Waterstof is het eenvoudigste chemische element : de kern bestaat uit een enkel proton en het atoom heeft slechts één elektron. Het molecuul diwaterstof (H2) bestaat uit twee waterstofatomen.
Waterstof wordt vaak gebruikt om naar diwaterstof te verwijzen.

Bij het verbranden van 1 kg waterstof komt bijna 4 keer meer energie vrij dan bij 1 kg benzine en komt alleen water vrij :

2H2 + O2 -> 2H2O

Waterstof is zeer overvloedig aanwezig op het aardoppervlak, maar bestaat niet in zuivere staat. Het is altijd gebonden aan andere chemische elementen, in moleculen zoals water en koolwaterstoffen. Levende organismen (dier of plant) zijn ook samengesteld uit waterstof.
Biomassa is dus een andere potentiële bron van waterstof.

Het winnen van waterstof uit deze primaire bronnen zoals koolwaterstoffen, biomassa en water vereist een energie-input.
Waterstof zou bijna onuitputtelijk kunnen zijn, op voorwaarde dat het in voldoende hoeveelheden kan worden geproduceerd tegen concurrerende kosten en uit koolstofarme energie (kernenergie

Exploitatie van een kerncentrale

De componenten van een kerncentrale. De belangrijkste componenten van een kerncentrale : Kernreactor : De kernreactor is het hart van de centrale waar de kernsplijtingsreacties plaatsvinden. Het bevat splijtstof, zoals verrijkt uranium of plutonium, evenals moderatoren en reactorbesturingen om kernreacties te reguleren.
Stoomgenerator :

en hernieuwbare energiebronnen).
Waterstoftechnologieën zijn de technologieën die worden bestudeerd om waterstof te produceren, op te slaan en om te zetten voor energiedoeleinden.

Er zijn momenteel verschillende manieren om waterstof te produceren, elk met zijn eigen voor- en nadelen op het gebied van kosten, energie-efficiëntie, milieu-impact :

Waterelektrolyse :
Waterelektrolyse is een proces waarbij elektriciteit wordt gebruikt om water (H2O) af te breken in waterstof (H2) en zuurstof (O2). Er zijn twee hoofdtypen elektrolyse : alkalische elektrolyse en elektrolyse van protonuitwisselingsmembranen (PEM). Waterelektrolyse kan worden aangedreven door elektriciteit uit hernieuwbare bronnen zoals zonne- of windenergie, waardoor het een milieuvriendelijke methode is voor de productie van waterstof.

Methaan stoom reforming :
Stoommethaanreforming is een chemisch proces waarbij methaan (CH4), meestal in de vorm van aardgas, wordt gebruikt om waterstof en kooldioxide (CO2) te produceren. Dit proces wordt veel op grote schaal gebruikt in de chemische industrie om waterstof te produceren. Het stoot echter ook CO2 uit, waardoor het een minder milieuvriendelijke methode van waterstofproductie is in vergelijking met waterelektrolyse.

Vergassing van biomassa :
Biomassavergassing is een proces waarbij organisch materiaal wordt omgezet in syngas, dat vervolgens kan worden omgezet in waterstof. Deze methode maakt gebruik van landbouw-, bosbouw- of stedelijk afval als grondstof en biedt zo de mogelijkheid om waterstof te produceren uit hernieuwbare en duurzame bronnen.

Waterpyrolyse :
Waterpyrolyse is een thermochemisch proces waarbij warmte wordt gebruikt om water af te breken in waterstof en zuurstof. Hoewel deze methode efficiënt kan zijn in termen van energie-efficiëntie, vereist het hoge temperaturen en specifieke omstandigheden, waardoor het complexer kan zijn om te implementeren.

Foto-elektrolyse op zonne-energie :
Fotolyse van zonne-energie is een methode om waterstof te produceren waarbij zonnecellen worden gebruikt om zonlicht om te zetten in elektriciteit, die vervolgens wordt gebruikt om het waterelektrolyseproces aan te drijven. Deze methode maakt gebruik van zonne-energie als hernieuwbare bron van elektriciteit, maar kan worden beperkt door het rendement van de zonnecellen en de bijbehorende kosten.

Waterstofopslag is een actief gebied van onderzoek en ontwikkeling vanwege het potentieel ervan als schone en veelzijdige energiedrager. Hier zijn enkele van de huidige manieren om waterstof op te slaan :

Gas compressie :
Waterstof kan in gasvorm, gecomprimeerd onder hoge druk, worden opgeslagen in versterkte cilindrische tanks. Hogedrukopslagtanks kunnen worden gemaakt van staal of composietmaterialen om hoge druk te weerstaan. Het comprimeren van waterstof onder hoge druk vereist echter specifieke infrastructuur en kan leiden tot energieverliezen.

