隨著插電式電動汽車銷量持續緩慢增長，汽車製造商正日益將希望寄託於氫燃料電池，將其視為未來的清潔汽車技術。
燃料電池汽車（FCV）實現尾氣零排放。從生命週期來看，使用透過天然氣蒸汽重整制氫（目前最經濟實惠的制氫方式）的燃料電池汽車，其溫室氣體排放量不到汽油動力汽車的一半。
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但是，為了最大限度地發揮燃料的氣候效益，整個氫氣生產流程需要實現低碳。交通運輸部門約佔全球能源相關二氧化碳排放量的 23%，其中公路運輸是佔比最大且增長最快的部分。
使用來自太陽能和風能等可再生能源的過剩能量將水分解為氧氣和氫氣（這一過程稱為電解）可能是建立大量可持續氫燃料的最佳解決方案。
電解系統製造商 Proton OnSite 的政府業務主管史蒂夫·希曼斯基表示：“我們認為，為了實現真正的零排放汽車，並且這是從油井到車輪的角度來看，利用可再生電力生產氫氣確實是最環保和可持續的制氫方式。”
他說：“使用天然氣制氫雖然目前可能更便宜，但仍然會產生溫室氣體。因此，只要您使用可再生電力而不是某種棕色電力，這才是生產真正的無碳氫燃料的最直接途徑。”
挑戰將是如何將可再生能源驅動電解的希望從試點水平提升到商業規模。
規模化：一個緩慢推進的過程
迄今為止，氫基礎設施的部署一直很緩慢，並且仍然是燃料電池汽車廣泛普及的最關鍵障礙。汽車公司一直在等待更多的加氫站，然後才推出他們的汽車。另一方面，加氫站開發商一直在等待汽車公司銷售更多的汽車，然後才建設更多的加氫站。
最近，能源部啟動了 100 萬美元的H2 Refuel H-Prize 競賽，以挑戰工程師和企業家開發經濟實惠的小型加氫系統，幫助氫燃料汽車基礎設施進入主流。
加利福尼亞州也採取了協調一致的政策措施來克服基礎設施挑戰。去年，加州能源委員會（CEC）承諾到 2023 年每年投入 2000 萬美元，用於建設一條多達 100 個站點的“氫能高速公路”。該州還強制規定，州內使用的氫氣 33% 必須來自可再生能源。
使用垃圾填埋場或廢水處理廠產生的沼氣是製造可再生氫氣的一種方法。一些公司已經在使用可再生氣體源在大型蒸汽重整設施和現場生產工廠製造氫氣。缺點是沼氣供應有限（氣候連線，11 月 18 日）。
電解制氫可以提供更可持續的解決方案。理論上，由於地球上存在大量的水以及再利用的機會，氫氣供應是無限的。
電解槽的工作原理是將電流透過水，將其分解為氧氣和氫氣。分離出的氫氣可以儲存在儲罐中以備後用，也可以輸送到燃料電池中，在那裡它與氧氣重新結合，為建築物供電或驅動車輛。唯一的副產品是熱和水。
美國能源部和私營公司多年來一直在開發和測試可再生氫氣生產方法。現代汽車公司目前正在加利福尼亞州奇諾市建設一個公共加氫站，該站“有能力”使用可再生能源電解制氫，預計將在今年年底前開放。
儘管取得了這些進展，但電解水仍然過於昂貴，無法廣泛商業化使用。使用低成本天然氣制氫的平均加氫站成本約為 200 萬美元。提供電解制氫的加氫站成本可能是這個數字的兩倍。
加州大學戴維斯分校估計，到本十年末，電解水制氫的每克氫氣成本仍將高於採用碳捕獲和封存技術的天然氣制氫。
利用電解來平衡電網
希曼斯基說：“為了使電解能夠大規模地與重整天然氣競爭，我們需要降低我們裝置的成本。我們還需要能夠獲得一些廉價電力。這才是真正推動電解制氫成本的最重要因素。”
使用來自中央電網的電力來執行能源密集型電解機既昂貴又效率低下。此外，雖然電解使用可再生原料（水），但在發電廠燃燒化石燃料來執行電解機，會破壞燃料的低碳屬性。公司可以購買可再生能源信用額度來抵消為電解槽供電產生的排放，但這會增加專案的成本。
一個有前景的使電解制氫既清潔又更具經濟競爭力的途徑是，公司利用過剩的可再生能源資產。
在加利福尼亞州，可再生能源佔零售電力銷售額的 20%，白天太陽能和風能的過度生產迫使該州去年傾倒了 19 吉瓦時的預購可再生能源。電解槽可以透過利用過剩的發電量來製造可再生氫氣，從而有效地充當儲能裝置。
