Водень є найпростішим хімічним елементом : його ядро складається з одного протона, а атом має лише один електрон. Молекула дигідрогену (Н2) складається з двох атомів водню.
Водень зазвичай використовується для позначення дигідрогену.

При спалюванні 1 кг водню виділяється майже в 4 рази більше енергії, ніж при 1 кг бензину, і утворюється тільки вода :

2Н2 + О2 -> 2Н2О

Водню дуже багато на поверхні Землі, але в чистому вигляді він не існує. Він завжди пов'язаний з іншими хімічними елементами, в таких молекулах, як вода і вуглеводні. Живі організми (тваринні або рослинні) також складаються з водню.
Таким чином, біомаса є ще одним потенційним джерелом водню.

Видобуток водню з цих первинних ресурсів, таких як вуглеводні, біомаса та вода, вимагає витрат енергії.
Водень може бути практично невичерпним, за умови, що його можна виробляти в достатній кількості за конкурентною вартістю та з низьковуглецевої енергії (ядерної та відновлюваної енергії).
Водневі технології - це сукупність технологій, що вивчаються для отримання водню, його зберігання та перетворення для енергетичних цілей.

Існує кілька сучасних способів отримання водню, кожен з яких має свої переваги та недоліки з точки зору вартості, енергоефективності, впливу на навколишнє середовище :

Електроліз води :
Електроліз води – це процес, який використовує електрику для розщеплення води (H2O) на водень (H2) і кисень (O2). Існує два основних типи електролізу : лужний електроліз і електроліз протонообмінної мембрани (ПЕМ). Електроліз води може працювати за допомогою електроенергії з відновлюваних джерел, таких як сонячна або вітрова енергія, що робить його екологічно чистим методом виробництва водню.

Паровий риформінг метану :
Паровий риформінг метану — це хімічний процес, який використовує метан (CH4), як правило, у формі природного газу, для виробництва водню та вуглекислого газу (CO2). Цей процес широко використовується в хімічній промисловості для отримання водню. Однак він також виділяє CO2, що робить його менш екологічним способом виробництва водню порівняно з електролізом води.

Газифікація біомаси :
Газифікація біомаси – це процес, який перетворює органічну речовину на синтез-газ, який потім може бути перетворений на водень. Цей метод використовує сільськогосподарські, лісові або міські відходи як сировину, таким чином пропонуючи можливість виробництва водню з відновлюваних і стійких джерел.

Піроліз води :
Піроліз води - це термохімічний процес, який використовує тепло для розщеплення води на водень і кисень. Хоча цей метод може бути ефективним з точки зору енергоефективності, він вимагає високих температур і специфічних умов, що може ускладнити його реалізацію.

Сонячний фотоелектроліз :
Сонячний фотоелектроліз — це метод виробництва водню, який використовує сонячні елементи для перетворення сонячного світла в електрику, яка потім використовується для живлення процесу електролізу води. Цей метод використовує сонячну енергію як відновлюване джерело електроенергії, але він може бути обмежений ефективністю сонячних елементів і пов'язаними з цим витратами.

Зберігання водню є активною сферою досліджень і розробок завдяки своєму потенціалу як чистого та універсального енергоносія. Ось деякі з сучасних способів зберігання водню :

Стиснення газу :
Водень може зберігатися в газоподібному вигляді, стисненому під високим тиском, в армованих циліндричних резервуарах. Резервуари для зберігання високого тиску можуть бути виготовлені зі сталі або композитних матеріалів, щоб витримувати високий тиск. Однак стиснення водню при високому тиску вимагає специфічної інфраструктури і може призвести до втрат енергії.

Зрідження :
Водень можна охолоджувати та зріджувати до дуже низьких температур (нижче -253 градусів за Цельсієм) для зберігання високої щільності енергії. Зберігання в рідкому вигляді зменшує об'єм, займаний воднем, але вимагає дорогого холодильного обладнання і значних втрат енергії в процесі зрідження.

Адсорбція на твердих матеріалах :
Водень може адсорбуватися на твердих матеріалах з пористою структурою, таких як активоване вугілля, цеоліти, пористі органічні метали (MOF) або органічно-неорганічні гібридні матеріали. Ці матеріали мають велику питому площу поверхні і можуть адсорбувати водень при помірному тиску і температурі навколишнього середовища. Однак адсорбція водню може бути оборотною, але вимагає високого тиску для десорбції.

Зберігання хімікатів :
Водень може зберігатися у вигляді хімічних сполук, які виділяють його при розщепленні. Наприклад, водень може зберігатися у вигляді гідридів металів або органічних сполук, таких як органічні гідриди. Викид водню може бути спровокований нагріванням, каталізом або іншими методами. Однак системи зберігання хімічних речовин можуть мати особливі вимоги щодо температури, тиску та регенерації матеріалу.

Підземне зберігання :
Водень може зберігатися під землею у відповідних геологічних формаціях, таких як солоні водоносні горизонти, природні порожнини або пористі резервуари. Підземні сховища мають велику місткість і можуть знизити ризики для безпеки та інфраструктури. Однак для цього потрібні відповідні геологічні ділянки та безпечні та надійні методи зберігання.

Водень має широкий спектр потенційних застосувань у різних секторах завдяки своїм унікальним характеристикам, включаючи універсальність, чистоту при виробництві з відновлюваних джерел енергії та потенціал для скорочення викидів парникових газів. Деякі з потенційних застосувань водню включають :

Чиста мобільність :
Водневі транспортні засоби, такі як автомобілі на паливних елементах, автобуси, вантажівки та поїзди, пропонують чисту альтернативу транспортним засобам з двигунами внутрішнього згоряння. Вони виробляють електроенергію, поєднуючи водень з киснем повітря, виробляючи лише воду та тепло як побічні продукти, зменшуючи викиди забруднювачів повітря та парникових газів.

Накопичувач енергії :
Водень може використовуватися як засіб великомасштабного зберігання енергії, в тому числі для зберігання енергії, виробленої переривчастими відновлюваними джерелами, такими як сонячна та вітрова енергія. Надлишок електроенергії можна використовувати для виробництва водню шляхом електролізу води, а потім зберігати для подальшого використання як паливо або джерело енергії.

Промислове виробництво :
Водень широко використовується в хімічній промисловості для виробництва аміаку, використовується при виготовленні добрив, а також у виробництві різних хімічних речовин, включаючи метанол, хлорований водень, вуглеводень. Також його можна використовувати як відновник при виробництві сталі та інших металів.

Виробництво електроенергії :
Водневі паливні елементи можна використовувати для виробництва електроенергії чистим та ефективним способом, як для стаціонарних, так і для мобільних застосувань. Вони використовуються в комерційних і житлових будівлях як резервне джерело електроенергії або як основне джерело живлення. Вони також можуть використовуватися для постачання електроенергії в електромережі в періоди пікового попиту.

CОпалення житлових та комерційних приміщень :
Водень можна використовувати як паливо для опалення житлових і комерційних приміщень, замінюючи природний газ або мазут. Водневі котли розробляються і можуть запропонувати низьковуглецеву альтернативу для опалення будівель.

Космічне застосування :
У космічній галузі водень використовується як паливо для приведення в рух космічних ракет-носіїв, особливо у верхніх ступенях ракет. Рідкий водень часто використовується як паливо через його високу щільність енергії та чисте згоряння.