氢经济是建议的使用氢输送能量的系统。 氢能经济这个术语是约翰·博克里斯在1970年在通用汽车（GM）技术中心发表的一次演讲中创造的。 遗传学家JBS Haldane早先提出了这个概念。
氢经济的支持者提倡氢作为动力（包括汽车和船）和船上辅助电力，固定发电（例如，建筑物的能源需求）的潜在燃料，以及作为能量存储介质（例如，用于非高峰产生的过剩电力的相互转换。 可以用作燃料的那种分子氢在方便的储层中不会自然发生; 尽管如此，它可以通过碳氢化合物的蒸汽重整，水电解或其他方法产生。
一些批评者和替代技术的支持者一再将这一概念引起人们对该概念的关注。 能源载体的复苏正在进行中，特别是2017年氢能委员会的成立。一些制造商现已在商业上发布氢燃料电池汽车，丰田等制造商和中国的工业集团计划将汽车数量增加到在接下来的十年中成千上万。
合理
密歇根大学提出氢经济来解决使用碳氢化合物燃料释放到大气中的一些负面影响（如二氧化碳，一氧化碳，未燃烧的碳氢化合物等）。 对氢经济的现代兴趣通常可以追溯到密歇根大学劳伦斯·W·琼斯的1970年技术报告。
在当前的碳氢化合物经济中，运输主要由石油提供燃料。 燃烧碳氢化合物燃料会排放二氧化碳和其他污染物。 世界上经济上可用的碳氢化合物资源供应有限，对碳氢化合物燃料的需求正在增加，特别是在中国，印度和其他发展中国家。
世界级氢经济的支持者认为，氢可以成为最终用户的环境清洁能源，特别是在运输应用中，在最终使用时不释放污染物（如颗粒物质）或二氧化碳。 2004年的一项分析称，“大多数氢供应链路径将释放的二氧化碳比混合电动汽车中使用的汽油少得多”，如果采用碳捕获或碳封存方法，二氧化碳排放量将大幅减少。在能源或氢气生产现场使用。
氢具有高重量的能量密度，但具有低的能量密度。 即使在高度压缩或液化时，体积的能量密度仅为汽油的1/4，尽管重量的能量密度约为汽油或天然气的三倍。 据说使用氢气运行的奥托循环内燃机的最大效率约为38％，比汽油内燃机高8％。
燃料电池和电动机的组合比内燃机效率高2-3倍。 近年来，燃料电池的资本成本显着降低，能源部引用的模型成本为50美元/千瓦。
以前的技术障碍包括氢存储问题和燃料电池中使用的氢的纯度要求，与现有技术一样，运行的燃料电池要求氢的纯度高达99.999％。 可以认为氢发动机转换技术比燃料电池更经济。
目前的氢气市场
截至2004年，氢气生产是一个庞大且不断增长的行业。2004年全球生产了约5700万吨氢气，相当于约1.7亿吨石油当量。年增长率约为10％。 在美国，2004年的产量约为1100万吨（Mt），平均功率为48千兆瓦。 （相比之下，2003年的平均电力产量约为442吉瓦。）截至2005年，全球生产的所有氢气的经济价值每年约为1,350亿美元。
今天氢有两个主要用途。 大约一半用于Haber工艺生产氨（NH3），然后直接或间接用作肥料。 由于世界人口和用于支持它的集约化农业都在增长，氨需求正在增长。 氨可以用作更安全和更容易的间接输送氢的方法。 然后可以通过膜技术将输送的氨转化回保护剂中的氢气。
目前氢产生的另一半用于将重质石油源转化为适合用作燃料的较轻馏分。 后一种方法称为加氢裂化。 加氢裂化代表了一个更大的增长领域，因为油价上涨鼓励石油公司提取较差的原料，如焦油砂和油页岩。 大规模炼油和化肥生产中固有的规模经济使得现场生产和“专属”使用成为可能。 产生较少量的“商人”氢气并将其交付给最终用户。
