我们大约90%的时间都在室内度过，这意味着建筑物在我们的生活中扮演着至关重要的角色。然而，建筑物也产生了大量的碳排放。据国际能源署称，建筑物约占全球能源消耗的40%和二氧化碳排放量的33%。因此，提高建筑物的能源效率以减少其碳足迹和减轻气候变化的影响至关重要。
过去，人们在推动低碳乃至零碳建筑的过程中，基本都会将采用可再生能源做为减碳的重要技术手段，不过随着氢能技术的发展和成本降低，氢燃料正在成为实现零碳建筑的重要方法。
当前太阳能在建筑领域的短板
太阳能虽然是清洁和可再生的，但目前太阳能有严重的局限性。
在一年中大部分时间都有阳光的地区，太阳能理论上可以满足100%的能源需求。但它并不是在所有地区都可以复制的，例如纽约州布法罗这样的地方，每年平均有208个阴天。
此外，阳能目前还不容易长期、低成本储存，它必须立即使用或安装在昂贵的电池存储系统中。此外，需要大量的面板来产生有意义的电力，这也引发了空间限制和美学问题。
因此，虽然太阳能是解决方案的一部分，但它并不是建筑零碳、可持续能源的唯一解决方案。
零碳建筑的氢能解决方案
随着技术的日新月异，氢能正在成为未来零碳减少排放和实现可持续发展目标的可行方式之一。作为一种能源载体，氢的多功能性有助于克服其他可再生能源的局限性，并促进建筑的脱碳。
氢燃料电池等氢能解决方案的主要优势包括：
能源独立 – 从家庭到医院，由氢燃料电池供电的建筑物可以在电网外独立运行，即使在停电情况下也能提供可靠的电力供应。
零排放 – 蓝色和绿色氢气产生零排放副产品，提供了一种清洁能源替代品，远远优于目前可用的任何其他能源。
高能量密度 – 氢气具有高重量能量密度，使其在能量储存和运输方面特别有效，并且适用于重量很重要的应用。
电网灵活性 – 氢气可以在供应过剩时生产，在高需求或低可再生能源发电时消耗氢气，从而平衡电网运营。这种灵活性确保了电网保持稳定和供电稳定。
多功能性 – 在制造、建筑和物流等行业中，重型机械和运输通常依赖碳密集型燃料，氢气可以提供零排放替代品。氢燃料电池可以为从叉车到重型卡车的所有设备提供动力，从而减少运营排放和环境影响。
无摩擦替代方案 – 从化石燃料过渡到氢技术通常侵入性要小得多，成本也低得多。现有的天然气基础设施通常可以改造为氢气使用，燃料电池可以以最小的改动整合到现有结构中。这简化了过渡过程，并使氢气成为许多企业的有吸引力的选择。
氢氟碳化物的工业应用
氢氟碳化物在工业中最明显的用例是作为重要和远程设施或基础设施的备用电源。出于几个原因，电池备用电源似乎更自然。首先，HFC 的发电效率通常在 40% 到 60% 左右，而电池的存储效率在 85% 左右。此外，主电源中断与 HFC 产生足够的电力来支持设施之间通常存在滞后，这通常必须与电池电源桥接。此外，电池通常是一种更普遍、更易于理解的技术。
HFC 如何为手机信号塔供电的图表。来源：NREL
然而，对于耗电的应用或长时间的主电源停电，HFC 是一个重要的解决方案。首先，HFC备用储能和规模的适应性要强得多，因为增加总发电能力主要取决于供应氢源的能力。这可以是将工业气体输送到现场的、易于缩放的储罐，也可以采用通过电解在现场制氢的形式。与电池备用电源相比，HFC备用电源的空间要求和初始资本支出也大大降低。美国能源部发现，备用电源需求的预期持续时间是一个关键考虑因素，可能需要 12 小时或更长时间备用电源的应用更有利于 HFC 而不是电池。
如今，氢氟碳化物被用作数据中心和电信前哨站等的备用电源，这些设备以前依赖于化石燃料发电机。
氢氟碳化物也在常见的工业和制造过程中得到应用。氢氟碳化物非常适合煤矿开采作业，这些作业会释放大量甲烷作为废气。如果与气体回收和电解系统相结合，它将提供具有讽刺意味的能力，为采矿应用现场创造绿色能源。氢氟碳化物也被用于热电联产;也就是说，利用 HFC 产生的热能，对于像手机信号塔这样的东西来说，这些热能会被浪费掉。当以这种方式实施时，HFC效率接近85%，与电池相当。这显然可以支持工厂或设施的一般暖通空调需求，但也可以用来产生工艺蒸汽、增压和机械能。这还可以驱动吸收式冷水机组，以支持工业制冷需求。
最后，不要忽视氢氟碳化物为仓库和制造业中的大功率机器人和物料搬运车辆创造能量的能力。由于没有排放，但功率输出高，因此在自动导引车、机器人和协作机器人以及叉车中越来越多地发现它们。
氢氟碳化物的住宅应用
固定式燃料电池可能会成为住宅应用供暖的现实，尽管它们的价格很高。据估计，在家中安装氢燃料电池的成本从 35,000 美元到 100,000 美元甚至更高。
最近，一种利用太阳能产生的电力从周围空气中产生氢气的氢氟碳化物进入了消费市场。德国公司Home Power Solutions生产用于住宅的HFC，预计将处理3,000 kWh至6,000 kWh的电力需求。氢气罐需要 4m2 至 7m2 的空间，但可以放置在地下或车库中。在这个系统中，从太阳能电池板收集的能量用于制造氢燃料，这些氢燃料可以储存起来以备非高峰期使用。
家用HFC系统包含：
