Согласно исследованиям Принстонского университета (Princeton University) и Национальной ассоциации океанических и атмосферных исследований (National Oceanic and Atmospheric Association), потенциал водорода в качестве экологически чистого топлива может быть ограничен химической реакцией, происходящей в нижних слоях атмосферы.
Дело в том, что в атмосфере молекула водорода легко вступает в реакцию с двухатомной молекулой, играющей главную роль в разложении метана — мощного парникового газа. Если выбросы водорода превысят определённый порог, эта реакция, по-видимому, приведёт к тому, что доля находящегося в атмосфере метана будет расти, определяя на десятилетия вперёд тенденции изменения климата.
«Теоретически водород — это топливо будущего, — говорит исследователь-постдок из Института окружающей среды Хай Мидоуз (High Meadows Environmental Institute) Маттео Бертаньи (Matteo Bertagni), работающий в рамках Инициативы по снижению выбросов углекислого газа (Carbon Mitigation Initiative). — Однако на практике возникает множество экологических и технологических проблем, которые до сих пор не решены».
Бертаньи — первый автор научной статьи, опубликованной в Nature Communications. В ней приводятся результаты моделирования влияния выбросов водорода на атмосферный метан. Как установили исследователи, при превышении определённого порога, даже если не использовать ископаемое топливо, утечка водорода в ходе его энергетического использования может нанести окружающей среде краткосрочный вред из-за увеличения в атмосфере количества метана. Когда, производя водород, используют как сырьё метан, риск причинения вреда возрастает, и это — один из фактов, говорящих о том, что регулировать и минимизировать выбросы при производстве водорода крайне необходимо.
«Нужно тщательно изучить последствия использования водорода, чтобы он, это, вроде бы, чистое топливо, не создал новых экологических проблем», — говорит Амилькаре Порпорато (Amilcare Porporato), профессор гражданского строительства и охраны окружающей среды Томаса Дж. Ву (Thomas J. Wu) и Института окружающей среды Хай Мидоуз. Порпорато является главным исследователем и членом руководства Инициативы по снижению выбросов углекислого газа, а также ассоциированным преподавателем в Центре энергетики и окружающей среды Андлингера (Andlinger Center for Energy and the Environment).
Проблема сводится к маленькой, трудно поддающейся контролю молекуле гидроксильного радикала (OH), которая образуется в атмосфере при взаимодействии водяного пара с кислородом. Имеющий репутацию «тропосферного моющего средства», OH играет решающую роль в удалении из атмосферы парниковых газов, таких как метан и озон.
Кроме того, гидроксильный радикал реагирует в атмосфере с газообразным водородом, и, поскольку ежедневно образуется ограниченное количество OH, любой всплеск выбросов водорода означает, что количество OH, идущее на разложение молекулярного водорода, возрастает, а идущее на разложение метана — уменьшается. Как следствие, доля в атмосфере метана становится больше, усиливая потепление.
По словам Бертаньи, последствия скачка потребления водорода, который может произойти по мере расширения государственного стимулирования производства водорода, способны на десятилетия вперёд определить характер изменения климата всей планеты.
«Если вы сейчас выбросите в атмосферу немного водорода, это приведёт к постепенному накоплению метана в последующие годы, — говорит Бертаньи. — Несмотря на то, что продолжительность пребывания в атмосфере молекулы водорода составляет всего около двух лет, нынешний водород будет оказывать влияние на количество в атмосфере метана и через 30 лет».
В ходе исследования учёные определили для выбросов водорода тот переломный момент, когда начинает расти доля атмосферного метана, сводя на нет некоторые краткосрочные плюсы водорода как экологически чистого топлива. Определив этот порог, учёные установили целевые показатели при управлении выбросами водорода.
«Установление пороговых значений выбросов водорода — назревшая необходимость: полученные нами результаты будут использованы при проектировании и внедрении будущей водородной инфраструктуры», — отмечает Порпорато.
Что касается так называемого «зелёного водорода», который производится путём расщепления молекулы воды на водород и кислород с использованием электроэнергии, получаемой из возобновляемых источников, то здесь, по словам Бертаньи, критический порог выбросов водорода — около 9%. Это означает, что если более 9% производимого «зелёного» водорода попадёт в атмосферу — при производстве, транспортировке и так далее, — количество атмосферного метана увеличится в течение следующих нескольких десятилетий, перечёркивая некоторые экологические плюсы ухода от ископаемого топлива.
А для «голубого водорода», то есть водорода, получаемого путём риформинга метана с последующим улавливанием и хранением углекислого газа, порог выбросов ещё ниже. Поскольку основным сырьём для риформинга метана является метан, производители голубого водорода должны учитывать в дополнение к утечке водорода непосредственную утечку метана. Например, как показали исследования, во избежание увеличения концентрации в атмосфере метана необходимо поддерживать утечку водорода на уровне около 4,5% даже при уровне утечки метана всего 0,5%.
«Управлять уровнями утечки водорода и метана будет критически важно, — отмечает Бертаньи. — По меньшей мере, в течение последующих 20—30 лет, несмотря на небольшую утечку метана и водорода, голубой водород не будет существенно лучше, чем ископаемое топливо».
Исследователи подчеркнули важность временного масштаба, в течение которого рассматривается влияние водорода на атмосферный метан. По словам Бертаньи, в долгосрочной перспективе (например, в течение столетия) переход на водородную экономику, скорее всего, окажется благотворным для климата, даже если уровни утечки метана и водорода будут такими, какие способны вызвать краткосрочное потепление. В конечном счёте, утверждает исследователь, концентрация атмосферных газов достигнет нового равновесия, и переход на водородную экономику продемонстрирует свои экологические плюсы.
Однако, прежде чем это произойдёт, возможные краткосрочные последствия выбросов водорода способны привести к непоправимому экологическому и социально-экономическому ущербу.
Таким образом, предостерегает Бертаньи, если институты власти и бизнеса надеются достичь тех параметров климата, которые установлены для середины века, то по мере развертывания водородной инфраструктуры утечку в атмосферу водорода и метана необходимо сдерживать. А поскольку молекулы водорода такие крошечные, что следить за ними чрезвычайно трудно, управление выбросами, вероятно, потребует от учёных разработать более совершенные методы мониторинга потерь водорода при его производстве и использовании.
«Если компании и правительства серьёзно относятся к развитию использования водорода как ресурса, они должны быть уверены, что инвестируют это дело правильно и эффективно, — говорит Бертаньи. — В конечном счёте, мы должны прийти к такой водородной экономике, которая не будет мешать другим секторам экономики сокращать выбросы углекислого газа».
