Водород вместо ископаемого топлива: спасение или угроза для климата?

Пока мир ищет способы остановить изменение климата, многие обсуждают использование водорода вместо ископаемого топлива, которое при сжигании выделяет парниковые газы, разогревающие климат.

Идея привлекательна. Сжигание водорода не приводит к выбросу парниковых газов в атмосферу, и водород хорошо подходит для различных целей, в частности, для замены природного газа в промышленных процессах, производстве электроэнергии и домашнем отоплении.

Но хотя сжигание водорода не приводит к выбросам парниковых газов, утечка водорода из трубопроводов, хранилищ или заправочных станций может косвенно вызвать изменение климата, воздействуя на другие соединения, являющиеся парниковыми газами, включая тропосферный озон и метан, причем воздействие метана является доминирующим. В широко цитируемом модельном исследовании 2022 года, посвященном анализу влияния водорода на химические соединения в атмосфере, был сделан вывод, что это влияние на климат может быть значительным.

Теперь группа исследователей из Массачусетского технологического института более детально рассмотрела химические соединения, которые представляют опасность при использовании водорода в качестве топлива в случае его утечки.

Исследователи разработали модель, которая отслеживает гораздо больше химических реакций, на которые может повлиять водород, и учитывает взаимодействие между химическими веществами. Результаты исследования, опубликованные в журнале Frontiers in Energy Research, показали, что хотя влияние утечки водорода на климат будет не таким большим, как предсказывало исследование 2022 года, и составит примерно треть от воздействия любого природного газа, который утекает сегодня, утечка водорода будет влиять на климат. Поэтому предотвращение утечек должно стать главным приоритетом при создании водородной инфраструктуры, утверждают исследователи.

Влияние водорода на «моющее средство», очищающее нашу атмосферу

Глобальные трехмерные климато-химические модели, использующие большое количество химических реакций, также использовались для оценки потенциального воздействия водорода на климат, но результаты варьируются от одной модели к другой, что побудило исследователей из Массачусетского технологического института проанализировать химический состав. В большинстве исследований климатических последствий использования водорода рассматриваются только те парниковые газы, которые выделяются при производстве водородного топлива. Различные подходы позволяют получать «голубой водород» или „зеленый водород“, что связано с количеством выделяемых парниковых газов.

Независимо от того, какой процесс используется для производства водорода, само топливо может угрожать климату. Для широкого использования водорода его необходимо транспортировать, распределять и хранить — словом, существует множество возможностей для утечки.

Вопрос в том, что произойдет с утечкой водорода, когда он попадет в атмосферу? Исследование 2022 года, предсказывающее значительное воздействие утечки водорода на климат, было основано на реакциях между парами всего четырех химических соединений в атмосфере. Результаты показали, что водород разрушает химический вид, который атмосферные химики называют «моющим средством для атмосферы», — объясняет Кэндис Чен, кандидат наук на факультете наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института (EAPS).

Он уничтожает парниковые газы, загрязняющие вещества, всевозможные вредные вещества в атмосфере. Таким образом, он очищает наш воздух, — добавляет она.

Самое главное, что это моющее средство — гидроксильный радикал, сокращенно OH, — удаляет метан, который является чрезвычайно мощным парниковым газом в атмосфере. Таким образом, OH играет важную роль в замедлении темпов роста глобальной температуры. Но любая утечка водорода в атмосферу уменьшит количество OH, доступного для очистки метана, поэтому концентрация метана возрастет.

Однако химические реакции между соединениями в атмосфере, как известно, сложны. В то время как в исследовании 2022 года использовалась «модель из четырех уравнений», Чен и ее коллеги — Сьюзан Соломон, профессор экологии и химии Ли и Джеральдин Мартин, и Кейн Стоун, научный сотрудник EAPS, — разработали модель, включающую 66 химических реакций. Анализ модели, состоящей из 66 уравнений, показал, что система из четырех уравнений не отражает критически важную обратную связь с участием OH — обратную связь, которая защищает процесс удаления метана.

Вот как работает эта обратная связь: По мере того как водород уменьшает концентрацию OH, очистка метана замедляется, поэтому концентрация метана увеличивается. Однако этот метан вступает в химические реакции, в результате которых могут образовываться новые радикалы OH.

Образующийся метан может произвести еще больше радикалов OH, — говорит Чен.

Есть и небольшой обратный эффект. Косвенно метан помогает производить то, что от него избавляется.

Это ключевое отличие их модели с 66 уравнениями от модели с четырьмя уравнениями.

В простой модели используется постоянное значение для производства OH, поэтому в ней отсутствует эта ключевая обратная связь между производством OH и его выделением, — говорит она.

Чтобы выяснить, насколько важно учитывать этот эффект обратной связи, исследователи из Массачусетского технологического института провели следующий анализ: Они предположили, что в атмосферу был закачан один импульс водорода, и предсказали изменение концентрации метана в течение следующих 100 лет, сначала с помощью модели с четырьмя уравнениями, а затем с помощью модели с 66 уравнениями. При использовании системы из четырех уравнений дополнительная концентрация метана достигла пика почти в 2 части на миллиард (ppb); при использовании системы из 66 уравнений она достигла пика чуть более чем в 1 ppb.

