氢经济

氢经济（hydrogen economy）是一总称，用来描述使用氢气与低碳电力，共同发挥作用以减少温室气体排放的作为。目的是在暂且尚无法有更便宜、更节能的清洁解决方案情况下减少排放。在此背景下，氢经济包括氢的生产及使用，以有助于逐步淘汰化石燃料和进行气候变化缓解。
生产氢气的方式有几种。目前全球生产的绝大多数氢气都是"灰氢（grey hydrogen）"- 将天然气中的甲烷经过高温蒸汽重整 (SMR) 制成。蒸气重整过程所排放的温室气体占2021年全球总量的1.8%。而低碳氢气中的"蓝氢（blue hydrogen）"是使用蒸气重整法制成，但附设有碳捕集与封存（CCS）设施以消除排放，或是"绿氢（green hydrogen）" - 使用再生能源产生的电力将水电解而得，两者目前所生产的氢气在总产量中只有不到1%的占比。每年全球生产的1亿吨氢气几乎全部用于炼油（于2021年的占比为43%）和工业（57%），后者主要用于制造氨（再制成化肥）和甲醇。 
人们普遍设想要缓解气候变化，在未来的氢经济中必须以低碳氢气取代灰氢。而截至2024年，尚不清楚何时可生产足够的低碳氢气来逐步淘汰所有灰氢。氢气于未来的最终用途可能是在重工业（例如与高温工艺一起运作的电力、生产绿氨和有机化学品原料及在炼钢方面取代焦炭）、长途运输（例如航运、航空和较小规模的重型卡车）和长期储能方面。氢气在未来不大会应用在轻型车辆和建筑物供暖等应用，主要是出于经济和环境的考量。但氢气在储存、管道运输和使用方面都具挑战性 - 因为它具有甚易发生爆炸，有安全上的顾虑，且使用效率远较直接使用电力为低。由于目前可用的低碳氢气相对较少，可将其运用在较难脱碳的应用中，来最大限度提高气候效益。 
截至2023年，用到氢气的几种化学制程（例如制造化肥所需的氨气）还没真正的替代品。低碳和零碳氢气的成本可能会影响其在化学原料、长途航空和航运以及长期能源储存的使用程度。低碳和零碳氢气的生产成本正在演化中。未来成本可能受到碳税、能源地理和地缘政治因素、能源价格、技术及其原材料需求的影响。随著时间，生产绿氢的成本可能会发生最大程度的降幅。
史上与当代理念.
起源.
英国出生的遗传学家和进化生物学家约翰·伯顿·桑德森·霍尔丹于1923年提出使用氢气作为主要储能方式的概念。他预测英国用于发电的煤碳储备即将枯竭，而提出建立风力发电机网络的构想，所生产的电力用来电解水，产生氢气和氧气，实现长期储存能量，以解决风能发电固有的间歇性问题。而"氢经济"这个名词是由化学教授于1970年在通用汽车 (GM) 技术中心发表演讲时提出。博克里斯认为在氢经济中，以核能和太阳能发电产生的氢能作为，用在不适于电气化的应用，有助于处理人们对化石燃料枯竭和环境污染日益增长的担忧。
密西根大学建议采用氢经济以处理使用碳氢化合物燃料的一些负面影响 - 碳（如二氧化碳、一氧化碳、未完全燃烧的碳氢化合物等）被释放进入大气。现代对氢经济的兴趣通常可追溯到密西根大学的教授于1970年发表的技术报告，他呼应博克里斯解决能源安全和环境挑战的双重理念。但琼斯只关注使用核电作为电解用能源，且主要关注氢气在运输中的应用，首要是用于航空和重型货物运输，与霍尔丹和博克里斯两人的著重点并不相同。
之后演进.
