Το υδρογόνο είναι το απλούστερο χημικό στοιχείο : ο πυρήνας του αποτελείται από ένα μόνο πρωτόνιο και το άτομο του έχει μόνο ένα ηλεκτρόνιο. Το μόριο του διυδρογόνου (H2) αποτελείται από δύο άτομα υδρογόνου.
Το υδρογόνο χρησιμοποιείται συνήθως για να αναφερθεί στο διυδρογόνο.

Η καύση 1 kg υδρογόνου απελευθερώνει σχεδόν 4 φορές περισσότερη ενέργεια από 1 kg βενζίνης και παράγει μόνο νερό :

2Η2 + Ο2 -> 2Η2Ο

Το υδρογόνο είναι πολύ άφθονο στην επιφάνεια της Γης, αλλά δεν υπάρχει στην καθαρή του κατάσταση. Συνδέεται πάντα με άλλα χημικά στοιχεία, σε μόρια όπως το νερό και οι υδρογονάνθρακες. Οι ζωντανοί οργανισμοί (ζωικοί ή φυτικοί) αποτελούνται επίσης από υδρογόνο.
Επομένως, η βιομάζα είναι μια άλλη δυνητική πηγή υδρογόνου.

Η εξόρυξη υδρογόνου από αυτούς τους πρωτογενείς πόρους, όπως οι υδρογονάνθρακες, η βιομάζα και το νερό, απαιτεί εισροή ενέργειας.
Το υδρογόνο θα μπορούσε να είναι σχεδόν ανεξάντλητο, υπό την προϋπόθεση ότι μπορεί να παραχθεί σε επαρκείς ποσότητες με ανταγωνιστικό κόστος και από ενέργεια χαμηλών ανθρακούχων εκπομπών (πυρηνική ενέργεια

Λειτουργία πυρηνικού σταθμού ηλεκτροπαραγωγής

Τα εξαρτήματα ενός πυρηνικού σταθμού. Τα κύρια συστατικά ενός πυρηνικού σταθμού ηλεκτροπαραγωγής : Πυρηνικός αντιδραστήρας :

και ανανεώσιμες πηγές ενέργειας).
Οι τεχνολογίες υδρογόνου είναι το σύνολο των τεχνολογιών που μελετώνται για την παραγωγή υδρογόνου, την αποθήκευσή του και τη μετατροπή του για ενεργειακούς σκοπούς.

Υπάρχουν διάφοροι τρέχοντες τρόποι παραγωγής υδρογόνου, ο καθένας με τα δικά του πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα όσον αφορά το κόστος, την ενεργειακή απόδοση, τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις :

Ηλεκτρόλυση νερού :
Η ηλεκτρόλυση νερού είναι μια διαδικασία που χρησιμοποιεί ηλεκτρική ενέργεια για να διασπάσει το νερό (H2O) σε υδρογόνο (H2) και οξυγόνο (O2). Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι ηλεκτρόλυσης : αλκαλική ηλεκτρόλυση και ηλεκτρόλυση μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEM). Η ηλεκτρόλυση νερού μπορεί να τροφοδοτηθεί με ηλεκτρική ενέργεια από ανανεώσιμες πηγές όπως η ηλιακή ή η αιολική ενέργεια, καθιστώντας την μια φιλική προς το περιβάλλον μέθοδο παραγωγής υδρογόνου.

Αναμόρφωση ατμού μεθανίου :
Η αναμόρφωση μεθανίου με ατμό είναι μια χημική διαδικασία που χρησιμοποιεί μεθάνιο (CH4), συνήθως με τη μορφή φυσικού αερίου, για την παραγωγή υδρογόνου και διοξειδίου του άνθρακα (CO2). Αυτή η διαδικασία χρησιμοποιείται συνήθως σε μεγάλη κλίμακα στη χημική βιομηχανία για την παραγωγή υδρογόνου. Ωστόσο, εκπέμπει επίσης CO2, καθιστώντας την λιγότερο φιλική προς το περιβάλλον μέθοδο παραγωγής υδρογόνου σε σύγκριση με την ηλεκτρόλυση νερού.

