随着插电式电动汽车销量持续缓慢增长，汽车制造商正日益将希望寄托于氢燃料电池，将其视为未来的清洁汽车技术。
燃料电池汽车（FCV）实现尾气零排放。从生命周期来看，使用通过天然气蒸汽重整制氢（目前最经济实惠的制氢方式）的燃料电池汽车，其温室气体排放量不到汽油动力汽车的一半。
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但是，为了最大限度地发挥燃料的气候效益，整个氢气生产流程需要实现低碳。交通运输部门约占全球能源相关二氧化碳排放量的 23%，其中公路运输是占比最大且增长最快的部分。
使用来自太阳能和风能等可再生能源的过剩能量将水分解为氧气和氢气（这一过程称为电解）可能是创建大量可持续氢燃料的最佳解决方案。
电解系统制造商 Proton OnSite 的政府业务主管史蒂夫·希曼斯基表示：“我们认为，为了实现真正的零排放汽车，并且这是从油井到车轮的角度来看，利用可再生电力生产氢气确实是最环保和可持续的制氢方式。”
他说：“使用天然气制氢虽然目前可能更便宜，但仍然会产生温室气体。因此，只要您使用可再生电力而不是某种棕色电力，这才是生产真正的无碳氢燃料的最直接途径。”
挑战将是如何将可再生能源驱动电解的希望从试点水平提升到商业规模。
规模化：一个缓慢推进的过程
迄今为止，氢基础设施的部署一直很缓慢，并且仍然是燃料电池汽车广泛普及的最关键障碍。汽车公司一直在等待更多的加氢站，然后才推出他们的汽车。另一方面，加氢站开发商一直在等待汽车公司销售更多的汽车，然后才建设更多的加氢站。
最近，能源部启动了 100 万美元的H2 Refuel H-Prize 竞赛，以挑战工程师和企业家开发经济实惠的小型加氢系统，帮助氢燃料汽车基础设施进入主流。
加利福尼亚州也采取了协调一致的政策措施来克服基础设施挑战。去年，加州能源委员会（CEC）承诺到 2023 年每年投入 2000 万美元，用于建设一条多达 100 个站点的“氢能高速公路”。该州还强制规定，州内使用的氢气 33% 必须来自可再生能源。
使用垃圾填埋场或废水处理厂产生的沼气是制造可再生氢气的一种方法。一些公司已经在使用可再生气体源在大型蒸汽重整设施和现场生产工厂制造氢气。缺点是沼气供应有限（气候连线，11 月 18 日）。
电解制氢可以提供更可持续的解决方案。理论上，由于地球上存在大量的水以及再利用的机会，氢气供应是无限的。
电解槽的工作原理是将电流通过水，将其分解为氧气和氢气。分离出的氢气可以储存在储罐中以备后用，也可以输送到燃料电池中，在那里它与氧气重新结合，为建筑物供电或驱动车辆。唯一的副产品是热和水。
美国能源部和私营公司多年来一直在开发和测试可再生氢气生产方法。现代汽车公司目前正在加利福尼亚州奇诺市建设一个公共加氢站，该站“有能力”使用可再生能源电解制氢，预计将在今年年底前开放。
尽管取得了这些进展，但电解水仍然过于昂贵，无法广泛商业化使用。使用低成本天然气制氢的平均加氢站成本约为 200 万美元。提供电解制氢的加氢站成本可能是这个数字的两倍。
加州大学戴维斯分校估计，到本十年末，电解水制氢的每克氢气成本仍将高于采用碳捕获和封存技术的天然气制氢。
利用电解来平衡电网
希曼斯基说：“为了使电解能够大规模地与重整天然气竞争，我们需要降低我们设备的成本。我们还需要能够获得一些廉价电力。这才是真正推动电解制氢成本的最重要因素。”
使用来自中央电网的电力来运行能源密集型电解机既昂贵又效率低下。此外，虽然电解使用可再生原料（水），但在发电厂燃烧化石燃料来运行电解机，会破坏燃料的低碳属性。公司可以购买可再生能源信用额度来抵消为电解槽供电产生的排放，但这会增加项目的成本。
一个有前景的使电解制氢既清洁又更具经济竞争力的途径是，公司利用过剩的可再生能源资产。
在加利福尼亚州，可再生能源占零售电力销售额的 20%，白天太阳能和风能的过度生产迫使该州去年倾倒了 19 吉瓦时的预购可再生能源。电解槽可以通过利用过剩的发电量来制造可再生氢气，从而有效地充当储能装置。
