Ūdeņradis ir vienkāršākais ķīmiskais elements : tā kodols sastāv no viena protona, un tā atomam ir tikai viens elektrons. Dihidrogēna (H2) molekula sastāv no diviem ūdeņraža atomiem.
Ūdeņradi parasti izmanto, lai apzīmētu dihidrogēnu.

Sadedzinot 1 kg ūdeņraža, izdalās gandrīz 4 reizes vairāk enerģijas nekā 1 kg benzīna un rodas tikai ūdens :

2H2 + O2 -> 2H2O

Ūdeņradis ir ļoti bagātīgs uz Zemes virsmas, bet tīrā stāvoklī tas neeksistē. Tas vienmēr ir saistīts ar citiem ķīmiskiem elementiem molekulās, piemēram, ūdenī un ogļūdeņražos. Dzīvie organismi (dzīvnieku vai augu) sastāv arī no ūdeņraža.
Tāpēc biomasa ir vēl viens potenciāls ūdeņraža avots.

Lai iegūtu ūdeņradi no šiem primārajiem resursiem, piemēram, ogļūdeņražiem, biomasas un ūdens, ir vajadzīgs enerģijas ieguldījums.
Ūdeņradis varētu būt gandrīz neizsmeļams ar nosacījumu, ka to var ražot pietiekamā daudzumā par konkurētspējīgām izmaksām un no mazoglekļa enerģijas (kodolenerģija un atjaunojamie energoresursi).
Ūdeņraža tehnoloģijas ir tehnoloģiju kopums, kas pētīts, lai ražotu ūdeņradi, uzglabātu to un pārveidotu enerģijas vajadzībām.

Ir vairāki pašreizējie ūdeņraža ražošanas veidi, katram no tiem ir savas priekšrocības un trūkumi izmaksu, energoefektivitātes, ietekmes uz vidi ziņā :

Ūdens elektrolīze :
Ūdens elektrolīze ir process, kurā tiek izmantota elektrība, lai sadalītu ūdeni (H2O) ūdeņradī (H2) un skābeklī (O2). Ir divi galvenie elektrolīzes veidi : sārmainā elektrolīze un protonu apmaiņas membrānas (PEM) elektrolīze. Ūdens elektrolīzi var darbināt ar elektroenerģiju no atjaunojamiem avotiem, piemēram, saules vai vēja enerģijas, padarot to par videi draudzīgu ūdeņraža ražošanas metodi.

Metāna tvaika riformings :
Tvaika metāna riformings ir ķīmisks process, kurā ūdeņraža un oglekļa dioksīda (CO2) ražošanai izmanto metānu (CH4), parasti dabasgāzes veidā. Šo procesu parasti plaši izmanto ķīmiskajā rūpniecībā, lai ražotu ūdeņradi. Tomēr tas arī emitē CO2, padarot to par videi mazāk draudzīgu ūdeņraža ražošanas metodi salīdzinājumā ar ūdens elektrolīzi.

Biomasas gazifikācija :
Biomasas gazifikācija ir process, kas organiskās vielas pārvērš singāzē, ko pēc tam var pārvērst ūdeņradī. Šajā metodē kā izejvielu izmanto lauksaimniecības, mežsaimniecības vai sadzīves atkritumus, tādējādi piedāvājot iespēju ražot ūdeņradi no atjaunojamiem un ilgtspējīgiem avotiem.

Ūdens pirolīze :
Ūdens pirolīze ir termoķīmisks process, kas izmanto siltumu, lai sadalītu ūdeni ūdeņradī un skābeklī. Lai gan šī metode var būt efektīva energoefektivitātes ziņā, tai ir nepieciešama augsta temperatūra un īpaši apstākļi, kas var padarīt tās īstenošanu sarežģītāku.

Saules fotoelektrolīze :
Saules fotoelektrolīze ir ūdeņraža ražošanas metode, kas izmanto saules baterijas, lai saules gaismu pārvērstu elektrībā, ko pēc tam izmanto ūdens elektrolīzes procesa darbināšanai. Šī metode izmanto saules enerģiju kā atjaunojamu elektroenerģijas avotu, bet to var ierobežot saules bateriju efektivitāte un ar to saistītās izmaksas.

Ūdeņraža uzglabāšana ir aktīva pētniecības un attīstības joma, jo tai ir potenciāls kā tīram un daudzpusīgam enerģijas nesējam. Šeit ir daži no pašreizējiem ūdeņraža uzglabāšanas veidiem :

Gāzes kompresija :
Ūdeņradi var uzglabāt gāzveida formā, saspiestu augstā spiedienā pastiprinātās cilindriskās tvertnēs. Augstspiediena uzglabāšanas tvertnes var būt izgatavotas no tērauda vai kompozītmateriāliem, lai izturētu augstu spiedienu. Tomēr ūdeņraža saspiešanai augstā spiedienā ir nepieciešama īpaša infrastruktūra, un tā var izraisīt enerģijas zudumus.

