重磅：美国能源部公布更新的氢能计划（2024年12月29日发布）

致利益相关者

能源处于我们这个时代最紧迫挑战的核心 —— 从气候变化到能源安全威胁、经济弹性，以及持续减少空气、水道和生态系统污染的需求。得益于政府、工业界和民间社会的协同努力，能源部门在向更可持续的技术和实践转型方面取得了长足进展。清洁氢尤其如此，它已成为应对经济多个部门挑战的重要工具，近年来增长和进步不断加快。

清洁氢是到 2050 年实现净零碳排放、创造美国就业机会、保障能源安全和技术领先的综合解决方案的一部分。它在解决经济中最难脱碳的部门方面发挥着尤为重要的作用，同时为美国各地社区提供更清洁的空气和经济机会。它还可以通过提供长期储能手段以及为所有类型的清洁能源发电（包括可再生能源和核能）提供更高的灵活性和收益，支持低碳或零碳电力的扩展。清洁氢为在向净零和可持续未来的过渡中利用我国所有能源资源提供了机会，包括可再生能源、核能或化石及其他碳基原料（结合碳捕获）。

然而，要充分发挥清洁氢的潜力，需要持续致力于研究、开发、示范和部署（RDD&D）。虽然大规模部署项目（如区域清洁氢中心和其他行业投资）的增长对于实现规模、发展供应链和降低成本至关重要，但它们的最终成功在很大程度上依赖于通过协调的 RDD&D 努力取得的持续进步。推进协调一致的 RDD&D 战略对清洁氢尤为重要且具有挑战性，因为它几乎涉及经济的每个部门，并且可以通过多种方式生产、储存、输送和使用。一个成功的战略需要整合可再生能源、核能和化石能源方面的努力，并在经济多个部门的终端应用之间进行协调。

为应对这一挑战，美国能源部（DOE）制定了氢计划。该计划提供了一个战略框架，整合了能源效率和可再生能源办公室、化石能源和碳管理办公室、核能办公室、电力办公室、科学办公室、贷款项目办公室、制造和能源供应链办公室、清洁能源示范办公室以及高级研究计划局 - 能源等部门在氢技术方面的 RDD&D 工作，以推动氢在经济不同部门的生产、运输、储存和使用。

2023 年，几个联邦机构制定了《美国国家清洁氢战略和路线图》，这是一个全面的全国性框架，用于加速清洁氢的生产、加工、输送、储存和使用。这份 2024 年氢计划更新版解释了能源部各办公室如何合作实施《美国国家清洁氢战略和路线图》中概述的战略。2024 年修订版还包括更新的支持数据和分析、对具有历史意义的区域清洁氢中心的描述、关于能源部全部门目标（称为氢能源创新计划，Hydrogen Shot™）的信息，以及能源部在向氢经济转型过程中建立强大劳动力和环境公正实践的全部门努力的示例。

这份全面的文件代表了能源部开发能够实现美国氢转型技术的承诺。它还强调了能源部内部以及与工业界、学术界和各州利益相关者合作实现这一目标的重要性。

我们希望您会发现氢计划有价值且具有建设性，并期待与您合作解锁和扩展氢的巨大潜力和益处。

能源部长 詹妮弗・M・格兰霍姆

执行摘要

能源部氢计划（本计划）概述了美国能源部（DOE）氢计划（该计划）的战略重点领域。“氢计划” 并非指能源部内的任何单个办公室，而是指多个办公室在氢技术研究、开发、示范和部署（RDD&D）活动方面的协同努力。该计划包括能源部多个办公室的活动 —— 包括能源效率和可再生能源办公室（EERE）、化石能源和碳管理办公室（FECM）、核能办公室（NE）、电力办公室（OE）、科学办公室（SC）、贷款项目办公室（LPO）、制造和能源供应链办公室（MESC）、清洁能源示范办公室（OCED）和高级研究计划局 - 能源（ARPA-E）。自 2004 年以来，这种术语和能源部相关办公室之间在氢方面的协调努力一直存在，为能源部如何跨应用和部门协调氢活动提供了全面和战略性的视角。

本 2024 年版计划更新和扩展了以前的版本，包括 2020 年《能源部氢计划》、《氢态势计划》和《能源部氢和燃料电池计划》，并提供了能源部氢相关活动的协调高层总结。2006 年的《氢态势计划》满足了 2005 年《能源政策法案》的要求，即能源部长向国会提交能源部氢和燃料电池活动的协调计划。

本版氢计划反映了能源部专注于开展协调的 RDD&D 活动，以促进氢技术在多个应用和部门的采用。它反映了自 2020 年以来的重要变化，包括更新的支持数据和分析、区域清洁氢中心的描述、关于雄心勃勃的能源部全部门目标（氢能源创新计划）的信息，以及能源部在向氢经济转型过程中建立强大劳动力和社区参与的全部门努力的示例。本计划描述了能源部各办公室如何合作执行《美国国家清洁氢战略和路线图》，该文件提出了政府对清洁氢的全面方法。虽然该文件为众多联邦机构提供了路线图，以确保清洁氢作为一种有效的脱碳工具得到开发和采用，使美国受益最大化，但本氢计划概述了能源部在为国家战略做出贡献方面的具体作用。本计划包括能源部从事氢相关活动的各个办公室制定的各种计划和文件的内容，包括化石能源和碳管理办公室的《氢战略：实现低碳经济》、能源效率和可再生能源办公室的《2024 年氢和燃料电池技术办公室多年计划》、跨部门的《商业腾飞之路：清洁氢》和《商业腾飞之路：先进核能》，以及科学办公室的《基础能源科学圆桌会议：碳中和氢技术的基础科学》。其中许多文件也在更新和修订过程中，并将在网上发布。这些文件之间的关系如图 ES-1 所示。

图ES-1。美国国家清洁氢战略和路线图、能源部氢计划计划与能源部办公室战略计划和指导文件HFTO =氢和燃料电池技术办公室之间的关系；BES =基础能源科学

图ES-2 能源部氢项目组织结构

       本计划的一个关键功能是阐明能源部各办公室如何协调以实现能源部氢计划的使命。图 ES-2 展示了能源部氢计划的组织结构。通过能源部氢和燃料电池联合战略团队的定期会议以及在氢机构间工作组（HIT）中分享研究结果、技术专长和经验教训，能源部各办公室有很多合作机会。第 4 节解释了各个能源部办公室负责的主题领域以及哪些是合作努力。通过这份总体文件，读者将了解到实现氢及相关技术（如燃料电池和涡轮机）在经济中的大规模使用所需的关键 RDD&D 需求，以及能源部各办公室如何应对这些需求。氢计划将继续定期修订本计划以及所有计划办公室的 RDD&D 计划，以反映技术进步、计划变更、政策决定以及基于利益相关者输入和审查的更新。

1 引言

美国能源部（DOE）氢计划（本计划）传达了能源部在美国加速氢及相关技术研究、开发、示范和部署（RDD&D）的总体跨部门战略计划。本计划概述了核心技术领域、挑战以及能源部为应对这些挑战通过综合能源部氢计划（该计划）所追求的 RDD&D 重点。该计划包括能源部多个办公室的活动 —— 包括能源效率和可再生能源办公室（EERE）、化石能源和碳管理办公室（FECM）、核能办公室（NE）、电力办公室（OE）、科学办公室（SC）、贷款项目办公室（LPO）、制造和能源供应链办公室（MESC）、清洁能源示范办公室（OCED）和高级研究计划局 - 能源（ARPA-E）。虽然每个办公室都有自己的规划文件，包括计划和多年 RDD&D 计划，但这份总体文件提供了一个高级框架，总结了与所有办公室相关的活动，并描述了能源部各办公室将如何执行《美国国家清洁氢战略和路线图》，该文件提出了政府对清洁氢的全面方法。本计划更新了之前的版本，该版本建立在包括 2020 年《能源部氢计划》在内的先前战略和规划文件的基础上。基于广泛的利益相关者输入和过去二十年的进展，本计划作为所有相关能源部办公室重点领域和前进道路的指导总结。除了这份总体的能源部范围计划外，能源部内每个办公室都有与其任务领域相关的详细技术计划和战略。

本 2024 年版计划更新和扩展了以前的版本，包括 2020 年《能源部氢计划》、《氢态势计划》和《能源部氢和燃料电池计划》，并提供了能源部氢相关活动的协调高层总结。2006 年的《氢态势计划》满足了 2005 年《能源政策法案》的要求，即能源部长向国会提交能源部氢和燃料电池活动的协调计划。

本计划建立在能源部各办公室计划和文件的各个方面的基础上，包括 FECM 的《氢战略：实现低碳经济》、EERE 的《2024 年氢和燃料电池技术办公室多年计划》、跨部门的《商业腾飞之路：清洁氢》和《商业腾飞之路：先进核能》，以及 SC 的《基础能源科学圆桌会议：碳中和氢技术的基础科学》。其中许多文件也在更新和修订过程中，并将在网上发布并纳入本计划的未来版本。