如果可以获得用于制氢的能源（来自风能，太阳能，裂变核能或核聚变核能等），使用该物质进行碳氢化合物合成燃料生产可以将氢的自然使用量扩大5到10倍。目前美国使用氢气加氢裂化每年约为4百万吨。 据估计，3770万吨/年的氢气足以将足够的国内煤炭转化为液体燃料，以终止美国对外国石油进口的依赖，而不到这一数字的一半，以终止对中东石油的依赖。 与目前燃烧化石石油的系统相比，煤炭液化会产生明显更严重的二氧化碳排放，但它将消除北美紧张石油商业化之前美国石油进口所固有的政治和经济脆弱性。
截至2004年和2016年，全球氢气产量的96％来自化石燃料（48％来自天然气，30％来自石油，18％来自煤炭）; 水电解仅占4％。 生产分布反映了热力学约束对经济选择的影响：在获得氢的四种方法中，NGCC（天然气联合循环）发电厂中天然气的部分燃烧提供了最有效的化学途径和最大的承购可用的热能。 （需要参考）
巨大的市场和化石燃料价格的大幅上涨也刺激了对替代的，更便宜的氢生产方式的极大兴趣。 截至2002年，大部分氢气在现场生产，成本约为0.70美元/公斤，如果不在现场生产，液态氢的成本约为2.20美元/公斤至3.08美元/公斤。
燃料电池可替代内燃
氢经济的主要产品之一是燃料可以代替内燃机和涡轮机中燃烧的化石燃料，作为将化学能转化为动能或电能的主要方式; 从而消除温室气体排放和该发动机的污染。 尽管氢可以用于传统的内燃机中，但是电化学的燃料电池具有优于热机的理论效率优势。 燃料电池比普通内燃机更昂贵。
某些类型的燃料电池使用碳氢化合物燃料，而所有燃料电池都可以使用纯氢气。 如果燃料电池与内燃机和涡轮机相比具有价格竞争力，那么大型燃气电厂就可以采用这种技术。
氢气必须被区分为“技术级”（五个9纯，99.999％），适用于燃料电池等应用，以及“商业级”，它含有含碳和硫的杂质，但能够由更便宜的蒸汽改造工艺生产。 燃料电池需要高纯度的氢，因为杂质会迅速降低燃料电池堆的寿命。
氢经济概念的大部分兴趣都集中在使用燃料电池为电动汽车提供动力。 目前的氢燃料电池具有低功率重量比。 燃料电池比内燃机更有效，并且不产生有害排放物。 如果引入实用的储氢方法，并且燃料电池变得更便宜，则它们可以在经济上可行地为混合燃料电池/电池车辆或纯燃料电池驱动的车辆提供动力。 随着内燃机中使用的碳氢化合物燃料变得更加昂贵，燃料电池动力车辆的经济可行性将提高，因为通过诸如碳税之类的措施，易于获得的储备的耗尽或对环境影响的经济核算。
基于金属离子交换的其他燃料电池技术（例如锌 – 空气燃料电池）在能量转换方面通常比氢燃料电池更有效，但是任何电能→化学能→电能系统的广泛使用将需要生产电。
自2003年国情咨文发表讲话以来，当氢经济的概念在美国引起全国瞩目时，反对者的声音一直在稳定。 最近，在2013年，Lux Research，Inc。发布了一份报告，称：“氢经济的梦想……并不近。” 它得出的结论是，到2030年，“资本成本，而不是氢气供应，将限制采用率仅为5.9吉瓦”，除了利基应用外，“采用几乎无法克服的障碍”。 Lux的分析推测，到2030年，PEM固定式市场将达到10亿美元，而包括叉车在内的汽车市场将达到20亿美元。
用作汽车燃料和系统效率
