L’idrogeno è attualmente considerato il miglior candidato come vettore energetico del prossimo futuro. In effetti, l’idrogeno è un gas che brucia all’aria secondo la semplice reazione:

H₂ + 1/2 O₂ -> H₂O + calore

Poiché l’unico prodotto di reazione è costituito da acqua pura, l'unico prodotto inquinante è rappresentato dagli ossidi d’azoto che si formano a causa della temperatura di combustione in misura in ogni modo minore rispetto ai combustibili fossili. Non vi sono idrocarburi incombusti, anidride solforica (come con il gasolio) né anidride carbonica. La combustione avviene con fiamma non luminosa, con temperatura della fiamma a rapporto stechiometrico più alta che nel metano (2400 K contro 2190 K). In rapporto al metano, con l'idrogeno occorrono quantità volumetriche triple per ottenere lo stesso potere calorifico, ma la velocità di flusso è tre volte più alta, per cui è necessario apportare modifiche ai bruciatori a fiamma aperta. L'energia da fornire per ottenere l'accensione dell'idrogeno in aria è inoltre notevolmente inferiore al metano.
Oltre che per la produzione di fiamma e quindi d’energia da combustione vera e propria, l’idrogeno è l'elemento ideale per la cella a combustibile. Inventate nel lontano 1839, essa è tornata oggetto di ricerca grazie al settore spaziale, che le ha rivalutate negli anni sessanta dopo un secolo di dimenticanza.Una cella a combustibile è un dispositivo elettrochimico che converte direttamente l’energia dell’idrogeno in elettricità e calore, senza passare attraverso cicli termici e quindi senza risentire delle limitazioni imposte a questi ultimi dalla termodinamica. In figura 1.1 è mostrato schematicamente il funzionamento di una cella a combustibile. Essa funziona in sostanza in modo analogo ad una batteria, in quanto produce energia elettrica attraverso un processo elettrochimico; a differenza di una batteria, tuttavia, la cella a combustibile consuma sostanze provenienti dall’esterno ed è quindi in grado di funzionare senza interruzioni, finché al sistema viene fornito combustibile ed ossigeno.

Figura 1.1: Schema di funzionamento di una cella a combustibile

L’idrogeno può essere prodotto sia dai combustibili fossili, sia da fonti energetiche rinnovabili, sia dal nucleare. Per quanto riguarda la produzione d’idrogeno da fonti rinnovabili, cioè il modo più pulito e per questo ben più interessante, i processi sono essenzialmente due, la produzione da biomasse o dall’acqua.
Nella produzione di idrogeno a partire da biomasse nessuno dei processi finora proposti ha ancora raggiunto un’efficienza tale da poter essere utilizzato industrialmente, anche se le promesse sono comunque buone.
La produzione a partire dall’acqua si può fare attraverso la scissione della stessa nei suoi componenti (idrogeno e ossigeno) attraverso diversi processi, tra i quali quello più efficiente è l’elettrolisi. Schematicamente, il processo elettrolitico è rappresentato dalla reazione:

H₂O + elettricità ->H₂ + 1/2 O₂ (1.2)

Si tratta della reazione inversa a quella che avviene nelle celle a combustibile. Pertanto, l’intero processo di produzione e consumo è ambientalmente sostenibile purché sia disponibile una corrispondente quantità di energia elettrica pulita in grado di alimentare il processo di elettrolisi. È immediato pensare al sole come sorgente di questa energia, sfruttabile attraverso l’utilizzo di impianti di conversione fotovoltaica, la cui tecnologia già oggi può essere considerata tecnicamente affidabile e adeguata, anche se non ancora economicamente competitiva.
Il problema attualmente è il costo. Con l’elettrolisi dell’acqua, com’è stato già accennato in precedenza, è vero che si può ottenere idrogeno praticamente puro, ma solo a un prezzo che può diventare economicamente accettabile in una prospettiva ancora lontana, allorquando le innovazioni tecnologiche potranno consentire un costo estremamente basso dell’energia elettrica, prodotta da fonti rinnovabili o dal nucleare. Pertanto tale scelta non appare, allo stato attuale delle conoscenze, economicamente ed energeticamente perseguibile, se non per applicazioni particolari (ad esempio nelle aree remote).
La dissociazione dell’acqua può essere effettuata anche facendo uso di processi termochimici che utilizzano calore ad alta temperatura (800-1000 °C) ottenuto da fonti diverse (prima fra tutte, l’energia solare termica). Altri processi, ancora allo stato di laboratorio, sono la fotoconversione che scinde l’acqua usando organismi biologici o materiali sintetici, e i processi fotoelettrochimici, che usano per lo stesso scopo una corrente elettrica generata da semiconduttori.
In figura 1.2 è mostrato un possibile sistema nel quale l’idrogeno viene prodotto attraverso fonti di energia più o meno rinnovabili immagazzinando così l’energia; un adeguato sistema di trasporto consente successivamente il facile approvvigionamento dell’idrogeno e quindi dell’energia.
Si può dire, quindi, che l’idrogeno rappresenta in prospettiva un elemento ideale di un futuro sistema energetico sostenibile, costituendo un incentivo verso l’impiego diffuso delle fonti rinnovabili. Nel breve-medio termine, l’idrogeno potrebbe essere impiegato in tecnologie di transizione tali da rendere i combustibili fossili compatibili con le esigenze ambientali. Questa possibilità verrà discussa nel paragrafo successivo.Lo sviluppo come vettore energetico richiede però la predisposizione anche di una vasta gamma d’infrastrutture integrate, se non altro per renderne l’impiego economico e affidabile in tutte le varie fasi della catena tecnologica (produzione, confinamento dell’anidride carbonica generata nel processo, trasporto, accumulo, usi finali). Nell’applicazione mobile occorre sviluppare non solo celle a combustibile più adatte, ma anche serbatoi per equipaggiare i veicoli, sistemi di trasporto e reti di distribuzione paragonabili a quelle dei carburanti tradizionali.

Figura 1.2: Possibile sistema di produzione e smistamento dell'energia basato sull'idrogeno.