Vloeibaar maken :
Waterstof kan worden gekoeld en vloeibaar worden gemaakt tot zeer lage temperaturen (onder -253 graden Celsius) voor opslag met hoge energiedichtheid. Opslag in vloeibare vorm vermindert het volume dat door waterstof wordt ingenomen, maar vereist dure koelapparatuur en aanzienlijke energieverliezen tijdens het vloeibaarmakingsproces.

Adsorptie op vaste materialen :
Waterstof kan worden geadsorbeerd aan vaste materialen met een poreuze structuur, zoals actieve kool, zeolieten, poreuze organische metalen (MOF's) of organisch-anorganische hybride materialen. Deze materialen hebben een groot specifiek oppervlak en kunnen waterstof adsorberen bij gematigde druk en omgevingstemperaturen. Waterstofadsorptie kan echter omkeerbaar zijn, maar vereist hoge drukken voor desorptie.

Chemische opslag :
Waterstof kan worden opgeslagen in de vorm van chemische verbindingen die het vrijgeven wanneer ze worden afgebroken. Waterstof kan bijvoorbeeld worden opgeslagen in de vorm van metaalhydriden of organische verbindingen zoals organische hydriden. Het vrijkomen van waterstof kan worden veroorzaakt door verhitting, katalyse of andere methoden. Chemische opslagsystemen kunnen echter specifieke eisen stellen aan temperatuur, druk en materiaalregeneratie.

Ondergrondse berging :
Waterstof kan ondergronds worden opgeslagen in geschikte geologische formaties zoals zoute watervoerende lagen, natuurlijke holtes of poreuze reservoirs. Ondergrondse opslag biedt een grote opslagcapaciteit en kan veiligheids- en infrastructuurrisico's verminderen. Dit vereist echter geschikte geologische locaties en veilige en betrouwbare opslagtechnieken.

Waterstof heeft een breed scala aan potentiële toepassingen in verschillende sectoren vanwege zijn unieke kenmerken, waaronder zijn veelzijdigheid, reinheid wanneer het wordt geproduceerd uit hernieuwbare energiebronnen en zijn potentieel om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen. Enkele van de mogelijke toepassingen van waterstof zijn :

Schone mobiliteit :
Waterstofvoertuigen, zoals brandstofcelauto's, bussen, vrachtwagens en treinen, bieden een schoon alternatief voor voertuigen met een verbrandingsmotor. Ze wekken elektriciteit op door waterstof te combineren met zuurstof uit de lucht, waarbij alleen water en warmte als bijproducten worden gegenereerd, waardoor de uitstoot van luchtverontreinigende stoffen en broeikasgassen wordt verminderd.

Energieopslag :
Waterstof kan worden gebruikt als middel voor grootschalige energieopslag, onder meer om energie op te slaan die wordt geproduceerd door intermitterende hernieuwbare bronnen zoals zonne- en windenergie. Overtollige elektriciteit kan worden gebruikt om waterstof te produceren door elektrolyse van water en vervolgens worden opgeslagen voor later gebruik als brandstof of energiebron.

Industriële productie :
Waterstof wordt veel gebruikt in de chemische industrie voor de productie van ammoniak, gebruikt bij de vervaardiging van meststoffen, maar ook bij de productie van verschillende chemicaliën, waaronder methanol, gechloreerde waterstof en koolwaterstof. Het kan ook worden gebruikt als reductiemiddel bij de productie van staal en andere metalen.

Elektriciteitsproductie :
Waterstofbrandstofcellen kunnen worden gebruikt om op een schone en efficiënte manier elektriciteit op te wekken, voor zowel stationaire als mobiele toepassingen. Ze worden gebruikt in commerciële en residentiële gebouwen als back-upbron van elektriciteit of als primaire energiebron. Ze kunnen ook worden gebruikt om elektriciteit te leveren aan elektriciteitsnetten tijdens piekperioden.

CResidentiële en commerciële verwarming :
Waterstof kan worden gebruikt als brandstof voor de verwarming van woningen en bedrijven, ter vervanging van aardgas of stookolie. Waterstofketels zijn in ontwikkeling en kunnen een koolstofarm alternatief bieden voor het verwarmen van gebouwen.

Ruimtevaart toepassingen :
In de ruimtevaartindustrie wordt waterstof gebruikt als brandstof om ruimtelanceervoertuigen voort te stuwen, vooral in de bovenste trappen van raketten. Vloeibare waterstof wordt vaak gebruikt als drijfgas vanwege de hoge energiedichtheid en schone verbranding.