氫能及燃料電池系列
有人將2018年定義為中國氫能發展的元年，在這一年，氫能一天比一天火熱，從行業圈內默默的發展，漸漸走近大眾的視野，被譽為21世紀最有前景的替代能源，各大企業也都扎堆進入氫能行業，氫能項目也火熱得千金難求。如果不瞭解點氫能以及相關技術的知識，可能已經跟不上整個能源行業的發展，交能網借鑑各類文獻，結合自身在德國亞琛工大的專業研究，希望從各個環節分別介紹氫能及其相關技術、應用及其發展現狀，希望讀者對氫能產業有個初步的瞭解。
燃料電池雖然名稱中有電池兩字，但是其實它更像一個能源轉換器，可以將一次能源直接轉化為電能和熱能，且設備的功率可以在一個很大的範圍內波動。這種特性讓其能夠輕易地實現家用化，且綜合能效要高於集中式地能源供應方案。
假設同樣以天然氣作為一次能源，通過傳統的熱電廠集中式和燃料電池分佈式發電與供熱的綜合效率差距非常大。即使現代的發電廠的發電效率已經可以超過60%，且通過熱電聯產的綜合熱效率也能超過85%，但是熱力的遠距離運輸導致用戶端的一次能源熱效率將低於70%。
家用熱電聯供系統
反觀家用熱電聯產系統，一次能源直接在用戶端進行能源生產，燃料電池解決了燃機小型化程度有限的問題而能夠完美地作為家用能源站的核心設備。該系統的整體熱效率高於85%，遠遠大於集中式生產的50%終端熱效率。
這一方案構想其實已經在日本得到了實現。2009年，由日本東京燃氣公司與松下集團共同研發的ENE-FARM項目正式投入大範圍商業實施，目前可以說是世界上最為成功的燃料電池商業化項目。截止2015年，該項目已經累計部署了超過120000套家用燃料電池設備，證明了長期的公私合作關係可以促進新技術的商業化。這些燃料電池被安裝在公寓以及普通住宅內，由公寓開發商選擇安裝與否，並且有其他附件應用用途可供選擇。新型的燃料電池可以不依賴電網獨立運行，這對多災多難的日本極為重要。
ENE-FARM項目發展路線圖
ENE-FARM項目的成功依賴於企業、政府和工業界的通力配合。在1999年開啟基礎研究後，政府看中了這個模式對於能源資源匱乏的日本的巨大作用，能效的提升不僅降低了一次能源消耗，獨立的能源系統也能增加系統的穩定性和安全性。為了促進這一模式的落地，日本政府首先投入大量的資金來支持關鍵技術的攻關，在產品出現後，首相官邸還率先安轉這一設備，為這個模式站臺.
在2009年產品推廣前夕，日本政府同意每套燃料電池補貼140萬日元或者製造成本的一半，並做出補貼多年的承諾。雖然每套設備的補貼力度下降，但是總的補貼預算不斷升高。在2009年大約安裝了2300套燃料電池設備，現在這個數字已經慢慢增長至超過12000套，而每套設備的補貼則降至了500000至600000日元。而從2012年開始銷售量差不多翻倍。2015年ENE-FARM的補貼金額達到了222億日元，這一輪補貼到2016年年底已經結束。
政策補貼不僅幫助這一模式的快速推廣，還成功地資助了製造企業的科研和擴大生產。在這些因素的促進下，ENE-FARM價格的逐步下跌，這讓ENE-FARM成功渡過了補貼退場下的艱難時期。即使在補貼停止後，2016年4月-2017年3月（2016年度），日本還新增4.2萬臺ENE-FARM，新增數量約與2015年度持平，累計安裝臺數則達19.6萬臺，其中又以價格較低、重新啟動時間較短的PEFC（固體高分子型燃料電池）機種所佔比重較高。
日本ENE-FARM年度裝機數量
那麼這個最成功的燃料電池商業化項目的設備究竟是怎麼樣的呢？其本質是一個家用小型熱電聯產設備。該設備利用天然氣作為燃料來源，注入燃料電池中發電，再用發電時產生的熱能來供應暖氣和熱水，整體能源效率能超過90%。系統運行過程如下圖：
ENE-FARM 系統示意圖
這其中的關鍵設備自然是燃料電池，目前這個項目用的燃料電池主要有這三種：
ENE-FARM項目主要燃料電池型號
2015年，松下還推出了新款的燃料電池，其續航能力大幅提升，即便在電力供應中斷後，仍能持續發電約8天（約合192小時），相比09年4月份推向市場的“ENE-FARM”，續航提升了約96小時。
松下官方稱使用這款設備能夠減少37%的能量消耗和減少49%的二氧化碳排放。同時使用壽命還大幅提升，它的工作壽命為60000小時，比它的前輩長20％。在性能增強的同時，其售價反而從280萬日元降低到了200萬日元。日本的成功實踐說明，在未來的氫能社會中，燃料電池分佈式能源站能夠承擔終端用戶的能源需求。如果我們把這個模式和電解氫結合起來，一個從能源生產到消費的完整鏈條就出現了。想象在未來的某一天，由遠處風電場發出的電力直接當地電解轉化為氫氣，氫氣通過管道輸送到一個沒有任何外接電網的家庭。氫氣再通過小型化的分佈式燃料電池能源站為這個家庭提供電力和熱力。在公寓式高層建築集中的城市裡，屋頂資源十分珍貴，可再生能源難以承擔能源供應的重任，這種小型的能源站則是更好的解決方案。
我國當前燃料電池分佈式能源站系統還未普及，在大家爭搶上游產業和交通領域而不可開交時，何不關注下這個潛力巨大的藍海呢？
【參考文獻】
【1】《Technology Roadmap Hydrogen andFuelCells》，iea
【2】Latest Developments in the Ene-Farm Scheme，http://www.fuelcelltoday.com/analysis/analyst-views/2013/13-02-27-latest-developments-in-the-ene-farm-scheme
【3】 日本家用燃料電池熱電聯供系統(ENE-FARM)發展現狀及前景展望，重塑未來公眾號
頭條推送：張佳琪
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