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氫能建筑，在低碳轉型的需求吸引下，開始走進人們的視野。它的可行性、可持續(xù)性和靈活性正在經(jīng)受實踐及市場的檢驗。建筑領域的能源使用決策是復雜的，未來幾十年，在一定程度上，建筑對氫的潛在需求已經(jīng)“鎖定”。
世界上第一座氫能住宅樓最近向公眾開放。該住宅位于意大利，其能源管理系統(tǒng)采用獨特、創(chuàng)新的金屬粉末氫儲存技術。該系統(tǒng)可將渦輪機（水力發(fā)電）獲得的能量通過電解產(chǎn)生氫氣，回收的氫氣則儲存在金屬粉末中，一旦需要能量就通過燃料電池轉換回電力。氫能建筑的應用前景在這棟住宅樓里可以窺得一角。事實上，氫能和燃料電池在建筑和家庭生活中的使用還有多種可能。
我們可以走進日本氫能住宅親自感受一下
圖中展示的2020年東京奧運會選手村，是日本第一個氫能社區(qū)，計劃于10月份基本建成，屆時也將是世界上第一個氫能源社區(qū)。這里的5000多戶住宅全部采用家用氫能源燃料電池作為家庭基本電源。同時該社區(qū)內還建有一個大型的加氫站和氫氣管線管控中心，通過管線直接將氫氣輸入到各戶家庭的燃料電池中，使得燃料電池成為永久性的發(fā)電系統(tǒng)。另外，社區(qū)內的所有商業(yè)設施、巡回巴士、路燈等的用電，也將由氫能源提供。
按照規(guī)劃，奧運會結束后這里將會成為一個規(guī)劃入住1.2萬人的全新氫能街區(qū)。
（東京奧運會選手村示意圖）
日本是資源短缺型國家，因此非常積極地探索石油以外的其他能源，并成為世界上第一個提出要構建氫能社會的國家，多年來對氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)有大量的投入。
今年4月，日本政府發(fā)布了《第五次能源基本計劃》，提出將氫氣的價格降到汽油價格的80%，努力尋求燃料電池的小型化并讓氫能源電池進入到家電產(chǎn)品當中。其中還有非常醒目的一項是讓氫能源真正走進普通家庭。
據(jù)悉，到今年3月為止，日本已經(jīng)有23萬戶人家安裝了氫能源燃料電池（PEFC）。氫能源電池的價格，也由當初的300萬日元/臺降至95萬日元/臺（約6萬元人民幣）。日本政府計劃在2030年，讓氫能源燃料電池走進530萬戶人家，使得全國有20%的家庭用上氫能源。
值得注意的是日本逐漸普及的家用熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)ENE-FARM，這是一種在家庭中高效利用燃料電池的能源系統(tǒng)。它通過天然氣重整制取氫氣，再將氫氣注入燃料電池中發(fā)電，同時用發(fā)電時產(chǎn)生的熱能來供應暖氣和熱水，整體能源效率可達90%。
2020年東京奧運會選手村中使用的氫燃料電池就是ENE-FARM，具備三大功能：
第一，為住宅提供所有的電力，也就是說，住宅自己就有一個發(fā)電站；
第二，燃料電池在發(fā)電過程中產(chǎn)生的熱能，可以轉換為家用熱水、洗浴、水熱地暖的供熱；
第三，富余電力可以出售給電力公司。
目前這樣一套燃料電池設備成本約為100萬日元，雖然遠高于40萬日元的傳統(tǒng)家用燃氣設備，但是它平均每年能為住戶節(jié)省約6萬日元的電費燃氣費等。
（東京奧運會選手村氫能應用示意圖一）
（東京奧運會選手村氫能應用示意圖二）
全球氫能生活應用嘗試
能源管理的可持續(xù)性
最近幾年全球多個國家對于氫能住宅都積極探索，氫能住宅不僅體現(xiàn)了氫能在建筑應用上的廣泛性，更體現(xiàn)了未來能源管理的可持續(xù)性和安全性。
如文章開頭提到的意大利的世界第一座氫能住宅樓項目，其主要研究的就是在高海拔和較為寒冷的氣候條件下，如何應對能量需求的增加。而這棟住宅樓采用的金屬粉末氫儲存技術和新穎靈活的能源管理系統(tǒng)則可以平衡生產(chǎn)和消費之間的高峰，并在全年儲存和回收能源，使能量可持續(xù)的問題得以解決，這是未來家庭能源管理的重要一步。