Sašķidrināšanas :
Ūdeņradi var atdzesēt un sašķidrināt līdz ļoti zemai temperatūrai (zem -253 grādiem pēc Celsija), lai uzglabātu augstu enerģijas blīvumu. Uzglabāšana šķidrā veidā samazina ūdeņraža aizņemto tilpumu, bet sašķidrināšanas procesā ir nepieciešamas dārgas dzesēšanas iekārtas un ievērojami enerģijas zudumi.

Adsorbcija uz cietiem materiāliem :
Ūdeņradi var adsorbēt uz cietiem materiāliem ar porainu struktūru, piemēram, aktivētajām oglēm, ceolītiem, porainiem organiskajiem metāliem (MOF) vai organiski neorganiskiem hibrīdmateriāliem. Šiem materiāliem ir liels īpatnējais virsmas laukums, un tie var adsorbēt ūdeņradi mērenā spiedienā un apkārtējās vides temperatūrā. Tomēr ūdeņraža adsorbcija var būt atgriezeniska, bet desorbcijai nepieciešams augsts spiediens.

Ķīmiskā uzglabāšana :
Ūdeņradi var uzglabāt ķīmisku savienojumu veidā, kas to atbrīvo, kad tie ir sadalīti. Piemēram, ūdeņradi var uzglabāt metālu hidrīdu vai organisko savienojumu, piemēram, organisko hidrīdu, veidā. Ūdeņraža izdalīšanos var izraisīt karsēšana, katalīze vai citas metodes. Tomēr ķīmisko vielu uzglabāšanas sistēmām var būt īpašas prasības attiecībā uz temperatūru, spiedienu un materiālu reģenerāciju.

Pazemes krātuve :
Ūdeņradi var uzglabāt pazemē piemērotos ģeoloģiskos veidojumos, piemēram, sālsūdens nesējslāņos, dabiskos dobumos vai porainos rezervuāros. Pazemes krātuves piedāvā lielu krātuves ietilpību un var samazināt drošības un infrastruktūras riskus. Tomēr tam ir vajadzīgas piemērotas ģeoloģiskās vietas un drošas un uzticamas uzglabāšanas metodes.

Ūdeņradim ir plašs potenciālo lietojumu klāsts dažādās nozarēs, pateicoties tā unikālajām īpašībām, tostarp daudzpusībai, tīrībai, ja to ražo no atjaunojamiem enerģijas avotiem, un tā potenciālam samazināt siltumnīcefekta gāzu emisijas. Daži no potenciālajiem ūdeņraža izmantošanas veidiem ietver :

Tīra mobilitāte :
Ūdeņraža transportlīdzekļi, piemēram, degvielas elementu automašīnas, autobusi, kravas automašīnas un vilcieni, piedāvā tīru alternatīvu iekšdedzes dzinēja transportlīdzekļiem. Tie ražo elektroenerģiju, apvienojot ūdeņradi ar skābekli no gaisa, radot tikai ūdeni un siltumu kā blakusproduktus, samazinot gaisa piesārņotāju un siltumnīcefekta gāzu emisijas.

Enerģijas uzkrāšana :
Ūdeņradi var izmantot kā līdzekli liela mēroga enerģijas uzkrāšanai, tostarp, lai uzglabātu enerģiju, kas ražota, izmantojot neregulārus atjaunojamos energoresursus, piemēram, saules un vēja enerģiju. Elektroenerģijas pārpalikumu var izmantot, lai ražotu ūdeņradi, izmantojot ūdens elektrolīzi, un pēc tam uzglabāt vēlākai izmantošanai par degvielu vai enerģijas avotu.

Rūpnieciskā ražošana :
Ūdeņradis tiek plaši izmantots ķīmiskajā rūpniecībā amonjaka ražošanai, ko izmanto mēslošanas līdzekļu ražošanā, kā arī dažādu ķīmisko vielu, tostarp metanola, hlorētā ūdeņraža un ogļūdeņražu, ražošanā. To var izmantot arī kā reducētāju tērauda un citu metālu ražošanā.

Elektroenerģijas ražošana :
Ūdeņraža kurināmā elementus var izmantot, lai tīrā un efektīvā veidā ražotu elektroenerģiju gan stacionāriem, gan mobiliem lietojumiem. Tos izmanto komerciālās un dzīvojamās ēkās kā rezerves elektroenerģijas avotu vai kā primāro enerģijas avotu. Tos var arī izmantot, lai piegādātu elektroenerģiju elektrotīkliem maksimālā pieprasījuma periodos.

CDzīvojamo un komerciālo ēku apkure :
Ūdeņradi var izmantot kā degvielu dzīvojamo un komerciālo apkuri, aizstājot dabasgāzi vai mazutu. Tiek izstrādāti ūdeņraža katli, kas varētu piedāvāt mazoglekļa alternatīvu ēku apkurei.

Kosmosa lietojumi :
Kosmosa rūpniecībā ūdeņradis tiek izmantots kā degviela, lai virzītu kosmosa palaišanas transportlīdzekļus, īpaši raķešu augšējos posmos. Šķidro ūdeņradi bieži izmanto kā propelentu, pateicoties tā augstajam enerģijas blīvumam un tīrai sadedzināšanai.