过太阳能蒸馏获得电导率低于2 μS/cm的水；使用光伏能源驱动的PEM电解；以及用于生态烹饪系统的氢储存。该方案充分利用了该地区的太阳能潜力，因为超过70%的地域每天接收到的太阳辐射量超过5.20 kWh/m2。这条路径能够增强人民获得安全用水和清洁能源的能力，减少碳排放，并为哥伦比亚加勒比地区的公正能源转型提供可行路径。

**1. 引言**
在当前全球背景下，寻找可持续能源解决方案已成为应对环境挑战、迈向更加公平和有韧性的未来的迫切需求。在这种情况下，将可再生能源存储在可传输、可储存且可使用的载体（如氢气）中的概念具有巨大潜力[1]。虽然目前96%的氢气来自天然气、石油和煤炭等碳氢化合物，但从这些碳氢化合物来源获得的氢气中含有有毒的一氧化碳（CO），这相对于其他替代工艺而言是一个重大的环境和技术劣势[2]。纯氢气（100%）可以通过水电解合成，这一过程最早于1789年被报道[3]。虽然水电解传统上主要用于生产氢气而非氧气[4]，但这种方法生产的氢气已成为平衡可再生一次能源供应和最终能源需求的主要能源载体[5]。氢气燃烧仅产生水蒸气，使其成为最清洁、最高效且最可持续的化石燃料替代品之一[6]。因此，使用可再生资源生产的氢气被视为：（a）解决环境问题的有效手段；（b）温室气体排放量极低；（c）能量密度高[7]。此外，当利用太阳能、风能和海洋能等可再生能源驱动电解过程时，基于水分解技术的可持续能源转型可以加速[6]。

尽管取得了全球性的进展，但绿色氢技术的实施仍不能脱离当地的环境和社会经济条件。在许多全球南方地区，能源转型挑战与水资源获取和质量的结构性不平等等问题并存。哥伦比亚加勒比地区以其文化多样性和自然财富而著称，但在饮用水供应、处理覆盖率和卫生风险方面仍面临持续困难[8,9]。同时，该地区拥有巨大的可再生能源潜力，尤其是太阳能和风能资源，但这些资源在分散的农村地区仍未得到充分利用。对安全饮用水和可靠清洁能源日益增长的需求，加上气候脆弱性，凸显了开发能够同时解决水和能源安全问题的综合方案的紧迫性。在这种情况下，绿色氢气的生产成为一种有前景的替代方案，能够利用该地区的可再生能源潜力。其在生态烹饪系统中的应用不仅有助于减少碳排放，还能通过提供清洁高效的能源来源来改善当地社区的生活质量。然而，通过电解生产氢气需要高纯度的水，这在饮用水稀缺或因气候变化和环境退化而质量下降的地区是一个关键的技术限制[9]。这一限制不仅影响工艺效率，还对公共健康构成严重威胁。Rakib等人[10]指出，饮用、烹饪和沐浴受污染的水可能导致皮肤病、高血压、肾脏疾病、腹泻和急性呼吸道感染。因此，有效的水资源管理和安全饮用水的获取不仅是电解过程的前提，也是社区福祉和长期可持续性的基本要求。

**图1. 2018-2024年哥伦比亚加勒比地区各部门的IRCA值**

传统的水处理方法（包括预沉淀、絮凝-沉淀、化学吸附和过滤）广泛用于去除直径大于5 μm的胶体和悬浮颗粒[11]。然而，这些技术存在操作和环境上的局限性，如产生剩余污泥、高化学药剂消耗以及超出农村或分散社区能力的基础设施需求[12]。因此，寻找适应性强、成本低廉且能源兼容的处理技术，以确保适合电解的水质，已成为一项紧迫的研究重点，尤其是在水资源和能源挑战交织的地区。尽管关于绿色氢生产、可再生能源整合和水处理技术的文献很多，但缺乏将水资源特征、预处理要求、可再生能源可用性和电解槽选择结合起来的综合性框架。特别是，很少有研究提供系统性的文献计量学和技术综合分析，以确定受水资源脆弱性和能源贫困双重影响的地区最可行的技术路径。

因此，本研究的主要目标是通过提出一条适用于哥伦比亚加勒比地区的绿色氢气生产综合技术路径来填补这一知识空白。该路径基于系统的文献计量学和技术分析，重点关注区域水资源的详细特征，以及这些资源在生态烹饪系统氢生产技术中的作用。通过整合学术数据库中的科学证据并与区域环境条件相结合，本研究不仅推进了可持续氢系统的相关知识，还为开发适应当地社会环境的解决方案做出了贡献，这些解决方案将清洁能源生产、负责任的水资源利用和社会公平纳入更广泛的能源转型议程中。

**2. 材料与方法**
**2.1. 研究区域**
本研究聚焦于哥伦比亚加勒比地区，包括大西洋省、玻利瓦尔省、塞萨尔省、科尔多瓦省、拉瓜希拉省、马格达莱纳省、苏克雷省以及圣安德烈斯和普罗维登西亚群岛。尽管该地区在自然资源方面具有巨大潜力，但在发展、公共服务获取、饮用水质量以及气候脆弱性方面仍存在结构性不平等[8,9,13]。特别是哥伦比亚加勒比地区，其平均太阳辐射量超过5 kWh/m2/天，为光伏发电提供了理想条件[14]，尤其是在拉瓜希拉省、塞萨尔省和科尔多瓦省。这一潜力已通过建设大规模太阳能公园（如Planeta Rica的Bosque Solar Los Llanos公园和Maicao的Guajira I Solar公园）得以利用，这些公园由Enel Green Power运营。其他值得关注的项目还包括La Loma Solar Park（塞萨尔省）、Cartagena的Bolívar Solar公园，以及马格达莱纳省和大西洋省最近开展的项目，旨在加强该地区的能源转型。然而，尽管有这些举措，许多分散农村社区仍面临能源获取的严重障碍。地表水污染严重、供水系统覆盖范围有限以及能源基础设施不足等问题，成为实施清洁能源技术的重大障碍。

因此，迫切需要开展一项全面的信息搜索，以识别主要的水相关挑战及最可行的解决方案。为此，对哥伦比亚加勒比地区的水资源进行了系统的科学文献回顾，并辅以文献计量学分析，以确定适用于农村地区的适当、可持续且可复制的技术。

**2.2. 信息收集**
科学文献回顾遵循了系统回顾原则，结合了文献计量学映射和综合性技术分析。搜索主要在Scopus数据库中进行，并通过Google Scholar和开放获取的机构存储库进行补充，以确保覆盖范围更广并减少出版偏见。搜索时间范围为2015至2024年，围绕三个主题方向：（a）通过水电解生产绿色氢气；（b）用于水处理的电凝聚技术；（c）哥伦比亚加勒比地区地表水和地下水的物理化学特性分析。使用布尔运算符（AND/OR）制定了结构化搜索公式，并应用于TITLE-ABS-KEY字段。排除了语言（英语和西班牙语）、文档类型（研究和综述论文）、技术或实验性质等的筛选条件。会议摘要、观点文章、社论及缺乏方法描述或定量数据的文档也被排除。重复记录被手动删除。随后根据以下标准评估了全文：a）报告技术、物理化学或操作参数；b）明确的方法描述；c）与提出的技术路径的相关性；d）与分散式或可再生能源集成应用的匹配性。缺乏定量支持、适用性或方法清晰度的研究被排除在综合分析之外。

在绿色氢生产和电解技术方面，共识别出2160条记录；与电解槽技术相关的搜索结果共得到753条记录。对于用于水处理的电凝聚技术，同一时间范围内共识别出1010条记录。经过重复记录删除后，最终得到3100篇独特文档。在筛选标题和摘要后，因缺乏直接技术相关性而排除2500篇文章，剩下600篇论文用于全文评估。根据方法清晰度、技术参数、操作分析以及与分散式系统的相关性等预定义纳入标准，最终选出了112篇研究用于综合技术分析。在水质物理化学特性方面，由于特定文献数量有限，所有符合最低方法标准的文档都被纳入技术分析。

文献计量学分析和可视化使用VOSviewer（版本1.6.20）和Scopus导出的CSV记录完成。通过设置最低出现次数阈值（5次）和完整计数方法，生成了关键词共现网络和国家合作地图，从而识别出绿色氢领域的主题集群、出版趋势和新兴研究方向。