Αεριοποίηση βιομάζας :
Η αεριοποίηση βιομάζας είναι μια διαδικασία που μετατρέπει οργανική ύλη σε αέριο σύνθεσης, το οποίο στη συνέχεια μπορεί να μετατραπεί σε υδρογόνο. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιεί γεωργικά, δασοκομικά ή αστικά απόβλητα ως πρώτη ύλη, προσφέροντας έτσι τη δυνατότητα παραγωγής υδρογόνου από ανανεώσιμες και βιώσιμες πηγές.

Πυρόλυση νερού :
Η πυρόλυση νερού είναι μια θερμοχημική διαδικασία που χρησιμοποιεί θερμότητα για να διασπάσει το νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο. Ενώ αυτή η μέθοδος μπορεί να είναι αποτελεσματική όσον αφορά την ενεργειακή απόδοση, απαιτεί υψηλές θερμοκρασίες και ειδικές συνθήκες, γεγονός που μπορεί να καταστήσει πιο περίπλοκη την εφαρμογή της.

Ηλιακή φωτοηλεκτρόλυση :
Η ηλιακή φωτοηλεκτρόλυση είναι μια μέθοδος παραγωγής υδρογόνου που χρησιμοποιεί ηλιακές κυψέλες για να μετατρέψει το ηλιακό φως σε ηλεκτρική ενέργεια, η οποία στη συνέχεια χρησιμοποιείται για να τροφοδοτήσει τη διαδικασία ηλεκτρόλυσης νερού. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί την ηλιακή ενέργεια ως ανανεώσιμη πηγή ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά μπορεί να περιοριστεί από την απόδοση των ηλιακών κυψελών και το σχετικό κόστος.

Η αποθήκευση υδρογόνου είναι ένας ενεργός τομέας έρευνας και ανάπτυξης λόγω των δυνατοτήτων της ως καθαρού και ευέλικτου φορέα ενέργειας. Εδώ είναι μερικοί από τους τρέχοντες τρόπους αποθήκευσης υδρογόνου :

Συμπίεση αερίου :
Το υδρογόνο μπορεί να αποθηκευτεί σε αέρια μορφή συμπιεσμένο σε υψηλή πίεση σε ενισχυμένες κυλινδρικές δεξαμενές. Οι δεξαμενές αποθήκευσης υψηλής πίεσης μπορούν να κατασκευαστούν από χάλυβα ή σύνθετα υλικά για να αντέχουν σε υψηλές πιέσεις. Ωστόσο, η συμπίεση υδρογόνου σε υψηλές πιέσεις απαιτεί ειδικές υποδομές και μπορεί να οδηγήσει σε απώλειες ενέργειας.

Υγροποίηση :
Το υδρογόνο μπορεί να ψυχθεί και να υγροποιηθεί σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες (κάτω από -253 βαθμούς Κελσίου) για αποθήκευση υψηλής ενεργειακής πυκνότητας. Η αποθήκευση σε υγρή μορφή μειώνει τον όγκο που καταλαμβάνει το υδρογόνο, αλλά απαιτεί ακριβό εξοπλισμό ψύξης και σημαντικές απώλειες ενέργειας κατά τη διαδικασία υγροποίησης.

Προσρόφηση σε στερεά υλικά :
Το υδρογόνο μπορεί να προσροφηθεί σε στερεά υλικά με πορώδη δομή, όπως ενεργούς άνθρακες, ζεόλιθους, πορώδη οργανικά μέταλλα (MOFs) ή οργανικά-ανόργανα υβριδικά υλικά. Αυτά τα υλικά έχουν μεγάλη ειδική επιφάνεια και μπορούν να απορροφήσουν υδρογόνο σε μέτριες πιέσεις και θερμοκρασίες περιβάλλοντος. Ωστόσο, η προσρόφηση υδρογόνου μπορεί να είναι αναστρέψιμη, αλλά απαιτεί υψηλές πιέσεις για εκρόφηση.

Χημική αποθήκευση :
Το υδρογόνο μπορεί να αποθηκευτεί με τη μορφή χημικών ενώσεων που το απελευθερώνουν όταν διασπώνται. Για παράδειγμα, το υδρογόνο μπορεί να αποθηκευτεί με τη μορφή μεταλλικών υδριδίων ή οργανικών ενώσεων όπως οργανικά υδρίδια. Η απελευθέρωση υδρογόνου μπορεί να προκληθεί με θέρμανση, κατάλυση ή άλλες μεθόδους. Ωστόσο, τα συστήματα αποθήκευσης χημικών μπορεί να έχουν ειδικές απαιτήσεις όσον αφορά τη θερμοκρασία, την πίεση και την αναγέννηση υλικών.

