改用氢燃料可能会延长甲烷问题

根据普林斯顿大学和国家海洋与大气协会的研究，氢气作为清洁燃料的潜力可能会受到低层大气中化学反应的限制。

这是因为氢气很容易在大气中与主要负责分解强效温室气体甲烷的同一分子发生反应。如果氢排放量超过某个阈值，这种共同反应可能会导致甲烷在大气中积聚——从而产生长达数十年的气候后果。

“从理论上讲，氢气是未来的燃料，”致力于碳减排计划的HighMeadows环境研究所博士后研究员MatteoBertagni说。“但在实践中，它带来了许多仍然需要解决的环境和技术问题。”

Bertagni是NatureCommunications上发表的一篇研究文章的第一作者，在该文章中，研究人员模拟了氢气排放对大气甲烷的影响。他们发现，超过某个阈值，即使在替代化石燃料的使用时，泄漏的氢经济也可能通过增加大气中的甲烷含量而造成近期环境危害。使用甲烷作为输入的氢生产方法的危害风险更加复杂，突出了管理和减少氢生产排放的迫切需要。

“关于使用氢的后果，我们有很多需要了解的地方，因此改用氢这种看似清洁的燃料并不会带来新的环境挑战，”ThomasJ.Wu'94土木与环境工程教授AmilcarePorporato说和HighMeadows环境研究所。Porporato是碳减排计划的首席研究员和领导团队成员，也是安德林格能源与环境中心的相关教员。

问题归结为一个小的、难以测量的分子，称为羟基自由基(OH)。OH通常被称为“对流层的洗涤剂”，在消除大气中的甲烷和臭氧等温室气体方面起着至关重要的作用。

羟基自由基还与大气中的氢气发生反应。而且由于每天产生的OH数量有限，因此氢排放量的任何峰值都意味着更多的OH将用于分解氢，留下更少的OH可用于分解甲烷。因此，甲烷会在大气中停留更长时间，从而扩大其变暖影响。

根据Bertagni的说法，随着政府对氢气生产的激励措施扩大，可能会出现氢气峰值的影响，这可能会对地球产生长达数十年的气候影响。

“如果你现在向大气中排放一些氢气，将导致未来几年甲烷的逐渐积累，”Bertagni说。“尽管氢气在大气中的寿命只有两年左右，但从现在起30年内，你仍然会从氢气中得到甲烷反馈。”

在这项研究中，研究人员确定了氢排放会导致大气甲烷增加的临界点，从而破坏氢作为清洁燃料的一些近期效益。通过确定该阈值，研究人员确定了管理氢排放的目标。

Porporato说：“我们必须积极主动地建立氢排放阈值，以便它们可以用于为未来氢基础设施的设计和实施提供信息。”

对于被称为绿氢的氢，它是通过使用可再生能源的电力将水分解成氢和氧而产生的，Bertagni说，氢排放的临界阈值约为9%。这意味着如果超过9%的绿色氢气泄漏到大气中——无论是在生产点、运输过程中的某个时候，还是价值链上的任何其他地方——大气中的甲烷将在未来几十年增加，抵消摆脱化石燃料带来的一些气候效益。

而对于蓝氢，即通过甲烷重整产生的氢气以及随后的碳捕获和储存，排放门槛更低。由于甲烷本身是甲烷重整过程的主要输入，因此蓝氢生产商除了考虑氢气泄漏外，还必须考虑直接甲烷泄漏。例如，研究人员发现，即使甲烷泄漏率低至0.5%，氢气泄漏率也必须保持在4.5%左右，以避免增加大气甲烷浓度。

“管理氢气和甲烷的泄漏率至关重要，”Bertagni说。“如果你只有少量甲烷泄漏和一点点氢泄漏，那么你生产的蓝色氢可能真的不会比使用化石燃料好多少，至少在未来20到30年是这样。”

研究人员强调了考虑氢气对大气甲烷影响的时间尺度的重要性。Bertagni说，从长远来看(例如，在一个世纪内)，即使甲烷和氢气泄漏水平高到足以导致近-术语变暖。他说，最终，大气中的气体浓度将达到新的平衡，向氢经济的转变将证明其对气候的好处。但在此之前，氢排放的潜在近期后果可能会导致无法弥补的环境和社会经济损失。

因此，如果机构希望实现本世纪中叶的气候目标，Bertagni警告说，随着氢基础设施开始推出，必须控制氢气和甲烷泄漏到大气中。由于氢是一种众所周知难以控制和测量的小分子，他解释说，管理排放可能需要研究人员开发更好的方法来跟踪整个价值链中的氢损失。

Bertagni说：“如果公司和政府认真对待投资开发氢作为一种资源的资金，他们必须确保他们正确有效地做这件事。”“最终，氢经济的建立方式必须不会抵消其他部门为减少碳排放所做的努力。”