氫能在城市和建筑中的應(yīng)用＊

李巖學(xué) 高偉俊，2 李珊珊

1 青島理工大學(xué)濱海人居環(huán)境學(xué)術(shù)創(chuàng)新中心

2 日本北九州市立大學(xué)國際環(huán)境工學(xué)部

為應(yīng)對全球氣候變化的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，多國簽署了《巴黎協(xié)定》為全球氣候變化制定目標(biāo)，即將本世紀(jì)全球平均氣溫上升幅度控制在2℃以內(nèi)。而全球能源體系必須經(jīng)歷深刻變革才能實現(xiàn)該目標(biāo)，于是世界各國紛紛制定能源相關(guān)發(fā)展戰(zhàn)略計劃。當(dāng)前，城市是我國國民經(jīng)濟(jì)的主要貢獻(xiàn)者，也是能源消費(fèi)的主體，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，北京、上海、青島等10個經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市2016年的能源消費(fèi)約占全國能耗總量的45%。2019年底我國城鎮(zhèn)化率已突破60%，接下來人口將進(jìn)入由中小城市向中心城市、大都市進(jìn)一步集聚的階段，城市資源和環(huán)境的壓力將進(jìn)一步加大，低碳、高效的城市能源系統(tǒng)的發(fā)展將得到廣泛重視與關(guān)注。伴隨光伏、風(fēng)電度電成本的下降，可再生能源在終端能源中的消費(fèi)比例不斷提升。由于可再生能源的間歇性和不可控性，波動性可再生能源的增長為傳統(tǒng)供能系統(tǒng)的供需平衡帶來了挑戰(zhàn)[1]。未來可再生能源會進(jìn)一步增長，利用傳統(tǒng)單一的調(diào)節(jié)手段如抽水蓄能和燃?xì)庹{(diào)峰電站[2]，容易產(chǎn)生調(diào)節(jié)設(shè)備利用率偏低和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益不高等問題。

氫能源適合大規(guī)模、長時間存儲，可再生能源電解制氫被認(rèn)為是應(yīng)對可再生能源間歇性和季節(jié)性“儲能”問題的有效途徑[3]。同時，建筑節(jié)能被認(rèn)為是我國實現(xiàn)2030年碳減排目標(biāo)的關(guān)鍵領(lǐng)域內(nèi)容。我國建筑運(yùn)行能耗約占全國社會總能耗的23%左右，利用可再生能源和建筑物的分散性，可再生能源在城市和建筑中的多途徑就地消納，在社會節(jié)能減排工作中被寄予厚望[4]。根據(jù)國際氫能委員會2020報告內(nèi)容[5]，伴隨可再生能源發(fā)電技術(shù)（P2G）的成本下降，氫鍋爐和熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）將在建筑供暖和區(qū)域熱電聯(lián)供方面發(fā)揮重要作用，有效提升可再生能源在區(qū)域供能系統(tǒng)中的滲透率。

得益于能源轉(zhuǎn)換效率和可再生能源經(jīng)濟(jì)效益的提升，可再生能源制氫在建筑采暖和區(qū)域熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）中得到了關(guān)注和重視[6]。作為一種清潔、高效、可持續(xù)的無碳能源，氫能近年來受到了世界各國政府及能源企業(yè)的廣泛關(guān)注并發(fā)展迅猛，如日本提出的氫能社會、美國的H2@Scale計劃等。為提升國家能源安全性，日本逐步在氫能的無碳排放生產(chǎn)、氫能發(fā)電、氫能社區(qū)等領(lǐng)域進(jìn)行示范試驗，在民用領(lǐng)域的氫能利用和輸送方面都走在世界前列。我國鼓勵可再生能源裝機(jī)規(guī)模大的地區(qū)進(jìn)行供熱、制造和交通行業(yè)的電氣化，2020年4月國家能源局發(fā)布了《中華人民共和國能源法》，首次從法律上確認(rèn)氫能屬于能源范疇。建筑能源消費(fèi)是碳排放的重要貢獻(xiàn)者，但是可再生能源制氫在城市和建筑中的應(yīng)用進(jìn)展相對緩慢，發(fā)展路線和目標(biāo)尚不明晰[7]。

1 可再生能源制氫分析

1 可再生能源制氫在城市中的應(yīng)用示意圖

2 九州電力供需平衡調(diào)配場景

3 日本北九州市東田地區(qū)氫能利用圖

4 日本北九州市氫能社區(qū)

5 日本北九州市氫能社區(qū)

6 日本北九州市氫能社區(qū)