**2.2.1. 电解与绿色氢气**
为了确定最可行的绿色氢气生产技术，比较了多种生产路径，包括天然气重整结合碳捕获、生物质气化、光催化、热解和水电解。每种方法均根据其优势、局限性、能源需求和技术成熟度进行了评估，重点关注其在农村地区的适用性、可再生能源的使用和低环境影响。用于此目的的搜索公式为：
ITAL-ABS-KEY(("green hydrogen" OR "renewable hydrogen" OR "sustainable hydrogen") AND (electrolysis OR "water electrolysis" OR electrolyzer OR "PEM electrolysis" OR "solid oxide electrolysis") AND ("renewable energy" OR "sustainable production" OR "water splitting" OR "photofermentation" OR "dark fermentation" OR biophotolysis OR gasification OR pyrolysis OR thermolysis OR photolysis)

结果表明，尽管存在多种绿色氢气生产技术，但水电解是研究最为广泛的方法，具有较高的商业成熟度，并得到国际监管框架的支持，被视为能源转型的关键技术。基于这些证据，设计了第二项更具体的搜索，以深入了解由可再生能源驱动的电解技术及其最佳运行所需的技术条件，特别是在水质方面。电解和可再生能源的具体搜索公式为：
TITLE-ABS-KEY')==("水电解" OR "水的电解") AND ("电解器" OR "electrolyser") AND ("碱性电解器" OR "碱性水电解" OR "AWE") OR ("固体氧化物电解器" OR "固体氧化物电解槽" OR "SOEC") OR ("质子交换膜电解器" OR "PEM电解器" OR "PEM电解")。

该综述确认，特别是使用碱性电解器和PEM电解器进行电解，是可持续生产绿色氢气的最广泛验证的方法，因为它具有高效性、技术成熟度，并且与农村地区的可再生能源源兼容。然而，水质是影响性能的关键因素，这促使进一步搜索以确定合适的水处理系统。

2.2.2 电凝聚和水处理
为了从技术上支持选择电凝聚而不是其他水处理技术，进行了有针对性的搜索，以识别基于去除效率、操作要求、成本、可持续性和适应农村地区的多种方法进行的比较研究。使用的搜索公式为：
TITLE-ABS-KEY(:,:,("电凝聚") AND ("水处理" OR "废水处理") AND ("膜" OR "离子交换" OR "磁分离" OR "臭氧" OR "化学凝聚" OR "吸附" OR "生化方法" OR "电氧化" OR "电芬顿" OR "电渗析"));

结果显示，电凝聚作为一种高效且可持续的方法，适用于农村社区的地表水处理，因为它可以在不使用外部试剂的情况下去除污染物，并且可以利用可再生能源运行。基于这些发现，进行了第二次搜索，使用以下公式来分析该技术在饮用水处理中的具体应用：
TITLE-ABS-KEY=("电凝聚") AND ("饮用水" OR 废水")

尽管电凝聚在减少浊度、悬浮固体和某些溶解污染物方面非常有效，但它无法达到电解过程所需的低电导率水质标准。考虑到这一限制，并且考虑到哥伦比亚加勒比地区根据Global Solar Atlas v2.12的数据具有较高的太阳辐射潜力（平均每天5.20千瓦时/平方米），因此建议增加一个太阳能蒸馏步骤。这项技术可以生产出II型水（电导率< 2微西门子/厘米），满足确保电解器效率和耐用性的水质要求，同时可持续地利用可用的太阳能资源。

2.2.3 加勒比地区水资源的物理化学特性
由于水质对电解至关重要，因此在Scopus、Google Scholar和机构存储库中对哥伦比亚加勒比地区水资源的物理化学特性进行了二次信息搜索，以确定技术限制并证明在用于绿色氢气生产之前进行预处理的必要性。为此，制定了以下综合搜索公式：
("地表水" OR "地下水") AND ("物理化学特性" OR "水质参数") AND ("加勒比地区" OR "Colombian Caribbean") AND ("监测" OR "污染物" OR "饮用水质量") AND ("哥伦比亚")

这次搜索发现了大量的学术、机构和技术报告，包括由National Water Study (ENA)、SIVICAP和Regional Autonomous Corporations (CAR)编制的水质评估，以及使用水质风险指数 (IRCA) 和特定污染物分析的科学研究的成果。收集到的证据表明，在电解之前需要进行预处理，因为大多数水源的浊度、电导率和有机物含量超过了该过程的接受限度。

3. 结果与讨论
3.1 加勒比地区水资源的物理化学质量
表1总结了哥伦比亚加勒比地区17个地表水体的物理化学参数，概述了这些水体在技术应用（如水电解）中的潜在用水质量。pH值范围为6.9至8.5，符合2007年第2115号决议为人类消费规定的范围（6.5–9.0），表明总体条件是可接受的。然而，在Sororia河和Calenturitas河中观察到了略微碱性的现象，这可能与采矿活动的影响有关[15,16]。

表1. 哥伦比亚加勒比地区地表水体研究中的物理化学参数
| 研究地点 | pH | 碱度 | 电导率 | COD | BOD5 | NO2- | TN | TS | 浊度 | 参考文献 |
|--------------|---------|-------------|-----------|----------|---------|---------|-----------|-----------|-------------|
| Córdoba河 | 7.6 | 6.2 | 4.8 | 23.1 | 7.4 | 5.8 | 0.1 | 64.6 | [22] |
| Manzanares河 | 7.4 | 10.2 | 40.1 | 9.6 | 28.4 | 26.8 | 0.05 | 198.5 | [23] |
| Gaira河 | 6.9 | --- | 8.4 | 0.1 | --- | 19.9 | [24] |
| Ranchería河 | 7.9 | 8.1 | 1.65 | 60 | --- | 6.6 | 0.3 | 104.8 | [25] |
| Sororia河 | 7.4 | 33.8 | 70 | 7.0 | 5.0 | 0.1 | 11.5 | 26.8 | [15] |
| Calenturita河 | 6.7 | 14.6 | 63.5 | -7.1 | 8.7 | --- | 105.6 | -28 | [16] |
| Sabana Grande沼泽 | 7.9 | -4 | 30.4 | 16.2 | 2.5 | 6.9 | 0.07 | 44.0 | -33.1 | [17] |
| Luisa沼泽 | 8.2 | -6 | 36.4 | 33.0 | 2.9 | 0.07 | 7.5 | -27.4 | [17] |
| Santo Tomas沼泽 | 7.0 | -4 | 41.8 | 23.7 | 2.9 | 0.03 | 19.1 | 12.8 | -33.3 | [17] |
| El Guájaro水库 | 7.8 | -28 | 9.4 | 18.0 | 2.3 | 2.9 | --- | 8.7 | -31.0 | [17] |
| El Convento沼泽 | 7.9 | -5 | 49.4 | 15.9 | 2.1 | 2.8 | 0.02 | 20.4 | -30.5 | [17] |
| Mallorquín沼泽 | 8.5 | 180 | 236 | 50 | 24.8 | 2.9 | 2.7 | --- | 47.2 | 25.6 | [17] |
| Virgen沼泽 | --- | 9.2 | 5.3 | ----- | [26] |
| Arroyo Grande de Corozal | 7.8 | -118 | --- | 29 | -6.4 | 0 | -25.0 | [27] |
| El Eneal沼泽 | 8.0 | --- | 4.1 | ----- | 30.1 | [28] |
| Canal del Dique | 7.4 | -18 | 6.3 | --- | 68.5 | 31 | [29] |
| Quebrada Jui | 7.5 | --- | 103.6 | 7.5 | -0.1 | 24.1 | 30.3 | [30] |

3.2 文献计量趋势和技术合理性
3.2.1 通过水电解生产绿色氢气
从朱尔斯·凡尔纳1874年在小说《神秘岛》中的声明开始，他宣称“水是未来的煤炭”，这一观点与当今时代产生了显著共鸣。特别是考虑到通过电解生成绿色氢气以及未来使用电解器实现绿色烹饪系统，这一做法不仅符合可持续发展的原则，还强调了水作为关键能源的重要性，能够以环保和高效的方式满足当前和未来的需求。

Nasser等人[33]指出，已经开发了多种来自可再生能源的氢气生产途径。文献计量分析（图2）支持了这些途径的相关性，该分析识别了近期科学文献中的趋势和主导方法。图2a显示了关键词共现网络，其中出现了三个主要集群：电解、水分解和电催化剂。高链接密度反映了与水分解、电催化剂设计和优化以及各种电解技术相关的概念之间的相互联系。这些结果表明，研究主要集中在电化学途径上的氢气生产，其中催化剂性能和电解效率是核心主题。

