Nový klimatický model odhaluje \"nezanedbatelné\" dopady úniku vodíkového paliva

Svět hledá cesty, jak zastavit klimatické změny, a velká část diskuze se zaměřuje na využití vodíku místo fosilních paliv, která při spalování uvolňují skleníkové plyny (GHG). Myšlenka je lákavá. Spalování vodíku nevypouští GHG do atmosféry a vodík je vhodný pro různé použití, zejména jako náhrada zemního plynu v průmyslových procesech, energetice a vytápění domácností.

Ale zatímco spalování vodíku nevypouští GHG, jakýkoli vodík uniklý z potrubí, skladovacích zařízení nebo čerpacích stanic může nepřímo způsobovat klimatické změny ovlivněním jiných sloučenin, které jsou GHG, včetně troposférického ozonu a metanu, přičemž dominantní účinek má metan. Velice citovaná modelovací studie z roku 2022, která analyzovala vliv vodíku na chemické sloučeniny v atmosféře, dospěla k závěru, že tyto klimatické dopady by mohly být značné. S financováním z Centra pro budoucí energetické systémy MIT Energy Initiative se tým výzkumníků z MIT podrobněji zaměřil na specifickou chemii, která představuje rizika používání vodíku jako paliva v případě úniku.

Výzkumníci vyvinuli model, který sleduje mnohem více chemických reakcí, které mohou být ovlivněny vodíkem, a zahrnuje interakce mezi chemikáliemi. Jejich výsledky s otevřeným přístupem, publikované 28. října v časopise Frontiers in Energy Research, ukázaly, že zatímco dopad uniklého vodíku na klima by nebyl tak velký, jak předpovídala studie z roku 2022 - a že by to bylo asi třetina dopadu jakéhokoli zemního plynu, který dnes uniká - uniklý vodík bude mít vliv na klima. Prevence úniků by proto měla být nejvyšší prioritou při budování vodíkové infrastruktury, uvádějí výzkumníci.

Vliv vodíku na \"čisticí prostředek\" naší atmosféry

Globální trojrozměrné klimaticko-chemické modely využívající velké množství chemických reakcí byly také použity k vyhodnocení potenciálních klimatických dopadů vodíku, ale výsledky se od jednoho modelu k druhému liší, což vedlo studii MIT k analýze chemie. Většina studií o klimatických účincích používání vodíku zohledňuje pouze GHG, které se emitují během výroby vodíkového paliva. Různé přístupy mohou vyrábět \"modrý vodík\" nebo \"zelený vodík\", což je označení, které souvisí s emitovanými GHG. Bez ohledu na proces výroby vodíku samo palivo může ohrožovat klima. Pro široké použití bude muset být vodík přepravován, distribuován a skladován - zkrátka bude mnoho příležitostí k úniku.

Otázkou je, co se stane s tím uniklým vodíkem, když se dostane do atmosféry? Studie z roku 2022, která předpovídala velké klimatické dopady uniklého vodíku, byla založena na reakcích mezi dvojicemi pouhých čtyř chemických sloučenin v atmosféře. Výsledky ukázaly, že vodík by vyčerpal chemický druh, který atmosféričtí chemici nazývají \"čisticí prostředek atmosféry\", vysvětluje Candice Chen, doktorandka na katedře věd o Zemi, atmosféře a planetárních vědách (EAPS) MIT. \"Prochází a likviduje skleníkové plyny, znečišťující látky, všelijaké špatné věci v atmosféře. Takže čistí náš vzduch.\" Nejlepší ze všeho je, že tento čisticí prostředek - hydroxyl radikál, zkráceně OH - odstraňuje metan, který je extrémně silným GHG v atmosféře. OH tak hraje důležitou roli při zpomalovaní rychlosti, jakou globální teploty stoupají. Ale jakýkoli vodík uniklý do atmosféry by snížil množství OH dostupného k čištění metanu, takže by se koncentrace metanu zvýšila.

Chemické reakce mezi sloučeninami v atmosféře jsou však notoricky komplikované. Zatímco studie z roku 2022 použila \"čtyřrovnicový model\", Chen a její kolegové - Susan Solomon, profesorka environmentálních studií a chemie Lee a Geraldine Martin; a Kane Stone, vědecký pracovník v EAPS - vyvinuli model, který zahrnuje 66 chemických reakcí. Analýzy pomocí jejich 66-rovnicového modelu ukázaly, že čtyřrovnicový systém nezachytil kritickou zpětnou vazbu zahrnující OH - zpětnou vazbu, která chrání proces odstraňování metanu.

Takto tato zpětná vazba funguje: Jak vodík snižuje koncentraci OH, čištění metanu se zpomaluje, takže se koncentrace metanu zvyšuje. Nicméně tento metan podléhá chemickým reakcím, které mohou produkovat nové OH radikály. \"Takže metan, který se vyrábí, může vytvořit více čisticího prostředku OH,\" říká Chen. \"Existuje malý protikladný efekt. Nepřímo metan pomáhá produkovat věc, která se ho zbavuje.\" A, říká Chen, to je klíčový rozdíl mezi jejich 66-rovnicovým modelem a čtyřrovnicovým. \"Jednoduchý model používá konstantní hodnotu pro produkci OH, takže tuto klíčovou zpětnou vazbu produkce OH přehlíží,\" říká.

Aby prozkoumali důležitost zahrnutí tohoto efektu zpětné vazby, výzkumníci z MIT provedli následující analýzu: Předpokládali, že do atmosféry byl vstříknut jediný puls vodíku a předpověděli změnu koncentrace metanu v příštích 100 letech, nejprve pomocí čtyřrovnicového modelu a poté pomocí 66-rovnicového modelu. U čtyřrovnicového systému dosáhla dodatečná koncentrace metanu vrcholu téměř 2 částí na miliardu (ppb); u 66-rovnicového systému dosáhla vrcholu něco málo přes 1 ppb.

