氢经济是能源工业的概念，主要或仅使用氢作为能源载体。 到目前为止，氢气经济在世界上任何一个国家都没有实现。

与电力一样，氢气不是一次能源的来源，但必须首先人为地获得并且能量损失来自其他能源（化石，核能或可再生能源）。 因此，氢经济不是自动可持续的，而是仅与产生氢的一次能源一样可持续。 目前，这主要是基于化石燃料用于化学工业的氢气，未来氢能源经济的概念，另一方面，大多数设想从可再生能源产生氢气，这可能使氢经济成为可能零排放。

虽然许多国家目前尚未采用经典的最先进的氢气经济，但计划将氢气或氢气衍生的燃料（如甲烷或甲醇）整合到现有的能源基础设施中，作为能源转型和扩张的一部分。可再生能源。 电力 – 燃气技术发挥了重要作用，它被赋予了长期储存的重要作用。

能源行业的水平
这些想法是基于能源行业各级氢气的实施：

开发所需的一次能源
能源生产
能源储备
使用能源
能源交易和分销
销售和计费
确保供应安全
这些水平中的每一个都是技术研究的并且部分地用于氢气。

生产，存储，基础设施
今天的氢主要来自化石来源（> 90％）。 将其集中生产与轻型燃料电池车队联系起来，需要选址和建设一个资本投入大的配电基础设施。 此外，必须克服在车辆上提供安全，能量密集的氢存储的技术挑战，以在填充之间提供足够的范围。

生产方法
在方便的天然水库中，地球上没有分子氢。 岩石圈中的大多数氢与水中的氧结合。 制造元素氢确实需要消耗氢载体，例如化石燃料或水。 前一种载体消耗化石资源并产生二氧化碳，但通常不需要在化石燃料之外进一步输入能量。 分解水（后一种载体）需要从一些主要能源（化石燃料，核能或可再生能源）产生的电或热输入。 也可以通过精炼岩石圈中地热源的流出物来生产氢气。 由零排放可再生能源产生的氢，例如使用风力，太阳能，水力，波浪能或潮汐能电解水，被称为绿色氢。 由不可再生能源产生的氢可称为棕色氢。 作为废物副产物或工业副产物产生的氢有时被称为灰氢。

目前的生产方法
氢气在工业上由蒸汽重整制成，其使用化石燃料，例如天然气，石油或煤。 产生的氢的能量含量小于原始燃料的能量含量，其中一些在生产过程中因过热而损失。 蒸汽重整会导致二氧化碳排放，就像汽车发动机一样。

一小部分（2006年为4％）是通过电和水电解产生的，每千克产生的氢消耗约50千瓦时电。

克瓦纳过程
Kværner工艺或Kvaerner炭黑和氢工艺（CB＆H）是一种由挪威同名公司于20世纪80年代开发的用于从烃类（CnHm）生产氢气的方法，如甲烷，天然气和沼气。 。 在进料的可用能量中，氢气中含有约48％，活性炭中含有40％，过热蒸汽中含有10％。

电解水
氢可以通过高压电解，水的低压电解或一系列其他新兴的电化学过程（例如高温电解或碳辅助电解）来制备。 然而，目前用于水电解的最佳工艺具有70-80％的有效电效率，因此产生1kg氢气（具有143MJ / kg或约40kWh / kg的比能量）需要50-55kWh电力。 根据能源部2015年的氢气生产目标，电费为0.06美元/千瓦时，氢气成本为3美元/千克。 2016年天然气价格范围如图（氢气生产技术团队路线图，2017年11月）所示，SMR氢气成本在1.20美元至1.50美元之间，氢气通过电解成本价格仍然超过2015年DOE氢气目标价格。 美国能源部2020年的氢气目标价格为每公斤2.30美元，要求电费为0.037美元/千瓦时，这在很多地区最近的风能和太阳能PPA招标中是可以实现的。 这使得$ 4 / gge H2分配目标可以实现，并接近SMR的略微提高的天然气生产成本。