图2b展示了近年来出版物的显著增长。从2021年开始，出版物数量呈指数级增长，并在2024年达到峰值。这一趋势与政府绿色氢气计划的扩展、可再生能源电力成本的持续下降以及全球脱碳策略的巩固相一致。这种行为表明，该领域目前正处于快速整合和扩展的阶段，科学与技术的进步与能源市场的需求和能源转型的承诺密切相关。

从地理分布来看（图2c），中国是科学产出的主要生产国，其次是印度、韩国和美国。欧洲通过意大利、德国、西班牙和英国等国家也做出了重要贡献，而拉丁美洲的参与度仍然有限，巴西、智利、墨西哥和哥伦比亚的位置较为边缘。这一趋势反映了研究和开发集中在拥有强劲资助计划和科学基础设施的地区，同时也揭示了拉丁美洲国家发展差异化研究方向的机遇，例如利用当地矿产资源制造低成本电催化剂或将电解与分布式可再生能源结合起来。

图2d按主题领域分析表明，该领域的研究是多元化的。虽然“能源”类别占据了近四分之一的出版物，但在“工程”、“化学”、“材料科学”、“化学工程”、“环境科学”和“物理与天文学”等领域也发现了相关贡献。这种主题多样性证实了可再生能源氢生产是一个跨学科领域，涵盖了从材料合成和表征到电解系统设计、过程建模、生命周期分析和技术经济评估等多个主题。

文献计量分析确认，电化学途径是全球氢研究的核心，特别强调了电解过程。这并非偶然：水电解是获取绿色氢气最直接、最清洁且有前景的途径之一。然而，其实际实施取决于多个关键因素，其中所用水质和所使用的电解器类型尤为重要。对于电解来说，水纯度要求特别严格，以防止膜降解、催化剂中毒、结垢现象和电导率损失。通常，电解系统需要去离子水或超纯水，电导率值通常低于1-5微西门子/厘米，总溶解固体（TDS）低，并且氯化物、硫酸盐、铁和有机物的浓度极低。溶解离子、悬浮颗粒或微量污染物的存在会加速组件劣化，影响电化学性能并缩短系统寿命。因此，确保水质符合II型标准对于维持效率、耐用性和分散应用的可靠性至关重要。这些结果与National Water Study[20]的发现一致，该研究根据2021年的监测数据将该地区的水质评为“良好”到“较差”不等。

哥伦比亚加勒比地区的水文特征还需要考虑地下水状况和饮用水质量。ENA[20]报告称，该地区的含水层监测有限，尤其是Corpomojana地区只有96口井的数据符合法规规定的物理化学标准，尽管仍需要微生物分析。Martínez等人[21]的研究警告说，几个地方的化学和微生物风险较高。此外，根据SIVICAP的数据，2021年至2024年间，加勒比大部分地区的饮用水质量较差，2024年有44.5%（73个市镇）的水质不适合人类饮用。图3总结了这些发现，特别是在Córdoba等省份，这些地方没有最近的监测数据。

3.2.1 通过水电解生产绿色氢气
从朱尔斯·凡尔纳1874年在小说《神秘岛》中的声明“水是未来的煤炭”开始，我们发现了这一观点与当今时代的显著共鸣。特别是在通过电解生成绿色氢气以及未来使用水资源实现绿色烹饪系统方面，这一实践不仅符合可持续发展的原则，还强调了水作为关键能源的永恒重要性，能够以环保和高效的方式满足当前和未来的需求。

在这个框架下，已经开发了多种来自可再生能源的氢气生产途径。Nasser等人[33]指出了这些途径的相关性。图2中的文献计量分析（图2 a）显示了关键词共现网络，其中出现了三个主要集群：电解、水分解和电催化剂。高链接密度反映了与水分解、电催化剂设计和优化以及各种电解技术相关的概念之间的联系。这些结果表明，研究主要集中在电化学途径上的氢气生产，其中催化剂性能和电解效率是核心主题。

图2 b显示了近年来出版物的显著增长。从2021年开始，出版物数量呈指数级增长，并在2024年达到峰值。这一趋势与政府绿色氢气计划的扩展、可再生能源电力成本的持续下降以及全球脱碳战略的巩固相一致。这种行为表明，该领域目前正处于快速整合和扩展阶段，科学和技术的进步与能源市场的需求和能源转型的承诺紧密相关。

在地理分布方面（图2 c），中国是科学产出的主要生产国，其次是印度、韩国和美国。欧洲通过意大利、德国、西班牙和英国等国家也做出了重要贡献，而拉丁美洲的参与度仍然有限，巴西、智利、墨西哥和哥伦比亚的地位较为边缘。这一趋势反映了研究和开发在资金充足和科学基础设施完善的地区的集中，同时也揭示了区域差距，这为人文学科国家提供了发展差异化研究方向的机会，例如利用本地矿产资源制造低成本电催化剂或将电解与分布式可再生能源相结合。

最后，按主题领域的分析（图2 d）表明，该领域的研究是多学科的。虽然“能源”类别占据了近四分之一的出版物，但在“工程”、“化学”、“材料科学”、“化学工程”、“环境科学”和“物理与天文学”等领域也发现了相关贡献。这种主题多样性证实了可再生能源氢生产是一个跨学科领域，涵盖了从材料合成与表征到电解系统设计、过程建模、生命周期分析和技术经济评估等多个主题。

文献计量分析确认，电化学途径是全球氢研究的核心，特别强调了电解过程。这不是巧合：水电解是获取绿色氢气最直接、最清洁和最有前景的途径之一。然而，其实际应用取决于多个关键因素，其中所用水质和电解器的类型尤为重要。对于电解来说，水纯度要求特别严格，以防止膜降解、催化剂中毒、结垢现象和电导率损失。一般来说，电解系统需要电导率值通常低于1-5微西门子/厘米的去离子水或超纯水，总溶解固体（TDS）低，以及贫含氯化物、硫酸盐、铁和有机物。溶解离子、悬浮颗粒或微量污染物的存在会加速组件劣化，影响电化学性能并缩短系统寿命。因此，确保水质符合II型标准对于维持效率、耐用性和操作可靠性至关重要。这两个方面决定了这些系统在技术、经济和环境方面的可行性。克服这些限制对于扩大电解的应用至关重要，目前电解仅占全球氢产量的4%，但预计到2050年将上升到22%[34]。

最近的研究进一步强调了PEM电解系统对微量杂质的敏感性和长时间运行下的膜降解问题，强调了电解前进行有效预处理的必要性[35]。此外，在实际操作条件下电催化剂的进展表明，电解质纯度对催化剂的稳定性和长期氢气生产效率有显著影响[36,37]。这些发现支持了本研究中提出的电凝聚-太阳能蒸馏序列作为一种技术上合理的方法，以确保质子交换膜（PEM）运行前的电解质质量。关于最显著的技术，文献计量分析（图3a）确定了三种受到最大研究关注的电解器类型：碱性水电解（AWE）、PEM和固体氧化物电解（SOE）。这些术语在关键词共现网络中的突出地位证实了它们在近期科学文献中的概念中心性。在这些技术中，AWE作为最为成熟的选择脱颖而出，其具有兆瓦（MW）规模的商业安装和高水平的技术成熟度，使其在工业应用中具有竞争力[38]。相比之下，PEM系统因其高效率、动态运行能力以及与间歇性可再生能源结合的强大潜力而受到关注[1]。尽管固体氧化物电解器（SOE）表现出有希望的电化学性能，但它仍处于实验阶段，限制了其的大规模部署[39]。这种技术演变反映在出版物的时间趋势上（图3b），从2021年开始显示出指数级增长，这与试点项目的增加和绿色氢作为能源载体的巩固相吻合。从地理分布来看，中国处于领先地位，其次是德国和美国，这两个国家集中了最大的研究和技术开发努力（图3c）。然而，值得注意的是拉丁美洲国家如巴西、墨西哥、智利、乌拉圭和哥伦比亚的参与度正在增加，尽管其科学产出与亚洲和欧洲国家相比仍然有限，但它们对将电解技术与区域能源转型、水资源利用和能源矩阵多样化战略联系起来的兴趣正在增长。最后，高生产力作者的集中（图3d）反映了专门研究网络的巩固，这些网络正在推动创新和这些技术的持续改进。

