Водород — простейший химический элемент : его ядро состоит из одного протона, а атом имеет только один электрон. Молекула диводорода (H2) состоит из двух атомов водорода.
Водород обычно используется для обозначения диводорода.

При сгорании 1 кг водорода выделяется почти в 4 раза больше энергии, чем при сжигании 1 кг бензина, и образуется только вода :

2H2 + O2 -> 2H2O

Водород очень распространен на поверхности Земли, но не существует в чистом виде. Он всегда связан с другими химическими элементами, в молекулах, таких как вода и углеводороды. Живые организмы (животные или растения) также состоят из водорода.
Таким образом, биомасса является еще одним потенциальным источником водорода.

Извлечение водорода из этих первичных ресурсов, таких как углеводороды, биомасса и вода, требует затрат энергии.
Водород может быть практически неисчерпаемым при условии, что его можно будет производить в достаточных количествах по конкурентоспособной цене и из низкоуглеродной энергетики (ядерной и возобновляемой).
Водородные технологии — это совокупность технологий, изучаемых для получения водорода, его хранения и преобразования в энергетические цели.

В настоящее время существует несколько способов производства водорода, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки с точки зрения стоимости, энергоэффективности, воздействия на окружающую среду :

Электролиз воды :
Электролиз воды — это процесс, в котором используется электричество для расщепления воды (H2O) на водород (H2) и кислород (O2). Существует два основных типа электролиза : щелочной электролиз и электролиз с протонообменной мембраной (ПЭМ). Электролиз воды может питаться электричеством из возобновляемых источников, таких как солнечная энергия или энергия ветра, что делает его экологически чистым методом производства водорода.

Паровой риформинг метана :
Паровой риформинг метана — это химический процесс, в котором для производства водорода и углекислого газа (CO2) используется метан (CH4), обычно в форме природного газа. Этот процесс широко используется в химической промышленности для производства водорода. Однако он также выделяет CO2, что делает его менее экологичным методом производства водорода по сравнению с электролизом воды.

Газификация биомассы :
Газификация биомассы — это процесс, который превращает органическое вещество в синтез-газ, который затем может быть преобразован в водород. Этот метод использует сельскохозяйственные, лесные или городские отходы в качестве сырья, что дает возможность производить водород из возобновляемых и устойчивых источников.

Пиролиз воды :
Пиролиз воды — это термохимический процесс, в котором используется тепло для расщепления воды на водород и кислород. Хотя этот метод может быть эффективным с точки зрения энергоэффективности, он требует высоких температур и специфических условий, что может усложнить его реализацию.

Солнечный фотоэлектролиз :
Солнечный фотоэлектролиз — это метод производства водорода, при котором солнечные элементы используются для преобразования солнечного света в электричество, которое затем используется для питания процесса электролиза воды. Этот метод использует солнечную энергию в качестве возобновляемого источника электроэнергии, но он может быть ограничен эффективностью солнечных элементов и связанными с этим затратами.

Хранение водорода является активной областью исследований и разработок в связи с его потенциалом в качестве чистого и универсального энергоносителя. Вот некоторые из современных способов хранения водорода :

Сжатие газа :
Водород может храниться в газообразном виде, сжатом под высоким давлением, в армированных цилиндрических резервуарах. Резервуары для хранения под высоким давлением могут быть изготовлены из стали или композитных материалов, чтобы выдерживать высокое давление. Однако сжатие водорода при высоком давлении требует специальной инфраструктуры и может привести к потерям энергии.

Сжижение :
Водород можно охлаждать и сжижать до очень низких температур (ниже -253 градусов по Цельсию) для хранения с высокой плотностью энергии. Хранение в жидком виде уменьшает объем, занимаемый водородом, но требует дорогостоящего холодильного оборудования и значительных потерь энергии в процессе сжижения.

Адсорбция на твердых материалах :
Водород может адсорбироваться на твердых материалах с пористой структурой, таких как активированный уголь, цеолиты, пористые органические металлы (MOF) или органо-неорганические гибридные материалы. Эти материалы имеют большую удельную поверхность и могут адсорбировать водород при умеренном давлении и температуре окружающей среды. Однако адсорбция водорода может быть обратимой, но требует высокого давления для десорбции.

Хранение химикатов :
Водород может храниться в виде химических соединений, которые выделяют его при расщеплении. Например, водород может храниться в виде гидридов металлов или органических соединений, таких как органические гидриды. Высвобождение водорода может быть вызвано нагреванием, катализом или другими методами. Однако к системам хранения химикатов могут предъявляться особые требования с точки зрения температуры, давления и регенерации материала.

Подземные хранилища :
Водород может храниться под землей в подходящих геологических формациях, таких как соленые водоносные горизонты, естественные полости или пористые резервуары. Подземное хранилище обеспечивает большую емкость хранилища и может снизить риски безопасности и инфраструктуры. Однако для этого требуются подходящие геологические участки, а также безопасные и надежные методы хранения.

Водород имеет широкий спектр потенциальных применений в различных секторах благодаря своим уникальным характеристикам, включая универсальность, чистоту при производстве из возобновляемых источников энергии и потенциал для сокращения выбросов парниковых газов. Некоторые из потенциальных применений водорода включают :

Чистая мобильность :
Водородные транспортные средства, такие как автомобили на топливных элементах, автобусы, грузовики и поезда, представляют собой чистую альтернативу автомобилям с двигателями внутреннего сгорания. Они вырабатывают электроэнергию, соединяя водород с кислородом из воздуха, вырабатывая в качестве побочных продуктов только воду и тепло, сокращая выбросы загрязняющих воздух веществ и парниковых газов.

Аккумулирование энергии :
Водород может быть использован в качестве средства крупномасштабного хранения энергии, в том числе для хранения энергии, произведенной непостоянными возобновляемыми источниками, такими как солнечная энергия и энергия ветра. Избыток электроэнергии может быть использован для производства водорода путем электролиза воды, а затем сохранен для последующего использования в качестве топлива или источника энергии.

Промышленное производство :
Водород широко используется в химической промышленности для производства аммиака, используется при изготовлении удобрений, а также в производстве различных химических веществ, в том числе метанола, хлорированного водорода, углеводородов. Его также можно использовать в качестве восстановителя при производстве стали и других металлов.

Производство электроэнергии :
Водородные топливные элементы могут использоваться для выработки электроэнергии экологически чистым и эффективным способом как для стационарных, так и для мобильных применений. Они используются в коммерческих и жилых зданиях в качестве резервного источника электроэнергии или в качестве основного источника питания. Они также могут использоваться для подачи электроэнергии в электросети в периоды пикового спроса.

CОтопление жилых и коммерческих помещений :
Водород можно использовать в качестве топлива для отопления жилых и коммерческих помещений, заменяя природный газ или мазут. Водородные котлы находятся в стадии разработки и могут стать низкоуглеродной альтернативой для отопления зданий.

Космическое применение :
В космической отрасли водород используется в качестве топлива для приведения в движение космических ракет-носителей, особенно в верхних ступенях ракет. Жидкий водород часто используется в качестве топлива из-за его высокой плотности энергии и чистого сгорания.