清洁氢是综合能源组合的一部分，能够实现能源安全和弹性，并为多个部门的不同应用提供经济价值和环境效益。清洁氢以低排放或零排放生产，可来自多种国内能源来源，包括可再生能源；结合碳捕获、利用和存储（CCUS）的化石燃料；以及核能。多样化、可持续和丰富的国内资源对于国家至关重要：（1）满足各种终端用途和一系列能源需求；（2）减少对单一或有限资源的依赖；（3）保持能源独立并扩大净出口机会；（4）为未来资源、终端用途需求和限制可能发生重大变化的情况做好准备。灵活性是一项关键资产，而氢提供了这种机会。

美国在氢及相关技术的 RDD&D 方面一直处于前沿，从其在太空计划中的起源到在交通、固定电力和便携式电力应用中的技术商业化。能源部氢技术计划的起源可追溯到 20 世纪 70 年代中期能源部成立之时，当时能源安全和对外国石油的依赖是主要关注点。多年来，能源部根据一系列法定授权，包括 1990 年的《斯帕克・M・松永氢研究、开发和示范法案》和 2005 年的《能源政策法案》，建立了强大的氢及相关技术 RDD&D 活动。

氢概述 —— 益处和用途

鉴于其帮助应对气候危机、增强能源安全和弹性以及创造经济价值的潜力，美国国内外对生产和使用清洁氢的兴趣日益浓厚。清洁氢是实现可持续和公平的清洁能源未来的综合解决方案的关键部分。美国正在通过对清洁氢生产、中游基础设施的历史性投资以及对这一关键技术的有针对性的 RDD&D 来加快进展。

氢的主要益处

• 氢可从多种国内资源生产，用于多个部门或出口。
• 氢是所有常见燃料中按重量计算能量含量最高的 —— 比汽油高 3 倍 —— 并且是整个化学工业（包括液体燃料）的关键原料。
• 氢与燃料电池或基于燃烧的技术一起，可在交通、固定或远程电力以及便携式电力应用中实现零排放或近零排放。
• 氢可用于千兆瓦时的能量存储，并作为电网的 “响应负载” 以实现电网稳定，提高发电机（包括核能、煤炭、天然气和可再生能源）的利用率。

氢是宇宙中最丰富的元素，但在地球上它必须从含氢原料（如水、生物质、化石燃料、废料）中生产出来。生产后，氢可用于存储、输送和向需要的地方提供低碳或无碳能源。氢可作为液体、气体或化合物储存，并通过传统燃烧方法（在发动机、熔炉或燃气轮机中）、电化学过程（在燃料电池中）以及混合方法（如集成联合循环气化和燃料电池系统）转化为能量。它还用作许多行业（包括石油精炼、氨生产、食品和制药生产以及金属制造）的原料或燃料。氢可用于使多种国内行业脱碳，如钢铁、水泥、氨和其他化学品的制造。

作为一种多功能的能源载体和化学原料，氢提供了整合我国所有能源资源 —— 可再生能源、核能和化石燃料 —— 的优势，并使能源生产和终端应用方面的创新成为可能，有助于使经济中三个能源密集型部门 —— 交通、发电和制造业 —— 脱碳。

如表 1 所示，氢的使用在许多应用中要么正在增长，要么有巨大的未来需求潜力。这些多样化的应用凸显了氢及相关技术的巨大技术潜力。这种潜力在全球范围内也得到了认可，许多国家（包括美国）的政府和行业投资不断增加。例如，美国政府宣布为区域清洁氢中心计划（H2Hubs）提供 80 亿美元，这将启动一个由清洁氢生产商、消费者和连接性基础设施组成的全国性网络，同时支持清洁氢的生产、储存、输送和终端使用。本文档后面将提供有关 H2Hubs 的更多信息。H2Hubs 将催化数十亿美元的私人投资 —— 体现了私营部门主导、政府支持的战略。此外，能源部已向几个大规模清洁氢生产项目发放贷款和有条件贷款担保，继续刺 激清洁氢的公共和私人投资。

预计到 2050 年，氢原料将代表 800 亿至 1500 亿美元的国内市场，自 2015 年以来，燃料电池的年出货量增长了 15 倍，目前已超过 1 吉瓦。能源部《商业腾飞之路：清洁氢》报告得出结论，到 2030 年，氢经济可能创造约 10 万个净新增直接和间接就业岗位。

表1.现有的和新出现的氢气需求

进展和需求

在过去 40 年中，氢及相关技术（如燃料电池和涡轮机）已从高度专业化的应用转变为商业可用产品。在美国各地，数千个燃料电池已用于乘用车和商用车、叉车以及固定和备用电源单元。在过去几年间，零售加氢站的数量已增长至约 50 座，若将物料搬运等小众市场的基础设施计算在内，则超过 150 座。在发电领域，技术进步推动了大型燃气轮机的商业化应用，使其能够燃烧氢 / 天然气混合物。

这一转变在很大程度上得益于美国能源部在研发方面的持续投入。过去 20 年里，能源部在多个氢相关领域的投资已超 120 亿美元，涵盖从多种国内资源制氢、氢的输送与存储，到燃料电池和涡轮机等转换技术等各个方面。通过与工业界的合作，取得了一系列重要成果，例如开发出先进的生产系统，利用碳捕获与存储技术，能够以低于 2 美元 / 千克的成本生产低碳氢。能源部资助的研发工作还使运输燃料电池成本降低 60%，耐久性提高四倍，并促成了 1100 多项美国专利的颁发和 30 多种商业技术的上市。

然而，氢及相关技术仍面临着关键的技术挑战，包括成本、耐久性、可靠性和性能问题，以及氢输送和存储基础设施的缺乏。为实现广泛商业化，氢利用技术必须进入更大市场，并在生命周期成本、性能、耐久性和环境影响等方面与现有技术竞争。此外，非技术壁垒也亟待解决，如制定和协调法规标准、与信誉良好的客户签订大批量承购协议、推广安全最佳实践，以及发展强大的供应链和劳动力队伍。同时，双向社区参与和教育对于培育强大的氢经济至关重要。

能源部氢计划致力于在每个核心技术和制度领域满足需求并克服挑战，具体情况如下表所示。

多年来，已发现和开发了多种技术选项以满足每个技术领域的关键需求，并且在许多方面取得了实质性进展。如图 2 所示，这些选项涵盖了从近期到长期的大规模市场采用的全范围。采用的预期时间框架基于技术成熟度和预期需求。一些技术可能在技术上已经成熟，但尚未产生足够的需求以实现广泛采用。

图 2. 关键氢技术选项

2 能源部氢计划

计划使命

能源部氢计划专注于清洁氢从生产到终端使用的技术研发与示范，并致力于消除制度和市场壁垒，以推动氢技术在多个应用和部门的广泛采用。

愿景：为实现净零碳未来和可持续、有弹性、公平的经济提供经济实惠的清洁氢

为实现这一使命，该计划与工业界、学术界、国家实验室、联邦和国际机构、环境正义社区及其他利益相关者合作，旨在：

• 通过基础和应用研究与开发（R&D）克服技术障碍。
• 集成、示范和验证 “首创” 氢及相关技术。
• 加速创新和技术向私营部门的转移。
• 解决制度问题，包括安全担忧、环境不公正、教育和劳动力发展差距，以及法规和标准的制定。
• 确定、实施和完善联邦计划的适当策略，以促进可持续市场发展，并为经济、环境、公众和能源安全带来相应利益。

除了能源效率和可再生能源办公室（EERE）、化石能源和碳管理办公室（FECM）、核能办公室（NE）、电力办公室（OE）、科学办公室（SC）、贷款项目办公室（LPO）、制造和能源供应链办公室（MESC）、清洁能源示范办公室（OCED）和高级研究计划局 - 能源（ARPA-E）的参与外，氢计划还与能源部其他办公室协调，包括北极能源办公室、能源正义与公平办公室、国际事务办公室、印第安能源政策与计划办公室、政策办公室和技术过渡办公室。此外，还有一些跨部门的能源部工作，如能源部氢和燃料电池联合战略团队和氢能源创新计划（在第 4 节中有更详细描述）。这些办公室和倡议各自管理与其使命相关的氢技术活动。EERE、FECM 和 NE 专注于其各自能源源、原料和目标应用的研发活动，这些活动经过协调以实现一致和战略性的管理努力。有关氢计划执行和协作的更多信息，请参阅第 4 节。

氢的规模化 —— 指导框架

H2@Scale 是能源部的一项倡议，为氢如何在日益互联的能源系统中实现跨应用和部门的能源路径提供了总体愿景。H2@Scale 概念（如图 3 所示）基于氢满足多个部门现有和新兴市场需求的潜力。它设想了氢的生产、存储、运输和利用创新如何帮助实现这一潜力并实现规模经济，从而创造收入机会并降低成本。

目前，氢的主要需求是作为石油精炼和氨生产中的化学原料，少量用于其他工业应用，如甲醇生产。美国目前每年为这些终端用途生产约 1000 万吨（MMT）氢，主要来自天然气。在 H2@Scale 愿景中，氢作为化学原料和能源载体的多功能性可被利用来服务于更广泛的终端用途。新兴市场机会包括氢在多种交通应用中的使用（例如，在燃料电池电动汽车中 —— 特别是重型应用 —— 作为合成燃料的原料，以及用于升级石油和生物燃料）；作为工业原料（例如，在钢铁和水泥制造中）；用于工业系统和建筑物的热量；用于发电（大规模发电、离网分布式发电以及备用或应急电源）；以及用于能量存储。混合能源系统，将能源生产、存储和 / 或转换技术集成以优化所产生能源的总体价值，是另一个有前途的市场机会，如第 3 节应用部分所讨论。例如，将氢生产技术与公用事业规模的发电厂集成是一个日益受到关注的概念，因为它有可能提高这些发电厂的盈利能力，同时支持电网弹性。