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图3. 电解器研究的文献计量分析：(a) 关键词共现网络；(b) 年度出版物趋势；(c) 按国家划分的出版物分布；(d) 按作者划分的出版物分布。
表2总结了这些技术的主要技术特性，这些特性按电解质类型、隔膜材料和电极进行了区分。这些属性不仅仅是比较性的；它们是根据应用场景确定哪种技术最合适的决定性标准。关键的评估参数包括电压效率和电流密度。在这方面，理论效率的排序为：SOE > PEM > AWE。然而，技术成熟度和商业可行性部分逆转了这一趋势，因为SOE仍处于实验阶段，而AWE和PEM已经达到了商业化水平[40]。PEM电解器因其生产的氢气纯度更高且在不过度牺牲效率的情况下可以实现更高的电流密度而脱颖而出，这归功于密集排列的电极组件和更薄的膜[41,42]。此外，它们提供了更宽的运行范围。尽管如此，它们面临着与化学膜降解和阳极退化相关的限制，这会缩短其使用寿命[7]。相比之下，AWE系统表现出更大的耐用性，预计寿命可达30年，并使用镍等非贵金属催化剂，使其比使用钛或贵金属基组件的PEM系统成本更低[43,44]。

表2. SOE、PEM和AWE电解器的基本技术特性：
| 电解器类型 | 技术成熟度 | 实用阶段 | 阳极 | 隔膜材料 | 电解质 | 电流密度 | 电势密度 | 电压效率 | 电池温度 | 运行压力 | 能源消耗 | 容量（H2）/h | H2纯度 | 负极寿命 | 系统寿命 |
| -------- | -------- | ------- | ------- | -------- | ------- | ------- | ------- | -------- | ------- | -------- | -------- | -------- | -------- | -------- |
| SOE | 实验阶段 | 商业化 | La-Sr-Mn - ZrO2 | +Ir | IrO2, RuO2 | Ni, Ni-Co | 固体（陶瓷） | 0.3-1 A/cm2 | ≤ 4.4 W/cm2 | 81 - 86% | 500-1000°C | < 30 bar | < 40 Nm3/h | 99.99% | < 40,000 h | 10-20年 |
| PEM | 成熟且商业化 | +Ir | IrO2, Pt-Pd | Ni, Ni-Co | 聚合物（固体） | 0.6-2 A/cm2 | ≤ 1 W/cm2 | 67 - 82% | 60-90°C | 15 -30 bar | 4.7-7.0 kWh/Nm3 | 99.99% | < 20,000 h | 20-30年 |
| AWE | 商业化 | +Ir | Ni, Ni-Co | 液态（KOH） | 0.2-0.4 A/cm2 | ≤ 1 W/cm2 | 62 - 82% | 50-90°C | 2 - 10 bar | 2.5-3.5 kWh/Nm3 | < 760 Nm3/h | 99.99% | > 99.8% | < 90,000 h | 30年 |

几项研究比较了这两种技术，Felgenhauer等人[45]分析了16种AWE和PEM电解器模型，得出结论认为尽管PEM系统的效率略高（加热值损失减少了57-64%），但它们的降解问题更为严重。他们还表明，增加安装容量可以提高成本效益，显示出规模经济。同时，AWE系统被认为更为成熟且成本效益更高，通过其操作稳健性和较低的成本弥补了效率较低的问题。在另一项补充分析中，Schalenbach等人[46]比较了使用镍催化剂的AWE电解器和使用铱/铂催化剂及Nafion膜的PEM系统，发现某些配置下AWE可以实现与PEM相当的甚至更高的效率。此外，Parra等人[1]强调AWE电解器可以在其名义容量的20%到100%之间灵活运行，并具有高达150%的过载能力，使其成为与间歇性可再生能源结合的多功能技术。这些发现加强了这样的观点：虽然PEM在氢气纯度和电流密度方面具有明显的技术优势，但AWE仍然是一个具有竞争力和经济可行性的选择，特别是在耐用性和成本是决定性因素的情境下。因此，“最合适的”电解器的选择不仅取决于效率参数，还取决于操作条件、实施成本和最终应用需求之间的平衡。在哥伦比亚加勒比地区的具体情况下，考虑到水资源的可用性和投资成本是一个决定性因素，AWE和PEM技术都是短期内最具采用潜力的选择。尽管AWE的资本成本（CAPEX）较低且运行寿命较长，但在类似的分散式农村条件下进行的简化技术经济比较显示了重要的权衡。AWE系统在大规模应用中通常更具成本竞争力，因为它们具有技术成熟性和耐用性；然而，它们需要更稳定的电力供应条件，并且通常涉及更大的系统占地面积。相比之下，尽管PEM电解器的初始投资较高（与贵金属催化剂和膜组件相关），但它们提供了更高的电流密度、紧凑的设计、更快的动态响应和更好的适应间歇性可再生能源（如光伏系统）的能力。这些特性在能源供应波动且空间和操作简便性至关重要的离网农村社区中尤为重要。此外，PEM系统更高的氢气纯度和更好的操作灵活性可以在小规模模块化应用中部分抵消其较高的资本成本[47],[48],[49]。因此，在哥伦比亚加勒比地区的特定社会环境和技术条件下，PEM电解器代表了一个技术上连贯且适应性强、适用于社区规模实施的选项。

PEM电解技术的特点是在部分负载下高效运行，以及其在移动和固定存储应用中的多功能性。此外，它还表现出良好的适应性，能够适应可变的操作条件和水质可能波动的环境。在这些能源供应间歇性和操作条件可能频繁变化的情境中，尤其是在耐用性、适应性和操作简便性是关键因素的脆弱社区中，PEM电解器可以被视为一个合适的技术替代方案。
就可持续性而言，可再生能源与氢气的协同作用至关重要，特别是当目标是实施减少温室气体排放的绿色烹饪系统时。许多研究报告了将基于PEM的氢生产技术与太阳能[50],[51],[52]、风能[53],[54],[55]、波浪或海洋热能[56],[57],[58]、水力发电[59],[60],[61]和地热能[62],[63],[64]等可再生能源相结合的可行性。这些研究一致认为，风能和光伏能与电解器结合代表了最气候中立的氢生产途径，并在过去十年中显示出显著的发展[33]。这种组合对于哥伦比亚加勒比地区来说是理想且可行的，该地区被认为是该国能源转型的领头羊，特别是在La Guajira、Cesar和Córdoba等拥有巨大可再生能源开发潜力的部门。该地区的风能潜力估计为20,000 MW，主要集中在La Guajira，而太阳能潜力特征是平均日太阳辐射量约为6 kWh/m2，与智利的Atacama沙漠和美国亚利桑那州及新墨西哥州等世界上最适宜的区域相当[65]。然而，太阳能和风能本质上是间歇性和不可预测的[66,67]，因此分析不同的基于生物质的氢生产技术很重要，这些技术可以作为替代品或形成混合系统。哥伦比亚加勒比地区以农业活动为主，作物残余物可以用于这一目的。表3列出了第二类关于可再生能源制氢技术的优势、劣势、效率、成本和操作温度[68]。基于生物质的氢生产过程可以分为生物技术和热化学技术，生物技术包括光生物分解、黑暗发酵和光发酵，而热化学技术包括热解、气化、燃烧和液化。

表3. 通过不同技术生产氢气。
| 技术 | H2生产方法 | 原材料 | 优势 | 劣势 | 温度（°C） | 效率（%） | 成本（$/kg） | 参考文献 |
| ---------------------- | ------------------ | ------------------ | ------------------ | ------------------ | ------------------ | ------------------- | ------------------------ |
| 生物质-可再生能源 | 光发酵 | 生物质 + 光照 | 低H2产量，大反应器体积 | 环境影响 | 0.11 | [71],[72],[73] |
| 黑暗发酵 | 生物质 | 无O?限制，无CO?排放，废物回收 | 低H2产量，大反应器体积 | 环境影响 | 60-80 | 101 | 3.79 |
| 光生物分解 | 生物质 + 光照 | 消耗CO?，产生O? | 低产量，大规模基础设施，高成本 | 环境影响 | 10-11 | 84 | 7.11 |
| 热化学 | 生物质 | 低成本，高CO?产量 | 结焦形成，原料污染 | 800-1000 | 30-40 | 80 | 9.11 |
| 热解 | 生物质 | 低成本，高CO?产量 | 结焦形成，原料污染 | 300-800 | 35-50 | 67 | 9.9 |
| 水分解 | H2O + 光照 | 几乎零操作排放，O?副产品 | 环境影响 | 16 | 39 | 47 |
| 电解 | H2 | 几乎零操作排放和技术成熟 | 运输和储存限制 | 700-1000 | 60-80 | 40 | 4.1 |