在热力学过程中使用的能量的计算，称为能量平衡，可以应用于汽车燃料。 利用当今的技术，通过蒸汽重整制造氢气可以实现75％至80％的热效率。 需要额外的能量来液化或压缩氢气，并通过卡车或管道将其输送到加油站。 使用2004年提供的技术，每千克生产，运输和输送氢气所需的能量（即其井到能量使用）约为50兆焦耳。从1千克氢气的焓中减去这种能量，为141 MJ，除以焓，产生的热能效率约为60％。 相比之下，汽油在炼油厂需要较少的每加仑能量输入，并且由于其在环境温度下每加仑的高能量密度而需要相对较少的能量来运输和储存。 井到油，汽油供应链的效率大约为80％（Wang，2002）。 另一种基于电网的供氢方法是使用电气来运行电解槽。 在电力线路传输过程中大约有6％的电力损失，而首先将化石燃料转化为电能的过程大约有33％的效率。 因此，如果效率是关键的决定因素，那么氢气车辆不太可能通过这种方法加油，并且实际上这样看，电动车辆似乎是更好的选择。 然而，如上所述，氢可以以多种原料以集中或分布的方式生产，并且这些提供了更有效的生产和分配燃料的途径。
与挪威能源系统中的其他车辆相比，对氢气车辆的车轮到车轮效率的研究表明，使用电解时，氢燃料电池车辆（FCV）的效率往往与电动车的效率相差三分之一左右。燃烧发动机（ICE）效率仅为六分之一。 即使在氢燃料电池从天然气改造而不是电解获得氢气的情况下，电动汽车也从天然气发电厂获得电力，电动汽车仍然领先于35％至25％（而H2仅为13％）冰）。 相比之下，汽油ICE为14％，汽油ICE混合动力为27％，柴油ICE为17％，同样基于良好的车轮。
在减少温室气体方面，氢被称为汽油（汽油）最低效和最昂贵的替代品之一; 其他技术可能更便宜，更快速实施。 对运输应用中氢气的全面研究发现，“实现氢经济愿景的道路上存在重大障碍;路径不会简单或直接”。 虽然福特汽车公司和法国雷诺 – 日产分别于2008年和2009年取消了他们的氢汽车研发工作，但他们于2009年9月与其他制造商和Now GMBH签署了2009年意向书，支持到2015年商业化推出燃料电池汽车。英国能源和气候变化部的碳信托公司表示，氢技术有可能提供排放接近零的英国运输，同时减少对进口石油的依赖和缩减可再生能源发电。 然而，在成本，性能和政策方面，这些技术面临着非常困难的挑战。
环境问题
关于氢气制造的环境影响存在许多问题。 氢气通过电解水或通过化石燃料重整制成。 与在内燃机中直接使用化石燃料相比，重整化石燃料导致更高的二氧化碳排放。 类似地，如果通过来自化石燃料动力发电机的电解产生氢，则与直接使用化石燃料相比，排放的二氧化碳增加。
由于额外的转换阶段和分配损失，使用可再生能源通过电解产生氢气将比直接使用可再生能源来操作电动车辆需要更多的能量输入。 然而，氢作为运输燃料主要用于不产生温室气体排放的燃料电池，而是水。
对于与氢气泄漏有关的可能问题也存在一些担忧。 分子氢从大多数安全壳容器中缓慢泄漏。 据推测，如果大量氢气（H2）逸出，由于紫外线辐射，氢气可在平流层中形成自由基（H）。 这些自由基然后能够充当臭氧消耗的催化剂。 泄漏的H2中平流层氢的大量增加可能会加剧耗尽过程。 但是，这些泄漏问题的影响可能并不显着。 今天泄漏的氢气量比一些研究人员推测的估计10-20％的数字要低得多（10-100倍）; 例如，在德国，泄漏率仅为0.1％（低于天然气泄漏率0.7％）。 使用现有技术，即使使用广泛的氢气，这种泄漏最多也不会超过1-2％。
成本