H2@Scale 的最终目标是利用多种原料、加工方法和输送选项，以经济和物流角度最适合特定地点和市场需求水平的各种规模（从大型集中生产到小型本地生产）经济地生产和输送氢。为了更好地了解和开发美国氢生产、需求和利用的潜力，氢计划进行协调、全面的建模和分析工作，研究可用选项、当前和潜在成本、能源效率和环境影响，以及它们之间的权衡。这些分析结果用于指导研发重点和设定计划目标，包括氢生产和利用的潜在区域重点领域，以及最可行的终端应用。

能源部国家实验室最近进行的 H2@Scale 建模和分析工作描述了美国未来 30 年氢生产和需求潜力。图 4 展示了如果清洁氢以所示阈值价格（生产、输送、压缩和分配）供应，每个部门预期的需求情景。例如，以约 5 美元 / 千克的价格生产、输送、压缩和分配氢，将为燃料电池卡车市场的早期采用者铺平道路。在约 4 美元 / 千克时，情景分析表明，10% - 14% 的中型和重型燃料电池卡车将需求约 5 - 8 MMT / 年的氢。较浅阴影条代表每个所示市场的更乐观需求情景。鉴于燃料电池成本、效率、耐久性、车载氢存储和基础设施等其他变量的不确定性，以及现有燃料和技术的成本，分析将继续完善。然而，这些结果表明，如果能源部实现清洁氢成本目标，清洁氢需求将有巨大潜力。有关更多信息，请参阅《美国国家清洁氢战略和路线图》和《商业腾飞之路：清洁氢》。

图4.显示交通运输、工业和电网的关键部门的潜在清洁氢需求估算的情景

到 2030 年，将清洁氢部署用于工业、交通和电网脱碳可能导致氢需求达到 10 MMT / 年，到 2040 年约为 20 MMT，到 2050 年约为 50 MMT。

氢计划还确定了美国各地用于氢生产的国内资源可用性，以及可用于氢服务的相关基础设施。以下图表展示了美国各地资源和基础设施的位置，以及可再生能源、化石资源和核能可用于清洁氢生产的位置。美国的能源资源分布广泛；可再生、化石和核能资源各自独立地足以支持国内清洁氢生产和消费的显著增长。

目前，美国每年使用的约 10 MMT 氢中，大部分通过天然气蒸汽甲烷重整（SMR）生产，这会产生相关的二氧化碳（CO₂）排放。图 5 显示了当前大多数氢生产设施的位置，以及天然气和氢的配套管道基础设施。一些天然气重整设施已示范了碳捕获技术。

从图 9 可以看出，风能和太阳能光伏发电制氢在集中式和分布式生产方面都提供了广泛的地理选择，在全国几乎每个地区都有巨大潜力。虽然聚光太阳能的大部分资源潜力在该国西南部地区，但固体生物质的资源潜力主要在中部和东部地区。

除了制氢资源，美国的氢基础设施也在不断扩展。这包括超过 1600 英里的氢气管道（见图 5），以及现有的和计划中的氢气液化设施和大规模盐穴气态氢存储设施。目前有 14 个氢气液化设施在运营，总日产能超过 300 公吨，还有更多的工厂正在建设或规划中，这些工厂将提供高达 500 公吨 / 日的额外产能。有三个盐穴存储设施在运营，还有一个计划中的设施，可提供超过 330 吉瓦时的氢气存储量。图 10 展示了当前和计划中的液化工厂及盐穴存储设施的地理位置。图 11 进一步说明了美国大规模地质存储的机会，包括可以利用现有天然气基础设施的选项，特别是在区域清洁氢中心附近。

计划战略

能源部资助研发工作，为从多样化国内能源来源生产、输送、储存和使用氢气的近期、中期和长期发展提供基础。为了充分发挥氢气的优势，氢计划旨在推进氢气及相关技术在各种应用中的发展，这些应用的商业采用时间框架各不相同。该计划根据技术进步为氢气及相关技术设定了目标，这些技术进步是使其在市场上与现有和其他新兴技术具有竞争力所必需的。以下是该计划总体技术目标的一些示例。每个办公室的多年规划文件中都包含更详细的技术和应用特定目标及里程碑。这些目标是通过与技术开发者、研究界和其他相关利益相关者的讨论确定的。

能源部氢气计划关键目标示例：能源部的目标是针对特定应用并在利益相关者的参与下制定的，旨在使其与现有和新兴技术具有竞争力。这些目标指导研发社区并为计划的活动组合提供信息。有关具体里程碑和日期，请参阅《美国国家清洁氢战略和路线图》。

• 清洁氢生产成本为 1 美元 / 千克。重型运输加氢成本为 7 美元 / 千克。长途重型卡车燃料电池系统成本为 80 美元 / 千瓦，耐久性为 25,000 小时。电解槽资本成本为 250 美元 / 千瓦，耐久性为 80,000 小时，系统效率为 65%。燃料灵活的固定式高温燃料电池系统成本为 1000 美元 / 千瓦，耐久性为 80,000 小时。100% 氢气涡轮机的氮氧化物（NOₓ）排放量为 9 ppm，采用选择性催化还原时为 2 ppm。

氢计划通过开展以下活动来应对实现 H2@Scale 愿景的关键挑战：

• 降低成本并提高氢气生产、输送、储存和转换系统的性能和耐久性。
• 解决限制氢气与传统能源系统集成并减少氢气出口机会的技术、监管和市场障碍。
• 评估和解决环境正义问题，以增加公众对氢气技术的利益和支持。
• 通过整合分散的氢气供应和需求来源，探索实现大规模采用和使用的机会。
• 开发和验证利用氢气的综合能源系统。
• 展示氢气新用途和创新用途的价值主张
• 

3 技术重点领域和研发重点

氢气生产

美国拥有丰富多样的自然资源，能够实现安全、清洁、可持续、大规模和经济实惠的清洁氢生产。全球各部门对氢气的需求正在增长，目前全球年消费量约为 9700 万吨。其中，美国目前每年生产和消费近 1000 万吨，相当于每年略超过 1 万亿英热单位（占美国能源消费的 1%）。

氢可以从各种国内资源——可再生能源、核能和化石能源——在大型、集中的工厂或靠近使用点的小型设施中产生。

为满足这一不断增长的需求，正在探索和开发广泛的氢气生产途径技术组合。如图 13 所示，这些技术包括利用碳捕获、利用与封存（CCUS）技术开发化石资源、从生物质和废物流资源中提取氢气以及水分解技术。这种广泛的选择为在全国范围内扩大氢气供应基础提供了区域机会，提供从每天几百到几十万千克的清洁氢生产能力。

图13 各种制氢技术。48 ADG =厌氧消化器气体；PEC =光电化学水裂解；STCH =太阳能热化学氢

化石资源 生物质 / 废物 水分解、低成本、大规模氢气生产，可选 CCUS 选项包括沼气重整和废物发酵 电解槽可并网或直接与可再生能源耦合新选项包括副产品 副产品效益包括清洁 新直接水分解途径。

化石资源

目前，天然气等化石燃料是全球大部分氢气生产的来源。如今，美国约 95% 的氢气是通过大型中央工厂中的催化蒸汽甲烷重整（SMR）生产的，这些工厂依赖现有的天然气基础设施。天然气部分氧化（或其他烃类）、自热重整（将天然气、蒸汽和氧气转化为合成气）以及化石资源与生物质或废塑料的共气化（均结合 CCUS）是利用国内资源的其他选择。将基于化石的工艺与 CCUS 相结合是近期清洁氢生产的一个有前途的选择，并且在将基于化石的原料与生物质共燃烧时使用 CCUS 有可能生产碳负氢气，作为额外的环境效益。到目前为止，基于天然气重整的先进生产系统已被证明能够以低于 2 美元 / 千克的成本生产低碳氢并结合 CCUS。例如，工业界在瓦莱罗炼油厂的亚瑟港 CCUS 项目中展示了一个完全集成的氢气生产设施。虽然 SMR 和结合 CCUS 的气化是成熟的工业技术，目前能够以低于 2 美元 / 千克的成本生产低碳氢，但在催化、分离、控制、多联产、降低资本成本、工艺强化和采用先进设计方法（如参数设计）进行模块化方面的持续研发（包括通过使用人工智能）可以进一步降低基于化石的氢气生产成本，同时进一步减少 CO₂ 排放。与化石资源相关的其他新兴清洁氢生产方法包括甲烷直接热解为氢气和固体碳副产品以及通过地下热催化过程进行地质生产。对包括地质提取以及结合 CCUS 的重整和气化技术在内的各种方法的研究进展旨在提高性能，同时降低资本和运营成本，以实现氢气生产成本低于 1 美元 / 千克。