在比较氢生产技术的成本效益关系、寿命以及它们与盈利能力、竞争力和环境效益（如二氧化碳排放减少）的对齐时，由于气候变化和能源转型，后者在决策中给予了更大的权重。因此，主要关注点放在了水分解上，特别是电解，因为它是一种商业化程度高且操作排放几乎为零的技术。此外，考虑到生物质的主要潜在能量贡献在于热能生成及其后续转化为电能，这种能量可以作为互补的能源供应系统更有效地利用[69,70]。
为了具体说明表4中的比较，氢生产途径可以大致分为灰色、蓝色和绿色。灰色氢主要通过蒸汽甲烷重整（SMR）生产，目前由于其低成本和技术成熟度而主导全球生产，但它排放约9-12 kg CO?/kg H?。蓝色氢结合了碳捕获和储存（CCS），将排放量减少到约2-5 kg CO?/kg H?，尽管它仍然依赖于化石燃料和捕获效率[76]。

表4. 灰色、蓝色和绿色氢气的比较分析：局限性和改进途径。
| 参数 | 灰色氢 | 蓝色氢 | 绿色氢 |
| ---------------------- | ------------------ | ------------------ | ------------------ |
| 主要局限性 | 可能的解决方案 | ------------------ | ------------------ |
| 主要原料 | 天然气 | 天然气 + CCS | 水 + 可再生能源 |
| 二氧化碳排放（kg CO?/kg H?） | 9–12 | 2–5 | 1–4 |
| 整个生命周期的LCOH | 高 | 大幅降低 |
| 电解器成本 | 1–2 | 快速增长 | 有限的大规模部署 |
| 生产成本（$/kg H?） | 3–6 | 依赖于地区 |
| 资本密集型 | 大规模制造，学习曲线 | 有限 |
| 基础设施可用性 | 广泛 | 中等 |
| 存储和运输间隙 | 分布式生产模式 | 高 |
| 能源来源稳定性 | 高 | 具有高可靠性 |
| 间歇性 | 可再生能源的变异性 | 有限的 |
| 存储集成 | 高 | 需要高纯度水 |
| 水处理成本 | 高 | 废水再利用，海水淡化 |
| 催化剂材料 | 需要贵金属 | 不需要贵金属 |

绿色氢通过可再生电力驱动的电解产生，其操作排放几乎为零，生命周期的碳强度通常在1-4 kg CO2-eq/kg H2[77,78]之间。然而，由于电解器的较高资本成本、对可再生电价的依赖性、间歇性、严格的水质要求以及在PEM系统中使用关键材料，它目前仍落后于灰色和蓝色氢[76,77]。预计随着可再生能源成本的持续降低、电解器制造的规模化、催化剂的创新和水资源管理策略的改进，这一差距将逐渐缩小。在这种情况下，尽管存在当前的经济限制，绿色氢仍然是唯一完全符合可持续发展目标（SDGs 7和13）的途径。

3.2.2. 电凝聚
对哥伦比亚加勒比地区水质的评估揭示了处理覆盖范围的不足和技术限制，这些限制了人们获得安全饮用水的机会，特别是在农村社区。在国家层面，水净化系统主要依赖于传统的过程，如混凝-絮凝-沉淀、过滤和消毒。尽管这些方法在去除浊度和病原微生物方面非常有效，但在应对新兴污染物、农药以及来自农业、畜牧业和采矿活动的重金属时存在局限性[79,80]。图4综合了这些技术，以及反渗透、吸附、离子交换等先进选项和其他可适应的替代方案，详细描述了它们在不同应用环境中的优缺点。反渗透、吸附和离子交换等先进技术在去除特定污染物和海水淡化方面表现出高效率。然而，由于成本高昂、能耗大和操作复杂，这些技术在农村地区的应用仍然受到限制[[81], [82], [83]]。虽然这些方法在城市或工业环境中更可行，但在脆弱社区中的可持续性仍存疑。其他替代方案，如活性炭吸附或生物系统，也面临维护和环境条件方面的挑战[84]。下载：下载高分辨率图片（671KB）下载：下载全尺寸图片图4. 饮用水处理选项：优缺点[86]。从定量角度来看，传统的混凝-絮凝系统在受控操作条件下通常能实现85-95%的浊度去除率；然而，它们需要连续投加化学药剂、经过培训的人员、污泥管理设施以及稳定的电力供应。反渗透和离子交换等先进技术可以去除超过95%的溶解固体和特定污染物，但它们涉及较高的资本投资、膜更换成本、浓缩物处理难题以及显著的能源需求。相比之下，电凝聚系统展示了超过90%的浊度和悬浮固体去除率，化学药剂投入较低，产生的污泥较少，操作要求也更简单，使其在基础设施、技术能力和财政资源有限的农村分散式应用中更具技术和经济可行性。最近的研究[85]支持了电凝聚作为改善脆弱地区饮用水获取的技术可行且适合当地情况的解决方案。然而，如同任何技术实施过程一样，在实际操作条件下进行优化是必要的，需要调整电流密度、电极间距和水力停留时间等参数，这些参数的值可能因待处理水的具体质量和系统规模而异。

文献计量分析（图5）基于科学证据支持选择电凝聚等新兴技术。关键词共现网络（图5a）将电凝聚作为中心节点，与氧化、吸附、膜工艺、电芬顿反应和电氧化等术语有很强的关联，表明其在混合和先进处理方案中的重要性。这项技术因其环境兼容性、去除悬浮固体、有机物质和重金属的效率以及无需化学添加剂的操作能力而受到越来越多的关注，从而降低了成本和风险[85,[87],[88],[89]。下载：下载高分辨率图片（1MB）下载：下载全尺寸图片图5. 电凝聚研究的文献计量分析：(a) 关键词共现网络；(b) 相关术语的详细共现图；(c) 年度出版物趋势；(d) 按国家划分的出版物分布；(e) 按学科领域划分的出版物分布；(f) 按来源划分的年度出版物数量。其操作灵活性，尤其是在由可再生能源驱动的模块化配置中，使其适合无法接入电网的地区，而使用金属废弃物作为电极则加强了循环经济战略[90]。此外，电池设计、操作模式（批量或连续）和电极材料等因素显著影响性能，这为开发适用于多种应用场景的可适应原型提供了依据[91]。图5b通过更详细的共现图进一步支持了这些观察结果，其中污染物去除、化学需氧量、污水、浊度和净化等术语与电凝聚有很强的关联，表明其适用于广泛的污染物和基质，巩固了其作为适应多种操作条件的多功能技术的地位。相关术语的密度也表明研究活动不断增长，科学界对其应用优化的兴趣持续增加。这一趋势在图5c中得到了明显体现，该图显示了自2015年以来关于电凝聚的出版物时间演变。这一趋势可以理解为全球对电凝聚作为传统处理方法所面临挑战的可行解决方案的认可，尤其是在需要技术自主性和低能耗的背景下。图5d展示了出版物的地理分布，印度、中国和土耳其等国在这一领域的科学研究领先。这种领导地位归因于这些国家需要解决饮用水获取、卫生设施和工业废水处理问题。在拉丁美洲，墨西哥和巴西是区域性的标杆。这一分布为了解该技术已验证的应用背景提供了有价值的见解，为其在哥伦比亚加勒比地区的潜在适应提供了比较依据，尽管该地区的科学和学术产出仅为28篇出版物（0.72%）。从知识领域来看，图5e显示环境科学（31.5%）和工程学（24.7%）占出版物总数的最大部分，其次是化学、材料科学和能源。这种跨学科性表明电凝聚可以整合到不仅针对污染物去除的目标中，还能促进能源效率、材料开发和环境可持续性的方法中。最后，图5f强调了发表电凝聚研究的主要期刊。其中最突出的包括《Desalination and Water Treatment》、《Journal of Hazardous Materials》、《Separation and Purification Technology》和《Chemosphere》，这些期刊都涉及先进处理、危险材料和分离技术等关键主题。出版来源的多样性表明电凝聚引起了多个学科科学界的兴趣，再次证实了其在各种应用场景中的相关性。

3.3. 技术整合提案
本研究的中心提案旨在设计一种集成且可复制的技术路径，以同时解决两个优先挑战：获得安全饮用水和通过绿色氢气实现分散式清洁能源生产。这一路径基于可持续性、循环经济和能源自主性的原则，并符合联合国的可持续发展目标（SDGs），特别是SDG 6（清洁水和卫生设施）和SDG 7（负担得起的清洁能源）。
如图6所示，所提出的框架首先从收集地表水或地下水开始，然后根据Salinas等人的方法[85]进行初步处理。这项研究被认为很重要，因为它通过实际测试表明，使用回收铝电极（来自饮料罐）进行电凝聚可以有效去除浊度、颜色和悬浮固体，效率超过90%。此外，该研究采用了一种面向社区实施的教学和实践方法，为设计资源匮乏地区的自给自足系统奠定了坚实基础。使用铝罐作为电极不仅是一种环保的废物利用策略，也符合当地社区的可及性要求，通过回收实践便于采购。这种可及性增强了系统的可复制性，并鼓励社区积极参与技术的建设、运营和维护。在这种情况下，电凝聚具有双重基本作用：(i) 在后续消毒后生产适合人类饮用的水；(ii) 产生低污染物负荷的澄清水流，理想用于太阳能蒸馏过程，从而防止结垢、固体积累和热效率损失。