于2000年代，由于对氢经济概念的关注骤增，而被一些对能源替代技术批评者和支持者多次描述为炒作（参见书籍《》），于此的投资者在经济泡沫中曾蒙受损失。人们对这种能源载体的兴趣在2010年代重新兴起，特别是当氢能委员会（由92家领先的能源、运输、工业和投资公司执行全球CEO领导的计划）于2017年创立。几家车厂已开始贩售氢燃料电池汽车，其中丰田汽车、现代汽车等公司以及中国业界都计划在未来十年将此类汽车的销售数量大幅增加。
氢气在全球汽车中的角色较先前的预期有缩小趋势。截至2022年底，全球仅售出70,200辆氢动力汽车，而充电式电动车辆的销量为2,600万辆。
2020年代初期的氢经济强调电力和氢气的互补性，以及使用电解作为主要制氢工艺，与早期观点雷同。拥护者将重点放在将全球升温限制在1.5°C的必要性，并优先考虑将绿氢的生产、运输和使用放在重工业（如与电力共同用于高温制程、作为绿氨和有机化学的原料及替代炼钢时所用的焦炭），长途运输（例如航运、航空和较小程度上的重型卡车）以及长期储存能源的用途。
目前氢气市场.
于2022年，全球氢气产量价值超过1,550亿美元，预计将以每年高于9%的成长率持续到到2030年。
于2021年，全球分子氢 (H2)的产量有9,400万公吨。其中大约六分之一是石化产业生产流程中的副产品。大多数的氢气由专用设施生产，其中99%以上从化石燃料中产出，主要透过天然气蒸气重整（70%）和煤气化（30%，且几乎全在中国生产）。只有低于1%的专用氢气生产是低碳的：于化石燃料蒸气重整中附设有CCS设施、透过电解生产绿氢以及透过生物质生产。全球于2021年生产氢气过程所产生的二氧化碳排放量为9.15亿吨，占能源相关二氧化碳排放量的2.5%，占全球温室气体排放量的1.8%。
目前市面上生产的氢气几乎全部用于炼油（2021年为4千万吨）和工业用途（5.4千万吨）。在炼油过程中，氢气被用于一种称为"加氢裂化反应"的程序，将重质石油原料转化成更轻的馏分，以便用作燃料。工业用途主要用于制造合成肥料所用的氨（2021年为3.4千万吨）、甲醇（1.5千万吨）和直接还原铁（又称海绵铁，5百万吨）。
生产.
本节摘自。
生产氢气有几种工业法可用。目前世界上几乎所有的氢气供应均由化石燃料产出。在此过程中，高温蒸气和天然气的主要成分 - 甲烷 - 之间发生化学反应而产生氢气。利用此过程生产一吨氢气会排放6.6–9.3吨二氧化碳。如果在过程中利用CCS技术，将大部分碳排放清除时，所得的氢气即称为蓝氢。
经由再生电力将水电解，所生产的氢气称为绿氢。较少数的定义会将来自其他低排放来源（例如生物质）的氢气也纳入绿氢范畴。目前生产绿氢的成本比生产灰氢更高，前者的能量转换效率本来就低。其他氢气生产方法包括生物质气化、甲烷热裂解和开采埋藏于地下的。
截至2023年，不到1%的专用氢气生产是来自低碳工艺，即蓝氢、绿氢和生物质所产的氢。
用途.
氢气可透过两种不同的方式用作燃料：用于燃料电池中产生电力，以及透过燃烧产生热量。当燃料电池消耗氢气时，唯一的排放物是水气。燃烧氢气时会排放有害的氮氧化物。
工业.
在限制全球暖化的背景下，低碳氢气（特别是绿氢）很有可能在脱碳产业中发挥重要作用。氢燃料可产生钢铁、水泥、玻璃和化学品工业过程所需的高热，与其他技术（例如炼钢电弧炉）共同促进工业脱碳。但氢气可在氨和有机化学品的清洁生产方面发挥更大的作用。 
使用低碳氢气来减少温室气体排放的必要性有可能重塑工业活动的地理格局，因为具有适当氢气生产潜力的地点将以新的方式与物流基础设施、原材料可用性、人力和技术资本相互作用。
交通运输.
