Vol.03 建筑脱碳，为何找氢能

2015年12月

各国在《巴黎协定》中承诺

要求在本世纪中叶实现「碳中和」

本世纪末达到「争1.5保2」温控目标

迄今

全球已有140多个国家和地区

提出了自己的「碳中和」目标

在推动能源绿色转型的过程中

建筑与工业、电力、运输

被共同列入四大碳排放源

联合国环境规划署（UNEP）

和全球建筑联盟（GlobalABC）

联合发布《全球建筑与施工状况报告》指出

建筑行业的能源需求和排放量

占全球排放量的五分之一以上

该行业排放量每增加1%

相当于增加1000万辆汽车绕地球赤道运行

截至2022年底，建筑行业占全球运营能源

和流程相关二氧化碳排放量的37%

其能源消耗达到132艾焦耳

超过全球需求的三分之一

因此，要想达到碳中和目标

亟需利用氢能等可再生能源

进行传统化石能源替代

实现建筑物净零能耗和零碳排放

《中国氢能技术发展路线图研究》指出，在当前全国的终端能源消耗中，建筑部门约占20%。氢能主要通过两种途径帮助建筑部门脱碳，第一是天然气管道掺氢，在此过程中使用的清洁氢可以降低建筑部门用能的碳强度，依据目前的管网设施状况，掺氢的安全上限大约在20%。同时，由于上述应用仅需对天然气管网和终端用能设施进行微小的改造，故该途径在短期视角下具备较高的应用潜力。第二是建筑部门微型热电联供，长期来看，在相关设备技术成本降幅较大的前提下，该途径具备较高的应用潜力。据国际能源署等机构预测，至2060年，我国建筑部门氢能需求有望超过每天500万吨，主要以天然气掺混或直接燃烧的方式用于采暖炊事，同时带来8000万吨以上的碳减排量。

利用现有的天然气管道将氢气以一定体积比例（目前掺氢的安全上限大约在20%）掺入天然气之中形成一种新的混合气体（HCNG）进行输送，可供工厂、居民和商业用户直接使用；或将氢气经过分离提纯后供应至工厂、加氢站等地，掺氢过程中仅需对天然气管网和终端用能设施进行微小的改造，故该途径在短期视角下具备较高的应用潜力。

截至2019年初，据IEA数据显示，各国有37个示范项目正在研究天然气网络中掺氢。研究项目中包括通过天然气配送网络掺氢为家庭和企业供热可行性、测试天然气网络掺氢比例对天然气输配关键设备、材料、终端设备和电器的影响、掺氢天然气地下储存的技术和监测要求等。

中国氢能联盟研究院研究显示，目前世界许多国家已经逐步开展天然气管网掺氢项目示范，示范项目方面，国际上从2000年初开始相关的应用示范研究，欧盟、美国、日本、加拿大等均开展了掺氢示范。截至2022年底，全球共50多个示范工程，天然气掺氢比例一般为5%至30%，以不显著改变管道和终端燃烧设备为前提，20%是多数国家接受天然气管网最高掺氢比。2020年1月，英国首个向燃气中注入氢气以供家庭和企业使用的试点项目“HyDeploy”，通过一条中压天然气供应管线改道至一个安全的混合装置。混合装置中氢气将由电解槽产生，并与H₂GEU内的天然气混合，混合气体将返回至中压供应管线，然后通过现有的调节站输送至独立的低压供应家庭。该项目第一阶段向基尔大学现有的天然气网络注入高达20%的氢气，为100户家庭和30座教学楼提供混合氢燃料来进行日常取暖和烹饪。

我国以能源革命重大需求为牵引，系统布局了掺氢天然气高效利用技术研发。示范项目方面，示范项目以10%为主要掺氢比例，规模化掺氢输送最高达24%，多数项目处于设计规划阶段。2021年10月，国内首个民用富氢天然气应用示范项目——辽宁省朝阳市的富氢天然气应用示范项目投入运行，该示范项目安装了广东万和新电气股份有限公司研制的富氢天然气型家用燃气快速热水器、燃气采暖热水炉、燃气灶具等三个型号产品，可适应氢气混合比例为0-20%的氢气/天然气混合燃气，示范过程中使用掺氢比例为10%的掺氢天然气；2023年4月，宁夏银川宁东天然气掺氢管道示范平台，397公里长的天然气管线掺氢比例已逐步达到24%，经过了100天的测试运行，整体运行安全稳定，创造了国内外天然气管道掺氢输送的新纪录；2024年11月，国内首条掺氢高压输气管道工程包头-临河输气管道工程在巴彦淖尔市临河区成功通气，全长258公里，设计压力为6.3兆帕，最大输气能力可达每年12亿标方，可实现最高掺氢比例10%。

