氫在自然界中不會(huì)自由存在，因?yàn)樗苋菀着c其他元素發(fā)生反應(yīng)并與之結(jié)合。由于這個(gè)特性，氫需要從現(xiàn)有分子中分離產(chǎn)生。這一過(guò)程需要能源，而能源可以來(lái)自各種渠道，包括可再生能源（風(fēng)能、太陽(yáng)能、水能、生物質(zhì)能和地?zé)崮埽⒑四芎突剂希ɡ缣烊粴夂兔禾俊哂刑疾都c封存功能）。

天然氣是目前用于生產(chǎn)氫氣的主要燃料來(lái)源。雖然它目前是成本最低的選擇之一，但使用天然氣會(huì)向大氣中釋放二氧化碳。天然氣工業(yè)使用碳捕集與封存來(lái)捕獲天然氣產(chǎn)生的溫室氣體，但該技術(shù)尚未得到廣泛應(yīng)用。 

或者，也可以通過(guò)電解水來(lái)生產(chǎn)氫氣，例如利用風(fēng)能或核能等清潔能源產(chǎn)生的電流將水分子分解為氧氣和氫氣。當(dāng)電解的電力來(lái)自可再生能源時(shí)，不會(huì)有碳排放。雖然許多可再生能源可用于制氫，但全球各國(guó)政府和能源公司都更為青睞海上風(fēng)能制氫，特別是工業(yè)部門的脫碳。目前在全球范圍內(nèi)已經(jīng)有多個(gè)項(xiàng)目處于提議或早期開(kāi)發(fā)階段。

除了消除碳排放外，氫還可以提供儲(chǔ)存多余可再生能源的功能，否則這些能源將被浪費(fèi)掉。如今，當(dāng)能源供應(yīng)超過(guò)需求時(shí)，電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商偶爾會(huì)要求可再生能源發(fā)電商減舍可再生電力，因?yàn)闆](méi)有足夠的存儲(chǔ)容量。隨著電網(wǎng)中可再生能源數(shù)量的增加，這些挑戰(zhàn)只會(huì)增加。

電池存儲(chǔ)可以提供幫助，但僅依靠電池來(lái)解決季節(jié)性和長(zhǎng)期存儲(chǔ)需求并不劃算。所以，與其浪費(fèi)風(fēng)能和其他可再生能源生產(chǎn)的額外資源，不如將其轉(zhuǎn)化為氫氣——?dú)錃饪梢詢?chǔ)存起來(lái)，在需要時(shí)通過(guò)燃料電池或氫氣驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)化回電能。

目前，氫有多種工業(yè)用途，包括煉油、氨生產(chǎn)、甲醇生產(chǎn)和鋼鐵生產(chǎn)。清潔氫可以顯著減少這些行業(yè)的碳足跡。DOE 的 H2@Scale 計(jì)劃正在調(diào)研氫對(duì)不同應(yīng)用的各類影響，包括難以使用其他方法脫碳的重型應(yīng)用。例如重型卡車、鐵路運(yùn)輸、海上應(yīng)用以及數(shù)據(jù)中心的備用電源。

盡管清潔氫可能成為未來(lái)重要的能源之一，但仍然存在局限性。由于目前生產(chǎn)成本更高，來(lái)自可再生能源的氫氣占年產(chǎn)氫氣的 1% 不到，而來(lái)自天然氣的氫氣占 95%。為了減少氫氣產(chǎn)業(yè)的碳足跡并實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?，美國(guó)能源部于 2021 年 6 月 7 日宣布了 Hydrogen Shot，目標(biāo)是在 1 個(gè)十年內(nèi)將清潔氫的成本降低 80%，達(dá)到每 1 公斤 1 美元（“1 1 1”）。

由于氫氣與其他氣體燃料類似，易燃且能量密度低（即占用更多物理空間），因此儲(chǔ)存和運(yùn)輸也是一個(gè)挑戰(zhàn)。氫氣的散裝運(yùn)輸將需要繼續(xù)研發(fā)加壓、冷卻、運(yùn)輸管道和本地制氫等技術(shù)以供直接使用。由于轉(zhuǎn)化過(guò)程，來(lái)自可再生能源的氫目前效率較低，在電解過(guò)程中會(huì)損失一些能量。然而，應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)并提高電能轉(zhuǎn)換效率的研究工作和示范工作正在進(jìn)行中。 

雖然僅占當(dāng)今能源結(jié)構(gòu)的一小部分，但風(fēng)能生產(chǎn)的氫可能會(huì)成為全球零碳未來(lái)的關(guān)鍵組成部分。DOE 的氫與燃料電池技術(shù)辦公室正在進(jìn)行的研究顯示，氫的產(chǎn)量有增長(zhǎng)為目前 5 倍的潛力。隨著海上風(fēng)能和其他可再生能源的增長(zhǎng)，生產(chǎn)和儲(chǔ)存清潔氫的機(jī)會(huì)也將增加。清潔氫可以幫助人類滿足未來(lái)的能源需求。