对氢经济概念的大部分兴趣都集中在氢能载具，特别是飞机上。氢能载具产生的区域性空气污染明显少于传统车辆。到2050年，交通运输的能源需求可能有20%至30%由氢气和合成燃料提供。
使用氨和甲醇等氢衍生合成燃料（如绿氨及绿甲醇）以及燃料电池技术于交通运输，可能会在航运、航空以及较小程度的重型卡车中发挥最大的应用。氢已在燃料电池公车中使用多年。它也用作太空飞行器推进的燃料。
在国际能源署（IEA）提出的2022年净零排放情境 (NZE) 中，预计到2050年，氢气将占铁路能源需求的2%，而届时90%的铁路旅行预计均将电气化（目前为45%）。氢在铁路运输中的作用可能会集中在电气化困难，或成本高昂的线路上。 NZE预计到2050年，氢气能满足重型卡车能源需求的约30%，主要用于长途重型货运（电池动力约占60%）。
氢气可作为经改装后内燃机的燃料，但燃料电池经由电化学产生电力，比热力机具更有效率优势。而燃料电池的生产成本比一般内燃机更高，也比内燃机需要更高纯度的氢燃料。
截至2022年底，全球在轻型道路车辆领域（包括乘用车在内）已售出70,200辆燃料电池电动车，而充电式电动车辆为2,600万辆。随著电动车以及相关电池技术和基础设施迅速崛起，氢气在汽车中的作用相对上已很微小。
平衡能源系统与储能.
来自水电解的绿氢有可能解决再生能源所具间歇性的问题。生产绿氢既可充分利用超额生产再生电力的问题，又可以能源载体的形式长期储存，以在再生电力低产量期间用于发电。
氨.
能替代气态氢作为能源载体的是氨（将氢与空气中的氮结合而成）。氨容易液化、运输和（直接或间接）作为清洁燃料。但氨的缺点有毒性高、将氮气（N2）和氢气（H2）合成为氨气（NH3）的能源效率低下，以及将NH3转化为N2时，并未分解的微量NH3会导致质子交换膜燃料电池中毒（导致电池性能下降及电池寿命缩短）。
建筑物.
天然气供应链中的许多行业团体（天然气网路、燃气锅炉制造商）正推广用于空间和水加热的燃氢锅炉，以及用于烹饪的炉具，以减少住宅和商业建筑中的二氧化碳排放。其主张是目前天然气的最终用户可等待现有天然气管道转换为适于输送氢气，消费者不需做任何事，仅更换加热用具和炉具即可。
对32项非关商业利益的氢气用于建筑物供暖的研究所进行的审查，结果发现与区域供暖网络、电气化供暖（主要是透过热泵）和烹饪、使用太阳能热水器、废热以及安装节能措施以降低供暖需求相比，氢气在经济性和气候效益方面通常都远不如这些方法。由于生产氢气效率低下，使用蓝氢取代天然气供暖可能需用到三倍的甲烷，而使用绿氢则需用到两到三倍热泵所需的电力。将热泵与氢气锅炉结合，可在住宅供暖领域发挥作用，不然升级输电网路以满足高峰电力需求的成本将会很高。
虽然氢气的利基作用在特定环境和地区可能适合，但广泛使用氢为建筑物供暖将带来更高的能源成本、更高的供暖成本和更高的环境影响。如果在建筑物中部署及使用氢气，会把工业和交通运输中本来已取得不易，可供脱碳应用的氢气成本提高。
生物合成天然气.
截至2019年，虽然在技术上可透过萨巴捷反应从生物能源中的氢气和二氧化碳生产合成天然气（bio-SNG），并配属碳补集与封存设备（两者联合简称BECCS），但会受可用的永续生物能源数量的限制，任何生物合成天然气的产量大约仅足以供生产之用。
安全性.