英國近年來也有所行動。今年4月，來自英國的一份關于碳捕獲和儲存的報告表示，允許氫進入天然氣網(wǎng)來替代住宅用燃料并在明年盡快實現(xiàn)。此外，到2030年，英國的大部分鐵制天然氣管道將被聚乙烯取代，家庭現(xiàn)有的燃氣鍋爐將需要更換，可以逐步采用“氫就緒(hydrogen-ready)”鍋爐。這些措施都將有助于英國在2032年達到排放目標，并有助于應對氣候緊急狀況。
澳大利亞首個綠色氫能創(chuàng)新中心日前從澳大利亞可再生能源署(ARENA)獲得了150萬美元的資金，該中心將使用兩條管道輸送氫氣，為家庭生活供應能源：一條混合低濃度天然氣，用于灶具、熱水鍋爐和空間加熱器；另一條100％濃度純氫用于專用氫氣設備。
氫能建筑應用
低碳轉型挑戰(zhàn)下的高效利用
氫能源及燃料電池在社會各個領域中的應用場景十分廣泛。在建筑領域，即使用氫氣通過發(fā)電、直接燃燒、熱電聯(lián)產(chǎn)等形式為居民住宅或商業(yè)區(qū)提供電熱水冷多聯(lián)供。目前，家庭與城市樓宇大多采用1-5千瓦小型熱電聯(lián)供裝置，既可以天然氣為燃料，充分兼容現(xiàn)有的公共設施，也可結合分布式光伏發(fā)電制氫打造零碳建筑。
我們知道燃料電池像一個能源轉換器，可以將一次能源直接轉化為電能和熱能，這種特性讓其能夠輕易地實現(xiàn)家用化，且綜合能效要高于集中式能源供應方案。而家用熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，則是將一次能源直接在用戶端進行能源生產(chǎn)，在提供電能的同時也提供熱能，換句話說就是在滿足電力需求的同時將發(fā)電過程中產(chǎn)生的熱能加以利用向用戶供熱。該系統(tǒng)的整體熱效率高于85%，遠遠大于集中式生產(chǎn)的50%終端熱效率。
另一方面，大型熱力發(fā)電廠很難利用的廢熱，家用熱電聯(lián)供可以有效的加以回收利用，從而提高能源利用效率。
（家用熱電聯(lián)供系統(tǒng)）
其中關鍵是系統(tǒng)中使用的燃料電池，燃料電池的發(fā)電效率即使在低輸出的情況下也比內燃機的發(fā)電效率高，固體氧化物燃料電池的發(fā)電效率與高效的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠的發(fā)電效率相當。
日本的ENE-FARM項目就是該系統(tǒng)和設想的一種實體呈現(xiàn)。與傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)相比，ENE-FARM可以將大型熱力發(fā)電廠很難利用的廢熱有效地加以利用，從而大幅度提高能源利用效率；與可再生能源（太陽能、風能等）發(fā)電系統(tǒng)相比，ENE-FARM不受天氣限制，可在任意時間發(fā)電。此外，ENE-FARM安裝在家里，不依賴現(xiàn)有電網(wǎng)，可在大規(guī)模停電時應急使用，并且?guī)缀鯖]有輸電損失。
ENE-FARM制造商主要有愛信精機、松下、東芝三家。三家公司產(chǎn)品發(fā)電效率均可達40%，總效率高達90%以上，耐用時間超過8萬小時，啟動時間只需1-2分鐘，可按需求并網(wǎng)使用。
利用燃料電池可以解決燃機小型化程度有限的問題，從而能夠完美地作為家用能源站的核心設備。未來燃料電池分布式能源站能夠承擔終端用戶的能源需求，如果再把這個模式和電解氫結合起來，一個從能源生產(chǎn)到消費的完整鏈條就出現(xiàn)了，真正實現(xiàn)氫能社會。
國際能源署（IEA）估計，與燃氣鍋爐和用于住宅能源供應的電網(wǎng)電力相比，日本用燃料電池替代10%的供暖系統(tǒng)將使住宅能源總需求減少3%，從而減少4%的碳排放。
在氫能的各種潛在應用研究中，氫能建筑和燃料電池汽車都是離人們生活最近的。不過，氫能建筑的意義不止于轉變生活能源，而是希望借助一個能源應用的新場景，形成更持續(xù)高效、與能源安全關聯(lián)更大的空間。