图丨氢燃料电池热电联供示意图

日本是全球微型分布式热电联供系统最大的市场。据日本政府内阁府2017年报道，日本家用燃料电池Ene-Farm项目是当时世界上最大的微型燃料电池分布式电站示范项目，项目始于2009年，该系统采用热电联产模式，目前系统综合效率超过95%，700瓦功率可基本满足一般家庭60%-90%的用电。该项目从前期研发到示范推广，获得了日本政府的大力支持。

图丨日本Ene-farm项目示意图

除了家用微型系统外，日本也开始启动燃料电池热电联产系统在商业建筑领域的应用推广步伐。2018年底，松下发布了基于PEMFC的5千瓦氢燃料电池发电系统，电效率为57%。东芝推出了H2Rex系列系统，从700瓦-3.5千瓦-100千瓦（使用多个3.5千瓦模块），用于零售店和酒店等小型商业应用。2019年6月，日本三浦株式会社宣布，将于10月推出与英国CeresPower合作开发针对商业建筑领域的4.2千瓦热电联产产品FC5B，其发电效率为50%，热电联产效率为90%。

2024年10月25日，韩国蔚山市北区律东区的With You公寓“氢能示范城市开发项目”竣工，标志着全球首个无碳排放住宅小区投入使用。该项目利用氢燃料发电所产生的热量为公寓供能，减少温室气体排放。蔚山小区中用的氢气为副产氢，来源于附近工业园区的炼油厂、石化和钢铁公司，通过专用管道输送至公寓附近的氢燃料电池热电联产站。该电厂每小时发电1.32兆瓦，足以满足四户家庭一个月的用电需求。据韩国《电力事业法》，氢气发电产生的电力必须出售给韩国电力公司（KEPCO），但副产的热能则直接用于With You公寓437户的热水和采暖供应。

2019年，德国南部巴登符腾堡州州府斯图加特边的埃斯林根市开始打造氢能小镇。该试验街区是以氢能供能为目标价值的试验街区。项目的能源系统核心是一个安装在街区地下的电解厂，每天最多生产400公斤氢气或每年80吨。该项目的独特之处在于，电解过程中产生的热量被用来向周围建筑提供温度约为65摄氏度的热量，这大概占绿色电力所提供热量的30%。电解氢的利用率通常为60%至65%左右，计划将提高到80%至85%左右。

此外，德国埃斯林根市新韦斯特城预计在2025年前在占地面积12公顷的场地上建成配备大型供能系统的住宅、办公和商业建筑群。该建筑群中的屋顶光伏系统的富余电力（峰值达1700千瓦）将输送至电解槽电解制氢，氢气向建筑、运输以及工业等供应；氢气可在建造的热电联产工厂中产电或并入天然气网燃烧使用，由于建筑尺度较大，配备了1兆瓦的电解槽，其运行产生的废热可向周围建筑群提供热量，生产的氢气还可输入城市天然气电网。

近年来，我国燃料电池热电联供已实现了小规模示范应用，有关项目也在稳步推进中。2020年12月，北京大兴氢能示范园实现国内首个燃料电池热电联产示范项目。该项目采用了铧德氢能源科技5千瓦氢燃料电池热电联产示范系统，这套系统采用质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术，具有技术成熟度高、启停灵活等优势，电效率达37%，热效率达57%，综合效率达94%。2024年1月，由北京热力投资的北京首个氢能供热示范项目在石景山区投用，该项目选配2台85千瓦的氢能供热机组，利用安全有机液储运氢技术，用于加热现状二次管网回水，作为补充热源与原有燃气锅炉联合工作，系统综合COP为1.5。脱氢系统用催化方式将氢从含氢有机液中释放出，以氢能为驱动能源，可同时利用氢燃料电池产生的电能和热能。整个过程无氢气存储，无特种设备，安全高效。该项目采用氢能供热系统设备后，实现等效供热5000平米，每年可减少燃气消耗4万标方，二氧化碳减排量80吨。

实现“双碳”目标，发展氢能是重要途径之一。为此，在2021年，中华人民共和国科学技术部综合考虑氢能技术、产业和资源等各方面因素组织实施了“氢进万家”科技示范工程。

图丨广东省佛山市南海区丹灶镇丹青苑

图丨广东省深圳市城镇燃气掺氢综合实验平台流程图

图丨埃及福布斯国际大厦

图丨氢能利用系统Hydro Q-BiC运行示意图

图丨氢能利用系统Hydro Q-BiC在棱镜大厦的应用示意图

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图文来源于中国氢能联盟及网络等公开渠道

编辑丨庄婉喆

责编丨卢常佳

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