在世界其他地区，蒸汽甲烷重整平均在1-3美元/公斤之间。 正如Nel Hydrogen和其他人所概述的那样，这使得通过电解生产氢气已经在许多地区具有竞争力，包括IEA的一篇文章，该文章研究了可能导致电解竞争优势的条件。

实验生产方法

生物生产
发酵氢产生是使用涉及与厌氧转化相似的三个步骤的多酶系统，由多种细菌群体表现出的有机底物向生物氢的发酵转化。 黑暗的发酵反应不需要光能，因此它们能够在白天和夜晚不断地从有机化合物中产生氢。 光发酵不同于黑暗发酵，因为它仅在光存在下进行。 例如，可以使用球形红细菌SH2C的光发酵将小分子脂肪酸转化为氢。 电生成用于微生物燃料电池，其中氢由有机物质（例如来自污水或固体物质）产生，同时施加0.2-0.8V。

生物氢可以在藻类生物反应器中生产。 在20世纪90年代后期，人们发现，如果藻类被剥夺硫，它将从氧气的生产，即正常的光合作用转变为氢的生产。

生物氢可以在使用除藻类之外的原料的生物反应器中生产，最常见的原料是废物流。 该过程涉及细菌以碳氢化合物为食，并排出氢气和二氧化碳。 通过几种方法可以成功地隔离CO2，留下氢气。 在2006 – 2007年，NanoLogix首次展示了一种原型氢生物反应器，该生物反应器使用废物作为原料在位于宾夕法尼亚州东北部的韦尔奇葡萄汁工厂（美国）。

生物催化电解
除了常规电解之外，使用微生物的电解是另一种可能性。 通过生物催化电解，在通过微生物燃料电池之后产生氢，并且可以使用各种水生植物。 这些包括芦苇，草，马铃薯，大米，西红柿，羽扇豆和藻类

高压电解
高压电解是通过水流通过水（H 2 O）分解成氧气（O 2）和氢气（H 2）来电解水。 与标准电解槽的区别在于压缩氢气输出约120-200巴（1740-2900psi，12-20MPa）。 通过对电解槽中的氢气加压，通过称为化学压缩的过程，消除了对外部氢气压缩机的需求，内部压缩的平均能量消耗约为3％。 欧洲最大的（1 400 000 kg / a，高压电解水，acaline技术）氢气生产厂正在芬兰的Kokkola运营。

高温电解
氢可以通过高温电解（HTE）以热和电的形式提供的能量产生。 因为HTE中的一些能量以热的形式供应，所以较少的能量必须转换两次（从热到电，然后到化学形式），因此每千克产生的氢可能需要的能量要少得多。

虽然核能发电可用于电解，但核热可直接用于从水中分离氢。 高温（950-1000℃）气冷核反应堆有可能通过使用核热的热化学方法从水中分离氢。 对高温核反应堆的研究最终可能导致氢气供应与天然气蒸汽重整相比具有成本竞争力。 通用原子公司预测，高温气冷堆（HTGR）产生的氢气成本为1.53美元/千克。 2003年，天然气的蒸汽重整产生了1.40美元/千克的氢气。 在2005年天然气价格方面，氢气成本为2.70美元/千克。

高温电解已在实验室中得到证实，每千克氢产生的热量为108兆焦耳（热），但不是商业规模。 此外，这是低质量的“商业”级氢，不适合用于燃料电池。

光电化学水分解
使用光伏系统产生的电力提供了最清洁的氢气生产方式。 通过电解将水分解成氢和氧 – 光电化学电池（PEC）过程，也称为人工光合作用。 能源转换装置公司的William Ayers在1983年展示并申请了第一个用于水直接分裂的多结高效光电化学系统专利。该小组展示了现在被称为“人造叶片”或“无线太阳能水分解”的低成本直接水分解薄膜非晶硅多结板直接浸入水中。 在用各种催化剂修饰的前非晶硅表面上放出氢气，同时氧气从背面金属基底上放出。 多结电池上方的Nafion膜提供了离子传输的路径。 他们的专利还列出了除非晶硅和硅锗合金之外用于直接水分解的各种其他半导体多结材料。 继续研究在大学和光伏产业中开发高效多结电池技术。 如果通过直接悬浮在水中的光催化剂而不是使用光伏和电解系统来辅助该过程，则反应仅在一个步骤中，这可以提高效率。