氢气对人类具有许多安全上的风险 - 与空气混合时可能会发生爆炸和火灾、吸入纯氢会导致窒息、液态氢是一种低温液体，具有与极度寒冷的液体相关的危险（例如冻伤），及氢气会渗入许多金属中，除可能发生泄漏之外，还会造成氢脆等问题，导致裂缝发生与爆炸。 
氢气即使与普通空气少量混合也极易燃烧。氢气和空气的体积比在低至4%的混合就可能发生点燃。此外，氢气燃烧的火焰虽然温度极高，但几乎难以肉眼察觉，因此容易造成意外烧伤。
氢气基础设施.
本节摘自氢气基础设施。
氢气基础设施包含有氢气输送管道、场址和用于分配以及销售氢燃料的加氢站，这些是能成功导入氢经济的先决条件。
氢气基础设施主要由工业氢气输送管道和加氢站组成。未连结氢气输送管的加氢站将透过氢气罐、、、液氢罐车或现场专用生产设备取得供应。
管道是长距离运输氢气最便宜的方式。在大型炼油厂中必然有氢气管道存在，氢气被用于裂解原油，成为燃料。 IEA建议利用现有工业港口进行氢气生产，利用现有天然气管道进行输送，以及进行国际合作和运输。
截至2019年，缺乏国际性电网连结的韩国和日本正进行氢经济投资。日本于2020年3月启用，号称是全球最大的氢气生产设施。整个厂地大部分布满太阳能光电面板阵列，所生产的电力，加上来自电网的电力，用于电解水来生产氢燃料。
储存.
本节摘录自储氢。
储存氢气的方法有几种 - 包括机械式，例如使用高压和低温，或制成依需要再释放氢气的化合物。虽然有不同行业生产大量氢气，但大部分均供现场使用，特别是用于氨的合成。氢气多年来一直以压缩气体或低温液体的形式储存，并利用钢瓶、管道和低温储罐运输，用于工业，或作为太空火箭的推进剂。由于氢气的沸点非常低（约为−252.882°C或−423.188°F）。要达到如此的低温需要使用大量能量。
分子氢（H2）在质量上具有非常高的能量密度（部分原因是其莫耳质量低），但成为环境条件下的气体时，其体积能量密度变得非常低。如果要将纯氢作车辆燃料使用，则必须以能量密集的形式储存，才能行使足够的里程。由于氢是最小的分子，因此很容易从容器中逸出。将氢气的泄漏、运输和生产成本列入考虑，其全球暖化潜势 (简称GWP) 为11.6。而甲烷的GWP为34。
成本.
要更广泛使用氢气，需要在其生产、储存、分配和使用方面进行投资。氢成本的估算因而变得很复杂，需要对能源投入成本（通常是天然气和电力）、生产工厂和方法（例如绿氢或蓝氢）、所使用的技术（例如或） 、储存和分配方法以及不同的成本要素如何随时间变化进行假设。下表显示灰氢、蓝氢和绿氢平均化成本的的估计值，以每公斤氢气美元表示（其中数据以其他货币或单位提供时，则使用给定年份的美元平均汇率），假设1公斤氢气的热值为33.3千瓦时（kWh））。
商业上可行的氢气生产，估算的成本幅度广阔，截至2022年，在不征收碳税的情况下，生产灰氢最为便宜，其次是蓝氢，接下来是绿氢。预计到2050年，蓝氢的生产成本不会大幅下降，而会随天然气价格波动，并可能因使用CCS仍无法完全消除产生的碳而被征收碳税。从2010年到2022年期间电解设备的成本下降60%，之后由于资本成本增加而略有上升。预计成本到2030年和2050年还会大幅下降，随著再生能源发电成本下降，绿氢成本也跟著下降。最便宜的是利用超额生产的再生电力（若不加以利用，可能必须），此情况对于能配合低功率和间歇式电源的电解槽营运有利。
高盛集团公司于2022年发表的一项分析报告，预计全球到2030年生产绿氢将可达到与灰氢相同的成本，如果对灰氢征收全球碳税，前述生产绿氢降低成本的时间会更为提前。就单位能源成本而言，蓝氢和灰氢的成本始终高于其使用的化石燃料，而绿氢的成本始终高于制造它的再生电力成本。
美国和欧盟对生产清洁氢气的补贴远高于印度的。
几个选定国家的近期情况.
