氢能在城市和建筑中的应用＊

李岩学 高伟俊，2 李珊珊

1 青岛理工大学滨海人居环境学术创新中心

2 日本北九州市立大学国际环境工学部

为应对全球气候变化的严峻挑战，多国签署了《巴黎协定》为全球气候变化制定目标，即将本世纪全球平均气温上升幅度控制在2℃以内。而全球能源体系必须经历深刻变革才能实现该目标，于是世界各国纷纷制定能源相关发展战略计划。当前，城市是我国国民经济的主要贡献者，也是能源消费的主体，统计数据显示，北京、上海、青岛等10个经济发达城市2016年的能源消费约占全国能耗总量的45%。2019年底我国城镇化率已突破60%，接下来人口将进入由中小城市向中心城市、大都市进一步集聚的阶段，城市资源和环境的压力将进一步加大，低碳、高效的城市能源系统的发展将得到广泛重视与关注。伴随光伏、风电度电成本的下降，可再生能源在终端能源中的消费比例不断提升。由于可再生能源的间歇性和不可控性，波动性可再生能源的增长为传统供能系统的供需平衡带来了挑战[1]。未来可再生能源会进一步增长，利用传统单一的调节手段如抽水蓄能和燃气调峰电站[2]，容易产生调节设备利用率偏低和系统经济效益不高等问题。

氢能源适合大规模、长时间存储，可再生能源电解制氢被认为是应对可再生能源间歇性和季节性“储能”问题的有效途径[3]。同时，建筑节能被认为是我国实现2030年碳减排目标的关键领域内容。我国建筑运行能耗约占全国社会总能耗的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径就地消纳，在社会节能减排工作中被寄予厚望[4]。根据国际氢能委员会2020报告内容[5]，伴随可再生能源发电技术（P2G）的成本下降，氢锅炉和热电联产（CHP）将在建筑供暖和区域热电联供方面发挥重要作用，有效提升可再生能源在区域供能系统中的渗透率。

得益于能源转换效率和可再生能源经济效益的提升，可再生能源制氢在建筑采暖和区域热电联产（CHP）中得到了关注和重视[6]。作为一种清洁、高效、可持续的无碳能源，氢能近年来受到了世界各国政府及能源企业的广泛关注并发展迅猛，如日本提出的氢能社会、美国的H2@Scale计划等。为提升国家能源安全性，日本逐步在氢能的无碳排放生产、氢能发电、氢能社区等领域进行示范试验，在民用领域的氢能利用和输送方面都走在世界前列。我国鼓励可再生能源装机规模大的地区进行供热、制造和交通行业的电气化，2020年4月国家能源局发布了《中华人民共和国能源法》，首次从法律上确认氢能属于能源范畴。建筑能源消费是碳排放的重要贡献者，但是可再生能源制氢在城市和建筑中的应用进展相对缓慢，发展路线和目标尚不明晰[7]。

1 可再生能源制氢分析

1 可再生能源制氢在城市中的应用示意图

2 九州电力供需平衡调配场景

3 日本北九州市东田地区氢能利用图

4 日本北九州市氢能社区

5 日本北九州市氢能社区

6 日本北九州市氢能社区

表1 氢气及常见燃料气体特征

氢气在所有气体中密度最低，常见的制备方法包括电解水、裂解、煤制气等途径。目前在电解制氢方面，碱性电解和质子交换膜电解装置商业化的成熟度最高，在日本和欧美发达国家已经开始商业化应用。氢气和常见燃料气体主要特征如表1所示，可见氢气爆炸极限相对较低，安全系数高。高位热值较高，约为1.4×108J/kg，日本丰田公司推广的氢燃料电池汽车（MIRAI）中1kg的氢气可以保证100km以上的行驶距离。同时，氢气燃烧的产物是水，被认为是世界上最清洁的能源。

目前蒸汽—甲烷重整是最常见的工业制氢方式，随着大规模的太阳能和风力发电的普及，电力系统的供需平衡压力也相应增大。如图1所示，波动性可再生能源发电制氢为城市大规模季节性能量储存和利用提供了机遇，同时也进一步促进了电力系统与工业、建筑和交通运输部门之间的互通互联，提升社会供能系统的整体灵活性，降低社会碳排放量。

近年来，世界各国纷纷开始了可再生能源发电制氢的探索。英格兰2012年的Eco Island项目使用氢能作为电网平衡资源，平整化电网负荷；荷兰北海的制氢项目，计划到2030年建成3～4GW的海上风力发电装机，全部用于制造氢气。日本十分重视氢能的发展，2011年大地震以后，日本能源领域计划逐步用可再生能源代替核能，可再生能源装机规模和容量得到快速发展，在燃料电池汽车、家庭热电联供等领域取得一定成效，逐步在氢能的无碳排放生产、氢能发电、氢能社区等领域进行示范试验，并首次推出了“氢能社会”的概念。日本九州地区2019年底光伏发电在全年发电量中的贡献超过12%，过渡季节光伏发电可供应中午时段80%的社会用电量。在社会电力供需平衡约束下，太阳能发电时段内的“过剩”挑战[8]（图2）中抽水蓄能已不能充分调配高比例的可再生能源发电，于是九州电力集团在2018年启动光伏发电控制机制。在太阳能发电“过剩”时段，地区间实时电力交易价格明显降低，近年来可再生能源发电上网电价呈明显下降趋势，居民光伏上网电价已从2012年的42日元/（kW·h）降至21日元/（kW·h）。