2004年，通过蒸汽重整或电解生产氢燃料单元比从天然气生产同等单位燃料高出约3至6倍。 在评估成本时，通常使用化石燃料作为参考。 这些燃料的能量含量不是人类努力的产物，因此没有分配给它的成本。 仅考虑提取，精炼，运输和生产成本。 另一方面，除了精炼，运输和分配的所有成本之外，必须制造单位氢燃料的能量含量，因此具有显着的成本。 更直接地，例如在无轨电车或电池电动车辆中使用可再生发电的系统可具有显着的经济优势，因为在主能源和使用点之间需要较少的转换过程。
降低高纯氢价格的障碍是用于产生每千克氢气的超过35kWh的电力成本。 通过蒸汽重整产生的氢的成本约为每单位能量产生的天然气成本的三倍。 这意味着如果天然气价格为6美元/百万英热单位，那么氢气将为18美元/百万英热单位。 此外，以5美分/千瓦时的电力从电解产生氢气将花费28美元/百万英热单位 – 约为天然气氢气成本的1.5倍。 请注意，电力生产氢气的成本是电力成本的线性函数，因此10美分/千瓦时的电力意味着氢气将耗资56美元/百万英热单位。
据称，ITM Power公司在电解槽和燃料电池技术方面取得了显着进展，在解决制造氢气的电解水成本问题方面取得了重大进展。 降低成本将使来自离网可再生能源的氢气为加油车辆提供经济效益。
氢气管道甚至比长距离电线更昂贵。 对于相同的焓，氢的体积比天然气体积大三倍。 氢会加速钢的开裂（氢脆），这会增加维护成本，泄漏率和材料成本。 采用更新技术的成本差异可能会扩大：悬浮在空气中的电线可能会使用更高的电压，而材料成本只会略有增加，但是更高的压力管需要更多的材料。
建立氢经济将需要在基础设施方面进行大量投资，以便为车辆储存和分配氢气。 相比之下，已经公开可用的电池电动车辆不需要立即扩展现有的输电和配电基础设施。 目前在夜间未使用的发电厂容量可用于为电动车辆充电。 太平洋西北国家实验室于2006年12月对美国能源部进行的一项研究发现，如果所有车辆立即更换，美国闲置的非高峰电网容量足以为美国所有车辆的84％供电。电动汽车。
不同的生产方法各有相关的投资和边际成本。 能源和原料可能来自多种来源，即天然气，核能，太阳能，风能，生物质能，煤炭，其他化石燃料和地热能。
小规模天然气
使用蒸汽改造。 需要1590万立方英尺（450,000立方米）的天然气，如果在配药点（即加油站）由500千克/天的小型改造者生产，则相当于777,000个改造者，耗资1万亿美元，生产1.5亿吨每年氢气。 无需专用于氢气的配电基础设施。 每GGE $ 3.00（加仑当量加仑）
核
为电解水提供能量。 将需要240,000吨未富集的铀 – 这是2000个600兆瓦的发电厂，这将耗资8400亿美元，或每GGE约2.50美元。
太阳能
为电解水提供能量。 需要每平方米2,500千瓦时的太阳能，1.13亿个40千瓦的系统，这将花费22万亿美元，或每GGE约9.50美元。
风
为电解水提供能量。 以每秒7米的平均风速，需要100万个2兆瓦的风力涡轮机，这将花费3万亿美元，或每个GGE约3.00美元。
生物质能
气化厂将产生具有蒸汽重整的气体。 15亿吨干生物质，3,300株植物需要1.134亿英亩（460,000平方公里）的农场来生产生物质。 成本为5650亿美元，或每GGE约1.90美元
煤
FutureGen工厂使用煤气化然后蒸汽重整。 需要10亿吨煤或约1,000个275兆瓦的工厂，成本约为5000亿美元，或每GGE约1美元。
能源部成本目标
示例和试点计划
美国几家国内汽车制造商已承诺开发使用氢气的车辆。 目前，全世界正在测试用于运输的氢气分布，特别是在葡萄牙，冰岛，挪威，丹麦，德国，加利福尼亚，日本和加拿大，但成本非常高。