與電池一樣，電解是可排程的，這意味著該系統可以快速調整其功率流量，以穩定電網上的電力需求和供應。美國國家可再生能源實驗室的研究表明，電解槽的響應速度足夠快，可以為公用事業公司提供需求響應和頻率調節服務。
來自能源市場參與的收入還遠遠不足以彌補對可再生氫氣專案的原始投資。然而，提供輔助服務和銷售氫燃料的電解系統更具經濟競爭力。
與電池相比，使用氫氣的優勢在於它可以為數天甚至數週的時間提供兆瓦時的能量儲存。將電池擴充套件到該功率水平將非常昂貴。抽水蓄能是另一種大型儲能技術，但需要在山上有水庫和充足的供水。
Proton Onsite 的 M 系列質子交換膜（PEM）電解槽可以產生足夠的氫氣，立即儲存多兆瓦的可再生能源。該公司計劃於 2015 年開始發貨。
FirstElement Fuel 的首席開發官兼負責人謝恩·斯蒂芬斯表示，電解具有光明的前景。FirstElement Fuel 是一家位於加利福尼亞州的初創公司，獲得了 CEC 2800 萬美元的資助，用於在該州建設 19 個加氫站。昨天，本田宣佈將向這家加氫站供應商貸款近 1400 萬美元。然而，FirstElement 的所有加氫站都不會使用電解。
斯蒂芬斯說：“隨著越來越多的可再生電力被接入電網，您將遇到[過剩]問題。因此，我認為如果市場設計得當，電解槽可以透過說‘當有可再生能源可用時，我們將利用它；當沒有時，我們將關閉或關閉我們的電解槽’來為您提供經濟效益。” “電解槽可以像那樣非常動態……但這還需要一段時間。”
歐洲在“電轉氣”系統方面處於領先地位
電解很可能首先在歐洲興起，那裡的許多國家可再生能源普及率高、氣候目標遠大且天然氣價格高昂。雖然可利用氫氣的燃料電池汽車數量仍然很少，但歐洲國家正在積極探索將可再生能源發電產生的電力以氫氣的形式儲存在現有天然氣管道中的機會。
這個過程被稱為“電轉氣”，即將電解產生的氫氣直接注入天然氣管道系統。以這種方式使用電解避免了浪費寶貴的過剩可再生能源，但不需要燃料電池汽車或固定式燃料電池直接使用氫氣。
當在發電廠或用作運輸燃料時，與可再生氫氣混合的天然氣也比普通天然氣產生的排放更少。現有的天然氣網路可以在需要改造之前支援大約 10% 的氫氣。
“電轉氣”展示了氫氣的多功能性。它可以由化石燃料或可再生能源生產，可以用於發電或運輸燃料，並且可以幫助淨化天然氣供應。
國際能源署氫能實施協議經理瑪麗-羅斯·德·瓦拉達雷斯說，氫氣是“一種高度靈活的能源載體和能量載體，能夠在未來一體化的跨部門能源系統中充當應對氣候變化的武器”。該協議正在制定一份關於氫氣生產和利用的綜合路線圖，預計將於明年年初發布。
她說：“[戰略計劃]我們面臨的最大挑戰之一是解釋這裡的跨部門關係。”
根據美國國家可再生能源實驗室的資料，美國、德國、加拿大、西班牙和英國都建設了可再生電力制氫儲能專案。截至 2012 年，已實現專案 41 個，計劃專案 7 個。
截至 2012 年，德國是市場領導者，擁有 22 個綠色氫氣儲存和“電轉氣”專案。7 月，加拿大宣佈了一個“電轉氣”專案，該專案將為電網管理和調節服務提供 2 兆瓦的儲存容量。
在美國，“電轉氣”的興趣相對較低，即使利用廉價的過剩可再生能源，電解制氫也很難與儲量豐富、價格低廉的頁岩氣競爭。
日本也在考慮使用過剩的可再生能源（主要是風能）進行“電轉氣”專案，以製造氫氣並將其與天然氣混合，以降低其碳強度。然而，日本經濟產業省並未設想在 2035-40 年之前轉向低碳氫氣。
隨著電解系統的數量和規模不斷增長，使用這種方法生產可再生氫氣的成本將會下降。但是，為了加快這一程序，鑑於應對交通運輸排放和減緩氣候變化的緊迫性，可能需要政策干預。
德·瓦拉達雷斯說：“為了真正使可再生氫氣與化石燃料制氫氣具有競爭力，我們將不得不重新將外部性內部化。這可能需要對碳排放進行某種定價。”
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