1. 實現大規模、高效的可再生能源消納在電力系統中，變動的電力供應和需求在時間上并不能很好地相互匹配（無論是日間，還是季節間）。提高間歇性的比例至目標水平（40%以上）將對電力系統的靈活性提出更高要求。逐步提高的電氣化程度和電能有限的存儲能力將需要更有效的儲能方案。為了解決各方面的問題，我們提出了不同的解決方案，如電網升級改造和用于盡量實現短期或長期電力供需平衡的技術，如靈活性備用發電機組、需求側管理、儲能等。氫能在這方面具有獨特優勢，它可以避免產生CO2和顆粒物排放，可以大規模利用，還廣泛適用于各種場景。氫能可以通過兩種方式來提高能源系統的效率和靈活性（如圖3所示）：i. 當電能過剩時，可以通過電解將多余的電能轉化為氫氣。產生的氫可以在電力供應不足時提供備用電力，也可以用于其他能源消耗領域，如交通運輸、工業或居民等。通過這種方式可以充分利用過剩電能。如果不通過氫能技術進行補充利用，可再生能源存在丟棄的可能性將非常大。以德國為例，預計到2050年，德國可再生能源發電比例將達到90%時，預計可再生能源棄量將達到170 TWh/年以上，相當于用氫氣為德國乘用車提供燃料對應能量的一半左右。這意味著可以采用約60GW的電解功率對這一部分電能進行充分利用，并產生較好的經濟效益（經濟性在一定程度上取決于電網互聯的水平）。

氫能既可以集中利用，也可以分散利用，既可以作為主要電源，也可以作為備用電源。與天然氣一樣，來自氫氣（或其化合物）的電能可以快速供應或中斷。因此，氫能可以很好地應對可再生能源的突然中斷（如遭遇惡劣天氣事件時）。此外，電解裝置還可以給電網提供輔助服務，如頻率調節等。氫能也可以應用在工業和建筑領域的燃料電池熱電聯產裝置中，同時產生電能和熱能。這一技術將提高這些領域的發電和供熱效率，并整體提高能源系統的靈活性。其潛力將在接下來的部分中進行討論。ii. 氫能可用作長周期零碳跨季節儲能載體氫能是長期性的零碳季節性儲能的最佳整體解決方案。雖然蓄電池、超級電容以及壓縮空氣儲能也有助于實現電量平衡，但它們缺乏解決季節性不平衡所需的蓄電容量和蓄能周期（如圖4所示）。抽水蓄能可以像儲氫一樣實現大規模、長周期的儲能；目前，抽水蓄能占到全球儲能裝機容量（162 GW）的95%以上。然而，其尚未開發的蓄能容量由于受到當地地理條件的限制，僅占全球每年能源需求的1%左右（0.3 EJ）。這還不足以應對能源需求的季節性差異。以德國為例，其冬季的能源需求比夏季高約30%以上，而冬季的可再生能源發電量通常比夏季低50%（如圖3所示）。

目前，氫能仍然是一種新的儲能技術，但越來越多的大型氫基儲能示范項目正在全球范圍內規劃、推廣和實施，包括丹麥、加拿大、日本和亞太地區。另外，地下大規模儲氫是一種可行的技術手段，且不存在重大的技術障礙。隨著可再生能源比例的增加，氫能作為一種長期性的儲能方式預計會加速發展和實施。為此，鹽穴儲氫的成本預計將在2030年降至140歐元/兆瓦時（電轉電）。這甚至低于抽水蓄能的預測成本（2030年約為400歐元/兆瓦時）。德國可用于洞穴儲氫的潛在空間容積約有370億立方米，這足以儲存110 TWhth的氫能，可以完全滿足德國預計的季節性儲能需求。總之，氫氣可以實現在能源系統中更經濟有效地耦合大量間歇性能源，同時為保障能源系統的穩定運行提供必要的靈活性。

2. 在不同行業和地區間進行能量分配電力系統需要對可再生能源進行分配。以日本為代表的一些國家由于地理條件限制，無法僅由風能和太陽能提供電力供應。還有一些國家可能還需要時間來募集必要的資金。在某些情況下，進口可再生能源可能更為經濟，例如，把赤道附近的低成本太陽能轉移到太陽能資源匱乏的地域加以利用。由于氫氣及其化合物具有很高的能量密度且易于運輸，它們將有助于高效、靈活地（再）分配能源。長距離電力傳輸會造成能量損失，但通過管道運輸氫氣幾乎可以達到100%的效率。這種優勢使氫能在大規模和遠距離運輸可再生能源時非常具有經濟競爭力。例如，可以通過氫能，把能量從中東等具有很高的可再生能源發電潛力的地區轉移到歐洲等能源需要高的地區。作為一項長期應對策略，進口氫能將有助于我們應對可再生能源的持續增長或確保在可再生能源發電量較少的冬季能夠提供充足的能源。日本計劃在2020年開展首次用于國際貿易的液氫運輸船的技術示范。目前，氫氣管道和運輸氫氣或液氫的長管拖車是最常見的運輸方式。隨著氫能傳輸量的增大，氫氣也會和運輸的成本在未來15年有望下降30~40%。已有關于采用現有天然氣管網輸送氫氣的測試報道，但還沒有大規模應用。利茲是第一個提出在2026年之前將其天然氣管網改造為氫氣管網的城市。

