Hidrogenul este cel mai simplu element chimic : nucleul său constă dintr-un singur proton, iar atomul său are un singur electron. Molecula de dihidrogen (H2) este alcătuită din doi atomi de hidrogen.
Hidrogenul este utilizat în mod obișnuit pentru a se referi la dihidrogen.

Arderea a 1 kg de hidrogen eliberează aproape de 4 ori mai multă energie decât 1 kg de benzină și produce numai apă :

2H2 + O2 -> 2H2O

Hidrogenul este foarte abundent pe suprafața Pământului, dar nu există în stare pură. Este întotdeauna legat de alte elemente chimice, în molecule precum apa și hidrocarburile. Organismele vii (animale sau plante) sunt, de asemenea, compuse din hidrogen.
Biomasa este, prin urmare, o altă sursă potențială de hidrogen.

Extragerea hidrogenului din aceste resurse primare, cum ar fi hidrocarburile, biomasa și apa, necesită un aport de energie.
Hidrogenul ar putea fi aproape inepuizabil, cu condiția să poată fi produs în cantități suficiente la un cost competitiv și din energie cu emisii scăzute de dioxid de carbon (nucleară și regenerabilă).
Tehnologiile pe bază de hidrogen sunt setul de tehnologii studiate pentru a produce hidrogen, a-l stoca și a-l converti în scopuri energetice.

Există mai multe modalități actuale de a produce hidrogen, fiecare cu propriile avantaje și dezavantaje în ceea ce privește costul, eficiența energetică, impactul asupra mediului :

Electroliza apei :
Electroliza apei este un proces care utilizează electricitatea pentru a descompune apa (H2O) în hidrogen (H2) și oxigen (O2). Există două tipuri principale de electroliză : electroliza alcalină și electroliza membranei de schimb de protoni (PEM). Electroliza apei poate fi alimentată cu energie electrică din surse regenerabile, cum ar fi energia solară sau eoliană, ceea ce o face o metodă ecologică de producere a hidrogenului.

Reformarea cu abur metan :
Reformarea metanului cu abur este un proces chimic care utilizează metanul (CH4), de obicei sub formă de gaz natural, pentru a produce hidrogen și dioxid de carbon (CO2). Acest proces este utilizat în mod obișnuit pe scară largă în industria chimică pentru a produce hidrogen. Cu toate acestea, emite și CO2, făcându-l o metodă mai puțin ecologică de producere a hidrogenului în comparație cu electroliza apei.

Gazeificarea biomasei :
Gazeificarea biomasei este un proces care transformă materia organică în gaz de sinteză, care poate fi apoi transformat în hidrogen. Această metodă utilizează deșeuri agricole, forestiere sau urbane ca materie primă, oferind astfel posibilitatea producerii hidrogenului din surse regenerabile și durabile.

Piroliza apei :
Piroliza apei este un proces termochimic care utilizează căldura pentru a descompune apa în hidrogen și oxigen. Deși această metodă poate fi eficientă din punct de vedere al eficienței energetice, ea necesită temperaturi ridicate și condiții specifice, ceea ce o poate face mai complexă de implementat.

Fotoelectroliza solară :
Fotoelectroliza solară este o metodă de producere a hidrogenului care utilizează celule solare pentru a transforma lumina soarelui în energie electrică, care este apoi utilizată pentru a alimenta procesul de electroliză a apei. Această metodă utilizează energia solară ca sursă regenerabilă de energie electrică, dar poate fi limitată de eficiența celulelor solare și de costurile asociate.

Stocarea hidrogenului este un domeniu activ de cercetare și dezvoltare datorită potențialului său ca purtător de energie curat și versatil. Iată câteva dintre modalitățile actuale de stocare a hidrogenului :

Comprimarea gazului :
Hidrogenul poate fi stocat sub formă gazoasă, comprimat la presiune înaltă în rezervoare cilindrice armate. Rezervoarele de stocare de înaltă presiune pot fi fabricate din oțel sau materiale compozite pentru a rezista la presiuni ridicate. Cu toate acestea, comprimarea hidrogenului la presiuni ridicate necesită o infrastructură specifică și poate duce la pierderi de energie.