Υπόγεια αποθήκευση :
Το υδρογόνο μπορεί να αποθηκευτεί υπόγεια σε κατάλληλους γεωλογικούς σχηματισμούς, όπως αλατούχους υδροφορείς, φυσικές κοιλότητες ή πορώδεις δεξαμενές. Η υπόγεια αποθήκευση προσφέρει μεγάλη χωρητικότητα αποθήκευσης και μπορεί να μειώσει τους κινδύνους ασφάλειας και υποδομής. Ωστόσο, αυτό απαιτεί κατάλληλους γεωλογικούς χώρους και ασφαλείς και αξιόπιστες τεχνικές αποθήκευσης.

Το υδρογόνο έχει ένα ευρύ φάσμα δυνητικών εφαρμογών σε διάφορους τομείς λόγω των μοναδικών χαρακτηριστικών του, συμπεριλαμβανομένης της ευελιξίας του, της καθαρότητάς του όταν παράγεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και της δυνατότητάς του να μειώνει τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου. Μερικές από τις πιθανές εφαρμογές του υδρογόνου περιλαμβάνουν :

Καθαρή κινητικότητα :
Τα οχήματα υδρογόνου, όπως τα αυτοκίνητα κυψελών καυσίμου, τα λεωφορεία, τα φορτηγά και τα τρένα, προσφέρουν μια καθαρή εναλλακτική λύση στα οχήματα με κινητήρα εσωτερικής καύσης. Παράγουν ηλεκτρική ενέργεια συνδυάζοντας υδρογόνο με οξυγόνο από τον αέρα, παράγοντας μόνο νερό και θερμότητα ως υποπροϊόντα, μειώνοντας τις εκπομπές ατμοσφαιρικών ρύπων και αερίων θερμοκηπίου.

Αποθήκευση ενέργειας :
Το υδρογόνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μέσο αποθήκευσης ενέργειας μεγάλης κλίμακας, μεταξύ άλλων για την αποθήκευση ενέργειας που παράγεται από διαλείπουσες ανανεώσιμες πηγές, όπως η ηλιακή και η αιολική ενέργεια. Η περίσσεια ηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή υδρογόνου με ηλεκτρόλυση νερού και στη συνέχεια να αποθηκευτεί για μεταγενέστερη χρήση ως καύσιμο ή πηγή ενέργειας.

Βιομηχανική παραγωγή :
Το υδρογόνο χρησιμοποιείται ευρέως στη χημική βιομηχανία για την παραγωγή αμμωνίας, που χρησιμοποιείται στην παρασκευή λιπασμάτων, καθώς και στην παραγωγή διαφόρων χημικών ουσιών, συμπεριλαμβανομένης της μεθανόλης, του χλωριωμένου υδρογόνου και των υδρογονανθράκων. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως αναγωγικός παράγοντας στην παραγωγή χάλυβα και άλλων μετάλλων.

Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας :
Οι κυψέλες καυσίμου υδρογόνου μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με καθαρό και αποδοτικό τρόπο, τόσο για σταθερές όσο και για κινητές εφαρμογές. Χρησιμοποιούνται σε εμπορικά και οικιστικά κτίρια ως εφεδρική πηγή ηλεκτρικής ενέργειας ή ως κύρια πηγή ενέργειας. Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας σε δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας κατά τις περιόδους αιχμής της ζήτησης.

CΟικιακή και επαγγελματική θέρμανση :
Το υδρογόνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο για οικιακή και εμπορική θέρμανση, αντικαθιστώντας το φυσικό αέριο ή το μαζούτ. Οι λέβητες υδρογόνου αναπτύσσονται και θα μπορούσαν να προσφέρουν μια εναλλακτική λύση χαμηλών εκπομπών άνθρακα για τη θέρμανση κτιρίων.

Διαστημικές εφαρμογές :
Στη διαστημική βιομηχανία, το υδρογόνο χρησιμοποιείται ως καύσιμο για την προώθηση διαστημικών οχημάτων εκτόξευσης, ειδικά στα ανώτερα στάδια των πυραύλων. Το υγρό υδρογόνο χρησιμοποιείται συχνά ως προωθητικό λόγω της υψηλής ενεργειακής πυκνότητας και της καθαρής καύσης του.