世界各地正在测试用于运输的氢气，特别是在美国（加利福尼亚州、马萨诸塞州）、加拿大、日本、欧盟（葡萄牙、挪威、丹麦、德国）和冰岛。
衡量一个国家是否拥有大型天然气基础设施，并可供公民使用的一个指标是该国拥有以天然气为燃料的汽车数量。拥有此类天然气汽车数量最多的国家是（依数量顺序排列）：伊朗、中国、巴基斯坦、阿根廷、印度、巴西、义大利、哥伦比亚、泰国、乌兹别克、玻利维亚、亚美尼亚、孟加拉国、埃及、秘鲁，乌克兰，美国。以天然气为燃料的汽车也可以改装使用氢气。
此外，有少数私人住宅中会装置微型热电联产设备，可使用氢气、天然气或是液化石油气等来运作。
澳大利亚.
西澳大利亚州规划和基础设施部运作三辆梅赛德斯-宾士Citaro燃料电池公车，是珀斯永续运输能源燃料电池公车试验的一部分。该试验于2004年9月开始，并于2007年9月结束。氢气是炼油厂工业制程的副产品。这些巴士在珀斯北部郊区名为马拉加（Malaga）的一个车站加气。
昆士兰州州长白乐琪和企业家于2021年宣布昆士兰州将建造一座世界上最大的氢气工厂。
中国.
根据总部位于华盛顿哥伦比亚特区的智库 - 战略与国际研究中心于2022年2月发表的评论，其中重点：
中国从2010年起的氢气产量每年增长6.8%，到2020年已达到3,300万吨。该国于2022年冬季奥林匹克运动会活动中部署多达1,000辆由国产氢燃料电池驱动的巴士，展现其已具有成熟的技术能力。
欧盟.
欧盟国家中已拥有较大型天然气管道系统的国家有比利时、德国、法国和荷兰，有可能用于氢气输送。欧盟于2020年成立欧洲清洁氢联盟（ECHA）。
法国.
绿氢逐渐在法国变得普遍。 该国于2019年制定一金额1.5亿欧元的绿氢计划，以建立所需的基础设施，提供巴士和火车等交通系统所需的燃料。 名为Corridor H2的计划是一项类似倡议，将在奥克西塔尼亚地区，沿著地中海和北海之间的路线建立氢气配送设施网路。 Corridor H2计划将从欧洲投资银行获得4,000万欧元贷款。
德国.
德国汽车制造商BMW已花费多年时间致力于氢气使用的研究。
德国政府于2020年发布国家氢能策略，并于2023年7月予以更新，以推动氢能技术的发展和应用，实现气候目标。策略包括的内容有：扩大国内绿氢生产、投资氢气基础设施及促进氢气应用。策略还强调国际合作的重要性。德国政府认为建立全球氢能市场对于实现全球气候目标非常重要。德国将为此积极参与国际氢能合作，并推动氢能技术和标准的全球化。
根据一份发布于2024年2月19日的报导，德国政府的计划是预定把氢气为燃料的发电厂作为即将关闭的燃煤发电厂的替代品，以及对间歇性再生能源的补充之用（最有可能协助平衡再生能源发电量的长期波动问题）。这与德国政府更宏大的氢能愿景一致。目前正计划到2032年建成10,000公里的氢气管道网络，并在2024年至2027年期间投入高达200亿欧元以发展氢能产业。所提的计划经需经过德国国会的协商，以及欧盟执行委员会的核准。
冰岛.