生物质和废物流资源

美国国内的生物质和废物流资源每年有超过 10 亿吨干原料的潜力，可用于可持续氢气生产。适用的原料类别包括主要生物质能源来源，如杨树、柳树和柳枝稷，以及由垃圾填埋场、农业废物和城市固体废物等来源的有机残留物厌氧消化产生的沼气。主要生物质可以使用成熟的技术进行气化，甚至可以在气化过程中与煤炭或废塑料共同进料。它也可以加工成生物衍生液体，随后重整为氢气，并且在结合 CCUS 时，有可能生产碳负氢气。沼气在经过额外的净化要求后，可以通过类似于 SMR 的过程重整为氢气。某些废物流原料可以通过基于生物的过程（如发酵和微生物辅助电解）或新颖的热和非热等离子体过程生产氢气。这些过程中发生的废物流清理是一个额外的好处。根据原料可用性和成本，一些方法（如生物质和废物流的气化和蒸汽重整）在近期可能具有经济竞争力。为了实现更广泛的采用，需要进行研发以解决近期和长期技术面临的挑战，包括提高转化效率（例如，通过先进的催化和分离以及工艺强化）和降低原料预处理和运输成本。

水分解技术

有许多利用来自多样化、可持续国内来源（如太阳能、风能、核能）的电、热或光子（光）能将水分解为氢气和氧气的过程。使用电力分解水的低温电解槽（包括液态碱性和膜基电解槽）在近期具有商业可行性，目前已有兆瓦级别的装置。这些电解槽可以连接到电网或直接与分布式发电资产集成，以生产用于各种终端用途的氢气。通过低温电解生产清洁氢的成本在很大程度上取决于电力成本，目前在各种清洁电力定价情景下，成本范围为 5 美元至 7 美元 / 千克 H₂。实现成本低于 2 美元 / 千克的具有竞争力的氢气的一种途径是将低成本、高容量因子的可再生电力（例如，通过确定独特的位置来优化利用风能和太阳能资源的混合能源系统）与电解槽技术的持续进步相结合。然而，需要更多工作来降低储能成本，这有助于整合间歇性可再生能源，以实现稳定、广泛可用、低成本和低碳的电力。实现这一成本目标的另一种途径是将电解槽与核能发电相结合。大多数核电站的容量因子接近 95%，可全天候满功率运行。因此，现有的核电站舰队为在 “电表后”（即不使用输电和配电系统）生产氢气提供了一种有前途的途径，以获得清洁、可靠、低成本的能源来源。利用核能生产氢气可能面临挑战，包括现有向电网供电的义务以及与电力市场相比氢气基于收入的经济潜力。未来，先进反应堆将具有高容量因子的优势。然而，新核电站的电力成本预计将高于现有舰队，需要更多工作来开发和降低部署先进核电站的成本。高温电解槽可以利用来自发电源（如核能、地热能、聚光太阳能发电厂或结合 CCUS 的化石能源）的电能和热能来提高转换效率，进一步降低成本。对于风能和光伏太阳能发电，高温电解槽即使使用电加热也具有高效率。可逆燃料电池目前正在开发中，它结合了电解槽和燃料电池的功能，既可以使用电力将水分解为氢气和氧气，也可以使用氢气和氧气产生电力和水。无需电力的直接水分解的长期途径包括热驱动的化学循环过程（如太阳能热化学系统）以及光驱动的光电化学过程。在材料、组件和系统层面进行持续的研发将是解决所有水分解过程中的效率、耐久性和成本挑战所必需的。

氢气生产目标：到 2026 年，根据《两党基础设施法案》，电解制氢成本低于 2 美元 / 千克。到 2031 年，根据氢能源创新计划，氢气成本达到 1 美元 / 千克。

氢气生产的常见研发重点：

• 减少铂族金属使用的新型催化剂和电催化剂。
• 用于分布式和大容量电力系统的模块化气化和电解系统。
• 低成本、耐用的膜和分离材料。
• 新颖、耐用、低成本的热化学和光电化学材料。
• 加速应力测试和了解降解机制以提高耐久性。
• 降低重整技术（包括自热重整）的资本成本。
• 改进电厂平衡组件和子系统，如电力电子设备、净化和热气净化。
• 为大规模生产的放大和可制造性进行组件设计和材料集成。
• 包括电力和氢气多联产的可逆燃料电池系统。
• 系统设计、杂交和优化，包括工艺强化。
  
   

氢气输送

为支持广泛的应用，氢气输送基础设施可能采用多种技术途径，能够以各种形式运输氢气，包括气态形式通过管道和高压管式拖车、液态形式通过罐车，以及使用化学氢载体。根据氢气的运输、储存和利用方式，可能还需要不同的氢气分配技术。支持这些输送途径的技术处于不同的发展阶段，但它们最终必须既经济实惠，又能满足或超过现有其他燃料基础设施在安全、便利、可靠性和能源效率方面的预期水平，同时支持解决负担过重社区的环境不公正问题。

管式拖车

当氢气输送量较小（≤1 吨 / 天）时，氢气通常在管式拖车中以高压运输。管式拖车可能仍然是供应不断增长的小规模氢气市场或需求不可预测市场的关键技术。目前，管式拖车通常使用液态氢进行填充 —— 液态氢被加压并汽化为气态形式。随着小规模氢气消费者市场的扩大，这种方法将不如在气态氢生产设施直接填充管式拖车高效。目前正在开发这种共址的气态管式拖车终端。需要进行研发工作以提高管式拖车上压力容器的寿命、降低高压复合管式拖车的成本并增加管式拖车终端使用的压缩机容量。

液态氢

液态罐车用于在氢气需求显著且稳定，但区域氢气总需求不足以建设管道的地区运输氢气。也在探索在海运船舶上使用液态储罐用于低碳氢的国际运输以供出口市场。液态罐车每次装载通常比气态管式拖车多储存 5 倍以上的氢气。在某些情况下，使用液态氢是因为它极其纯净，与气态途径供应的氢气相比，污染风险更低。北美现有的液化工厂生产规模从 6 吨 / 天到 30 吨 / 天不等。目前氢气液化的工艺和技术相对成熟。该过程涉及使用液氮冷却气态氢，然后压缩和膨胀预冷气体，直到它在 - 253°C（- 425°F）下冷凝为液态。这个过程既资本密集又能源密集。传统液化过程中消耗的能量相当于液化氢能量含量的 35%。为应对这一挑战，需要进行研发以实现新颖的非机械液化方法，如使用磁热材料和工艺，有可能使氢气液化效率比传统方法提高一倍。

管道

氢气管道通常用于氢气需求大（数千吨 / 天）且预计需求将长期稳定（15 - 30 年）的地区。氢气管道资本密集，但当氢气需求量大时，随着时间推移其平准化成本较低。目前，美国有超过 2575 公里（1600 英里）的专用氢气输送管道，这些管道主要集中在墨西哥湾沿岸，因为那里的炼油厂对氢气有大量需求。虽然管道是运输氢气最节能的方法，但其部署受到高资本成本的挑战。实现低成本管道所需的研发工作包括开发高通量压缩机以使用更大的管道、评估用于管道的新型低成本材料（例如，评估高强度钢与氢气的兼容性）以及对新型管道技术（如纤维增强聚合物管道）进行首次示范。随着经济对氢气需求的增长，将氢气混入现有与天然气、“城市煤气” 或其他产品混合的管道中也是可能的。一些应用可以使用氢气混合物，而其他应用可能需要在终端使用时分离氢气和天然气，如应用部分进一步描述。

化学氢载体

另一种新兴的大量运输氢气的方法是使用化学氢载体，它有可能比管式拖车运输更多氢气且成本更低。化学氢载体是液态或固态材料，能够在低压和接近环境温度下与氢气化学键合以 “携带” 氢气，但随后可以根据需要释放氢气。它们可能非常适合氢气需求大但不稳定到足以建设管道的应用。它们还具有比气态甚至液态氢运输更高的能量密度的潜力，从而降低氢气输送成本。化学氢载体可大致分为单向或双向载体。单向载体是将氢气输送到给定终端用途而无需重新加工（即再氢化）以供进一步使用的材料；例如，氨（NH₃）可以输送到化肥生产设施或 “裂解” 以将氢气从氮气中分离出来用于其他终端用途。双向载体是其副产品在氢气释放后通常返回进行再加工以供重复使用或处置的材料。例如，甲基环己烷在释放氢气时产生甲苯，甲苯可以通过氢化再加工为甲基环己烷。化学氢载体的使用处于商业化初期，需要进行研发工作以提高这些材料的载氢能力并改善充放电速率、可逆性和整体往返效率。一些载体，如氨，也可以用于直接发电（如在涡轮机、内燃机和直接燃料电池中）而无需中间氢气释放，但需要更多研发工作以实现商业可行性。

氢气分配和加注：一旦氢气被运输到使用地点，可能需要通过加压、冷却和 / 或净化进行调节，并且通常在现场大量储存。这些过程可能涉及多个不同的系统 —— 例如，车辆（轻型、中型和重型）用氢气加注站通常有高压压缩机、储存容器和分配器。这些系统旨在按照标准协议实现氢气加注。对于轻型车辆加注，这些协议已经很完善 —— 例如，加注压力通常为 700 巴（约 10,000 psi 或 70 MPa）—— 并且这些技术已在美国 50 多个零售氢气加注站用于轻型燃料电池电动汽车的商业部署。对于中型和重型燃料电池电动汽车，加氢标准仍在制定中，这些标准将为未来高通量加氢站的设备要求提供依据。

示例：氢气输送目标

• 早期市场运输终端用途的大规模氢气输送、分配和加注成本低于 7 美元 / 千克。
• 高价值产品最终市场扩张的成本低于 4 美元 / 千克。
   
  
   