光电催化生产
东安格利亚大学的Thomas Nann及其团队研究的方法包括覆盖有磷化铟（InP）纳米颗粒层的金电极。 他们在分层排列中引入了铁 – 硫络合物，当它浸没在水中并在小电流下用光照射时，产生的氢气的效率为60％。

据报道，2015年，松下公司开发出一种基于氮化铌的光催化剂，可以吸收57％的阳光，支持水分解产生氢气。 该公司计划“尽早”实现商业应用，而不是在2020年之前。

集中太阳能热量
需要非常高的温度来将水分解成氢和氧。 需要催化剂以使该方法在可行的温度下操作。 通过使用聚光太阳能可以实现加热水。 Hydrosol-2是西班牙Plataforma SolardeAlmería的100千瓦试验工厂，利用太阳光获得800至1200摄氏度的热水。 Hydrosol II自2008年开始运行。这个100千瓦的试验工厂的设计基于模块化概念。 结果，通过将可用的反应器单元相乘并通过将设备连接到合适尺寸的定日镜场（太阳跟踪镜的场），可以容易地将该技术放大到兆瓦范围。

热化学生产
有超过352个热化学循环可用于水分解，大约十几个这样的循环，如氧化铁循环，氧化铈（IV）氧化物 – 氧化铈（III）循环，锌锌氧化物循环，硫碘循环，铜 – 氯循环和混合硫循环正在研究和测试阶段，以从水和热产生氢和氧而不使用电。 这些工艺比高温电解更有效，典型的是LHV效率为35％-49％。 使用来自煤或天然气的化学能的氢的热化学生产通常不被考虑，因为直接化学路径更有效。

虽然已在实验室中证实了几种热化学制氢工艺，但没有一种化学制氢工艺在生产水平上得到证实。

氢作为其他化学过程的副产品
通过电解工业生产氯和苛性钠产生大量的氢作为副产物。 在安特卫普港，1MW示范燃料电池发电厂由这种副产品提供动力。 该装置自2011年底开始运行。过量氢通常采用氢夹点分析进行管理。

存储
尽管分子氢在质量基础上具有非常高的能量密度，部分原因在于其低分子量，但在环境条件下它作为气体具有非常低的能量密度。 如果要将其用作存储在车辆上的燃料，则纯氢气必须以能量密集的形式存储以提供足够的行驶里程。

加压氢气
增加气体压力可以提高容积的能量密度，从而制造出更小但不轻的容器罐（参见压力容器）。 实现更高的压力需要更多地使用外部能量来为压缩提供动力。 压缩氢气所需的氢气罐的质量降低了车辆的燃料经济性。 因为它是一种小分子，氢气往往会扩散通过任何含有它的衬里材料，导致其容器脆化或变弱。 在今天的示范车辆中，最常见的车载氢存储方法是压力约为700 bar（70 MPa）的压缩气体。

液态氢
或者，可以使用更高体积能量密度的液态氢或淤浆氢。 然而，液态氢是低温的并且在20.268K（-252.882℃或-423.188°F）沸腾。 低温储存可减轻重量，但需要大量的液化能量。 涉及加压和冷却步骤的液化过程是能量密集的。 由于液氢的密度低，液化氢的体积能量密度比汽油低约四分之一 – 一升汽油（116克）中的氢气实际上比一升纯液体中的氢气多。氢（71克）。 液氢储罐也必须良好隔热，以尽量减少蒸发。

日本在神户的一个码头有一个液氢（LH2）储存设施，预计将在2020年通过LH2载体接收第一批液态氢。氢气通过将其温度降至-253°C而液化，类似于液化天然气体（LNG），储存在-162°C。 可以实现12.79％的潜在效率损失，或33.3kWh / kg中的4.26kWh / kg。