冰岛承诺到2050年成为世界上第一个氢经济体。冰岛处于独特的地位，该国的汽车及仰赖进口的石油作为燃料。该国拥有丰富的地热能资源，以至于当地的电价实际上低于发电用的碳氢化合物的价格。
冰岛已经将其剩余电力转为出口商品和碳氢化合物替代品。 该国于2002年利用电解生产氢气2,000吨，主要用于生产制作化肥的氨。氨的成本中，有90%是能源成本。
该国首都雷克雅维克拥有一支使用压缩氢气运行的小型城市公车试点车队，并且正进行利用氢气为该国渔船队提供动力的研究（例如由进行）。出于符合符合实际的目的，冰岛并不打算完全取代石油燃料。
波兰.
波兰自2021年即开始逐步建立氢气加气站。
印度.
据说印度采用氢气和的原因有几个，其中之一是推广全国天然气网路工作已经开始，且天然气已经成为主要的汽车燃料。此外，印度城市地区有严重空气污染问题。估计印度的氢气在成本下降和新生产技术的推动下，将有近80%生产的氢气会是绿氢。
然而该国目前在氢能方面仅处于研究、开发和示范阶段。加氢站的数量仍很少，但预计数目很快就会增加。
沙乌地阿拉伯.
于2017年在该国西北角启动的新未来城计划中将完全使用再生能源，其中包含自2025年开始每年将生产约120万吨的绿氨。
土耳其.
与联合国工业发展组织于2004年在伊斯坦堡创建（UNIDO-ICHET），此组织仅运作至2012年。该国能源和自然资源部于2023年部发布有氢能技术策略和发展路线图。
英国.
根据毕马威（以会计业务为中心的大型国际专业服务集团）发布的研究报告，到2021年，包括澳大利亚、智利、芬兰、德国、挪威、葡萄牙和西班牙等10个国家已经制定氢战略。英国也于2021年发布氢战略，时任商业、能源及工业部大臣Kwasi Kwarteng表示："到2030年，氢可在化学品、炼油厂、电力和航运等重型运输等污染性能源密集产业方面发挥重要脱碳作用。英国这项策略设定到2030年将实现5百万瓦低碳氢化合物产能的企图 - 相当于每年可取代天然气为约300万个英国家庭提供电力。"
美国.
美国国内的几家汽车公司（例如通用汽车和丰田汽车）已经开发使用氢的汽车。然而截至2020年2月仅加利福尼亚州部分地区拥有，多数地区的氢基础设施尚未开发。国家可再生能源实验室与Xcel Energy公司合作，于2007年在科罗拉多州建立一设施，利用风力发电厂生产的电力电解水，以生产氢气。于2024年，德克萨斯州已建立五个加气站枢纽，以提供使用氢气为燃料的重型卡车使用。由氢能开发公司绿氢国际 (Green Hydrogen International, GHI) 于德克萨斯州，使用太阳能与风能生产的电力制造绿氢的生产设施（称为氢城（Hydrogen City）），首期工程将于于2026年投产。
美国非营利组织拟定的路线图，强调氢气是种具有多功能性的再生能源系统，既是可运输、储存的能源载体，也是运输部门的燃料、建筑物供暖以及工业供热和原料的来源。"透过采取正确的行动，可以强化美国在能源领域的领导地位，并借由在2030年创造1,400亿美元年收入和70万个工作机会，以及在2050年创造7,500亿美元年收入和340万个工作机会，来强化我国的经济。"此外，燃料电池与氢能协会（FCHEA）主席莫瑞·马可维兹（Morry Markowitz）表示，"如果现在采取正确的行动，建立具竞争力的氢能产业，可在2050年满足全国14%的能源需求。"