用于制氢的水处理系统和电解槽
用于将氢气转化为电能的燃料电池
容量为 17 kWh（净容量）的电池，用于短期存储
混合逆变器
带热回收功能的通风装置，可改善生活环境并缓解供暖压力
储氢罐安装在屋外。根据需求安装一到五个储氢装置。储罐的尺寸可单独调整，以便完全独立地满足个人用电需求。所有组件均由智能能源管理系统控制和监控。
通过扩展版的“Forester”，可以将多达9个HFC系统连接在一起。借助多系统，可以为中小型企业提供 100% 无二氧化碳的电力。例如，梅肯海姆的一家卫生和供暖公司用 5 个HFC系统获得了完全二氧化碳中和的电力。
德国Esslingen氢能小镇
德国南部巴登符腾堡州州府斯图加特边的Esslingen小镇在2019年开始打造为氢能小镇。该试验街区是以氢能供能为目标价值的试验街区。其核心是一个面向未来的整体能源概念，包括联网的能源系统和一个生产和使用绿色氢气的研究项目。
占地120,000平方米的新建筑区，包括450套公寓（外加办公和商业空间，以及埃斯林根应用科学大学的新大楼），正在作为一个 "气候中立 "区而建设。
该街区的核心是一个具有网络化能源系统的能源概念和一个生产和使用绿色氢气的研究项目。作为六个试点项目之一，该街区得到了约1200万欧元的支持，这是联邦经济和气候保护部（BMWK）"太阳能建筑/节能城市 "优先资助项目的一部分。该能源概念由三方共同规划、资助和实现--成立于2019年的Polarstern Erzeugungs GmbH、埃斯林根市和Norbert Fisch教授创办的绿色氢气埃斯林根有限公司。
EGS-plan工程公司的首席执行官帮助制定了整体的能源概念，并协调了建筑技术，包括氢气发电。该区是城市未来能源使用的典范和展示项目。每个居民在Esslingen生活和行动的二氧化碳排放量每年不到一吨。该能源中心自2021年底以来一直在试运行。
建筑屋顶上都装配了光伏系统。所产生的电力用于供应住户、电动汽车和电解氢
该项目与早期方法的不同之处在于这是从单个建筑到邻里的解决方案，即到一个系统的解决方案，其中电力、供暖、制冷和移动部门的耦合是一个目标。
与之前的组成部分（光伏、热泵、热气密性建筑围护结构、热分配网络）对比，新的组成部分是绿色氢气的生产和销售，它被输入天然气网络，未来将通过H2管道直接供应给工业和交通。
能源系统的核心是一个安装在街区地下的电解厂，它每天最多生产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。这是该项目的核心。
9.80米长的H2储罐被埋在地下
部分绿色电力来自于安装在各个建筑上的光伏系统（约为1.5兆瓦），这些建筑的太阳能利用率达到了最高。太阳能电力主要用于供应居民用电和电动汽车。剩余的电力（约20%至30%）用于电解，以生产绿色氢气。大约70%的氢气生产用电来自于本地的风力涡轮机。
根据BMWK在春季宣布的目标，光伏发电将从现在的60千兆瓦扩大到2030年的215千兆瓦。即使德国的电力消耗从现在的约550 TWh/a增加到2050年的1,000 TWh/a，在未来几十年内也会有大量的绿色电力剩余。
电解制氢设备是能源中心的亮点。它每天将剩余的可再生能源电力转化为大约400公斤的氢气。在政府的资助下，目前氢气的销售价格为每公斤8至9欧元。
工业和住宅氢氟碳化物面临的挑战
氢氟碳化物也可能在区域供热中发挥作用。在这种情况下，当地电力由大型氢氟碳化物提供——事实上，一些制造商目前提供的氢氟碳化物已经可以为 250 个家庭以及学校、医院和小企业供电。除了电气连接外，网络中的家庭还从同一来源接收热能。水在 HFC 中加热，并通过管道网络输送到家庭，可用于烹饪、洗澡或 HVAC。先前的研究表明，与分散式供暖相比，这种区域供暖技术为每个家庭或企业提供了更好的能源效率。
区域供热工作原理图。资料来源：Laura Toffetti，密度设计研究实验室/CC BY-SA 4.0
氢氟碳化物已经存在了一段时间，为什么它们还没有超过能源市场呢？从表面上看，氢气似乎是理想的燃料。按重量计算，氢气产生的能量是煤油的 2.5 倍，而且它的密度低于化石燃料，因此运输重量轻。通过仅产生水蒸气作为副产品，它似乎真的是一种绿色能源解决方案。
虽然氢气通常被认为是最清洁的燃料，但在氢气成为车辆和其他技术的主要燃料之前，还有其他问题需要克服。氢气的生产成本比汽油高，生产需要时间，而且是一种高度易燃的气体。目前，全球缺乏氢能基础设施，使得与氢燃料供应链相关的困难更加明显。
虽然氢燃料可以通过多种方式生产，但最常见的是使用电力。制造纯氢的第一步是通过电解将其与水中的氧气分离。因此，生产氢燃料需要大量的能源，所以如果这些能源是不可再生的，那么氢燃料就不是清洁能源。如果对氢氟碳化物进行生命周期碳评估，它们有时比化石燃料更差。
氢气的另一个问题是它是一种小分子，因此通过管道运输氢气可能会导致更多的泄漏。现有的管道基础设施不是为处理氢气而设计的，因此安装氢气管道基础设施的初始资本成本很高。
