为进一步推动我国氢能产业高质量发展，水电水利规划设计总院在以往氢能研究的基础上，撰写了《氢能十大解决方案》系列文章。
专题分为十个章节，包括“开启氢能新时代”、“氢能的绿色追踪”、“氢基能源生产的奥秘”、“氢基能量流动之旅”、“氢基能源应用之谜”、“氢电交响曲”、“新能源体系的氢代码”、“氢基能源规模的秘密”， “氢能关键技术”和“全球绿色氢能中心愿景”。
针对氢能发展中的一系列问题，“氢能十大方案”提出前瞻性思路，为能源行业从业者提供参考，为企业提供市场拓展指导，为公众提供认知渠道。 我们希望《氢能十大方案》的发布和传播，能够激发更多创新思维，凝聚各方力量，形成行业共识，推动氢能产业健康发展，为我国清洁低碳安全高效的现代能源体系建设贡献力量。
氢是宇宙中含量最丰富的元素，是地球上氢的元素物质，通常以气态形式存在，具有工业原料和能量载体的双重身份。 过去，氢气在化学工业中更常被用作基本的工业原料或产品，或作为煤、石油或天然气中固化的化石原料的重要组成部分。 在全球化石能源短缺和气候变化的双重压力下，氢能因其可再生、零排放和高能量密度的绿色属性而受到越来越多的关注。
16世纪，瑞士化学家发现，将铁溶解在硫酸中的过程会释放出一种神秘的气体，这是第一次人工获取氢元素的记录; 1766年，亨利·卡文迪许（Henry Cavendish）收集氢气并点燃氢气，通过类似的实验获得水。 1783年，法国化学家拉瓦锡首次将氢命名为氢，意为“氢元素”; 1800 年，两位英国科学家尼科尔森和卡莱尔发明了基于首次使用电流将水分解成气体的电解槽，揭示了氢与电之间隐藏但亲密的关系，以实现绿色未来的愿景。
氢能是氢分子和氧分子反应形成水时释放的能量，应该是水相对于氢气和氧气的能量。 1 mol 氢的能量是 1 mol 氢和 1 2 mol 氧气的能量与 1 mol 水（液体）的能量之差。 在标准状态（标准大气压，25）下，标准焓变为-285在830kj时，标准自由能的变化为-237183kj。氢气的热值高达120 mJ kg，约为92汽油的2（约44 mj kg）。是天然气的7倍（约46MJ kg）。6倍，标准煤（约29.3mj kg）。1次。
事实上，氢气作为能源的使用时间比我们想象的要长得多，早在19世纪末，为了解决如何储存风车产生的电力的问题，丹麦发明家拉库尔通过电解水磨风车中的水来生产氢气， 并直接使用氢气作为储备燃料。这也可以看作是氢气首次被生产、储存和用作可再生能源，尽管当时没有类似的概念。 从历史上看，拉库尔曾利用风车的电力生产氢气并将其储存在12立方米的储罐中，该镇已经好几年没有中断过，这也可以说是氢气第一次用于电网储能。
1970年代的石油危机、空气污染和酸雨等环境问题使得20世纪70年代利用煤炭和核能生产氢气备受关注，到了80年代油价下跌和大规模抵制核能的爆发，对氢能研究的热情降温， 而从21世纪初到今天，随着气候变化问题再次被提及，社会对氢能的研究再次升温。
美国是第一个将氢能作为国家战略的国家，1970年，通用汽车技术中心首次提出“氢经济”的概念。 1990年，美国颁布了《氢能研究、开发和示范法》，制定了氢能研发五年计划。 2002年11月，美国能源部发布了《国家氢能发展路线图》，其中设计阐述了美国氢能发展的目的、影响氢能发展的各种因素，以及氢能的技术现状、挑战和未来发展路径。 此后，美国颁布了一系列法令和政策，逐步将“氢经济”的概念变为现实。 2022年9月，美国能源部发布《国家清洁氢战略和路线图（草案）》，指出到2050年清洁氢将贡献约10%的碳减排量，到2030年美国清洁氢需求将达到1000万吨，到2040年达到2000万吨，到2050年达到5000万吨。