与电池一样，电解是可调度的，这意味着该系统可以快速调整其功率流量，以稳定电网上的电力需求和供应。美国国家可再生能源实验室的研究表明，电解槽的响应速度足够快，可以为公用事业公司提供需求响应和频率调节服务。
来自能源市场参与的收入还远远不足以弥补对可再生氢气项目的原始投资。然而，提供辅助服务和销售氢燃料的电解系统更具经济竞争力。
与电池相比，使用氢气的优势在于它可以为数天甚至数周的时间提供兆瓦时的能量存储。将电池扩展到该功率水平将非常昂贵。抽水蓄能是另一种大型储能技术，但需要在山上有水库和充足的供水。
Proton Onsite 的 M 系列质子交换膜（PEM）电解槽可以产生足够的氢气，立即存储多兆瓦的可再生能源。该公司计划于 2015 年开始发货。
FirstElement Fuel 的首席开发官兼负责人谢恩·斯蒂芬斯表示，电解具有光明的前景。FirstElement Fuel 是一家位于加利福尼亚州的初创公司，获得了 CEC 2800 万美元的资助，用于在该州建设 19 个加氢站。昨天，本田宣布将向这家加氢站供应商贷款近 1400 万美元。然而，FirstElement 的所有加氢站都不会使用电解。
斯蒂芬斯说：“随着越来越多的可再生电力被接入电网，您将遇到[过剩]问题。因此，我认为如果市场设计得当，电解槽可以通过说‘当有可再生能源可用时，我们将利用它；当没有时，我们将关闭或关闭我们的电解槽’来为您提供经济效益。” “电解槽可以像那样非常动态……但这还需要一段时间。”
欧洲在“电转气”系统方面处于领先地位
电解很可能首先在欧洲兴起，那里的许多国家可再生能源普及率高、气候目标远大且天然气价格高昂。虽然可利用氢气的燃料电池汽车数量仍然很少，但欧洲国家正在积极探索将可再生能源发电产生的电力以氢气的形式存储在现有天然气管道中的机会。
这个过程被称为“电转气”，即将电解产生的氢气直接注入天然气管道系统。以这种方式使用电解避免了浪费宝贵的过剩可再生能源，但不需要燃料电池汽车或固定式燃料电池直接使用氢气。
当在发电厂或用作运输燃料时，与可再生氢气混合的天然气也比普通天然气产生的排放更少。现有的天然气网络可以在需要改造之前支持大约 10% 的氢气。
“电转气”展示了氢气的多功能性。它可以由化石燃料或可再生能源生产，可以用于发电或运输燃料，并且可以帮助净化天然气供应。
国际能源署氢能实施协议经理玛丽-罗斯·德·瓦拉达雷斯说，氢气是“一种高度灵活的能源载体和能量载体，能够在未来一体化的跨部门能源系统中充当应对气候变化的武器”。该协议正在制定一份关于氢气生产和利用的综合路线图，预计将于明年年初发布。
她说：“[战略计划]我们面临的最大挑战之一是解释这里的跨部门关系。”
根据美国国家可再生能源实验室的数据，美国、德国、加拿大、西班牙和英国都建设了可再生电力制氢储能项目。截至 2012 年，已实现项目 41 个，计划项目 7 个。
截至 2012 年，德国是市场领导者，拥有 22 个绿色氢气存储和“电转气”项目。7 月，加拿大宣布了一个“电转气”项目，该项目将为电网管理和调节服务提供 2 兆瓦的存储容量。
在美国，“电转气”的兴趣相对较低，即使利用廉价的过剩可再生能源，电解制氢也很难与储量丰富、价格低廉的页岩气竞争。
日本也在考虑使用过剩的可再生能源（主要是风能）进行“电转气”项目，以制造氢气并将其与天然气混合，以降低其碳强度。然而，日本经济产业省并未设想在 2035-40 年之前转向低碳氢气。
随着电解系统的数量和规模不断增长，使用这种方法生产可再生氢气的成本将会下降。但是，为了加快这一进程，鉴于应对交通运输排放和减缓气候变化的紧迫性，可能需要政策干预。
德·瓦拉达雷斯说：“为了真正使可再生氢气与化石燃料制氢气具有竞争力，我们将不得不重新将外部性内部化。这可能需要对碳排放进行某种定价。”
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