为了为电凝聚阶段提供初步的技术参考，基于Salinas等人的连续流研究[85]考虑了指示性的操作范围，而不是基于现场特定实验验证的结果。在典型的地表水处理条件（10–30 mA/cm2；15–30分钟）下，特定能耗通常在0.5至2.5 kWh/m3之间，具体取决于水的导电率和浊度。根据法拉第定律理论估算的铝电极消耗量通常在0.02至0.1 kg Al/m3之间。在此提案中，电凝聚主要作为太阳能蒸馏之前的预处理步骤，以减少能耗和电极磨损。这些数值应严格解释为基于文献的设计参考，未来需要在当地操作条件下进行试点规模验证。处理后的水随后进入中间储存系统，然后根据Hammad等人的实验模型[92]进行太阳能蒸馏。选择这种蒸馏器是因为其设计紧凑、日产量高（高达4.88 L/m2·天）、制造成本低，适合阳光充足的温暖气候。这使其特别适用于哥伦比亚加勒比地区，该地区约74.06%的领土日辐照量超过5.20 kWh/m2/天，根据Global Solar Atlas v2.12标准属于“中高”类别（5.20–5.59 kWh/m2/天）。此外，该研究还强调了结构改进，如使用吸热材料和反射镜，无需外部能源即可优化性能。这项技术还具有双重用途：它不仅提供高质量的饮用水，还生产超纯水（电导率< 2 μS/cm），这对于电解系统的运行至关重要，确保了效率和设备寿命。所选的PEM配置（例如NEL Hydrogen S系列）需要蒸馏水或去离子水作为原料，这与通过提出的太阳能蒸馏阶段达到的水质一致（参见PEM Electrolyser – S Series的官方产品规格[93]）。此外，选择PEM技术是因为其高能源效率和适应间歇性可再生能源（如太阳能或风能）的能力。这种类型的电解器特别适合农村分散式应用，因为它具有模块化、安全性高、操作简便和可扩展性。产生的氢气被储存并用作生态烹饪系统中的清洁能源，例如配备陶瓷氢燃烧器的系统，可以实现无碳排放的清洁燃烧。在所提出的配置中，氢气以低压到中等压力（15–30 bar）的压缩气体形式储存，与小型PEM电解器兼容，避免使用高压压缩系统（>200 bar），从而降低资本成本和运营复杂性[76,77]。储存采用符合ISO 9809-1:2019 [94]标准的认证I型或II型气瓶，配备压力释放阀和防回流装置，遵循国际氢气安全指南[95,96]。尽管氢气的易燃范围很广（4–75 vol%），但其高扩散性使其在通风良好的环境中能够快速分散，从而在适当条件下降低风险[76,96]。烹饪系统在低压下运行（<30 bar），并配备回流防止装置，社区安全培训也是安全部署策略的一部分[95]。

系统运行所需的所有能量，包括电凝聚单元、输送泵、太阳能蒸馏器的辅助组件以及电解器本身，都可以由本地可再生能源生成，特别是光伏和风能系统，如图6所示。这种能源解决方案特别适合偏远或未接入电网的农村地区，即使在这些地方无法接入传统电网或电网不稳定的情况下也能实现完全自主的系统运行。结合这些可再生能源不仅确保了在基础设施有限的条件下系统的持续运行，还消除了化石燃料的使用，显著减少了与水净化和家庭能源生产相关的温室气体排放。这种方法通过降低长期运营成本和确保系统的长期能源可持续性，提高了环境和经济效率。这一整体模型提出了一种集成且可复制的解决方案，通过利用本地资源同时保障饮用水和清洁能源的获取。它的方法增强了社区的韧性，促进了技术普及，并促进了材料回收等可持续实践。总之，它代表了一种创新且具有情境敏感性的替代方案，有望在面临水资源和能源脆弱的农村地区促进可持续发展，符合环境正义、领土公平和能源转型的原则。

3.4. 在哥伦比亚加勒比海岸的实际应用
鉴于该提案作为哥伦比亚加勒比地区的案例研究提出，其实际实施的主要挑战之一是获得可靠、高效且环保的能源。在这种情况下，鉴于该地区的气候条件，光伏太阳能被认为是确保所需电力供应的最合适替代方案。基于对全球水平辐照度（GHI）分布的总体分析，进一步探索太阳能资源的区域内部差异性对于更精确地指导技术和区域规划决策是相关的。就平均GHI值而言，加勒比地区的所有部门（科尔多瓦除外）都属于中高水平范围，这支持了它们适用于分散式太阳能技术（图7a）。科尔多瓦的平均值为4.97 kWh/m2/天，属于中等水平，这突显了需要更高效或混合技术解决方案来确保长期可靠的能源供应。

为了更准确地评估每个部门的太阳能潜力，分析了GHI值按范围分布的百分比，从而识别出更适合发展光伏能的具体区域（图7b–h）。大西洋省（图7b）、玻利瓦尔省（图7c）、塞萨尔省（图7d）、科尔多瓦省（图7e）、拉瓜希拉省（图7f）、马格达莱纳省（图7g）和苏克雷省（图7h）表现出明显的空间模式。其中，拉瓜希拉省特别突出：其超过40%的领土每天接收到的辐照度超过5.60 kWh/m2，使其成为大规模太阳能公园建设、工业电解过程和热能发电的战略位置。与此同时，大西洋省、玻利瓦尔省、塞萨尔省、马格达莱纳省和苏克雷省的主要区域位于中高水平范围内，超过45%的面积每天接收到的辐照度在5.20至5.59 kWh/m2之间。此外，这些区域中有相当一部分的辐照度超过5.60 kWh/m2，为更高发电能力的光伏项目提供了机会。苏克雷省的情况尤为值得注意：其37.2%的领土属于高水平，而51.0%的领土处于中高水平。这意味着几乎整个省份的辐照度条件都超过了5.20 kWh/m2/天，使其成为太阳能潜力方面最具竞争力的地区之一，尽管在国家能源议程中的关注度较低。

相比之下，科尔多瓦省的辐照度分布不太有利，超过80%的领土处于中等水平（4.50–5.20 kWh/m2/天）。虽然光伏利用在技术上仍然是可行的，但在电力基础设施有限的农村地区，采用更高效率的技术或混合系统对于确保能源稳定性至关重要。这项分析揭示了加勒比地区太阳能资源的显著空间异质性。尽管所有部门都具有可利用的潜力，但GHI的大小和分布直接决定了要实施的技术规模、类型及其技术和经济可行性。将平均GHI指标与其按范围分布的百分比结合起来，构成了一种强大的区域能源规划工具，能够优先考虑能源回报较高的区域，并根据当地条件调整技术解决方案。尽管平均GHI值表明太阳能潜力良好，但在评估氢气生产连续性时必须考虑时间变化，包括日间间歇性和季节性波动。由于位于热带，哥伦比亚加勒比地区的光伏发电具有可预测的昼夜循环和适度的季节性变化；然而，云层覆盖引起的短期间歇性可能会影响电解器的即时运行。为了解决这一限制，所提出的系统结合了模块化氢储存和中间水储存罐，允许在能源生产和氢消耗之间实现部分解耦。此外，质子交换膜（PEM）电解器特别适用于负载变化的情况，因为它们具有快速动态响应能力和在部分负载下高效运行的能力。这些特性减轻了太阳间歇性的影响，并提高了离网农村应用中的运行稳定性。

实施所提出的技术路径的另一个关键挑战是哥伦比亚加勒比地区可用水资源的质量。根据SIVICAP、国家卫生研究所、IDEAM、ENA和区域科学文献的数据，不同部门的水资源在可用性和物理化学特性方面存在明显差异。这些差异从高度浑浊和有机污染的水体到溶解固体或氮化合物浓度较高的水体都有。将水资源特性分析与GHI的空间分析相结合，可以制定出针对分散式绿色氢生产的差异化技术路线，以实现多用途目标。表5说明了水质、太阳辐射水平与推荐技术解决方案之间的关系。例如，在科尔多瓦省，饮用水覆盖率非常低（23.3%），Sinú河和Betancí沼泽等水体中的浊度较高，因此建议采用基于物理过滤（砂砾和沙子）、电凝聚和太阳能蒸馏的预处理系统，然后再供应给由太阳能驱动的PEM电解器。