一些医院已经安装了用于本地应急电源的组合式电解槽储存燃料电池单元。 这些对于紧急使用是有利的，因为与内燃驱动的发电机相比，它们的维护要求低并且易于定位。
到2050年，冰岛致力于成为世界上第一个氢能经济体。冰岛处于独特的地位。 目前，它进口所有为其汽车和捕捞船队提供动力所需的石油产品。 冰岛拥有大量的地热资源，以至于当地的电价实际上低于可用于生产电力的碳氢化合物的价格。
冰岛已将剩余电力转换为可出口商品和碳氢化合物替代品。 2002年，它通过电解生产了2000吨氢气，主要用于生产用于肥料的氨（NH3）。 氨在全世界生产，运输和使用，氨的90％的成本是生产它的能量的成本。 冰岛也在发展铝冶炼行业。 铝的成本主要来自运行冶炼厂的电力成本。 这些行业中的任何一个都可以有效地输出冰岛所有潜在的地热电力。
两个行业都不直接取代碳氢化合物。 冰岛的雷克雅未克拥有一支由压缩氢气运行的小型城市公交车试点车队，目前正在研究用氢气为该国的捕鱼船队提供动力。 为了更实际的目的，冰岛可能会用氢来处理进口石油以扩大它，而不是完全取代它。
雷克雅未克的公共汽车是一个更大的项目的一部分，HyFLEET：CUTE，在八个欧洲城市运营氢燃料公共汽车。 HyFLEET：CUTE巴士也在中国北京和澳大利亚珀斯运营（见下文）。 一个展示氢经济的试点项目正在挪威的Utsira岛上运作。 该装置结合了风力和氢能。 在存在剩余风能的时期，过剩的电力用于通过电解产生氢。 储存氢气，在风力很小的时候可以发电。
美国有氢气政策，有几个例子。 NREL和Xcel Energy的合资企业在科罗拉多州以同样的方式将风能和氢能相结合。 纽芬兰和拉布拉多的Hydro公司正在将位于Ramea偏远岛屿的现有风力发电机组转换为Wind-Hydrogen混合动力系统设施。 斯图尔特岛上一个类似的试点项目使用太阳能发电而不是风能发电。 当电池充满后可获得多余电力时，通过电解产生氢气并储存以供燃料电池随后产生电力。
英国于2004年1月启动了燃料电池试点计划，该计划在伦敦25号公路上运行了两辆燃料电池公共汽车，直到2005年12月，并改用RV1路线直到2007年1月。氢气探险队目前正致力于制造氢燃料电池 – 动力船并用它来环绕地球，作为证明氢燃料电池能力的一种方式。
西澳大利亚州规划和基础设施部门运营三辆戴姆勒克莱斯勒Citaro燃料电池客车，作为珀斯珀斯燃料电池客车试验的可持续运输能源的一部分。 这些巴士由Path Transit在常规的Transperth公共巴士路线上运营。 该试验于2004年9月开始，于2007年9月结束。公共汽车的燃料电池使用质子交换膜系统，并从珀斯南部的Kwinana的BP炼油厂供应原氢。 氢气是炼油厂工业过程的副产品。 这些公共汽车在珀斯北部马拉加郊区的一个车站加油。
联合国工业发展组织（工发组织）和土耳其能源和自然资源部于2003年签署了一项4 000万美元的信托基金协议，以便在伊斯坦布尔建立国际氢能技术中心（UNIDO-ICHET），该中心开始运作2004年，工发组织 – 伊奇特办公室正在展示氢能叉车，氢气推车和由可再生能源驱动的移动房屋。 自2009年4月以来，伊斯坦布尔海上公司总部一直在使用不间断电源系统。
用于完全分配氢经济的氢气替代品
氢气只是一种储存和传输能量的方法。 从氢气生产开始，但不将其用于商店和输电基础设施的所有部分的各种替代能源传输和存储方案在近期和远期都可能更经济。 这些包括：
氨经济
