Водород (H2) активно рассматривается как перспективный альтернативный источник энергии, способный сыграть решающую роль в декарбонизации глобальной энергетической системы. Предполагается, что в будущем он будет питать промышленные предприятия, жилые дома, коммерческие объекты и инфраструктуру. Однако недавние исследования призывают к осторожному оптимизму, указывая на потенциальные риски, связанные с H2.
Ученые предупреждают, что водород взаимодействует с метаном, озоном и парами воды в атмосфере таким образом, что может способствовать потеплению климата. Эти косвенные эффекты потенциально способны свести на нет выгоды от перехода к водородной энергетике.
Прорывное исследование, проведенное под руководством ученого из Обернского университета и опубликованное в авторитетном научном журнале Nature, подчеркивает, что развитие «H2 экономики» требует глубокого научного понимания глобального цикла водорода. Это необходимо для создания безопасной для климата и устойчивой водородной экономики.
В отличие от парниковых газов, таких как углекислый газ и метан, сам по себе H2 не задерживает тепло в атмосфере Земли. Тем не менее, благодаря взаимодействию с другими газами, H2 косвенно нагревает атмосферу примерно в 11 раз быстрее, чем углекислый газ, в течение первых 100 лет после выброса, и приблизительно в 37 раз быстрее в течение первых 20 лет. Это косвенное потепление вызывает серьезную озабоченность относительно климатических последствий потенциальных утечек H2.
Зутао Оуян, ведущий автор исследования и доцент кафедры моделирования экосистем в Колледже лесного хозяйства, дикой природы и окружающей среды Обернского университета, отмечает, что «климатические выгоды будущей H2 экономики будут зависеть от минимизации утечек на всей цепочке создания стоимости H2 и сокращения выбросов природного газа (метана)».
Для оценки воздействия этих утечек Оуян сотрудничал с международным консорциумом ученых, известным как Глобальный углеродный проект (Global Carbon Project). Вместе они разработали первое всеобъемлющее описание глобальных источников и поглотителей H2 для оценки изменений атмосферного водорода и его климатических последствий. Исследование под названием «The Global H2 budget» было опубликовано Зутао Оуяном и профессором Стэнфордского университета Робом Джексоном, председателем Глобального углеродного проекта, в сотрудничестве с исследователями из примерно 30 международных учреждений из Франции, Австралии, Китая, Японии, Великобритании, Норвегии и Австрии.
Как рассказал Пеп Канаделл, исполнительный директор Глобального углеродного проекта и главный научный сотрудник CSIRO Environment (Австралия), команда собрала прямые измерения H2 в атмосфере, а также самые полные на сегодняшний день данные и модели для оценки основных источников и поглотителей H2, представив первую в своем роде глобальную картину. Затем они спрогнозировали будущие выбросы, поглощение и уровни H2 в атмосфере при различных сценариях Межправительственной группы экспертов по изменению климата (IPCC), используя упрощенную модель земной системы для оценки того, как эти изменения могут повлиять на климат.
Согласно оценкам исследователей, с момента начала роста производства водорода 30 лет назад концентрация H2 в атмосфере увеличилась примерно на 70% по сравнению с доиндустриальным периодом к 2003 году. Затем она ненадолго стабилизировалась, прежде чем снова начала расти примерно в 2010 году. Авторы исследования выяснили, что этот рост в значительной степени обусловлен утечками из-за увеличившегося производства H2, а также, что удивительно и менее известно, образованием H2 в результате окисления возрастающих выбросов метана от деятельности человека.
Выбросы метана (CH4) – особенно от добычи, распределения и использования ископаемого топлива – оказывают важное, но часто недооцениваемое влияние на атмосферный H2. Метан и H2 используют один и тот же путь «очистки» (окисления) в атмосфере. Поскольку само окисление метана производит H2, это создает обратную связь, которая может повышать концентрацию атмосферного H2 при увеличении выбросов метана, что еще больше усиливает конкуренцию за «атмосферный очиститель» метана.
Хотя общие климатические эффекты в настоящее время относительно невелики, эти сложные взаимодействия потенциально могут подорвать положительные эффекты H2. «Крупнейшим источником H2 в мире является окисление метана в нашей атмосфере, – объясняет Роб Джексон. – Но метан и H2 также конкурируют за атмосферные «моющие средства». Эта конкуренция продлевает жизненный цикл метана в присутствии H2, тем самым увеличивая косвенное потепление климата. Больше H2 означает больше метана, а больше метана означает больше H2».
Авторы исследования сходятся во мнении: если «H2 экономика» должна получить широкое распространение, необходимо сократить непреднамеренное потепление, вызванное взаимодействием между H2 и метаном. Это поможет укрепить доверие к H2 как к жизнеспособному пути декарбонизации. «Количественно оценив ранее неучтенную обратную связь потепления между H2 и метаном, отсутствующую в текущих климатических прогнозах, мы надеемся улучшить будущие климатические сценарии и помочь лицам, принимающим решения, минимизировать как экономические потери, так и климатические риски, связанные с утечками H2», – подчеркнул Зутао Оуян.
Полученные в ходе исследования количественные данные дают политикам, отраслям и исследователям необходимые инструменты для установления безопасных пороговых значений утечек H2 и метана, разработки эффективных нормативных актов и определения приоритетов экономически эффективных стратегий смягчения последствий. Джанаки Алавапалати, декан Колледжа лесного хозяйства, дикой природы и окружающей среды, отмечает, что «значение этого международного исследования невозможно переоценить». Она также добавила: «Всесторонняя оценка командой источников и поглотителей H2, а также связанных с ними воздействий на потепление, поможет гарантировать, что глобальное расширение H2 будет соответствовать безопасному для климата и устойчивому энергетическому переходу».
Исследование было профинансировано Фондом Гордона и Бетти Мур, Школой устойчивого развития Стэнфордского университета Доерра, Глобальным метановым офисом Стэнфорда и Колледжем лесного хозяйства, дикой природы и окружающей среды Обернского университета.