在每个地区，根据其特定的条件和限制，提出了相应的解决方案：

| 地区 | 受益人口 | GHI (kWh/m2/día) | 限制 | 建议的解决方案 |
|-------------|-----------|--------------|-----------------|-----------------------------------|
| 大西洋省 | 高安全饮水覆盖率（2024年无风险）| 5.57 | 高导电性 | 雨水收集系统 + 电凝聚 + 太阳能蒸馏 + 由太阳能驱动的PEM电解器 |
| 玻利瓦尔省 | 低饮用水覆盖率（31.1%）| 5.30 | 高浊度 | 砂砾和沙子过滤器 + 电凝聚 + 太阳能蒸馏 + 由太阳能驱动的PEM电解器 |
| 塞萨尔省 | 低饮用水覆盖率（32%） | 高卫生风险（IRCA） | 索罗拉河/Calenturita河 | 电凝聚 + 活性炭过滤器 + 太阳能蒸馏 + 由太阳能驱动的PEM电解器 |
| 科尔多瓦省 | 2023年饮用水覆盖率非常低 | 4.97 | 高浊度 | 砂砾-沙子过滤器 + 电凝聚 + 太阳能蒸馏 + 由太阳能驱动的PEM电解器 |
| 拉瓜希拉省 | 高卫生风险（40%） | 水资源稀缺 | Ranchería河 | 电凝聚 + 太阳能蒸馏 + 原水和处理水的有效储存 |
| 马格达莱纳省 | 有限饮用水覆盖率（36%） | 高浊度和污染物 | Gaira河/Manzanares河 | 多重过滤 + 电凝聚 + 太阳能蒸馏 + 由太阳能驱动的PEM电解器 |
| 苏克雷省 | 很少有地方存在卫生风险（15.3%）| 高浊度和pH值变化 | Eneal沼泽 / Arroyo Grande de Corozal | 电凝聚 + 沙子过滤器 + 太阳能蒸馏 |

这些发现表明，所提出技术路径的技术可行性不仅取决于太阳辐射的可用性，还关键取决于当地水资源的品质。每个地区都有特定的条件，需要定制的预处理流程，这些流程必须与太阳能发电和氢生产系统协调一致。因此，太阳能基础设施、水净化技术和自主处理系统之间的协调对于确保符合电解过程要求的水供应至关重要。这种方法不仅提高了系统的整体效率，还确保了其在环境条件严峻的农村环境中的适应性、可持续性和可复制性。

3.5. 经济可行性和可复制性

在农村地区实施可持续解决方案的可行性既取决于其经济可行性，也取决于其在不同环境中的复制潜力。本研究评估了基于可再生能源和可获取的水处理技术的哥伦比亚加勒比地区绿色氢生产模块化技术路径。总体模型包括水收集和储存、通过电凝聚处理、太阳能蒸馏、使用PEM型电解器的电解以及生态炉灶，所有这些都由自主光伏系统供电。为了估计所提出技术路径的经济可行性，基于系统中每个功能模块的单独成本进行了初步成本分析。数据来自二手资料，包括最新的技术文献和制造商目录。价格以美元（USD）表示，然后使用平均汇率1 USD = 4,000 COP（2025年7月）转换为哥伦比亚比索（COP）。从经济角度来看，成本分析（表6）显示，一个自给自足的模块化单元所需的总投资在70,000,000至74,000,000 COP之间，其中PEM电解器的成本最高，其次是光伏系统和氢储存模块。辅助模块（如电凝聚和太阳能蒸馏）的成本显著较低，使得可扩展性成为可能。

为了评估所提出的1.5–2 kW光伏系统的技术合理性，基于选定的PEM电解器的技术规格进行了简化的系统级能量平衡。考虑到哥伦比亚加勒比地区平均每天5.20–5.59 kWh/m2的太阳辐射和大约5个满负荷小时，2 kW的光伏系统每天可以产生约10 kWh的电能。扣除与电凝聚、泵送和控制系统相关的辅助消耗后，大约有8–9 kWh可以分配给PEM电解。所选的PEM电解器的标称氢气产量为0.27 Nm3/h，制造商指定的能耗约为6.1 kWh/Nm3。在每天5小时的运行时间内，预期氢气产量约为1.35 Nm3。根据转换因子（1 Nm3 ≈ 0.0899 kg H?），这相当于每天约0.12 kg H?。这种生产水平所需的电能约为8.2 kWh（1.35 Nm3 × 6.1 kWh/Nm3），这与辅助负荷后的可用光伏能量一致。考虑到氢气的较低热值（LHV）约为33 kWh/kg，每日可用能量约为4 kWh。这种能量供应与农村家庭的基本烹饪需求（通常每户每天2–4 kWh）相符，特别是当使用高效氢燃烧器时。系统可以通过增加光伏容量或延长运行时间来按比例扩展。

为了估算太阳能到电能的转换效率，使用平均区域太阳辐射5.2–5.6 kWh/m2和大约20%的光伏效率进行了计算，这处于商业硅基光伏系统的典型范围内。在这种条件下，太阳能到电能的效率约为18–19%。电解器子系统的电能到氢气的效率估计约为48.8%（基于LHV），与实际操作条件下的PEM电解系统报告值一致。结合这两个阶段，最终的太阳能到氢气的效率约为7–8%，这与集成光伏-电解系统的报告值相当。为了进一步支持所提出技术路径的环境可行性，基于之前估计的系统能源需求进行了简化的生命周期碳强度评估。考虑到能源输入主要由光伏系统提供，相关的碳排放主要归因于太阳能发电过程中的隐含排放，而不是运营过程。根据对光伏系统的生命周期评估研究，排放因子通常在40至60克二氧化碳当量/千瓦时之间，具体取决于技术、地理位置和系统边界[101]。在本研究中，采用了保守的平均值50克二氧化碳当量/千瓦时。基于生产0.12千克氢气每天大约需要8.2千瓦时的电力消耗，相应的日排放量约为0.41千克二氧化碳当量。这相当于大约3.4千克二氧化碳当量/千克氢气的简化碳强度。这一数值与通过可再生电力电解生产绿色氢气的较低范围（1-4千克二氧化碳当量/千克氢气）一致，支持了所提出系统在分散式运营条件下的环境可行性[77,78]。需要注意的是，此估计不包括与基础设施制造相关的排放，包括电解器、光伏面板、储能系统和水处理单元，这些可能会增加整个生命周期的影響。然而，即使考虑到这些额外的贡献，由可再生能源驱动的绿色氢气系统仍然比传统的途径（如灰色氢气9-12千克二氧化碳当量/千克氢气和蓝色氢气2-5千克二氧化碳当量/千克氢气）具有显著的低碳特性[102,103]。因此，所提出的配置是一种符合当前脱碳战略和可持续发展目标的新低碳替代方案。

该模型的一个显著特点是它作为基于社区的解决方案的可行性。如果基础设施由三到五户家庭共享，每个家庭的成本将显著降低（1400万至2500万科隆比），从而改善提案的经济性。此外，该系统还可以替代传统的能源，如木柴、木炭或液化石油气（LPG），预计每户家庭每年可节省60万至120万科隆比。在这些条件下，投资回收期在七到十年之间，如果在公共融资计划、国际合作项目或生态系统服务补偿计划中实施，则可以缩短至三到五年。

关于其可复制性，所提出的技术路径基于模块化、可扩展性和适应性的原则设计。使用回收材料（如铝罐电极）的可能性以及与分散式可再生能源的兼容性，使得该系统能够适应哥伦比亚加勒比地区的各种环境，包括偏远的农村社区、离网地区和原住民人口。此外，实施低成本技术和技术操作简单，有利于社区所有权的建立，这是长期可持续性的关键要素。除了清洁电力生产和饮用水供应的直接好处外，这种综合方法还在公共卫生、减排和当地能力建设方面产生了积极的外部性。这些特点强化了其作为可复制模型的潜力，不仅在哥伦比亚加勒比地区，而且在拉丁美洲和其他具有相似社会环境条件的脆弱地区也是如此。然而，必须考虑每个国家的经济现实情况。Zhou等人[104]强调，即使在沙特阿拉伯等经济强国，由于政治不稳定，电解项目的商业化也可能被推迟，需要更大的政府投资。对于哥伦比亚这样的发展中国家来说，缺乏健全的政治框架可能会阻碍项目的推进。尽管有《能源转型法》和第1476号法令等监管举措为氢能发展提供了税收激励，但仍需更深入地考虑针对脆弱社区的应用。