作为氢化物储存
与储存分子氢不同，氢可以作为化学氢化物或一些其他含氢化合物储存。 氢气与一些其他材料反应以产生储氢材料，其可以相对容易地运输。 在使用时，可以使储氢材料分解，产生氢气。 除了与分子氢存储相关的质量和体积密度问题之外，实际存储方案的当前障碍源于氢化物形成和氢释放所需的高压和高温条件。 对于许多潜在的系统，氢化和脱氢动力学和热管理也是需要克服的问题。 一家法国公司McPhy Energy正在开发第一种基于镁水合物的工业产品，该产品已经出售给Iwatani和ENEL等一些主要客户。

吸附
第三种方法是在固体储存材料的表面上吸附分子氢。 与上述氢化物不同，氢在储存系统充电/放电时不会解离/重新结合，因此不会受到许多氢化物储存系统的动力学限制。 使用适当的吸附材料可以实现类似于液化氢的氢密度。 一些建议的吸附剂包括活性炭，纳米结构碳（包括CNT），MOF和氢笼形水合物。

地下储氢
地下储氢是地下洞穴，盐丘和枯竭的油气田中储氢的实践。 ICI已将大量气态氢储存在地下洞穴中多年，没有任何困难。 在地下储存大量液态氢可以起到电网储能的作用。 往返效率约为40％（对于抽水蓄能（PHES）而言为75-80％），并且成本略高于抽水蓄能。 欧洲工作人员工作文件引用的另一项研究发现，对于大规模储存，最便宜的选择是使用电解槽，盐穴储存和联合循环发电厂2000小时储存的140欧元/兆瓦时的氢气。 欧洲项目Hyunder在2013年表示，为了储存风能和太阳能，需要额外的85个洞穴，因为PHES和CAES系统无法覆盖这些洞穴。 一项关于盐洞中氢储存的德国案例研究发现，如果德国的电力过剩（2025年可变可再生能源总量的7％和2050年的20％）将转化为氢气并储存在地下，这些数量将需要大约15个洞穴。到2025年每个500,000立方米，到2050年每个60个洞穴 – 相当于目前在德国运营的地下天然气洞穴数量的约三分之一。 在美国，桑迪亚实验室正在研究在贫瘠的石油和天然气田中储存氢气的问题，这些研究很容易吸收大量可再生的氢气，因为现有约270万个枯竭井。

燃气的动力
燃气发电是一种将电能转换为燃气燃料的技术。 有两种方法，第一种是使用电力进行水分解并将产生的氢气注入天然气网格。 第二种（效率较低）方法用于使用电解和Sabatier反应将二氧化碳和水转化为甲烷（参见天然气）。 然后，由风力发电机或太阳能电池阵列产生的过剩功率或非峰值功率用于能量网格中的负载平衡。 使用现有的氢气天然气系统燃料电池制造商Hydrogenics和天然气分销商Enbridge已经联手开发加拿大的这种燃气系统。