欧盟作为最早探索氢能应用的地区之一，在氢能发展方面具有一定优势，氢能发展政策相对完善，科研体系成熟，投入大。 2018 年，欧盟提出了 2050 年长期战略，该战略将把 35% 的欧洲地平线计划分配给氢能，以投资于与气候相关的目标，并开发创新、具有成本效益的解决方案，主要是氢能和燃料电池。 2019年《欧洲绿色协议》提出，到2030年，绿色氢将占工业领域氢应用的50%以上，为建设燃料电池和航运加氢站设定了更雄心勃勃的发展目标。 2020年，欧盟发布了关于氢能发展的指导文件，即《欧洲氢能战略》，旨在为欧洲建立一体化氢能市场提供清晰的愿景和路线图。 2022年，“RepowerEU计划”提出多项政策推动氢能发展，力争到2030年实现2000万吨绿氢，建立“欧洲氢能银行”，投资30亿欧元助力发展氢能市场。
德国、法国、西班牙、意大利、芬兰等国家相继通过国家氢能战略。 欧洲氢能的发展以德国为代表，德国对传统工业企业的脱碳需求很大，氢气已部署在钢铁、化工、发电供热等领域。 2020年6月，德国内阁通过了《国家氢能战略》，旨在推动氢能产业发展，抢占氢能技术领域的高峰。 国家氢能战略宣布至少 90 亿欧元用于氢能开发; 法国公布“国家氢能战略”后，国家氢能委员会正式成立，有别于欧盟部分国家推动的化石燃料结合碳捕集与封存技术的“蓝氢”发展路线，法国始终坚持可再生能源的“绿氢”路线; 西班牙可再生能源资源丰富，可再生能源装机容量占比高，西班牙将可再生能源制氢视为能源和经济转型的重要战略选择。 意大利将推动氢燃料汽车作为氢能产业发展的突破口，大幅提升本土氢燃料汽车的应用规模，逐步替代柴油汽车; 氢能是芬兰国家能源和气候战略的一部分，芬兰的芬兰氢能路线图侧重于合成燃料的生产、低碳氢的生产以及用氢气替代煤炭以减少工业中的碳排放。
现阶段，日本氢能产业基础夯实，形成了适应产业发展的制定和修订政策机制，先后出台了10余项氢能战略政策。 早在2014年4月，日本就决定实施“基本能源计划”，并设定了建设“氢社会”的目标。 2017年12月，日本**制定了全球首个国家级氢能战略《能源基础战略》，为氢能产业链各细分领域设定了明确的目标。 2019年3月，为确保基本战略目标的实现，日本**制定了《氢燃料电池战略路线图》，进一步细化氢能发展目标，提出相关战略举措，并成立评估工作组，定期跟踪和评估各领域的进展情况。 在《氢燃料电池战略路线图》的指导下，2019年9月，日本**制定了《氢燃料电池技术发展战略》，确定聚焦三大领域十大技术，随后于2020年10月发布《绿色增长战略》，明确氢能定位，并于6月18日修订为《2050碳中和绿色增长战略》， 2021年，推动体制和监管改革，加大资金支持力度，促进创新研发。实现产业结构和经济社会转型。
以沙特阿拉伯和阿联酋为代表的中东地区正在积极布局氢能产业，并与德国、美国、日本和韩国在科技、示范等领域建立了广泛的合作。 中东国家尚未出台明确的氢能发展战略，但中东地区是以能源产出为主的地区，蓝氢和绿氢的并行发展将成为沙特阿拉伯、阿联酋等国氢能发展的重要路径。 2016 年，沙特阿拉伯的 2030 年愿景提出了实现经济多元化和减少对石油依赖的目标，并于 2017 年开始建设完全由可再生能源驱动的“新未来”智慧城市——NEOM，并在 NEOM 布局绿色氢能产业，以加速实现 2030 年愿景。 阿联酋还致力于全产业链碳减排，计划到2030年碳排放量比2016年减少24%，并将依托资源优势开展氢能产业布局，不仅通过CCUS技术扩大蓝氢生产规模，还将风能、太阳能等可再生能源生产绿氢纳入发展规划。