气态氢作为能量载体的替代方案是将其与来自空气的氮结合以产生氨，其可以容易地液化，运输和（直接或间接）用作清洁和可再生燃料。 例如，2018年澳大利亚CSIRO的研究人员使用膜技术为丰田Mirai和Hyundai Nexo提供了从氨分离的氢气。
温室中性酒精的氢气生产
甲醇经济是一种合成燃料生产能源计划，可能从氢生产开始。 完全“氢经济”中的氢最初被建议作为一种使无污染形式的可再生能源可用于汽车的方法。 然而，解决同一问题的理论替代方案是集中生产氢气并立即用它从二氧化碳来源制造液体燃料。 这将消除运输和储存氢气的要求。 源可以是燃料燃烧发电厂产生的二氧化碳。 为了与温室无关，这种计划中的二氧化碳来源需要来自空气，生物质或其他已经存在或将被释放到空气中的二氧化碳源。 直接甲醇燃料电池已在商业用途，但截至2011年8月，它们效率不高。
电网加合成甲醇燃料电池
上面描述的许多混合策略，使用捕获氢来产生其他更容易使用的燃料，可能比单独的氢生产更有效。 短期能量存储（意味着能量在被捕获后不久使用）可以通过电池甚至超级电容器存储来实现。 使用合成甲烷或醇类可以更好地进行长期储能（意味着能量在捕获后数周或数月使用），可以以相对低的成本无限期储存，甚至可以直接用于某些类型的燃料电池，用于电动汽车。 这些策略与最近对插电式混合动力电动汽车（或插电式混合动力汽车）的兴趣相吻合，后者使用电气和燃料储存的混合策略来满足其能源需求。 一些人已经提出氢储存在窄的储能时间范围内是最佳的，可能在几天到几周之间。 随着电池技术的任何改进，该范围可能会进一步缩小。 氢储存或产生的某种突破总是有可能发生，但鉴于技术选择的物理和化学限制已被很好地理解，这是不可能的。
圈养氢合成甲烷生产（SNG合成天然气）
以与合成醇生产类似的方式，氢可以在现场用于直接（非生物学）生产温室中性气体燃料。 因此，已经提出了圈养氢介导的温室中性甲烷的生产（注意，这与从天然甲烷获得氢的本方法相反，但是不需要最终燃烧和释放化石燃料碳的方法）。 使用Sabatier反应，可以在现场使用圈养氢（和来自例如CCS（碳捕集与封存）的二氧化碳）来合成甲烷。 这有效率约为60％，并且根据燃料利用方法，往返减少到20％至36％。 这甚至低于氢气，但由于甲烷的沸点较高，能量密度较高，因此储存成本至少下降3倍。 液态甲烷的能量密度是液态氢的3.2倍，更易于储存。 此外，管道基础设施（天然气管道）已经到位。 已经存在天然气动力车辆，并且已知比直接在氢气上运行的内燃机车更容易适应现有的内燃机技术。 天然气动力车辆的经验表明，一旦人们接受了转换成本以储存燃料的成本，甲烷储存便宜。 然而，酒精储存的成本甚至更低，因此该技术需要在酒精生产方面节省大量甲烷。 竞争技术中燃料的最终成熟价格目前尚不清楚，但预计两者都将比直接运输和使用氢气的试图提供大量的基础设施节约。
在假设的可再生能源主导的能源系统中已经提出使用由风，太阳能光伏，水力，海流等产生的过剩电力通过电解水产生氢气然后将其与CO 2结合产生甲烷（天然气）。 氢首先在现场用于燃料电池（CHP）或运输，因为它具有更高的生产效率，然后产生甲烷，然后可以注入现有的天然气网络，按需发电和热，以克服可再生能源的低点生产。 所描述的过程将产生氢气（可部分直接用于燃料电池）和可能来自BECCS（生物能源与碳捕集与封存）的二氧化碳CO2通过（Sabatier反应）添加以产生甲烷如下：CO2 + 4H2→CH4 + 2H2O。