专家眼中的氢（氢气将如何走进你我的生活）

现代住宅主要依赖电和天然气供应能量来满足我们日常生活的需求。上期氢奇氢趣，我们为大家介绍了氢气作为能量载体弥补太阳能间歇性，实现离网建筑全年不间断供能的范例。在其相应的能量系统中，氢气作为能量载体保存富余太阳能，并在太阳能不足的时候通过氢燃料电池技术为房屋提供电能。那么，除了清洁发电外，氢气又能否替代天然气在我们生活中扮演的角色呢？可能的话，氢气将如何作为一种燃料取代天然气呢？本期氢奇氢趣，我们将带大家探寻答案。

替代天然气？

天然气是我们家居生活中最常用到的燃料，它满足了我们日常生活的很多需求，如取暖、热水、烹饪等。天然气的主要成分是甲烷，它本身是一种温室效应显著的气体。同时，天然气燃烧产生大量的二氧化碳，也导致了显著的碳排放。在全球碳中和的目标下，实现氢气对天然气的替代对碳减排具有重要的意义。

天然气与氢气

氢气，作为一种燃料，具有燃烧热值高以及清洁无碳排放等优点。然而，与天然气相比，氢气具有明显更高的火焰速度、更大的可燃范围并且可能在更高的温度下燃烧。这些特性都对其相应燃气装置的设计提出了重大的工程挑战。另一个关键的技术问题则是火焰故障装置（FFD），该装置用于检测火焰的存在，并在火焰熄灭后关闭气体供应。此外，由于氢气的燃烧特性不同，诸如管道、热交换器和气体阀门等部件将需要重新开发。然而，从天然气到氢气转变过程中的诸多问题无法阻挡科技的步伐以及全球各国脱碳的决心。在世界各地，人们都在进行着从混氢天然气输氢到相应燃气装置设计等多个环节的尝试并开启了多种示范项目。从用户端来看，在氢能的未来，我们在日常生活中将如何与氢气相处，氢气将扮演怎样的角色呢？

英国——开放氢能住宅

位于英国 Gateshead, Low Thornley的这座氢能住宅似乎给出了一些答案，它由两座半独立式住宅组成，是由天然气分销商Cadent和Northern Gas Networks（NGN）以及政府的商业、能源和工业策略部（BEIS）合作建造的，旨在为公众提供未来零排放住宅的体验。该住宅已于2021年7月15日对外开放。

位于英国 Gateshead, Low Thornley的氢能住宅

氢能住宅将首次让公众真实体验以氢气为燃料的未来，使他们能够与一系列100%以氢气为燃料的家用设施（燃气壁挂炉、灶具、火炉等）互动。在开放期间，该氢能住宅将轮流陈列来自不同生产商的家用设施，并寻求用户的体验反馈。接下来，我们就带大家来看几种氢能家用产品。

氢能燃气壁挂炉

如其所言，氢气燃气壁挂炉是一种燃烧氢气的锅炉。它的工作方式与天然气锅炉非常相似，通过燃烧气体，进而产生可用于加热水的热烟气。热水可以供家庭直接使用或泵送至暖气装置为家庭供暖。由于氢气是一种比甲烷更稀薄的气体，锅炉的某些部分包括火焰检测器和燃烧器等可能略有不同，但它们的工作方式大致相同。

氢能燃气壁挂炉内部构造示例

在英国的这座氢能住宅中，运行着来自Baxi Heating 和 Worcester Bosch的氢能燃气壁挂炉。它们采用了与目前市场上传统燃气壁挂炉相同的外壳设计，这意味着它们与传统燃气壁挂炉拥有相同的尺寸和形状，并使用相同的控制器。开启开关时，氢能燃气壁挂炉以熟悉的声音启动，并在几分钟内使暖气装置开始制热，提供我们习以为常的传统天然气壁挂炉所能提供的即时热量。而在用户终端，我们并不需要做出什么改变。