截至2022年12月，全球已有42个国家和地区发布明确的氢能发展战略和规划，欧美、日韩等20多个主要经济体将氢能发展提升到国家战略层面，并陆续制定了发展规划、路线图和相关扶持政策，加快产业化发展进程。
面对日益严峻复杂的国际政治经济形势，大国博弈引发的地缘政治格局动荡对能源安全造成严重影响，全球能源供需格局面临深度调整。 中国油气进口高度集中，航运渠道风险大，中国能源安全面临的外部形势日趋复杂。 在能源安全和碳减排的双重要求下，无碳低碳燃料相关产业发展迎来了重大机遇。 可再生能源生产的绿色氢气可以在工业领域替代化石燃料生产的氢气，也可以在钢铁、化工、交通运输等可再生能源难以实现碳减排的领域发挥重要作用。
电力部门碳减排是实现“双碳”目标的主战场，其主要手段是不断提高太阳能、风能等新能源在电力系统中的比重。 近年来，我国新能源发电成本快速下降，装机容量快速增长，但光伏和风电具有间歇性、随机性和波动性等特点，不能直接满足电网和用户的需求。
氢能作为解决这一问题的途径，可以从源、网、负荷、储能四个方面与电力系统深度融合，支撑新能源的大规模开发利用。
在电力供应方面，氢气可以通过燃气轮机、氢燃料电池的甲烷燃烧和燃煤电锅炉的氨燃烧来减少发电端的碳排放，从而实现发电端的柔性调节。 在电网方面，氢气可以通过管道长距离输送，可以作为特高压输电的有效补充。 在负荷方面，电解水可以作为柔性负荷，可以对需求侧提供灵活的响应，实现可再生能源的大规模消费。 在储能方面，氢气作为一种储能手段，可以实现电、热、氢的安全高效转换，是一种跨天、跨月、跨季节的长期储能形式。
当前，世界正处于能源生产消费革命的新时代，构建清洁、低碳、安全高效的能源体系是未来能源发展的方向。 我国能源结构以高碳化石能源为主，推动碳减排，需要推动化石能源主导的能源结构转型。 未来，油气资源将与可再生能源共同开发、转化利用，形成以化石能源为代表的油气资源和以氢能、电能为代表的可再生能源组成的新能源体系。 新能源体系要以新能源为主体的新电力体系和以“新油气”为主体的新型非电体系支撑，相互促进、相互依托，以绿色氢能为桥梁，共同形成中国式的新能源体系。 为此，新能源系统需要在分布式能源设施建设、多能源一体化区域供能体系发展、清洁燃料接入油气管网支持等方面寻求突破。
大规模电气化是减少碳排放的有力途径。 然而，仍有一些行业难以通过直接电气化实现脱碳，包括钢铁、化工、道路运输、航运和航空。 由于氢能作为动力燃料和工业原料的双重特性，建设“电氢”耦合系统既能稳定电力系统，又能实现绿色能源向氢能形式的新能源体系的扩展，在直接电气化难以实现减碳的领域发挥重要作用。
氢能可以促进可再生能源发展比例较高，有效降低我国对油气进口的依赖。 “电氢”耦合可以促进可再生能源的消费，有助于降低可再生能源的成本，实现绿电和绿氢经济性的联合提升。 大规模建设储氢设施和输氢管网，可实现能源的时空转移，促进我国能耗区域平衡; 氢能和电能作为能源枢纽，更容易耦合热、冷、燃料等多种能源，共同建立互联互通的现代能源网络，形成高弹性能源体系，提高能源系统的效率和经济性。
