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氫能建筑，在低碳轉(zhuǎn)型的需求吸引下，開始走進(jìn)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(shí)踐及市場的檢驗(yàn)。建筑領(lǐng)域的能源使用決策是復(fù)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(dú)特、創(chuàng)新的金屬粉末氫儲存技術(shù)。該系統(tǒng)可將渦輪機(jī)（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(zhuǎn)換回電力。氫能建筑的應(yīng)用前景在這棟住宅樓里可以窺得一角。事實(shí)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(jìn)日本氫能住宅親自感受一下
圖中展示的2020年東京奧運(yùn)會(huì)選手村，是日本第一個(gè)氫能社區(qū)，計(jì)劃于10月份基本建成，屆時(shí)也將是世界上第一個(gè)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(shí)該社區(qū)內(nèi)還建有一個(gè)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(nèi)的所有商業(yè)設(shè)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(yùn)會(huì)結(jié)束后這里將會(huì)成為一個(gè)規(guī)劃入住1.2萬人的全新氫能街區(qū)。
（東京奧運(yùn)會(huì)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(gè)提出要構(gòu)建氫能社會(huì)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(jì)劃》，提出將氫氣的價(jià)格降到汽油價(jià)格的80%，努力尋求燃料電池的小型化并讓氫能源電池進(jìn)入到家電產(chǎn)品當(dāng)中。其中還有非常醒目的一項(xiàng)是讓氫能源真正走進(jìn)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(jià)格，也由當(dāng)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(jì)劃在2030年，讓氫能源燃料電池走進(jìn)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(shí)用發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的熱能來供應(yīng)暖氣和熱水，整體能源效率可達(dá)90%。
2020年東京奧運(yùn)會(huì)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(gè)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(zhuǎn)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(shè)備成本約為100萬日元，雖然遠(yuǎn)高于40萬日元的傳統(tǒng)家用燃?xì)庠O(shè)備，但是它平均每年能為住戶節(jié)省約6萬日元的電費(fèi)燃?xì)赓M(fèi)等。
（東京奧運(yùn)會(huì)選手村氫能應(yīng)用示意圖一）
（東京奧運(yùn)會(huì)選手村氫能應(yīng)用示意圖二）
全球氫能生活應(yīng)用嘗試
能源管理的可持續(xù)性
最近幾年全球多個(gè)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(yīng)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(xiàng)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(yīng)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(shù)和新穎靈活的能源管理系統(tǒng)則可以平衡生產(chǎn)和消費(fèi)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(dòng)。今年4月，來自英國的一份關(guān)于碳捕獲和儲存的報(bào)告表示，允許氫進(jìn)入天然氣網(wǎng)來替代住宅用燃料并在明年盡快實(shí)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?xì)忮仩t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(dá)到排放目標(biāo)，并有助于應(yīng)對氣候緊急狀況。
澳大利亞首個(gè)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(yīng)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(shè)備。
氫能建筑應(yīng)用
低碳轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)下的高效利用
氫能源及燃料電池在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用場景十分廣泛。在建筑領(lǐng)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(shè)施，也可結(jié)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(gè)能源轉(zhuǎn)換器，可以將一次能源直接轉(zhuǎn)化為電能和熱能，這種特性讓其能夠輕易地實(shí)現(xiàn)家用化，且綜合能效要高于集中式能源供應(yīng)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(jìn)行能源生產(chǎn)，在提供電能的同時(shí)也提供熱能，換句話說就是在滿足電力需求的同時(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(guān)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(nèi)燃機(jī)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(dāng)。
日本的ENE-FARM項(xiàng)目就是該系統(tǒng)和設(shè)想的一種實(shí)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(fēng)能等）發(fā)電系統(tǒng)相比，ENE-FARM不受天氣限制，可在任意時(shí)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(shí)應(yīng)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(jī)、松下、東芝三家。三家公司產(chǎn)品發(fā)電效率均可達(dá)40%，總效率高達(dá)90%以上，耐用時(shí)間超過8萬小時(shí)，啟動(dòng)時(shí)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(jī)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(shè)備。未來燃料電池分布式能源站能夠承擔(dān)終端用戶的能源需求，如果再把這個(gè)模式和電解氫結(jié)合起來，一個(gè)從能源生產(chǎn)到消費(fèi)的完整鏈條就出現(xiàn)了，真正實(shí)現(xiàn)氫能社會(huì)。
國際能源署（IEA）估計(jì)，與燃?xì)忮仩t和用于住宅能源供應(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)變生活能源，而是希望借助一個(gè)能源應(yīng)用的新場景，形成更持續(xù)高效、與能源安全關(guān)聯(lián)更大的空間。