管道存储
天然气网络可用于储存氢气。 在改用天然气之前，德国的天然气网络是使用煤气运行的，煤气大部分由氢气组成。 德国天然气网络的存储容量超过200,000 GW•h，足以满足几个月的能源需求。 相比之下，所有德国抽水蓄能电站的容量仅为约40 GW•h。 通过燃气网络的能量传输比电力网络（8％）的损耗小得多（<0.1％）。 NaturalHy研究了现有的氢气天然气管道的使用 基础设施 氢气基础设施主要包括工业氢气管道运输和氢气加油站，如氢气公路上的加氢站。 不在氢气管道附近的氢气站将通过氢气罐，压缩氢气管拖车，液态氢拖车，液氢罐车或专用现场生产供应。 由于钢的氢脆，腐蚀天然气管需要内部涂层或更换以输送氢气。 技术众所周知; 目前美国有超过700英里的氢气管道。 虽然价格昂贵，但管道是移动氢气最便宜的方式。 氢气管道在大型炼油厂中是常规的，因为氢气用于从原油加氢裂化燃料。 理论上可以避免在氢气生产的分布式系统中使用氢气管道，其中氢气通常使用中型或小型发电机在现场制造，这些发生器将产生足够的氢气供个人使用或者可能产生邻居。 最后，氢气分配选项的组合可能会成功。 虽然每年有数百万吨元素氢以各种方式分布在世界各地，但为个人消费者带来氢气需要燃料基础设施的发展。 例如，根据通用汽车公司的统计，美国70％的人口居住在氢气生产设施附近，但几乎没有公众可以获得氢气。 然而，同样的研究表明，以系统的方式建设基础设施比大多数人想象的要可行和负担得起。 例如，有一篇文章指出，加油站可以放在洛杉矶地铁每10英里，以及洛杉矶与棕榈泉，拉斯维加斯，圣地亚哥和圣巴巴拉等邻近城市之间的高速公路上，因为星巴克的费用。生活在这些地区的1500万居民中的每一个都有拿铁咖啡。 一个关键的权衡：集中式与分布式生产 在未来的全氢经济中，一次能源和原料将用于生产氢气作为储存能源，用于各种经济部门。 从煤，石油和天然气以外的一次能源生产氢将导致这些化石能源燃烧特有的温室气体产量降低。 氢经济的一个关键特征是在移动应用（主要是车辆运输）中，能量产生和使用可能是分离的。 主要能源不再需要与车辆一起旅行，因为它目前使用碳氢化合物燃料。 而不是排气管创造分散的排放，能源（和污染）可以从点源，如大规模，集中设施，生产效率提高。 这将允许诸如碳封存之类的技术的可能性，否则这些技术对于移动应用是不可能的。 或者，可以使用分布式能量产生方案（例如小规模可再生能源），可能与氢站相关联。 除了能量产生之外，氢气生产可以是集中的，分布式的或两者的混合。 虽然在集中式一次能源工厂生产氢气有望提高氢气生产效率，但大量，长程氢气输送的困难（由于氢气损坏和氢气通过固体材料扩散的容易性等因素）使电能分布在氢气中具有吸引力经济。 在这种情况下，小型区域工厂或甚至当地加油站可以使用通过配电网提供的能量来产生氢气。 虽然氢气产生效率可能低于集中式氢气产生，但氢气输送的损失可使这种方案在输送给最终用户的每千克氢气所使用的一次能源方面更有效。 氢分布和长距离配电之间的适当平衡是氢经济产生的主要问题之一。 现在，使用现场（家庭，商业或燃料站）生成的离网可再生能源氢气，可以克服生产资源和氢气运输的困境。 分布式电解 分布式电解可以通过分配电力来绕过分配氢的问题。 它将使用现有的电网将电力输送到位于加油站的小型现场电解槽。 然而，考虑用于产生电力和传输损耗的能量会降低整体效率。 天然气联合循环发电厂占美国几乎所有新发电厂的建设，发电效率达到60％或更高。 无论是由于氢汽车还是其他需求，对电力的需求增加都会对增加新的联合循环发电厂产生边际影响。 在此基础上，氢的分布式生产效率约为40％。 然而，如果边​​际影响被称为今天的电网，由于其燃料和转换方法的混合，效率约为40％，分布式氢气生产的效率大约为25％。 以这种方式分配的氢气生产预计会在供应链的各个点产生污染物和二氧化碳的空气排放，例如电解，运输和储存。 必须权衡诸如污染之类的外部因素与氢经济的潜在优势。 