除了初始资本投资外，所提出的模块化系统的长期可行性还取决于运营和维护（OM）成本。尽管该系统通过使用太阳能和低化学处理工艺来最小化经常性支出，但仍需考虑几个成本组成部分：(i) 电解器维护：质子交换膜（PEM）电解器需要定期检查膜、密封件和电气组件。根据运行条件，可能需要每10-20年更换电解堆。每年的预防性维护成本通常估计为电解器资本成本的2-4%。(ii) 光伏系统维护：光伏模块的运营要求较低，主要限于定期清洁和每8-12年更换逆变器。每年的OM成本通常在光伏系统成本的1-2%之间。(iii) 电凝聚单元：虽然铝电极可以由回收罐头制造，但电极消耗属于较小的经常性支出。更换频率取决于水的浑浊度和运行时间，但与基于膜的处理技术相比，成本相对较低。基本的电气组件和泵可能需要每3-5年更换。(iv) 太阳能蒸馏系统：该模块的运营成本很低，主要与防止结垢和生物污染的定期清洁有关。不需要外部能源输入，这显著减少了经常性支出。(v) 氢气储存和炊具系统：储存罐需要定期进行安全检查。由于没有烟灰和燃烧残留物，炊具的维护要求很低。总体而言，预计该集成系统的年度OM成本在总资本投资的3-6%之间。当分摊给3-5户家庭时，这些成本在经济上是可以管理的，尤其是与反复的LPG或木柴支出相比。从生命周期的角度来看，没有化石燃料的购买和处理阶段的低化学依赖性显著提高了长期经济可持续性。此外，基于社区的管理模式可以降低劳动力成本，同时加强当地所有权和技术能力。

3.6. 未来展望和研究方向

最近关于分散式可再生氢系统的研究证实了模块化离网电解配置的技术可行性，特别是当与光伏发电和本地储能策略结合使用时[105]。这些发现加强了本研究中提出的模块化路径的概念基础，并支持其在农村和未连接地区的适用性。此外，在电化学水处理系统中的材料层面创新，包括改进的电极-电解质界面和在实际运行条件下的催化稳定性提升，已在电解和水处理过程中显示出显著的性能改进[106]。这些发展强调了将材料科学的进步与系统级设计相结合的重要性，以提高耐久性和长期运行稳定性。材料创新，包括开发非贵金属催化剂、更耐用的膜以及在实际运行条件下优化的电极结构，对于提高竞争力和减少系统退化至关重要。在实际和杂质敏感条件下的电催化方面的进展进一步表明，电解质的纯度对催化稳定性和氢气生产的连续性有重要影响[36,37]。最近的研究还解决了堆栈退化机制，如膜变薄、催化剂溶解和动态运行下的气体交叉问题，提高了PEM系统的长期耐久性。同时，商用PEM电解器在优化条件下已实现约65-75%（高位热值，HHV）的系统效率，而持续的工业应用通过规模化和学习效应逐渐降低了资本成本。这些见解与本工作中提出的预处理策略一致，其中电凝聚和太阳能蒸馏被集成起来，以确保在PEM电解之前提供高质量的进水。

除了本研究中分析的技术外，阴离子交换膜（AEM）电解最近作为一种有前途的替代方案出现，它结合了碱性和PEM系统的特点。这项技术可以通过使用非贵金属催化剂来降低成本，同时保持有竞争力的电化学性能。然而，AEM电解仍处于积极开发阶段，面临与膜稳定性、离子导电性和长期耐久性相关的挑战。因此，尽管它是一个重要的研究方向，但其技术成熟度尚不足以应用于本研究提出的应用。除了氢气生产之外，未来的研究还应进一步探索其储存和终端用途，特别是在分散式环境中。氢气可以作为中到长期的能量储存介质，稳定间歇性可再生能源（如太阳能和风能）。除了在生态烹饪系统中的使用外，氢气还可以用于燃料电池，实现分散式电力生成，在离网或电网不稳定的农村地区提供电能和热能。这种方法增强了可再生氢气作为分布式能源解决方案、电网支持策略和部门耦合的关键组成部分的潜力，从而为未来的能源系统带来更大的韧性和灵活性。

从水-能源关系的角度来看，通过低能耗海水淡化、废水再利用和循环管理方案来优先考虑高效用水至关重要，特别是在水资源紧张的地区。最终，全球绿色氢气的扩展不仅取决于技术进步，还取决于确保可持续性和可扩展性的监管框架和融资机制。在这方面，结合储能和燃料电池应用的分散式生产模式代表了适用于水资源和能源脆弱地区的可复制方案。从系统角度来看，未来的评估应考虑光伏发电、水处理、电解、储存和终端使用过程中的累积效率损失。因此，详细的系统级效率和有效能分析被认为是进一步研究的重要方向，以优化实际部署条件下的性能。最后，未来的研究应纳入详细的技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA），以全面评估系统性能、环境影响和长期竞争力。尽管所提出的配置在氢气生产过程中不会产生直接的温室气体排放，但仍需考虑其组件生命周期的相关影响，包括光伏模块、PEM堆材料和储存基础设施的制造。基于化石燃料的传统氢气生产路径与更高的排放相关，而基于可再生能源的电解在考虑整个系统生命周期时可以显著降低碳强度。在阳光充足的地区（如哥伦比亚加勒比地区），这些条件可能有利于低碳足迹的氢气生产。应用TEA/LCA框架将能够更准确地估计生产成本、碳强度和其他可持续性指标在社区层面。此外，将氢气生产与额外的农村能源服务（如备用电力或微电网支持）相结合，可以提高系统的利用效率，并在分散式环境中增强能源韧性。

4. 结论

本研究确定了通过水电解生产绿色氢气的主要科学和技术进展，并分析了其在哥伦比亚加勒比地区社会环境背景下的适用性。文献计量评估确认，该领域的全球研究正在加速扩展，中国、德国和美国处于科学产出的领先地位，而拉丁美洲的参与度正在增长。主题趋势表明，电化学路线仍然是发展的核心轴心，其中碱性水电解（AWE）因其技术成熟度而受到重视，而质子交换膜（PEM）因其效率和与可再生能源系统的兼容性而受到关注。对区域水资源的物理化学评估显示，水质存在显著差异，包括浑浊度、高导电性和有机污染，这强调了电解前的预处理的必要性。在这方面，电凝聚和太阳能蒸馏的集成是一种技术上可行且可适应的策略，可以在分散式环境中生产符合电解标准的水。除了其区域应用外，本研究还有助于更广泛地讨论绿色氢在水-能源关系中的作用。所提出的综合路径结合了水收集、电凝聚、太阳能蒸馏、可再生动力PEM电解和氢气储存，展示了分散式系统如何同时解决水资源获取和清洁能源生产的问题。其模块化设计提高了可扩展性和可复制性，特别是在水资源和能源脆弱地区。从未来导向的角度来看，电解器技术的持续进步、通过材料创新降低成本，以及将氢气整合到混合可再生能源系统和部门耦合策略中将至关重要。然而，大规模的可持续性不仅取决于技术效率，还取决于负责任的水资源管理、支持性的监管框架和公平的融资机制。最终，分散式绿色氢气生产不应仅仅被视为一个区域解决方案，而应被视为一个可复制的模型，适用于全球其他水资源和能源紧张的地区。通过将水资源管理、可再生能源潜力和电化学技术整合到一个地域性背景框架中，本研究为未来的跨学科研究、试点规模实施和与SDG目标相一致的政策导向战略奠定了基础。

关于手稿准备过程中生成式AI和AI辅助技术的使用，在准备这项工作时，作者使用了人工智能（仅用于将原始西班牙语段落翻译成英语）。在使用该工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版物的内容负全责。

CRediT作者贡献声明：
José Marrugo-Negrete：资源、项目管理、调查、概念化。
José Pinedo-Hernández：可视化、软件、资源。马可·埃尔南德斯-蒙蒂埃尔（Marco Hernández-Montiel）：验证、软件、方法论、概念化。
约翰·维达尔-乌兰戈（Jhon Vidal–Urango）：软件、资源、调查、数据管理、概念化。
凯文·西兰（Kevin Theeran）：可视化、验证、方法论、数据管理。
法比奥·富恩特斯-甘达拉（Fabio Fuentes–Gandara）：写作——审稿与编辑、验证、监督、形式化分析、概念化。