需要开展研发工作以降低加氢站或使用点的氢气分配系统及其他相关系统的成本、提高其可靠性并增加吞吐量。这些活动旨在增强分配软管和密封件（例如压缩机中）所用材料的可靠性；通过新颖设计提高分配软管的使用寿命；开发新型压缩机、低温输送泵和分配器设计，以确保它们满足中型和重型市场的吞吐量要求；并开展材料研究以增加高压储存容器的使用寿命和容量。应用部分将讨论其他特定应用的挑战。

氢气输送的常见研发重点：

• 高压和 / 或低温下与氢气兼容的材料。
• 氢气液化创新。
• 用于氢气储存、运输和释放的载体材料和催化剂。
• 用于低成本分配和加注的创新组件（例如压缩机、低温泵、储存容器、分配器、喷嘴）。
  
   
   
  
   
  图14.含氢的四种主要输送方式：气体管拖车、液体罐车、管道和化学氢载体  
  
   

氢气储存

氢气按单位质量计算的能量含量几乎是汽油的 3 倍，但气态氢气的体积能量密度较低，难以储存在紧凑的容器中。为克服这一挑战，氢气通常使用物理过程以气体或低温液体形式储存；也可以使用基于材料的过程将氢气结合在化合物中储存。当前的氢气储存方案组合如图 15 所示。

氢气可能需要在交付前、交付过程中或使用点进行批量储存。需要多种技术解决方案来满足不同应用的特定要求。

氢气储存
物理基 材料基
压缩气体 冷 / 低温压缩液体
可逆 不可逆
地质 金属氢化物 吸附剂 化学氢载体
例如 NaAlH₄ 例如 MOF - 5 例如 NH₃ 例如 C₇H₁₁

图 15. 当前的氢气储存方案组合。包括基于物理的气态和液态储存罐以及可逆和不可逆的基于材料的储存。也在研究用于超大规模批量储存（如地质储存）的方法。

物理储存

对于一系列运输和其他固定及发电应用，气态氢气通常储存在加压罐中，这些加压罐通常由全金属或复合缠绕压力容器构成。例如，在商业物料搬运设备和燃料电池电动汽车中，分别使用带有金属或聚合物衬里的碳纤维复合缠绕罐在 350 巴（5,076 psi）和 700 巴（10,153 psi）下储存车载氢气。更大的全金属或复合缠绕压力罐用于氢气加氢站的批量气态氢气储存，以及各种化学和固定电力应用。在盐穴、盐水含水层、枯竭的天然气或石油储层以及人工硬岩储层中的大规模地质储存为长期能量储存应用提供了机会。

例如，位于德克萨斯州博蒙特的世界上最大的氢气储存盐穴，目前在墨西哥湾沿岸氢气管道系统中用作缓冲，在地下储存超过 7,000 吨氢气。需要进一步开展研发工作以降低气态氢气储存的成本并确保其安全性。例如，目前正在努力开发低成本碳纤维，以解决高压复合缠绕罐中的主要成本因素。对于数百吨氢气的大型批量储存罐，正在研究新颖的设计、材料和控制方法以满足燃料供应要求。更广泛的与安全相关的研究工作也在解决材料兼容性问题和疲劳问题，以及减轻与安全间距和地下储存相关的安全问题。

虽然压缩氢气通常在环境温度下储存，但将温度降低到低温或超低温可以显著增加氢气的密度。例如，在 15°C 和 700 巴时，氢气密度为 40 克 / 升；在 - 150°C 和 700 巴时，其密度为 67 克 / 升；在 - 253°C 和 1 巴（此时它处于沸点的液态）时，其密度为 71 克 / 升。液态氢气在高度绝缘的双层壁罐中在极低的低温下储存 —— 这些罐目前已商业化并用于工业规模的储存和运输。液态和低温压缩氢气储存系统的能量密度为许多需要长续航和高通量加氢的应用（包括中型和重型车辆、船舶应用和火车）提供了重要优势。然而，对绝缘的需求以及长时间闲置时发生的蒸发和排气现象给系统性能带来了额外的成本和挑战。需要在材料、组件和系统层面开展研发工作来应对这些挑战。

材料储存

作为气态或液态储存的替代方案，氢气也可以在某些材料化合物中以低压高密度储存。不同类别的基于材料的储存包括金属氢化物、吸附剂和化学氢储存。金属氢化物通过将氢原子化学键合到化合物结构中的原子上来储存氢原子。例如，复杂氢化物如镁硼氢化物。吸附剂，如微孔超级活性炭或金属 - 有机框架，利用分子氢与吸附剂表面之间的弱键合，通常需要较低的储存温度。通过金属氢化物和吸附剂进行的氢气储存被认为是可逆的，因为氢气的吸收和释放可以通过改变温度和 / 或压力来控制。许多化学氢载体，包括甲基环己烷等材料，有可能按质量和体积大量储存氢气。然而，对于这些材料，需要热或催化化学反应来结合和释放氢气，并且这些过程可能导致显著的往返能量损失。与大规模储存和运输兼容的液态化学氢载体包括常见化合物如氨和甲醇。目前没有基于材料的储存方法在商业上成熟，需要在基础材料和系统层面开展研发工作来发现和优化能够实现商业化所需的成本、能量密度、氢气吸收和释放的可行氢气储存材料。

最合适的储存类型取决于许多因素，如终端应用、所需氢气量、地理和地质限制以及所需流速。例如，一台 500 兆瓦的氢气涡轮机每天大约需要 500 - 600 吨氢气，两天的储存量需要超过 1,000 吨，或者相当于以化学形式储存的等量能量。一个 30 兆瓦的数据中心每天大约需要 45 吨（或两天备用电源约 90 吨）。如今的长途燃料电池卡车制造商的目标是每天供应几吨氢气的加氢站。车载储存量从小型无人机的几克、燃料电池卡车的 100 千克到某些船舶和铁路应用的超过 1 吨不等。以下是解决关键氢气储存挑战的关键目标和研发重点示例。

氢气储存目标：

• 运输用车载氢气储存系统：在 2.2 千瓦时 / 千克和 1.7 千瓦时 / 升的条件下，储存成本为 8 美元 / 千瓦时。
• 用于储罐的高强度碳纤维大批量成本：14 美元 / 千克。

氢气储存的常见研发重点：

• 在材料、组件和系统层面降低成本。
• 用于高压罐的低成本、高强度碳纤维。
• 与氢气兼容的耐用和安全材料。
• 液态氢气和冷 / 低温压缩储存的低温研发。
• 发现和优化满足重量、体积、动力学和其他性能要求的氢气储存材料。
• 优化使用化学氢载体的往返效率。
• 以可用于氢气涡轮机的化学能载体形式储存氢气。
• 识别、评估和示范氢气的地质储存。
• 氢气和氢载体出口的系统分析。
• 分析以完善广泛的储存选项和终端应用的目标。
• 确保氢气储存安全、高效和可靠所需的传感器和其他技术。

转换

如前几节所述，氢气是一种使用能源和原料（如水、生物质、天然气、煤炭、石油以及废水和塑料等废物）生产的能源载体。为了发挥作用，氢气携带的能量必须转换为不同的形式，如电能和 / 或热能。这种转换可以通过使用涡轮机或往复式发动机燃烧或通过使用燃料电池的电化学过程来实现。有许多机会设计混合能源系统 —— 例如，在大规模联合循环混合系统中使用高温或低温固定式燃料电池与燃气轮机集成，该系统同时使用传统和燃料电池能源转换技术。其他混合系统也在考虑之中，如应用部分所讨论。

燃料电池

燃料电池利用天然气、合成气和氢气等燃料的化学能产生电能和热能。如果燃料电池直接使用氢气作为燃料，唯一的排放物是水 —— 没有二氧化碳和氮氧化物（NOₓ）等污染物。燃料电池比内燃机更高效，因为燃料电池中的电化学反应直接产生电能 —— 而燃烧必须首先将燃料中的能量转换为机械能，然后再转换为电能。已经证明燃料电池效率超过 60%，在热电联产应用中效率可能超过 80%。

燃料电池类似于电池，它们由被电解质或膜隔开的正负电极组成，并且两者都具有很高的效率。然而，燃料电池不像电池那样需要充电，只要提供燃料和空气，它们就可以长时间运行。在燃料电池中，功率和能量是解耦的并且可以独立调节 —— 即对于固定的燃料电池堆，更多的氢气允许更高的能量容量而不改变燃料电池的大小或功率。与电池一样，燃料电池相对于内燃机具有优势：它们没有运动部件，安静，不需要换油且维护量极少。燃料电池也很容易扩展，因为单个电池可以堆叠在一起以提供广泛的功率范围。它们的尺寸可以从小于 1 瓦的便携式电源到数百千瓦的重型应用以及许多兆瓦的大规模固定电源。

示例：用于长途卡车的聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）目标

• 燃料电池系统成本为 80 美元 / 千瓦。
• 耐久性为 25,000 小时。
  
   

