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研究发现改用氢气燃料的过程中可能导致长期的气候後果

普林斯顿大学和美国国家海洋和大气协会的研究表明,低层大气中的一种化学反应可能会限制氢气作为一种清洁燃料的潜力。其原因是,氢气在大气中很容易与负责分解甲烷的同一分子发生反应,而甲烷是一种强效温室气体。如果氢气排放水平超过一个特定的阈值,这种共同反应很可能导致甲烷在大气中的积累,导致长期的气候後果。

“氢气理论上是未来的燃料,”在高草地环境研究所从事碳减排计划的博士後研究员Matteo Bertagni说。”但在实践中,它带来了许多仍需解决的环境和技术问题”。

Bertagni是《自然通讯》上发表的一篇研究文章的第一作者,研究人员在文章中模拟了氢气排放对大气中甲烷的影响。他们发现,超过一定的阈值,即使取代了化石燃料的使用,泄漏的氢气经济也可能通过增加大气中的甲烷数量而造成近期的环境危害。对於使用甲烷作为输入的氢气生产方法来说,危害的风险更加严重,突出了管理和尽量减少氢气生产排放的关键需要。

“我们有很多关於使用氢气的後果的知识,所以转向氢气这种看似清洁的燃料不会造成新的环境挑战,”托马斯-J-吴94年土木与环境工程和高草甸环境研究所教授Amilcare Porporato说。Porporato是碳减排计划的主要调查员和领导小组成员,也是Andlinger能源和环境中心的相关教师。

这个问题可以归结为一个难以测量的小分子,即羟基自由基(OH)。通常被称为”对流层的洗涤剂”,OH在消除大气中的温室气体(如甲烷和臭氧)方面起着关键作用。

羟基自由基还与大气中的氢气发生反应。由於每天产生的羟基数量有限,任何氢气排放的激增都意味着更多的羟基将被用於分解氢气,从而使可用於分解甲烷的羟基减少。因此,甲烷将在大气中停留更长时间,延长其变暖影响。

根据Bertagni的说法,随着政府对氢气生产的激励措施的扩大,可能出现的氢气高峰的影响可能对地球产生几十年的气候影响。

Bertagni说:”如果你现在向大气中排放一些氢气,它将导致甲烷在接下来的几年中逐步积累。即使氢气在大气中只有大约两年的寿命,你在30年後仍然会有来自氢气的甲烷反馈。”

在这项研究中,研究人员确定了一个临界点,在这个临界点上,氢气排放将导致大气中甲烷的增加,从而破坏了氢气作为清洁燃料的一些近期利益。通过确定这一临界点,研究人员确立了管理氢气排放的目标。

Porporato说:”当务之急是,我们要积极主动地建立氢气排放的阈值,以便它们可以被用来为未来氢气基础设施的设计和实施提供信息。”

对於被称为绿色氢气的氢气,即利用可再生资源的电力将水分裂成氢气和氧气而产生的氢气,贝尔塔尼说,氢气排放的临界值在9%左右。这意味着,如果所生产的绿色氢气有9%以上泄漏到大气中–无论是在生产点,还是在运输过程中的某个时候,或者在价值链的任何其他地方–大气中的甲烷将在未来几十年内增加,从而抵消掉从化石燃料转向的一些气候效益。

而对於蓝色氢气,指的是通过甲烷重整生产的氢气,随後进行碳捕获和储存,排放的门槛更低。因为甲烷本身是甲烷转化过程的主要输入物,蓝氢生产商除了考虑氢气泄漏外,还必须考虑甲烷的直接泄漏。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,以避免增加大气中的甲烷浓度。

Bertagni说:”管理氢气和甲烷的泄漏率将是关键。如果只有少量的甲烷泄漏和一点氢气泄漏,那麽你生产的蓝色氢气真的可能不会比使用化石燃料好多少,至少在未来20到30年内是这样。”

研究人员强调了考虑氢气对大气中甲烷影响的时间尺度的重要性。Bertagni说,从长期来看(例如在一个世纪的过程中),即使甲烷和氢气泄漏水平高到足以导致近期变暖,转向氢气经济仍可能给气候带来净效益。他说,最终,大气中的气体浓度将达到一个新的平衡,转向氢能经济将显示其气候效益。但在这之前,氢气排放的潜在近期後果可能会导致不可弥补的环境和社会经济损害。

因此,如果各机构希望达到本世纪中期的气候目标,Bertagni警告说,随着氢气基础设施的开始推广,必须控制氢气和甲烷向大气的泄漏。而且,由於氢气是一种小分子,众所周知难以控制和测量,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的氢气损失。

Bertagni说:”如果公司和政府认真地投入资金开发氢气这一资源,他们必须确保他们的做法是正确和有效的。最终,氢经济必须以一种不会抵消其他部门减少碳排放的努力的方式来建立。”

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