APP下载

氢能建筑一体化研究及应用现状

2022-06-09中冶建工集团有限公司谷智

中国勘察设计 2022年5期
关键词:制氢氢能氢气

■ 中冶建工集团有限公司 谷智

未来10年,将是应对气候变化的关键时期。2016年签订的《巴黎协定》提出把温度升幅升温控制在2℃以内,按此目标估算,大约需要减排二氧化碳320亿Mt。习近平主席在第75届联合国大会上庄严承诺“中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”[1],绿色低碳发展和经济社会发展的全面绿色转型是实现“双碳目标”的关键。中国投资协会联合多家行业组织和机构共同发起以“零碳中国,绿色投资,推动中国能源革命,实现中国能源转型”为宗旨的《零碳中国倡议》,围绕能源及主要耗能产业领域,普及零碳、低碳、负碳理念,以绿色建筑为宗旨,把握低碳发展新机遇,探索符合中国国情的绿色低碳、可持续发展道路。氢能源建筑在城市建设中是一种革命性突破,相比传统建筑,氢能建筑可独立于现有的供电、供热、供气管网,同时氢能是唯一即可耦合电网、热网和气网的能源,又可逐步替代煤、石油、天然气等不可再生能源,有利于保障国家能源稳定、安全,是—种取之不尽的高热值清洁能源,是国家实现碳中和、碳达峰目标的重要突破口。

1.氢能建筑一体化应用形式

氢气燃点585℃,爆炸区间范围4%~75%,扩散系数为汽油的12倍,同等条件下,热值是天然气的2.5倍、电的33倍,作为可再生电力电解水产生的绿氢,在建筑供能全过程中能够真正做到二氧化碳零排放。

氢能建筑一体化是建筑自身用能部分或全部采用氢能,供能分为整体式和分散式。整体式是为建筑群或商业集群配套一个氢能工厂,氢能工厂可利用弃风、弃光、弃水电力制氢、存氢、发电和供热,此种用能形式的代表国家为德国。分散式的建筑氢气来源为管道氢,用能形式主要是微型热电联供,为小型民建同时供热和供电,以避免电力长输约6%的能量损失,达到节能效果。当所需电力大于微型热电联供系统供电能力时,用户可向电力公司购买,系统发电时产生的余热可为用户提供热水及采暖系统,此种用能形式的代表国家为日本。

燃料电池是微型热电联供合适的路线,目前可为微型热电联供技术路线有燃气轮机、微燃机、燃料电池等。现有技术中燃料电池电效率最高可达63%,因其噪音低、无污染等特征而被大规模应用于家庭功能领域。

表1 各热电联供技术路线性能比较

图1 零碳排放氢能建筑能源供应流程图

图2 ENE-FARM装置热电联产原理图

2.国内外应用现状

2.1 国外应用现状

大部分发达国家均已制定了氢能发展战略,美国、日本、欧盟和韩国等发达国家氢能技术已进入成熟阶段。据国际氢能委员会预测,至2050年,氢能产业为全球每年将减少60亿Mt二氧化碳排放和2.5万亿美元的市场规模[2]。

德国氢能建筑一体化代表作是整体式用能。2020年6月,德国罗斯托克Apex能源公司建造了欧洲最大的氢能工厂,项目总投资约1200万欧元,采用电解水的方式制氢300t/a,电解能力2MW,含氢储存系统以及一个热电联产厂,可以为整个商业集群供电供热,从而达到零碳排放。同年,GET H2项目启动,采用800℃电解制氢,技术采用SOFC和燃氢轮机纯氢发电,为整个社区供电供热。同时,该项目建立了德国首个可公开访问的氢气网络。

日本2019年4月发布的独立住宅版ENEþFARM,是分散式氢能建筑一体化的代表,可连续输出最大0.5kW的交流电,最大时长190小时。在电网停电时,ENEþFARM可以为低功耗设备如手机和电脑等提供电力,持续供应热水和地暖的热量,保障家庭应急能源供应。

家庭住宅大多采用1kW~5kW的小型氢能热电联供装置,可兼容现有的天然气管网,与分布式光伏发电制氢一起,可打造真正意义的零碳建筑。ENEþFARM可以给家庭提供一半的电能供应,在用电高峰期降低电网负荷,ENEþFARM系统可减少二氧化碳排放量1.3t/a,目前,日本已成功部署近40万套,预计2030年将实现530万套的销售目标。

2.2 国内应用现状

自上世纪80年代以来,我国相继启动了863计划和973计划,氢能和燃料电池均被纳入其中。“十三五”期间,氢能与燃料电池开始步入快车道。2016年以来,相继发布了《能源技术革命创新行动计划(2016~2030年)》《节能与新能源汽车产业发展规划(2012~2020年)》《中国制造2025》等顶层规划文件。2019年氢能首次写入政府工作报告[3],2020年4月氢能被写入《中华人民共和国能源法》。

表2 ENE-FARM装置规格表

在国家大力推进“碳中和”“碳达峰”的背景下,氢能能源将受到高度重视及强力推动。2021年2月,中国第一座氢能进万家智慧能源示范社区正式投运,采用整体式用能方式,总投资80亿元,面积约10万m2,社区中3栋楼全部配备单独的家用氢能燃料电池热电联供系统,系统能源利用率最高可达92%,能源费用和碳排放降低近一半,社区8号商业楼安装4套440kW氢能燃料电池热电联供系统,装机容量约0.5MW/套。该项目以家用、商用燃料电池分布式热电联产设备为核心支柱,形成与分布式天然气燃料电池热电联产系统形成多能互补的微电网,助推氢能住宅建筑国家标准的试行。