PEMFC 的常见研发重点：

• 提高催化剂活性和耐久性，同时减少铂族金属催化剂负载。
• 耐高温、低成本和耐用的膜和离聚物。
• 改进组件设计和材料集成，以优化用于膜电极组件的可制造和可扩展电极结构。
• 先进的双极板、涂层和气体扩散层。
• 加速应力测试、更好地理解降解机制和缓解方法。
• 改进电厂平衡组件，包括压缩机和电力电子设备。
• 标准化、模块化的堆栈和系统，适用于多种重型应用。
• 改进混合和优化系统设计。

有多种类型的燃料电池，它们都具有使其适合各种应用的特定优势。区分不同类型燃料电池的关键特征包括电解质类型、运行温度和所需的氢气纯度水平。

聚合物电解质膜燃料电池通常在约 80°C 下运行，并且能够快速响应负载变化，使其适用于交通应用以及需要快速启动时间或必须响应可变负载的固定、备用或便携式电源应用。固体氧化物燃料电池（SOFC）在更高的温度（通常为 800°C 至 1,000°C）下运行，并且更适合用于模块化和公用事业规模的固定电力系统，因为高温使得快速启动具有挑战性。还有中间温度的燃料电池，如熔融碳酸盐（600°C - 700°C）和磷酸燃料电池（150°C - 200°C），以及其他低温燃料电池，如碱性燃料电池和新兴的碱性 交换膜燃料电池（≤80°C）。每个能源部办公室都制定了针对特定应用的目标，以指导活动并确保 PEMFC 和 SOFC 技术在成本、性能、耐久性和可靠性方面具有竞争力。本节提供了 PEMFC 和 SOFC 的应用特定目标和常见研发重点示例；其他燃料电池类型的目标和研发重点可以在各个计划办公室的研发计划中找到。

示例：用于固定发电的 SOFC 目标

• 燃料电池系统成本为 1,000 美元 / 千瓦。
• 耐久性为 80,000 小时。

SOFC 的常见研发重点：

• 材料研发以降低成本并解决与高温运行相关的问题。
• 管理跨堆栈的热量和气流。
• 解决堆栈和电厂平衡系统集成、控制和优化问题，以实现负载跟踪和模块化应用。
• 直接进料燃料电池的碳中性燃料内部重整。
• 改进电厂平衡组件，包括压缩机和电力电子设备。
• 标准化、模块化堆栈。
• 更好地理解杂质对材料和性能的影响。
• 系统设计、混合和优化，包括可逆燃料电池。

如图 16 所示，燃料电池可以使用广泛的燃料和原料，并可以为多个部门的多种应用提供动力。除了这些应用之外，能源部还在探索燃料电池用于三联产的应用，该应用可以使用煤炭合成气、沼气或天然气等燃料同时生产电力、热量和氢气。工作还集中在低温和高温可逆燃料电池上，这些燃料电池可以在两种模式下运行，以生产氢气或电能。（如氢气生产部分所述，在电解模式下，可逆燃料电池使用电力和水生产氢气，在燃料电池模式下，它使用氢气生产电力和水。）可逆燃料电池系统将能够在单个单元中提供易于调度的电力，仅使用水作为原料。例如，煤气化设施可以产生氢气用于 SOFC 发电，而在电力需求低的时期，SOFC 可以可逆运行以产生氢气用于储存和 / 或化学生产。或者，可逆燃料电池可以与间歇性可再生能源集成，在电力需求低的时期将原本会被削减的电力转换为氢气。然后，在可再生能源（如风能、太阳能）不可用的高功率需求时期，可以利用该氢气发电。

图 16. 燃料电池的多功能性

对于所有这些应用，都有一个共同的需求，即降低成本、提高耐久性，同时在保持效率的同时最大化社区利益并最小化负面影响。根据燃料电池的类型，成本的一个关键因素是催化剂，通常基于铂族金属，这些金属依赖于进口。其他需要研发改进以满足成本和耐久性目标的关键组件是膜或电解质；双极板，其具有多种功能，包括除水和收集产生的电流；以及其他组件，如气体扩散层。聚合物膜材料（如全氟磺酸）的环境可持续性是一个潜在的关注点。还需要可靠且低成本的电厂平衡组件，如压缩机、鼓风机和电力电子设备。

燃烧

氢气可以像天然气、合成气、柴油、汽油和其他常见燃料一样燃烧。使用氢气的好处是不产生二氧化碳，主要副产品是水。几十年前，美国国家航空航天局（NASA）和国防部就成功地展示了氢气在发动机中的应用，NASA 在航天飞机的主发动机中使用了氢气，国防部在无人火箭发动机中使用了氢气。

使用氢气燃烧发电的优势包括燃料灵活性（通过能够燃烧氢气和化石燃料的混合物）、燃料安全性（通过与氢气储存集成）、满足大量电力需求的能力以及跟随可变发电负载的灵活性。

最近，全球发电行业的主要参与者越来越关注氢气涡轮机，特别是对于大规模发电。工业界已经开发出材料和系统来提高可燃烧氢气的浓度，这些进展使得氢气在简单循环涡轮机或航空衍生机器中可以以超过 90% 的浓度燃烧，在大型联合循环涡轮机中可以以高达 50% 的浓度燃烧。能够燃烧高达 30% 氢气 / 天然气混合物的大型框架涡轮机和能够燃烧超过 90% 氢气的航空衍生涡轮机目前已经商业化。

氢气燃烧的常见研发重点：

• 扩大简单和联合循环中可接受的氢气浓度范围（高达 100%）。
• 更好地理解燃烧行为并优化低 NOₓ 燃烧的组件设计。
• 应用和开发具有反应流的先进计算流体动力学。
• 开发先进的燃烧器制造技术。
• 开发新材料、涂层和冷却方案。
• 优化转换效率。
• 提高耐久性和寿命并降低成本，包括运营和维护成本。
• 开发系统级优化和控制方案。
• 评估和减轻水分含量对传热和陶瓷腐蚀的影响。
• 开发和测试氢气燃烧改造套件。
• 实现碳中性燃料（如 NH₃、乙醇蒸气）的燃烧。

虽然已经取得了显著进展，但仍需要进一步的研发来解决诸如自燃、回火、热声学、混合要求、气动热传递、材料问题、降负荷 / 燃烧动力学、NOₓ 排放和其他与燃烧相关的现象。此外，当氢气浓度超过 75% 时，燃烧行为会发生显著变化，需要新的燃烧器设计、不同的传感器位置和新的控制方案。这些改进可以将 NOₓ 排放限制在个位数（ppm）水平，改进火焰检测，并监测回火和热声不稳定性。在燃烧氢气时控制 NOₓ 排放需要微混合燃烧器技术，这是对当今用于低 NOₓ 天然气燃烧的预混稀释技术的改进。更高的火焰温度和增加的水分含量也可能降低暴露于热气体的金属和陶瓷部件的寿命，从而增加了对新材料和热障涂层以及改进冷却方案的需求。

应用

氢气在多个部门的多种应用中具有潜力，在这些应用中它可以提供显著的环境、环境正义和经济利益，以及改善能源安全和弹性。大量氢气可用于交通、发电、工业和制造业等部门，这可以实现规模经济并支持强大的国内供应链。综合能源系统可以跨部门利用氢气作为能源载体来提高现有和新兴发电系统的经济性，提供了额外的机会。

交通

交通占美国二氧化碳排放量的三分之一，并且可能是局部空气污染的关键贡献者，这对弱势社区造成了不成比例的影响。2023 年，几个联邦机构合作发布了《美国国家交通脱碳蓝图》，这是一个具有里程碑意义的跨机构战略和行动框架，旨在到 2050 年消除交通部门的所有排放。氢气和燃料电池是减少交通相关排放的重要选择组合的一部分，因为它们可以用于难以脱碳的特定应用，如长途重型卡车。其他示例包括在工作现场需要能量的中型卡车以及超重型应用，如非道路、铁路和船舶应用，这些应用需要大量车载能量、更长的续航里程、涉及重载或需要比仅使用电池更快的加氢时间。随着减少排放和能源相关费用的紧迫性增加，存在重大机会，因为中型和重型车辆占车辆总数的 5%，但占交通排放量的 21%。除了在燃料电池中的应用外，氢气还可以直接用作内燃机燃料或与二氧化碳结合生产合成燃料，为满足各种交通应用需求提供了更多途径。这些合成燃料可以使某些应用或地区继续使用内燃机以及庞大的现有液体燃料基础设施，用于难以脱碳的终端用途，如长途商用飞机。与利用氢气和二氧化碳的途径类似，氢气和氮气可用于生产氨，用于多种应用。

如今，氢气为全国 50 多个加氢站供应的 16,000 多辆乘用车和商用车提供动力。随着研发的增加，美国可以在全球燃料电池市场中占据更大份额，目前全球燃料电池汽车超过 25,000 辆，加氢站 470 个。另一个交通应用领域是叉车和物料搬运行业；在美国，截至 2023 年，氢气为超过 60,000 辆叉车提供动力，占美国目前使用的叉车总数的 16%。

除了道路车辆，氢气和氢载体在整个交通领域的机会也在不断涌现，包括船舶应用。国际海事组织的新排放法规自 2020 年起将船舶使用的燃料油（或 “船用燃料”）中的硫含量限制从 3.5% 降至 0.5%。对于在排放控制区（包括美国和欧盟的某些沿海地区）运营的船舶，这些限制进一步降至 0.1%。鉴于此类日益严格的要求，氢气和氢载体可能成为船用燃料的有吸引力的替代品。此外，在各种船舶以及港口的牵引车、岸电（船舶停靠时的电力）和货物设备中使用氢气，都有可能减少二氧化碳和其他排放，并在目标区域开发基础设施。氢气的其他新兴机会包括铁路，特别是在电气化列车的接触网建设不可行或成本过高的情况下；某些航空应用，其中氢气系统的重量、航程和加氢时间相对于电池等替代方案具有优势；以及非道路运输，如采矿或其他应用，其中氢气可使车辆在封闭空间内实现零排放运行。