在可再生能源度电成本下降和可再生能源发电季节性过剩的背景下，可再生能源发电制氢的经济优势逐渐凸显。通过对电解制氢成本的影响分析可知[9]，提高电解装置利用率和降低可再生能源发电制氢的成本，可以进一步提升氢能利用的竞争力。

2 应用案例

氢燃料电池即消耗燃料的电池，是通过其内部相对温和的化学反应，将燃料中的化学能直接转化为电能。因其相对温和，燃料不直接燃烧，因此除了电能之外，不会有“燃烧”的副产物。日本北九州市致力于未来环境都市的建设目标，北九州氢能社区是世界上第一个氢能社区示范项目，2011年开始建设世界第一条民用氢气管道，用以进行氢能供给和燃料电池在建筑热电联产的实证试验，实现了可再生能源制氢在城市交通和建筑中的示范应用。图3为北九州东田地区氢能连接管网和民用热电联产应用场景，主要包含区域热电联产、家庭微型热电联产和加氢站的示范应用。其中1kW微型热电联产系统的额定发电效率超过40%，通过余热回收再利用进行采暖和制备生活热水，一次综合能源利用效率可达到90%[10]。燃料电池热电联产系统因其一次能源使用效率较高，在日本得到快速推广和发展，并制定了到2030年住宅部分导入800万台的目标。

7 智能化住宅中的氢能利用

8 燃料电池家庭热电联产系统

9 家庭燃料电池CHP 系统全年发电示意图

10 日本筑波市氢能供给技术实证研究

日本氢能社会致力于与“智能社区”相结合（图4～6），利用数字技术、信息和通信技术以及与可再生能源的融合来提高能源服务的质量。图7为氢能在单体住宅中的利用及管理场景示意图，住宅搭载智能化家庭能源管理系统HEMS（Home Energy Management System）、燃料电池和光伏发电系统。HEMS具有对用户负荷的自主在线监测、存储和学习功能，可以实时控制产能单元的启停和负载，调节用能设备的功率和能源消费。用户也可以在手机端APP接收供应侧传输的实时监测信息，根据个人需求及偏好进行用能、产能设备智能化的远程控制。关于氢能利用的构想，是对过剩的光伏发电就地转换成氢气驱动高效的燃料电池发电。从家庭微型热电联产系统运行示意图（图8）中可以看出，氢燃料电池发电满足生活电力需求，同时通过进一步回收氢燃料电池发电余热提供生活和建造的采暖热水，从而显著提高建筑能源自给率。图9为日本北九州零排放示范街区中实测额定发电容量0.7kW的家庭燃料电池热电联系系统全年发电量场景（30min间隔），燃料电池追踪建筑热负荷运行，燃料电池产电量在建筑热负荷较大时段明显增加，同时冬季燃料电池发电量明显增加，回收的余热用于满足建筑热负荷，极大降低了建筑对外界输入能源的依赖。

为保证氢气存储和运输过程中的安全性，工程应用阶段氢气延伸管路设有泄漏采样监测装置，可以实时监测气体浓度和控制气流量，防止氢气在传输过程中因泄漏造成安全隐患。图10为日本筑波市共同沟的氢供给实证示意图，试验对象区间是靠近筑波中央公园的步行者专用道路，在地下共同沟的特殊部C4-4侧、公园中央约250m区间的公共槽内铺设氢气运输管道。该试验项目对氢气的压力、浓度、声速变化进行同步监视，如出现异常，系统具备警报发生、邮件自动发送、外部管道强制排出等功能，保证氢气在传输和利用全过程中的安全性。

3 结论

传统化石能源终将枯竭，因此急需寻求一种清洁能源燃料，而氢能被视为能源问题的终极解决方案。伴随波动性可再生能源规模化的迅速扩张，其市场价值随着在电网中渗透率的增加而降低，同时易导致严峻的“弃风弃光”现象。随着可再生能源成本的下降和氢能利用技术的成熟，可再生能源发电制氢和应用呈现出较大的市场应用潜力。我国建筑运行能耗对于社会终端能耗的需求较大，是碳排放的重要贡献者，但我国的氢能利用除了在交通方面之外都相对缓慢，氢能在城市及建筑中的应用更应得到重视。面对节能减排的压力，我国需要充分挖掘可再生能源制氢的经济、环境和社会多方面效益，推动氢气在整个社会中的综合应用和良性发展。

图片来源：图2 来源于文献[8]；其余均为作者自绘。