表1 氫氣及常見燃料氣體特征

氫氣在所有氣體中密度最低，常見的制備方法包括電解水、裂解、煤制氣等途徑。目前在電解制氫方面，堿性電解和質(zhì)子交換膜電解裝置商業(yè)化的成熟度最高，在日本和歐美發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開始商業(yè)化應(yīng)用。氫氣和常見燃料氣體主要特征如表1所示，可見氫氣爆炸極限相對較低，安全系數(shù)高。高位熱值較高，約為1.4×108J/kg，日本豐田公司推廣的氫燃料電池汽車（MIRAI）中1kg的氫氣可以保證100km以上的行駛距離。同時，氫氣燃燒的產(chǎn)物是水，被認(rèn)為是世界上最清潔的能源。

目前蒸汽—甲烷重整是最常見的工業(yè)制氫方式，隨著大規(guī)模的太陽能和風(fēng)力發(fā)電的普及，電力系統(tǒng)的供需平衡壓力也相應(yīng)增大。如圖1所示，波動性可再生能源發(fā)電制氫為城市大規(guī)模季節(jié)性能量儲存和利用提供了機(jī)遇，同時也進(jìn)一步促進(jìn)了電力系統(tǒng)與工業(yè)、建筑和交通運(yùn)輸部門之間的互通互聯(lián)，提升社會供能系統(tǒng)的整體靈活性，降低社會碳排放量。

近年來，世界各國紛紛開始了可再生能源發(fā)電制氫的探索。英格蘭2012年的Eco Island項目使用氫能作為電網(wǎng)平衡資源，平整化電網(wǎng)負(fù)荷；荷蘭北海的制氫項目，計劃到2030年建成3～4GW的海上風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)，全部用于制造氫氣。日本十分重視氫能的發(fā)展，2011年大地震以后，日本能源領(lǐng)域計劃逐步用可再生能源代替核能，可再生能源裝機(jī)規(guī)模和容量得到快速發(fā)展，在燃料電池汽車、家庭熱電聯(lián)供等領(lǐng)域取得一定成效，逐步在氫能的無碳排放生產(chǎn)、氫能發(fā)電、氫能社區(qū)等領(lǐng)域進(jìn)行示范試驗，并首次推出了“氫能社會”的概念。日本九州地區(qū)2019年底光伏發(fā)電在全年發(fā)電量中的貢獻(xiàn)超過12%，過渡季節(jié)光伏發(fā)電可供應(yīng)中午時段80%的社會用電量。在社會電力供需平衡約束下，太陽能發(fā)電時段內(nèi)的“過剩”挑戰(zhàn)[8]（圖2）中抽水蓄能已不能充分調(diào)配高比例的可再生能源發(fā)電，于是九州電力集團(tuán)在2018年啟動光伏發(fā)電控制機(jī)制。在太陽能發(fā)電“過?！睍r段，地區(qū)間實時電力交易價格明顯降低，近年來可再生能源發(fā)電上網(wǎng)電價呈明顯下降趨勢，居民光伏上網(wǎng)電價已從2012年的42日元/（kW·h）降至21日元/（kW·h）。

在可再生能源度電成本下降和可再生能源發(fā)電季節(jié)性過剩的背景下，可再生能源發(fā)電制氫的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢逐漸凸顯。通過對電解制氫成本的影響分析可知[9]，提高電解裝置利用率和降低可再生能源發(fā)電制氫的成本，可以進(jìn)一步提升氫能利用的競爭力。

2 應(yīng)用案例

氫燃料電池即消耗燃料的電池，是通過其內(nèi)部相對溫和的化學(xué)反應(yīng)，將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。因其相對溫和，燃料不直接燃燒，因此除了電能之外，不會有“燃燒”的副產(chǎn)物。日本北九州市致力于未來環(huán)境都市的建設(shè)目標(biāo)，北九州氫能社區(qū)是世界上第一個氫能社區(qū)示范項目，2011年開始建設(shè)世界第一條民用氫氣管道，用以進(jìn)行氫能供給和燃料電池在建筑熱電聯(lián)產(chǎn)的實證試驗，實現(xiàn)了可再生能源制氫在城市交通和建筑中的示范應(yīng)用。圖3為北九州東田地區(qū)氫能連接管網(wǎng)和民用熱電聯(lián)產(chǎn)應(yīng)用場景，主要包含區(qū)域熱電聯(lián)產(chǎn)、家庭微型熱電聯(lián)產(chǎn)和加氫站的示范應(yīng)用。其中1kW微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的額定發(fā)電效率超過40%，通過余熱回收再利用進(jìn)行采暖和制備生活熱水，一次綜合能源利用效率可達(dá)到90%[10]。燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)因其一次能源使用效率較高，在日本得到快速推廣和發(fā)展，并制定了到2030年住宅部分導(dǎo)入800萬臺的目標(biāo)。