交通应用面临着与前面章节中概述的燃料电池成本和耐久性以及氢气储存、输送和加注相关的所有相同的一般挑战。基础设施的类型和相关挑战将取决于氢气在车辆（或飞机或船舶）上的储存方式 —— 无论是高压气体、液体还是氢载体。其他挑战包括建立存储和加注组件及系统的必要供应链，以及制定涵盖所有交通选择的广泛接受的加氢协议。

化学和工业过程

一些工业和制造过程通常需要大量氢气，包括石油精炼和氨生产。这些过程以及其他新兴的工业和化学用途，推动了上游氢气供应和相关基础设施的规模经济。钢铁制造尤其受到越来越多的关注，成为氢气需求的一个来源。钢铁是全球最常用的金属产品，传统的生产方式是在高炉中使用煤炭将铁矿石还原为铁。全球温室气体排放的 7% 至 9% 来自钢铁制造，通过使用氢气作为主要还原剂，这些排放可以大幅减少。目前有多个在钢铁制造中使用氢气的示范项目正在进行中，包括俄亥俄州和密西西比州的两个工业示范项目。

其他新兴的工业和化学氢气用途包括水泥生产，这是一个能源密集型过程，约占全球二氧化碳排放量的 8%，在其中使用氢气替代煤炭可减少二氧化碳和 NOₓ 排放；合成燃料（或 “电子燃料”）生产，涉及使二氧化碳与清洁氢气反应，为甲醇或可再生天然气等多功能净零碳燃料提供了选择；以及其他使用氢气作为还原剂的工业过程，如玻璃制造，或作为氢化剂的过程，如工业食品加工。

在所有这些情况下，特定应用的氢气要求会强烈影响商业可行性。例如，在钢铁生产中，虽然高炉工艺是当前的行业标准，但使用高浓度氢气作为还原剂的有前途的替代方案，如直接还原铁，依赖于足够低成本的氢气才能具有成本竞争力。在不同的工业终端用途中，氢气成本的贡献将取决于过程特定的氢气纯度、压力和其他影响生产、输送和储存成本的因素。商业可行性将需要在所有这些领域持续降低成本。

固定和发电应用

氢气可用于广泛的固定发电应用 —— 包括大规模发电、分布式发电、热电联产和备用电源。如前所述，氢气可以通过燃料电池的电化学转换或在简单或联合循环发电中使用涡轮机燃烧氢气来提供电力。

燃料电池能够以低排放高效地将氢气转换为电力，并且燃料电池系统的固有模块化使其非常适合从小于 1 千瓦到数兆瓦规模的广泛固定发电应用。如今，燃料电池在全球范围内商业化部署，为工业设施、企业、家庭、电信塔、数据中心等提供主用和备用电源。例如，全球已出货超过 500 兆瓦的燃料电池用于美国的电信塔备用电源，主要是电信塔。数据中心是最近转向基于氢气的选项的一个显著终端应用示例。虽然目前大多数数据中心由电网电力（作为主电源）和柴油发电机（作为备用电源）供电，但主要的数据中心运营商正在探索使用氢气和燃料电池来提供可靠和有弹性的主用和备用电源，被其高效率、安静和无排放运行等优势所吸引。

在简单或联合循环发电中燃烧氢气或富氢混合物（例如与天然气混合）也是许多固定应用的可行方法。例如，燃气轮机在发电的同时还可以为住宅、商业和工业应用提供热量。虽然包括可再生氢气的燃烧混合物提供了减少二氧化碳排放的好处，但它们在现有配送基础设施和燃烧设备中的使用带来了与材料兼容性和燃烧特性相关的一系列挑战。在商业可用的燃气轮机中对天然气燃烧器进行改造以适应高氢混合物（高达 100% H₂）方面已经取得了进展，但在公用事业规模发电中的应用仍需要持续的研发。还需要进一步的研发来评估氢混合物与设计用于天然气的设备（例如建筑电器）的兼容性，并开发能够从混合物中回收高纯度氢气以用于纯氢气具有更高价值的应用的分离技术。

综合混合能源系统

氢气还通过整合到混合能源系统中为电力部门提供了许多机会。广义而言，混合能源系统将发电、能量存储和 / 或能量转换技术通过总体控制框架集成在一起，与独立替代方案相比，实现了增强的功能、价值和 / 或成本节约，如图 17 所示。整合到混合能源系统中的氢气技术在并网和离网电力应用中都提供了独特的优势。示例包括中长期 / 季节性能量存储；利用电解槽快速动态响应的电网平衡和稳定服务；以及能够（与电力一起）共同生产氢气或其他基于氢气的燃料、化学品或产品，用于不同市场，可能具有比电力更高的价值。正在探索多种混合场景，以最佳地利用综合能源系统的优势；以下描述了一些关键示例。

图 17. 示例混合氢能源系统

电网集成和可再生混合系统：随着电网随着可变可再生能源的更高渗透率而发展，并网电解槽可以提供能量存储和其他电网服务，以提高可靠性和弹性。通过电解产生的氢气可以用作双向能量存储的手段，根据需要通过低排放发电技术（如燃料电池或燃气轮机）将其转换回电力。它也可以用于单向化学能应用，例如注入天然气管道基础设施，或通过现场共同生产增值商品如氨或甲醇。电解槽的快速（亚秒级）动态响应时间能够实现辅助电网服务，包括电压和频率稳定，这已通过模拟电网波动响应的国家实验室项目得到验证。正在与电力公司合作进行技术经济分析，以确定将电解槽与可再生能源在电网、微电网和离网应用中集成的最佳配置。除了分析之外，还在开发用于千兆瓦级、离网、紧密耦合混合能源系统的建模工具和参考设计。这些针对特定地点的优化系统设计将有助于展示如何构建定制的能源系统，其中与工业终端用途共址的可再生氢气生产可以提供替代途径，并加速难以减排行业的脱碳进程。

化石能源混合系统：将天然气或煤炭转换与氢气技术集成的混合能源系统可以为工业应用提供显著价值。已经部署了试点规模的工厂，将天然气蒸汽重整系统与真空变压吸附集成，共同生产用于石油精炼的氢气以及用于提高石油采收率的浓缩二氧化碳。可以将共燃烧煤炭、生物质和废塑料的大规模气化设施与热存储、氢气生产和利用技术以及碳捕获集成，以实现低排放发电。在这些设施中使用优化的 CCUS 以及生物质共燃烧提供了实现碳负发电的潜在途径。还在开发使用高温燃料电池技术的多联产系统，以高效地将天然气或气化煤炭 / 生物质 / 废塑料转化为电力、热量和氢气，同时实现低排放。在基于化石的混合系统中持续进行研发工作，以改善集成优化并实现可扩展性、经济性和能源安全。

核混合系统：人们越来越关注在核电站整合氢气生产，以此作为增强负荷跟踪能力、利用未使用能源并提供额外收入流的一种手段。例如，一个 1 吉瓦的核电站假设在 70% 的时间发电，26% 的时间生产氢气（4% 的时间用于维护），每年可以使用高温电解生产约 54,000 吨氢气（例如，用于直接销售或在合成燃料生产中作为增值用途）。利用核能产生的电力和热量，可以使用低温或高温电解器技术高效地生产氢气，并在现场用于满足核电站的氢气需求（例如，在涡轮发电机冷却中）或出口 / 货币化用于其他终端用途。核混合系统已准备好进行全面商业部署，因为目前在现有核电站进行的试点项目预计将迅速解决许多剩余的不确定性，加速其全面实施的可用性。此外，能源部主导的风险评估为监管批准和技术经济分析铺平了道路 —— 包括对多个特定核电站的市场评估。这些评估已经确定了通过不同的现场电解器选项生产氢气的潜在经济利益，包括目前通过试点项目和其他技术正在追求的那些。随着低温和高温电解器的持续开发，成本将通过电解器制造的规模化以及在核电站 “电表后” 集成电解器而降低。虽然先进核电站的成本将高于当前的反应堆舰队，但核能的高容量因子提供了重要的经济优势，有助于减轻其较高的成本。

区域清洁氢中心

《两党基础设施法案》授权 80 亿美元建立区域清洁氢中心计划（H2Hubs），以创建氢气生产商、消费者和本地连接基础设施网络，加速氢气作为清洁能源载体的使用。H2Hubs 将构成国家清洁氢网络的基础，该网络可以为经济的多个部门（包括发电、重型运输和钢铁、氨生产等工业过程）的脱碳做出重大贡献，同时通过社区福利计划最大限度地为当地社区带来好处。

将清洁氢生产的规模扩大与不断增长的区域需求相匹配是实现大规模、商业上可行的氢生态系统的关键途径。H2Hubs 将通过展示低碳强度和经济上可行的基于氢的能源生态系统来实现这一途径，这些生态系统可以取代现有的碳密集型过程。