积极使用氢气 使用氢气最重要的因素是燃料电池。 它将氢气中的能量转化为热能和电能。 在房子里使用 在燃料电池的家用发电中，如在热电联产设备中，可以实现热电联产，这提高了整体效率。 由于这种操作模式侧重于产热，因此根据热需求控制这些系统，产生的电流被馈送到公共电网。 Vaillant开发了一种燃料电池加热器，也可以通过重整器与天然气一起运行。 理论上可实现的热值相关效率约为。 83％。 如果效率（如火力发电厂和内燃机的情况）通常基于热值，则这导致理论最大效率约为10％。 98％。 取决于燃料电池类型，系统效率在40％和65％之间，尽管尚不清楚这些是热值还是热值。 用于交通 氢动力汽车有i。 A.加压罐（例如700巴），可在加氢站加油。 作为力产生的方法，可以是很大程度上传统的内燃机，类似于用天然气驱动，或者在燃料电池中的“冷燃烧”。 在燃料电池车辆中，利用驱动电动机的燃料电池产生电力。 内燃机 作为可燃气体，氢气可以在很大程度上传统的内燃机（“氢燃烧发动机”）中燃烧，类似于天然气动力车辆，机械旋转能量（例如在BMW Hydrogen 7中）。 燃料电池 在燃料电池车辆中，利用驱动电动机的燃料电池产生电力。 氢气技术也正在巴士上进行实践测试。 目前的氢气公共汽车（2009年）实现了大约250公里的范围和35公斤的氢气。 燃料电池汽车比电动汽车贵得多。 根据Fritz Henderson（通用汽车公司首席执行官）的说法，这样的车辆将耗资约40万美元（截至2009年）。 据报道，汽车制造商丰田，日产，梅赛德斯 - 奔驰和本田都大幅降低了氢动力汽车的生产成本。 （例如，丰田Mirai在德国的售价不到80,000欧元。）丰田以小批量生产H 2轿车并在燃料电池方面大有作为。 随着梅赛德斯B级F-Cell和两辆现代ix35燃料电池电动汽车（FCEV）的预生产车辆达到500公里/小时，最高时速达到80公里/小时。 为了证明氢驱动器日常使用的适用性，戴姆勒成功完成了世界上几个B级燃料电池汽车的“环球航行”。 此类200系列车辆于2010年交付给客户。 现在有一些公共汽车，z。 例如，梅赛德斯 - 奔驰Citaro FuelCELL混合动力车来自与燃料电池一起工作的各种制造商。 此外，自2005年以来，凭借Hydrail的技术，铁路车辆已经进入了氢经济的视野。 作为日本东铁公司的首批公司之一，他们正在测试混合动力机车的运行情况。 2017年底，下萨克森州的制造商阿尔斯通订购了14辆燃料电池驱动列车。 瑞士联邦铁路公司（SBB）自2014年春季以来一直在其滚动式迷你咖啡机中引入氢燃料电池，以便为路上的集成浓缩咖啡机提供足够的能源，现在还可以为乘客提供卡布奇诺咖啡。 迄今为止使用的常用蓄电池对于这项耗能的任务而言过于沉重。 氢安全 氢气具有最广泛的爆炸/点火混合范围之一，所有气体的空气都很少，例如乙炔，硅烷和环氧乙烷。 这意味着无论空气和氢气之间的混合比例如何，当火焰或火花点燃混合物时，氢气泄漏很可能导致爆炸，而不仅仅是火焰。 这使得在封闭区域（例如隧道或地下停车场）中使用氢气特别危险。 纯氢氧燃烧火焰在紫外线范围内燃烧，肉眼几乎看不见，因此需要火焰探测器来检测氢气泄漏是否在燃烧。 氢是无味的，气味无法检测到泄漏。 氢代码和标准是氢燃料电池车辆，固定燃料电池应用和便携式燃料电池应用的代码和标准。 氢气的安全处理和储存有代码和标准，例如美国国家消防协会安装固定式燃料电池动力系统的标准。 代码和标准一再被认为是部署氢技术和发展氢经济的主要制度障碍。为了实现消费品中氢的商业化，联邦，州和地方政府制定并认可了新的建筑规范和设备以及其他技术标准。 路线图中的一项措施是实施更高的安全标准，例如使用氢传感器进行早期泄漏检测。加拿大氢能安全计划的结论是，氢燃料与压缩天然气（CNG）燃料一样安全或更安全。欧盟委员会资助了阿尔斯特大学氢能安全工程世界第一个高等教育计划。预计公众将能够在日常生活中使用氢技术，其安全性和舒适度至少与当今的化石燃料相同。