7 智能化住宅中的氫能利用

8 燃料電池家庭熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

9 家庭燃料電池CHP 系統(tǒng)全年發(fā)電示意圖

10 日本筑波市氫能供給技術(shù)實證研究

日本氫能社會致力于與“智能社區(qū)”相結(jié)合（圖4～6），利用數(shù)字技術(shù)、信息和通信技術(shù)以及與可再生能源的融合來提高能源服務(wù)的質(zhì)量。圖7為氫能在單體住宅中的利用及管理場景示意圖，住宅搭載智能化家庭能源管理系統(tǒng)HEMS（Home Energy Management System）、燃料電池和光伏發(fā)電系統(tǒng)。HEMS具有對用戶負(fù)荷的自主在線監(jiān)測、存儲和學(xué)習(xí)功能，可以實時控制產(chǎn)能單元的啟停和負(fù)載，調(diào)節(jié)用能設(shè)備的功率和能源消費(fèi)。用戶也可以在手機(jī)端APP接收供應(yīng)側(cè)傳輸?shù)膶崟r監(jiān)測信息，根據(jù)個人需求及偏好進(jìn)行用能、產(chǎn)能設(shè)備智能化的遠(yuǎn)程控制。關(guān)于氫能利用的構(gòu)想，是對過剩的光伏發(fā)電就地轉(zhuǎn)換成氫氣驅(qū)動高效的燃料電池發(fā)電。從家庭微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行示意圖（圖8）中可以看出，氫燃料電池發(fā)電滿足生活電力需求，同時通過進(jìn)一步回收氫燃料電池發(fā)電余熱提供生活和建造的采暖熱水，從而顯著提高建筑能源自給率。圖9為日本北九州零排放示范街區(qū)中實測額定發(fā)電容量0.7kW的家庭燃料電池?zé)犭娐?lián)系系統(tǒng)全年發(fā)電量場景（30min間隔），燃料電池追蹤建筑熱負(fù)荷運(yùn)行，燃料電池產(chǎn)電量在建筑熱負(fù)荷較大時段明顯增加，同時冬季燃料電池發(fā)電量明顯增加，回收的余熱用于滿足建筑熱負(fù)荷，極大降低了建筑對外界輸入能源的依賴。

為保證氫氣存儲和運(yùn)輸過程中的安全性，工程應(yīng)用階段氫氣延伸管路設(shè)有泄漏采樣監(jiān)測裝置，可以實時監(jiān)測氣體濃度和控制氣流量，防止氫氣在傳輸過程中因泄漏造成安全隱患。圖10為日本筑波市共同溝的氫供給實證示意圖，試驗對象區(qū)間是靠近筑波中央公園的步行者專用道路，在地下共同溝的特殊部C4-4側(cè)、公園中央約250m區(qū)間的公共槽內(nèi)鋪設(shè)氫氣運(yùn)輸管道。該試驗項目對氫氣的壓力、濃度、聲速變化進(jìn)行同步監(jiān)視，如出現(xiàn)異常，系統(tǒng)具備警報發(fā)生、郵件自動發(fā)送、外部管道強(qiáng)制排出等功能，保證氫氣在傳輸和利用全過程中的安全性。

3 結(jié)論

傳統(tǒng)化石能源終將枯竭，因此急需尋求一種清潔能源燃料，而氫能被視為能源問題的終極解決方案。伴隨波動性可再生能源規(guī)?；难杆贁U(kuò)張，其市場價值隨著在電網(wǎng)中滲透率的增加而降低，同時易導(dǎo)致嚴(yán)峻的“棄風(fēng)棄光”現(xiàn)象。隨著可再生能源成本的下降和氫能利用技術(shù)的成熟，可再生能源發(fā)電制氫和應(yīng)用呈現(xiàn)出較大的市場應(yīng)用潛力。我國建筑運(yùn)行能耗對于社會終端能耗的需求較大，是碳排放的重要貢獻(xiàn)者，但我國的氫能利用除了在交通方面之外都相對緩慢，氫能在城市及建筑中的應(yīng)用更應(yīng)得到重視。面對節(jié)能減排的壓力，我國需要充分挖掘可再生能源制氫的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會多方面效益，推動氫氣在整個社會中的綜合應(yīng)用和良性發(fā)展。

圖片來源：圖2 來源于文獻(xiàn)[8]；其余均為作者自繪。