Worcester Bosch与Baxi Heating 氢能燃气壁挂炉

当然，除以上提到的两家公司外，也有多个制造商，包括Vaillant、Ideal Heating以及Viessmann等，也在致力于研发氢能燃气壁挂炉。

Vaillant氢能燃气壁挂炉

氢能炉具

氢能住宅里也展示了一套来自Belling and Stoves的炉具，包括炉灶和烤箱。同样地，该套炉具与我们目前日常用的天然气炉具看起来并无不同。

Belling and Stoves氢能炉具

而在工作过程中，这套炉具与传统天然气炉具的不同之处在于：

1）火焰颜色：我们习惯于天然气的蓝色火焰，而橙色或黄色的火焰是一个不好的信号，表明燃烧效率低，碳排放高。然而，未来健康安全的氢气火焰将是明朗的黄色/橙色。

2）火焰侧面温度：天然气火焰四周都很热，而氢气火焰的侧面明显较为凉爽。这是由于氢气比天然气上升得更快，辐射热更小，因此氢气火焰向周围散发的热量更少，更多的热量能传至厨具内。

氢能炉具用于烧水

氢能炉具用于炒菜

此外，炉具还配备了安全功能，如当燃烧器意外打开时，灶台上会有LED指示灯显示。氢气是天然无味的，但与天然气一样，如果供应给公众家庭，会在其中加入一种气味，以便用户发现泄漏。当然，目前也有家用的氢气探测器正在开发过程中，相信在未来能够提供更安全的保障。

其实，在此前，瑞士联邦材料科学与技术实验室（EMPA）就开发了一个氢能炉灶，与上述氢能住宅中炉具不同的是，该炉灶的外观更像一个电磁炉。

EMPA氢能炉灶

该炉灶利用氢气催化燃烧所产生的热量工作。催化氢气燃烧是一种涉及异质催化剂的全氧化反应，它非常适用于需要避免火焰的应用场景。在EMPA的氢能炉灶中，高度多孔的SiC板上涂有铂金作为氢气催化燃烧催化剂。通过这种结构设计，可以从多孔SiC板的底部提供氢气，从顶部提供空气。燃料和氧化剂只在多孔的燃烧区混合以防止不受控制的燃烧的发生。

EMPA氢能炉灶构造原理示意图

氢能壁炉

在这座氢能住宅中，还安装了一个来自Gazco的氢能壁炉。除了点火时"吱吱啪啪"的声音外，氢能壁炉的外观和体验与天然气壁炉并无不同。这个原型壁炉用温暖的橙色光芒照亮了房间，并且能够迅速释放大量的热量，温暖它所在的房间。

Gazco氢能壁炉

同时，为了保证氢气使用的安全性，该氢能住宅还安装了Fastsense公司生产的氢气传感器。它的工作原理类似于一氧化碳报警器，用于检测氢气泄漏。但与一氧化碳报警器不同的是，氢气传感器必须安装在天花板上，因为氢气极轻，会飘至室内空间的最上方。

整体体验

这座氢能住宅的参观者表示：“氢能住宅内的体验与任何其他现代住宅十分相似。氢能设施的外观和操作与我们目前拥有的天然气设备并无不同。” 这也说明，随着技术的进步，家用燃料从天然气到氢气的转换虽翻天覆地，但作为用户端的我们并不需要做出太多行为或习惯上的改变。

住宅内部构造

住宅内部构造

住宅内部构造

结语

本期氢奇氢趣，我们介绍了在英国这座对外开放的氢能住宅中，供公众体验的几款氢能家用产品及一些相关的产品。事实上，除了本期提到的公司及其相应的产品外，世界各国还有很多公司致力于各行各业的脱碳化，我们将在未来的氢奇氢趣板块陆续为大家介绍。

本文参考信息及图片来源：

https://cadentgas.com/news-media/news/july-2021/first-hydrogen-homes-open-to-the-public

https://www.viessmann.co.uk/heating-advice/how-do-hydrogen-boilers-work

https://www.which.co.uk/news/2021/11/hydrogen-boilers-and-other-appliances-what-are-they-like-to-use/

https://www.youtube.com/watch?v=-FW2eg7Tf7I

https://www.youtube.com/watch?v=eO3lzIxCbQA

https://www.vaillant-group.com/stories-en/green-light-for-hydrogen/

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