低碳建筑氢能利用研究进展

摘要

在建筑领域应用可再生能源可以大大降低建筑碳排放，但由于可再生能源的供应呈间歇性，无法满足建筑全时段的用能需求。建筑氢能利用系统通过可再生能源发电、电解水制氢、储氢以及燃料电池发电等环节可以实现可再生能源的储存和再利用，是低碳建筑应对可再生能源间歇性问题的有效途径。近年来，国内外对氢能应用于建筑中的形式开展了大量研究，本文对国内外氢能应用于建筑的背景、利用形式和面临问题等方面进行综述。首先，梳理了氢能从制取到建筑应用的各个环节，总结了目前主流的制氢、储运氢和建筑用氢的方式及其未来发展趋势。结果显示：可再生能源电解水制氢由于尚处于发展初期，因此占氢能制取方式的比例很小，但随着风光发电生产成本和远距离储运氢成本的进一步降低，可再生能源电解制氢可能是未来制氢主要方式之一；质子交换膜电解槽在消纳波动性和随机性较大的风电、光伏方面有良好的应用；液氢车船输送、纯氢管道及天然气掺氢管道输送可能为未来氢能输运的主要方式；目前建筑用氢方式包括天然气掺氢、纯氢、转换为甲烷使用以及供氢燃料电池热电联供。其次，综述了目前建筑氢能利用系统的具体形式，包括光储氢系统与光热系统、地源热泵系统、氢燃料汽车、蓄电池和化石燃料系统结合使用模式，对系统的组成、运行策略等进行了梳理。搜集整理了目前国内外氢能应用于建筑的实际案例，包含住宅建筑、办公建筑、建筑群以及社区等，并对部分典型案例展开描述，总结了各案例中氢能利用的模式以及关键参数。对比了光伏发电制氢、储运氢、氢燃料电池的成本。结果显示：光伏制氢成本虽然距离焦炉煤气制氢尚有差距，但与天然气重整制氢、甲醇制氢、氨分解制氢方式相比已有一定的竞争力；如果从碳排放的角度进行考虑，光伏制氢相较于焦炉煤气制氢在未来有明显优势；目前中国氢能相关设备系统多为依赖进口，高成本氢燃料电池是阻碍氢能推广的关键因素之一。最后，对中国氢能应用于建筑的问题进行了探讨，并总结了建筑氢能利用的发展方向，包括：对于不同储能系统如何匹配不同场景下的建筑负荷特征；对氢能系统应用于建筑的综合效果进行评价；可再生能源发电制氢、氢燃料电池、热电联供等关键技术的进一步突破以降低氢能利用成本等。研究结果可为氢能在中国建筑领域的推广应用提供参考。

关键词

碳中和 / 低碳建筑 / 可再生能源 / 氢储能 / 绿氢