Поскольку в анализе по четырем уравнениям предполагается, что закачиваемый водород разрушает OH, концентрация метана не увеличивается в течение первых 10 лет или около того. В отличие от этого, анализ по 66 уравнениям идет на шаг дальше: концентрация метана действительно растет, но по мере того, как система восстанавливает равновесие, образуется больше OH и удаляет метан.

Не учитывая эту обратную связь, анализ с помощью четырех уравнений переоценивает пиковое увеличение метана из-за водородного импульса примерно на 85%. Распространяясь во времени, простая модель удваивает количество метана, образующегося в ответ на водородный импульс.

Чен предупреждает, что смысл их работы не в том, чтобы представить свой результат как «твердую оценку» воздействия водорода. Их анализ основан на простой „коробочной“ модели, которая представляет средние глобальные условия и предполагает, что все присутствующие химические виды хорошо перемешаны. Виды могут меняться с течением времени — то есть образовываться и разрушаться, — но все присутствующие виды всегда идеально перемешаны. В результате коробочная модель не учитывает влияние, скажем, ветра на распределение видов.

Мы пытаемся донести до всех мысль о том, что можно действовать слишком просто, — говорит Чен.

Если модель проще, чем мы представляем, то мы все дальше от правильного ответа. Полезность такой относительно простой модели, как наша, заключается в том, что все ручки и рычаги очень понятны. Это означает, что вы можете исследовать систему и посмотреть, что влияет на интересующую вас величину.

Утечка водорода по сравнению с утечкой природного газа: Климатическое сравнение

Сжигание природного газа приводит к меньшим выбросам парниковых газов, чем сжигание угля или нефти; но, как и в случае с водородом, утечка природного газа из скважин, трубопроводов и перерабатывающих предприятий может оказать воздействие на климат, сводя на нет некоторые из предполагаемых преимуществ использования природного газа вместо других видов ископаемого топлива. В конце концов, природный газ состоит в основном из метана — очень мощного парникового газа в атмосфере, который очищается моющим средством OH. Учитывая его мощь, даже небольшие утечки метана могут оказать значительное влияние на климат.

Поэтому, размышляя о замене природного газа — по сути, метана — водородным топливом, важно рассмотреть, как сопоставимо воздействие этих двух видов топлива на климат в случае их утечки. Обычно для сравнения воздействия двух химических веществ на климат используется показатель, называемый потенциалом глобального потепления, или ПГП.

ПГП объединяет два показателя: радиационное воздействие газа, то есть его способность улавливать тепло, и время его жизни в атмосфере. Поскольку время жизни газов сильно различается, для сравнения воздействия на климат двух газов принято соотносить ПГП каждого из них с ПГП углекислого газа.

Но утечка водорода и метана приводит к увеличению количества метана, а метан распадается в соответствии со своим временем жизни. Поэтому Чен и ее коллеги решили, что сработает нетрадиционная процедура: они могут сравнить воздействие двух утечек газов напрямую. Они обнаружили, что воздействие водорода на климат примерно в три раза меньше, чем воздействие метана (в пересчете на массу). Таким образом, переход с природного газа на водород не только устранит выбросы при сгорании, но и потенциально снизит воздействие на климат, в зависимости от количества утечек.

Основные выводы

Подводя итоги, Чен выделяет некоторые из ключевых, по ее мнению, выводов исследования. Первым в ее списке стоит следующее: «Мы показываем, что действительно простая система из четырех уравнений — это не то, что следует использовать для прогнозирования реакции атмосферы на большее количество утечек водорода в будущем».

Исследователи считают, что их модель с 66 уравнениями является хорошим компромиссом в отношении количества химических реакций, которые необходимо включить. Она позволяет получить оценки ПГП метана «практически в соответствии с нижней границей цифр, которые большинство других групп получают, используя гораздо более сложные модели климатической химии», — говорит Чен.

Он также достаточно прозрачен, чтобы использовать его при изучении различных вариантов защиты климата». Так, исследователи Массачусетского технологического института планируют использовать свою модель для изучения сценариев, предусматривающих замену других видов ископаемого топлива водородом, чтобы оценить климатические преимущества такого перехода в ближайшие десятилетия.

Исследование также демонстрирует новый ценный способ сравнения парниковых эффектов двух газов. Если их эффекты проявляются в одинаковых временных масштабах, то прямое сравнение возможно — и предпочтительнее, чем сравнение каждого из них с углекислым газом, который чрезвычайно долго живет в атмосфере. В данной работе прямое сравнение позволяет просто взглянуть на относительное воздействие на климат утечки водорода и утечки метана — ценная информация, которую следует учитывать при рассмотрении вопроса о переходе с природного газа на водород.

Наконец, исследователи предлагают практические рекомендации по развитию и использованию инфраструктуры как для водорода, так и для природного газа. В результате проведенного анализа было установлено, что водородное топливо само по себе имеет «незначительный» ПГП, как и природный газ, который в основном состоит из метана. Поэтому минимизация утечек обоих видов топлива будет необходима для достижения нулевых выбросов углерода к 2050 году — цели, поставленной как Европейской комиссией, так и Государственным департаментом США.

В своей работе авторы делают вывод:

Если водород используется практически без утечек, он является отличным вариантом. В противном случае водород должен быть лишь временным шагом в энергетическом переходе, или же он должен использоваться в тандеме с шагами по удалению углерода [в других местах], чтобы противостоять его эффекту потепления.

Ранее ученые выяснили, что водород может быть сверхпроводником.

17.12.2024