氢气的质量能量密度（120 mJ kg）较高，但室温和室压下的体积能量密度（标准条件107 mJ m）较低，**极限浓度（4%）较低。目前，氢气主要以压缩气体或液体的形式储存和运输，经济性并不理想，人们一直在寻找高效的氢气载体，以实现氢能的安全、高效、廉价的储运。
近年来，氨作为储氢载体和理想的零碳燃料的研究发展迅速，其生产技术工业成熟，储运难度较小，长期储存和运输更容易。 氨可以与煤粉混合发电，也可以单独用于锅炉和燃气轮机发电，也可以作为海洋内燃机化石燃料的替代品，随着技术的进步，将成为重要的二次能源。 目前，用氨制氢、氨制氢也成为国际发展趋势之一，各大经济体都非常重视其规模化生产和使用。
甲醇也是一种理想的储氢载体。 作为重要的化工原料，是有机合成工业中重要的中间体和溶剂，在化工工业中具有重要地位。 甲醇作为动力燃料，辛烷值高，可作为汽油添加剂或内燃机的替代品，既能实现内燃机的高效燃烧，又能减少碳氮氧化物的排放，可作为汽油的低成本替代品。
一方面，氨和甲醇是氢气的重要下游产品，在工业上应用广泛，具有相对成熟的绿色生产方式; 另一方面，作为氢气的载体，氨和甲醇更便于储存和运输，可以作为重要的化石能源替代品，实现发电、交通等领域的减碳减排。 从能源供应的角度来看，氢基能源与电能类似，从长远来看，它将成为未来清洁能源系统中重要的二次能源。 从能源消费角度看，氢基能源是用能终端实现绿色低碳转型发展的重要载体。 从工业生产过程来看，氢基能源是一种重要的清洁低碳工业原料。 因此，我们已经可以隐约看到氢基能源，包括氢、氨、甲醇在未来能源体系中的重要作用。
氢能作为继电能之后的潜在二次能源，具有多元化的发展路径。 从第一端来看，未来将形成以可再生能源制氢为主体，化石能源制氢+碳捕集、生物质制氢为补充的多元化供氢格局; 从消费角度看，未来将形成氢基能源回馈发电、交通消费、工业消费和跨区域运输的多元化应用局面。
与发达国家相比，我国氢能的技术水平和产业基础相对较弱，与国际第一技术梯队相比，设备和产品各环节的性能、使用寿命和制造工艺仍存在一定差距。 但我国拥有良好的氢能市场和应用市场，是目前世界上唯一具备氢能全产业链优势的国家，发展氢能的规模化优势显著。 氢能产业链包括生产、储存、运输和使用四个主要阶段，其多元化程度显著，规模化发展是氢能行业攻坚难、降本增效的有效途径。 氢基能源体系建设，可有效释放我国规模化新能源制氢潜力，推动氢能全产业链规模化发展，有效加快提升我国氢能领域核心竞争力，培育中国新能源产业第二增长极，促进国内经济持续高质量发展。
当前，世界正在经历百年未有之大变局，中国提出了“四革一合作”的新能源发展战略。 立足国情，加快氢能规模化发展，不仅能为我国能源安全和低碳转型保驾护航，更有望通过“氢能品牌”助力全球气候治理下的能源转型，加强氢能领域的国际合作，为全球能源安全和绿色转型提供中国式解决方案。 展望未来，氢能行业大有可为，让我们携手共进，为氢能产业的下一个辉煌发展做好准备。 （作者：李胜，江海，于冠培，作者单位：水电水利规划设计院）。
“氢能十大解决方案”是笔者对行业的肤浅认识，本文部分数据和**引用自国际可再生能源署、国家统计局、国家能源局、中国电力企业联合会、中国产业发展促进会氢能分会、水电水利规划设计总院、 电力规划设计总院等单位出台了数据及相关报告。本文相关内容、数据和观点仅供参考，不构成投资等决策的依据，作者对因使用本文内容而造成的任何损失不承担任何责任。