七个 H2Hubs，代表了能源部 70 亿美元的投资，构成了能源部清洁氢中心计划的基础，如图 18 所示。氢中心 太平洋西北 PNW H2 氢中心 心脏地带中心（HH2H）中西部 加利福尼亚氢中心 墨西哥湾沿岸氢中心 氢中心 阿巴拉契亚氢中心 中大西洋氢中心 中大西洋氢中心 HyVelocity H2Hub

图 18. 选定的 H2Hubs

作为区域清洁氢中心计划的一部分，能源部宣布了一项需求侧支持计划，旨在加速商业化并展示 H2Hubs 的清洁氢生产、加工、输送、储存和终端使用。一个由能源部支持的联盟将帮助加速清洁氢经济的商业腾飞，并支持 H2Hubs 的启动。能源部将与该联盟和 H2Hubs 合作，设计强有力的需求侧支持措施，促进购买 H2Hub 附属项目生产的清洁氢，以减少气候污染、创造良好就业机会、支持清洁空气并提高美国在各种终端使用部门（包括能源密集型行业和重型运输）的竞争力。清洁氢的生产、加工、输送、储存和终端使用，包括在工业部门的创新用途，对于能源部实现我国到 2035 年实现 100% 清洁电网和到 2050 年实现净零碳排放的气候目标至关重要。

跨领域挑战和机遇

工业规模的经济实惠的氢气对于许多当前和新兴的不同应用和终端用途至关重要。虽然通过在氢气生产、输送、储存和转换技术方面的持续研发正在解决成本挑战，但解决与技术规模化、制造和供应链以及网络安全相关的重要跨领域问题，以及氢气安全、法规和标准问题，对于实现 H2@Scale 中设想的规模经济和广泛采用也至关重要。

制造

为了使氢气从利基应用过渡到大众市场，必须开发用于大规模制造氢气相关技术组件和系统的工业规模技术、工艺和设施。强大的国内供应链也可以确保美国在这个新兴的全球行业中保持领先地位。虽然建设制造能力所需的大部分投资将由行业承担 —— 由不断增长的市场需求激励 —— 但仍需要研发工作来克服技术挑战并加速进展。

通过开发专门针对大规模制造的工艺和技术，研发工作可以帮助实现制造规模经济。这些努力还可以带来额外的技术和系统集成改进，从而进一步降低成本。跨领域进步的关键机会包括开发：

• 高速制造工艺，如成型、冲压、模塑、密封、连接、涂层和卷对卷加工。
• 材料和组件处理的最佳实践。
• 增材和自动化制造 / 组装工艺。
• 用于在线诊断和质量控制 / 质量保证的技术。
• 减少高通量生产中制造缺陷的传感器和其他技术。
• 能够实现高效回收 / 升级的制造工艺和技术设计，特别是关键材料。

还需要标准化系统和组件设计，以统一系统和组件供应商之间的规格，简化技术开发并降低供应商成本。

安全、法规和标准

技术合理的法规和标准、有效的安全和质量相关技术及流程，以及广泛传播的安全信息将在实现 H2@Scale 愿景中发挥关键作用。它们对于部署氢气相关技术、确保质量、一致性和互操作性以及为监管机构、制造商、系统运营商和终端用户提供确保新兴技术至少与现有技术一样可靠、安全和高性能所需的工具至关重要。它们还增强了所有利益相关者对技术商业可行性的信心，这可以进一步加速采用并鼓励投资。

法规和标准的持续发展和修订将需要持续的研究和数据，以更好地了解氢气的物理和化学性质。与法规和标准制定组织的密切协调与合作将继续至关重要，以确保研究工作与利益相关者的需求适当对齐。为了确保氢气和相关技术的强大和有竞争力的全球供应链，关键法规和标准 —— 如加氢协议 —— 需要在国际上协调一致。

需要研发工作来改进氢气传感和污染物检测，开发定量风险评估工具和简化的许可流程将有助于氢气基础设施的选址，并进一步降低部署障碍。必须识别和评估风险缓解策略、最佳安全实践和经验教训，并且需要持续支持来开发和维持传播安全信息的协作机构流程。

氢气法规和标准目前正在使用中，并且在当前的工业规模氢气技术（如重整、煤气化、炼油厂）中至关重要，工业工厂和炼油厂中用于监测和控制的安全技术（如传感器）也是如此。随着新应用的出现 —— 如船舶、铁路和重型车辆 —— 可能需要在安全、法规和标准的所有方面做出额外努力，以解决每个应用的特定需求。

环境正义和劳动力发展

环境正义活动贯穿于能源部的氢计划中，对于成功实现 H2@Scale 愿景至关重要。优先考虑早期、频繁和有意义的社区参与；倾听和解决环境正义问题；关注最能减少能源系统对弱势社区不成比例的公共卫生影响的生产方法和终端用途，是确保向氢经济公平过渡的关键途径。氢经济的腾飞也为支持跨多个部门的熟练劳动力和工会工作创造了机会，包括从化石能源就业转型的工人和被剥夺获得高质量就业机会的个人。实现这些机会同样需要持续的研究和分析，以了解各地区的优先工作、劳动力培训计划的现状和差距、劳动力安全要求的充分性以及部署新培训计划的有效机制。

需要做出额外努力来开发由社区驱动的指标，以衡量氢气技术对环境正义社区的效果和影响。需要与工会和其他劳动力利益相关者合作，创建和扩大氢气相关工作的注册学徒和认证计划。需要更多研究来评估氢经济对区域水资源供应和当地空气质量的影响。必须识别和评估公平的社区参与最佳实践和经验教训，并且需要持续支持来促进双向参与。

社区和工人目前已经受到氢经济的影响。随着经济规模的扩大，需要在劳动力发展和环境正义的所有方面做出额外工作，以解决围绕氢气技术应用的关切和需求。

氢气及相关技术应用的常见研发重点：

• 制定严格的针对特定应用的氢气利用目标。
• 不同终端用途中的材料兼容性问题。
• 降低工业规模电解槽、燃料电池系统、燃气轮机和发动机以及混合系统的成本，提高其耐久性和效率。
• 组件和系统级集成与优化，包括电厂平衡组件和系统。
• 优化综合系统的控制，包括网络安全。
• 制造和规模化，包括工艺强化。
• 协调一致的法规和标准，包括加氢协议。
• 容量扩展模型，以确定在新应用中使用氢气的价值主张。

4 计划执行和协作

计划执行

利益相关者输入

为了与关键利益相关者（包括行业、终端用户、学术界、投资界和其他政府机构）的优先事项保持一致，氢计划积极征求意见，以纳入其活动规划中。根据能源部 144.1 政策和部落咨询与参与命令，联邦认可的印第安部落和阿拉斯加原住民索赔解决法案公司将是关键合作伙伴，其咨询和参与将受到指导。这些输入的主要渠道包括能源部为帮助确定高级计划方向并制定和更新特定技术的研发计划而进行的信息请求和研讨会。氢计划还定期为特定技术领域举办研讨会，以识别和更新研发优先

事项、制定计划并确定技术目标和里程碑。这些研讨会涉及广泛的利益相关者，并为讨论技术现状及其开发和部署所面临的挑战提供了一个开放的论坛。这些活动的结果将纳入能源部战略和资助计划的制定中。

计划资金

氢计划的活动通过各种竞争性机制获得资助，包括资助机会公告（NOFOs）。通过该公告，工业界、大学、国家实验室和其他私营部门项目将被筛选出来。一些办公室还会发布单独的实验室征集令，以筛选国家实验室项目。该计划利用合作研究与开发协议来鼓励私营部门和国家实验室之间建立伙伴关系，开展联合开发和战略伙伴项目。通过这些项目，工业界可以将公司特定任务委托给国家实验室进行。

在过去二十年中，能源部有权在从氢气生产到终端使用的各个领域投资超过 200 亿美元，其中包括通过《两党基础设施法案》提供的超过 95 亿美元，用于近期宣布的 H2Hubs 等项目。通过这些及正在进行的项目，能源部所有办公室都使用竞争性的 NOFO 和相关流程，通过严格的、基于绩效的评审过程，吸引来自工业界、学术界和国家实验室的不同利益相关者参与。

确保有效性的措施

氢计划采用了一系列项目管理流程，以确保纳税人资金的有效使用，包括：

• 与行业专家、终端用户和客户、社区以及科研界密切协商，为所有研发途径制定目标和里程碑。
• 严格的竞争性选拔过程，确保项目基于技术可行性、高影响力潜力、创新性以及实现能源部里程碑和目标的可能性而被选中。
• 外部评审和评估流程，包括由美国国家科学院进行的项目评审、能源部在与美国 DRIVE（推动车辆效率和能源可持续性研究与创新；详见 “私营部门和其他非政府伙伴关系”）合作下的研究、开发和示范（RD&D）进展评审、其他政府机构的评审、国会要求的评审，以及在该计划年度绩效评审和同行评估会议上由 200 多名技术专家进行的全面项目评审。
• 筛选和 “继续 / 停止” 决策，这涉及一个系统的过程，通过基于绩效的里程碑和定量指标在子项目、任务领域和项目层面确定的 “继续 / 停止” 决策点，终止某些研究途径。例如，该计划已经停止了车载车辆燃料处理、硼氢化钠水解和用于车载车辆氢气存储的碳纳米管的研发工作。