3. 充當能源緩沖載體以提高能源系統的韌性氫能有助于將全球的能量儲存與不斷變化的能源需求相關聯。由于其能量密度高、可長期儲存以及用途廣泛等特點，氫能非常適合作為能源緩沖載體和戰略儲備。如今，全球能源約有90 EJ（占每年終端用能的24%）的能源儲備，幾乎全部以化石燃料的形式存在。氫能理事會認為，未來能源儲備量不太可能大幅減少。然而，隨著能源消費者和電力部門開始轉向替代能源，以化石能源存在的儲備量可能會縮減，因為消耗化石能源的應用場景是有限的。最有效的能源緩沖載體將會變得多樣化，它們可以直接用于（或轉化為）終端用能場景。這樣的能源緩沖載體將包括化石燃料、生物燃料/生物質/合成燃料，還有氫氣。

4. 降低交通運輸過程中的碳排放燃氣電池電動汽車（FCEVs）在降低交通運輸過程中的碳排放中具有重要意義。當前，石油在全球交通運輸消耗的燃料中占絕對地位，汽油和柴油占縱然了消耗的96%和全球碳排放量的21%（如圖5所示）。混合動力汽車（HEVs）和插電式混合動力汽車（PHEVs）等高效混合動力汽車已經有效地降低了汽車尾氣排放。但是，為了完全實現交通運輸過程中的零排放，需要采用氫驅動的燃料電池電動車（FCEVs）和蓄電池電動車（BEVs），或者二者的混合形式。交通出行領域的技術進步和新的發展趨勢（如車聯網、自動駕駛技術、共享汽車）將對新技術的應用和轉型速度水平產生影響。

兩種電動車采用了類似和互補的技術，且分別適合不同的細分市場和用戶。除了降低CO2排放，它們還能有助于改善當地空氣質量和減少噪音。燃料電池車在多個方面有重要好處。首先，它能在不中途加注燃料的情況下長距離行駛（已經超過500公里），續航里程是消費者非常關注的一個方面。其次，類似于目前的汽油/柴油車，給燃料電池車加注燃料也非常快捷（3~5分鐘），這給消費者提供極大的便利。第三，由于儲氫系統的能量密度非常高（與蓄電池相比），燃料電池車動力系統成本和重量受儲能容量（kWh）的影響不大。這使得該技術受到了需要存儲大量能量的車輛類型的青睞（如重載能力和/或長距離/高頻使用的車輛類型）。最后，燃料電池車的基礎設施可以建立在現有的汽油分銷和零售基礎設施之上，形成成本優勢并保留當地就業和資產投入。燃料電池車將出現在多個細分市場領域。考慮到上述有點，該技術將對降低碳排放的交通運輸領域尤為重要，包括乘用車（如中、大型小汽車、運輸車、出租車）、中型運輸車、公共汽車和非電驅動列車。目前，還有研究致力于將氫氣制成的合成燃料用于船舶和航空領域（如圖6所示）。在乘用車領域，燃料電池車的總擁有成本（TCO）目前還高于內燃機（ICE）車，但在日本其行駛成本（每公里氫能費用）已經接近混合動力車（HEVs）。當燃料電池車達到大規模商業化的時候，我們相信兩種技術在中、大型乘用車的總擁有成本（TCO）方面可以達到相當的水平。

燃料電池運輸車和公共交通配套的基礎設施部署往往更簡單、成本也更低，因此特定的運輸車和公共交通將更快地實現平價推廣。主要汽車企業正在尋求零碳排放汽車的解決方案。三家領先的汽車制造商已經率先推出了商業化應用的燃料電池車，而其它制造商也已經宣布有意盡快推出自己的燃料電池車。燃料電池車正在逐步實現商業化，日本和美國的燃料電池車保有量已超過一千輛，歐洲也有幾百輛。多家代加工廠商（OEMs）擁有燃料電池車生產線，每年可生產幾千輛燃料電池車。到本世紀20年代初，預計將出現大幅增長，代加工廠商將有能力每年商業化生產幾萬輛乘用燃料電池車。這與多個國家發展燃料電池車的目標是相一致的。例如，中國的目標是到2025年在路上行駛的燃料電池車達到5萬輛，到2030年達到100萬輛。日本預計到2025年達到20萬輛，到2030年達到80萬輛。燃料電池車開始進入公交和貨物運輸領域。雖然目前燃料電池公交車的市場份額仍然很小（全球上路的約有500輛），但最近的投資數據顯示，公交領域開始應用燃料電池車方案的勢頭越來越猛。例如，連云港海通公交公司（中國）計劃投入1500輛燃料電池車，歐洲已宣布到2020年將部署總共600~1000輛燃料電池車，韓國也計劃在2030年前替代2.7萬輛CNG公交車。目前，幾個代加工廠商將目標鎖定在商業化的重型車輛上。德國還宣稱他們將投入使用一批氫燃料電池列車。燃料電池列車與燃油機車相比已經具備價格競爭能力（從總擁有成本的角度來看）。在該領域領先的西方和亞洲國家計劃在未來十年內大規模建設氫能基礎設施。在歐洲，加氫站預計每兩年就翻一番，到2023年盡在德國就會有400座加氫站，美國加州到2020年的目標是擁有100座加氫站。日本投入運營的加氫站已經超過了80座，韓國和中國計劃建立一個氫能網絡，目標到2025年總共達到830座加氫站。預計到2025年，全球將有超過3000座加氫站來滿足約200萬輛燃料電池車的永清需求。經過這一階段的發展后，加氫基礎設施將實現自然增長。