2021年7月,中国首个氢能离网应用展示馆在上海国际汽车城落地,同济大学设计创意学院创业团队推出了气膜智造和氢能建筑功能结合而成的氢能离网建筑产品。供能系统是氢燃料电池的热电联供系统,由一个内置氢燃料电池的集装箱模块组成。整个展示馆的供能脱离了传统电网供给,设备运行无污染物、零碳排放,热电联供效率可达90%,唯一的副产品是纯净的水,其系统所需要的氢气由一组16个氢瓶提供,共可发160度电。氢能应用展示馆氢能供能系统,填补了国内氢能源在建筑展馆领域应用的空白。

氢能建筑一体化建筑的设计和应用,对于国家推广城市建筑使用氢能用能模式具有明显的示范意义。随着氢能技术在建筑领域的不断改进以及相关技术规范的不断完善,我国必将加快在氢能建筑领域的应用步伐。预计到2030年,我国绿氢市场规模将增长近30倍。

3.氢能建筑一体化优点和存在问题

建筑能耗约占我国总能耗的三分之一,氢能建筑一体化可有效降低建筑能耗和碳排放,从技术或经济角度分析,氢能与建筑一体化有以下诸多优点:

一是提高能源使用效率,提高节能和舒适度。氢能为建筑供电的同时,可将燃料电池产生的余热用于建筑供热。综合能源利用效率可达95%,污染少、噪音小,大约为55dB,目前多用于公寓供能[4],通过利用发电过程中产生的热量,比传统模式节省了更多的能源。

二是供电系统的独立性。电网停电时不会影响室内照明,同时可保障手机和电脑等低功耗设备的供电,保障日常生活持续的热水供应和冬季地暖供热,保障家庭应急供能。氢能燃料电池可连续输出最大0.5kW的交流电,最长可达190小时。

三是与现有能源设施的兼容性。氢气可以与天然气混合使用,未来是少数能与天然气竞争的低碳能源方案之一。通过与天然气混合(<20%),借助基于燃气轮机或燃料电池的电热联产(CHP)技术,提供灵活连续的热能及电能,日本现有的ENEþFARM可以给家庭提供50%的电能消耗,有效降低用电高峰期的电网负荷,进而有望取代化石燃料CHP。低百分比的氢气可以安全地混合到现有的天然气网络中,无需对基础设施或设备进行重大调整。

四是低碳排放或零碳排放。可再生能源发电或太阳能光伏发电直接电解水制造氢气,氢气通过管道输送至氢能建筑,通过分布式燃料电池为氢能建筑提供电力和热力,每年二氧化碳排放量减少1.3Mt。根据国际氢能委员会(HYDROGEN COUNCIL)预测,至2050年,10%的建筑供热、8%的建筑供能将由氢气提供,每年可减少二氧化碳700Mt。

虽然氢能建筑有高效、环保等诸多优点,但在我国还处于初步阶段,未能大规模普及,其主要原因包括以下几个方面:

一是亟须完善和创新氢能源政策。我国人均资源匮乏,亟须重新建立一条除石油、天然气、电力之外的第四种能源支撑体系。目前,氢能发展已不仅限于交通领域,而是涉及到传统石化能源、可再生能源、新型化工、低碳交通、低碳建筑、规模化储能等领域的大氢能概念,需上升为国家战略给予高度重视,从“全国一盘棋”的角度统筹规划保障氢能产业发展的连续性。

二是发展绿氢需解决经济性和技术成熟度问题。电解水制氢技术是未来最具潜力的制氢技术,生产1kg氢气大约需要22L水。水电解制氢技术成本中,商业用电制氢成本为48元/kg,而化石能源制氢中,煤制氢成本为9元/kg,天然气制氢成本为27元/kg。水电解制氢目前还无法与煤制氢匹敌,特别是商业用电制氢成本与煤制氢成本相差5倍,只有可再生能源制氢的成本低于化石能源制氢的成本,才能具备绿氢下游市场真正商业化的潜力。目前,水电解装备需要提升对波动工况的稳定性,提升电解的效率和突破核心材料的国产化。

三是氢能建筑一体化设计规范尚需完善。氢能与建筑相结合,其相关规范尚为空白。如何做到基于物联网和毫秒级电控设施对于氢气泄露进行实时监测,以及时排出氢气保障人生命财产安全,是行业内人士关注的重点。

4.结论

氢能建筑一体化使建筑设计体现清洁、绿色理念,为城市建筑的电力和热力供应提供了选择和保障,具有很大的应用价值。当前,国际氢能建筑一体化已经进入商业化运作阶段,但我国还处于起步阶段,需要完善相应的政策法规、技术标准等。随着氢能建筑产业的平稳健康发展,氢能建筑一体化技术必将具有广阔的发展前景。

展开全文▼
展开全文▼

猜你喜欢

制氢氢能氢气
天然气制氢在氯碱产业中的作用
Wood Mackenzie公司认为低碳氢在炼油领域具有巨大潜力
氢能“竞速”
氢未来
焦炉煤气生产LNG余气制氢工艺及问题讨论
LNG制氢加氢一体站技术方案分析
第十三章 惊险的车祸——氢能
青岛:开发出一系列电化学制氢纳米电催化剂
氢气对缺血再灌注损伤保护的可能机制
氢能到底怎么样?