Lichefiere :
Hidrogenul poate fi răcit și lichefiat la temperaturi foarte scăzute (sub -253 grade Celsius) pentru stocarea densității mari de energie. Depozitarea în formă lichidă reduce volumul ocupat de hidrogen, dar necesită echipamente de răcire costisitoare și pierderi semnificative de energie în timpul procesului de lichefiere.

Adsorbție pe materiale solide :
Hidrogenul poate fi adsorbit pe materiale solide cu o structură poroasă, cum ar fi cărbunele activ, zeoliții, metalele organice poroase (MOF) sau materialele hibride organice-anorganice. Aceste materiale au o suprafață specifică mare și pot adsorbi hidrogenul la presiuni moderate și temperaturi ambiante. Cu toate acestea, adsorbția hidrogenului poate fi reversibilă, dar necesită presiuni ridicate pentru desorbție.

Depozitarea substanțelor chimice :
Hidrogenul poate fi stocat sub formă de compuși chimici care îl eliberează atunci când sunt descompuse. De exemplu, hidrogenul poate fi stocat sub formă de hidruri metalice sau compuși organici, cum ar fi hidrurile organice. Eliberarea hidrogenului poate fi declanșată prin încălzire, cataliză sau alte metode. Cu toate acestea, sistemele de depozitare a substanțelor chimice pot avea cerințe specifice în ceea ce privește temperatura, presiunea și regenerarea materialelor.

Depozitare subterană :
Hidrogenul poate fi stocat subteran în formațiuni geologice adecvate, cum ar fi acvifere saline, cavități naturale sau rezervoare poroase. Stocarea subterană oferă o capacitate mare de stocare și poate reduce riscurile de securitate și infrastructură. Cu toate acestea, acest lucru necesită situri geologice adecvate și tehnici de stocare sigure și fiabile.

Hidrogenul are o gamă largă de aplicații potențiale în diverse sectoare datorită caracteristicilor sale unice, inclusiv versatilității sale, curățeniei atunci când este produs din surse regenerabile de energie și potențialului său de a reduce emisiile de gaze cu efect de seră. Unele dintre aplicațiile potențiale ale hidrogenului includ :

Mobilitate curată :
Vehiculele cu hidrogen, cum ar fi mașinile cu celule de combustibil, autobuzele, camioanele și trenurile, oferă o alternativă curată la vehiculele cu motor cu ardere internă. Acestea generează electricitate prin combinarea hidrogenului cu oxigenul din aer, generând doar apă și căldură ca produse secundare, reducând emisiile de poluanți atmosferici și gaze cu efect de seră.

Stocarea energiei :
Hidrogenul poate fi utilizat ca mijloc de stocare a energiei la scară largă, inclusiv pentru stocarea energiei produse din surse regenerabile intermitente, cum ar fi energia solară și eoliană. Excesul de energie electrică poate fi utilizat pentru a produce hidrogen prin electroliza apei și apoi stocat pentru utilizare ulterioară ca sursă de combustibil sau energie.

Producția industrială :
Hidrogenul este utilizat pe scară largă în industria chimică pentru producerea amoniacului, utilizat la fabricarea îngrășămintelor, precum și la producerea diferitelor substanțe chimice, inclusiv metanol, hidrogen clorurat și hidrocarburi. Poate fi folosit și ca agent reducător în producția de oțel și alte metale.

Producția de energie electrică :
Pile de combustie cu hidrogen pot fi utilizate pentru a genera energie electrică într-un mod curat și eficient, atât pentru aplicații staționare, cât și mobile. Acestea sunt utilizate în clădiri comerciale și rezidențiale ca sursă de rezervă de energie electrică sau ca sursă primară de energie. Acestea pot fi, de asemenea, utilizate pentru a furniza energie electrică rețelelor electrice în perioadele de vârf ale cererii.

CÎncălzire rezidențială și comercială :
Hidrogenul poate fi utilizat drept combustibil pentru încălzirea rezidențială și comercială, înlocuind gazul natural sau păcura. Cazanele pe bază de hidrogen sunt în curs de dezvoltare și ar putea oferi o alternativă cu emisii reduse de carbon pentru încălzirea clădirilor.

Aplicații spațiale :
În industria spațială, hidrogenul este folosit drept combustibil pentru propulsarea vehiculelor de lansare spațială, în special în treptele superioare ale rachetelor. Hidrogenul lichid este adesea folosit ca propulsor datorită densității sale ridicate de energie și arderii curate.