5. 降低工業用能領域的碳排放如今，工業過程中大量消耗天然氣、煤炭和石油等化石能源，產生了全球20%的二氧化碳排放。工業領域亟需提高能效（包括余熱回收利用），從而減少能源消耗。水蒸汽電解技術可以幫助將廢熱轉化為氫氣。不論是低品位，還是高品位的用熱，工業領域都需要針對其工藝用熱進行脫碳處理。為了減少低品位熱的碳排放，工業領域可以選擇的技術方案有很多。熱泵和電鍋爐在一些地區有供熱優勢，而當氫能是來自于化工副產品或者特定工業需要配備不間斷電源和熱源（可由燃料電池提供）時，氫能顯然具有更大的優勢。氫氣可以在氫燃燒器中燃燒，也可以用于燃料電池，是一種零排放的供熱方案。對獲取高品位熱能（高于400°C）的過程進行碳減排更具挑戰。根據當地條件，燃氫鍋爐可以對電加熱進行補充，以產生高品位的熱能：考慮到電加熱系統在設計方面的限制，一些地區和領域更傾向于使用氫技術。當前低品位用熱領域氫氣已經得到了應用，如工藝加熱和干燥等。未來，隨著氫氣燃燒器和燃料電池的應用，工業領域從低到高不同品位的用熱負荷均可以通過氫能來滿足。燃料電池與燃燒器相比效率更高，且能同時提供熱量和電力，但是部署燃料電池初投資較大。而燃燒器只需要對現有設備進行改進。

6. 將捕集的碳用作原料氫基化學可以作為碳匯，降低石化價值鏈的碳排放，并成為其中的一部分。當前，原油（衍生物）被用作化工產品、燃料、塑料和醫藥產品的生產原料。幾乎所有這些產品都含有碳和氫。如果碳捕集和利用（CCU）技術實現大發展（作為循環經濟和替代碳存儲的一部分），該技術將通過利用（綠色的）氫能把捕集的碳轉化為可用的化學品，如甲醇、甲烷、甲酸和尿素等。氫的這些應用使得碳捕集和利用（CCU）技術成為其他難以實現脫碳的行業（如水泥和鋼鐵）中可行的實施方案，將有助于降低部分石化價值鏈的碳排放。使用氫和捕獲的碳來生產化工原料的技術目前處于研發階段，正在開展初試驗證。冰島有一座正在運營的地熱電站，該電站利用產生的電能制氫，并和CO2結合制取甲醇。據稱這種甲醇共產方法在電價為30歐元/兆瓦時的條件下具有成本競爭力，不同的當地條件可能會導致不同的結果。瑞典已計劃開展一個類似的項目，將對鋼鐵行業中捕集的CO2加以利用。德國將鋼鐵生產中排放的碳與來來自過剩電力的氫結合，以生產化學品。該項目仍處于概念階段，預計將在15年內達到規模發展。

7. 降低建筑采暖的碳排放采暖和生活熱水約占居民住宅能耗的80%。每年大約50 EJ的能量用于全球住宅供暖，貢獻了全球碳排放量的12%。氫能將成為降低建筑采暖碳排放方案中的一個重要選項。當地條件決定了方案的選擇。建筑采暖可以通過直接燃燒氫氣或者氫能利用技術來滿足，甚至可以將二者相結合：氫能利用技術有燃料電池微型熱電聯產等。這一技術可以高效地提供熱能和電能（效率大于90%）。氫氣本身也可以作為燃料使用（純氫或與其他氣體混合使用，部分降低氣體管網的含碳量）。對于那些與天然氣管網相連的住宅，改用氫氣燃燒供熱將有可能繼續使用現有的氣網。通過一些小的投資改造，現有氣網可安全地輸送氫氣和天然氣的混合氣體。要想實現完全脫碳，需要全部轉向氫氣，也就是像英國利茲天然氣管網的發展目標一樣。在全球范圍內，大約19萬座建筑已經使用了氫基燃料電池微型熱電聯產系統來供熱。大多數的這種熱電聯產系統（效率高于95%）位于日本，其中大約一半是用甲烷與重整器相結合的方式產生氫氣。該項目表明了這種微型熱電聯產系統足以滿足居民用熱和用電需求。預計到2030年，將有約530萬戶的日本家庭使用這種微型熱電聯產系統。規模經濟已經讓這種設備的價格降低了50%以上，從2009年的2.4美元/瓦到2014年的1美元/瓦。