Protože čtyřrovnicová analýza předpokládá pouze to, že vstříknutý vodík ničí OH, koncentrace metanu se prvních 10 let nebo tak nezřetelně zvyšuje. Naproti tomu 66-rovnicová analýza jde o krok dále: koncentrace metanu se zvyšuje, ale jak se systém znovu vyrovnává, vytvoří se více OH a odstraňuje metan. Nezapočítáním této zpětné vazby čtyřrovnicová analýza přeceňuje vrcholové zvýšení metanu v důsledku vodíkového pulsu asi o 85 procent. V průběhu času jednoduchý model zdvojnásobuje množství metanu, které se vytvoří v reakci na vodíkový puls.

Chen varuje, že účelem jejich práce není prezentovat jejich výsledek jako \"pevnou odhad\" dopadu vodíku. Jejich analýza je založena na jednoduchém \"boxovém\" modelu, který představuje globální průměrné podmínky a předpokládá, že všechny přítomné chemické druhy jsou dobře promíchané. Druhy se tak mohou v čase měnit - to znamená, že se mohou tvořit a ničit - ale jakékoli přítomné druhy jsou vždy dokonale promíchané. Výsledkem je, že boxový model nezohledňuje vliv například větru na distribuci druhů. \"Bod, který se snažíme zdůraznit, je, že můžete jít příliš jednoduše,\" říká Chen. \"Pokud půjdete jednodušeji, než co reprezentujeme, dostanete se dále od správné odpovědi.\" Pokračuje: \"Užitečnost relativně jednoduchého modelu, jako je ten náš, je, že všechny knoflíky a páky jsou velmi jasné. To znamená, že můžete systém prozkoumat a zjistit, co ovlivňuje hodnotu zájmu.\"

Uniklý vodík versus uniklý zemní plyn: Porovnání klimatických dopadů

Spalování zemního plynu produkuje méně emisí GHG než spalování uhlí nebo ropy; ale stejně jako u vodíku může jakýkoli zemní plyn, který uniká z vrtů, potrubí a zpracovatelských zařízení, mít klimatické dopady, čímž se znehodnocují některé vnímané výhody používání zemního plynu namísto jiných fosilních paliv. Koneckonců, zemní plyn se skládá převážně z metanu, vysoce účinného GHG v atmosféře, který je čištěn detergentem OH. Vzhledem k jeho účinnosti mohou i malé úniky metanu mít velký klimatický dopad.

Takže když uvažujeme o nahrazení zemního plynu - v podstatě metanu - vodíkovým palivem, je důležité zvážit, jak se klimatické dopady obou paliv srovnávají, pokud a kdy uniknou. Obvyklý způsob, jak srovnávat klimatické dopady dvou chemikálií, je použití míry zvané globální oteplovací potenciál, neboli GWP. GWP kombinuje dvě míry: radiační vynucení plynu - tedy jeho schopnost zadržovat teplo - s jeho dobou života v atmosféře. Protože se doby života plynů značně liší, konvencí pro srovnání klimatických dopadů dvou plynů je vztažení GWP každého z nich k GWP oxidu uhličitého.

Ale únik vodíku a metanu způsobuje zvýšení metanu a tento metan se rozkládá podle své doby života. Chen a její kolegové si proto uvědomili, že by fungoval nekonvenční postup: mohli by přímo srovnávat dopady obou uniklých plynů. Zjistili, že klimatický dopad vodíku je asi třikrát menší než u metanu (na hmotnostní bázi). Přechod ze zemního plynu na vodík by proto nejen eliminoval emise ze spalování, ale potenciálně by také snížil klimatické účinky, v závislosti na tom, kolik uniká.

Klíčové poznatky

Shrnutí, Chen zdůrazňuje některé z toho, co považuje za klíčové poznatky studie. První na jejím seznamu je následující: \"Ukazujeme, že skutečně jednoduchý čtyřrovnicový systém by se neměl používat k projekci atmosférické reakce na větší úniky vodíku v budoucnu.\" Výzkumníci se domnívají, že jejich 66-rovnicový model je dobrý kompromis pro počet chemických reakcí, které je třeba zahrnout. Generuje odhady GWP metanu \"prakticky v souladu s dolním koncem čísel, která získávají většina ostatních skupin pomocí mnohem sofistikovanějších klimaticko-chemických modelů,\" říká Chen. A je dostatečně transparentní, aby se dal použít k prozkoumání různých možností ochrany klimatu. Výzkumníci z MIT plánují použít svůj model k prozkoumání scénářů, které zahrnují nahrazení dalších fosilních paliv vodíkem, aby odhadli klimatické výhody přechodu v nadcházejících desetiletích.

Studie také demonstruje cenný nový způsob srovnání skleníkových efektů dvou plynů. Pokud jejich účinky existují v podobném časovém měřítku, je možné - a výhodnější - přímé srovnání než srovnání každého z nich s oxidem uhličitým, který má v atmosféře extrémně dlouhou životnost. V této práci přímé srovnání vytváří jednoduchý pohled na relativní klimatické dopady uniklého vodíku a uniklého metanu - cenné informace, které je třeba vzít v úvahu při zvažování přechodu ze zemního plynu na vodík.

Nakonec výzkumníci nabízejí praktické pokyny pro rozvoj a využívání infrastruktury jak pro vodík, tak pro zemní plyn. Jejich analýzy určují, že vodíkové palivo samo o sobě má \"nezanedbatelný\" GWP, stejně jako zemní plyn, který je převážně metan. Minimalizace úniků obou paliv bude proto nezbytná k dosažení nulových uhlíkových emisí do roku 2050, cíle stanoveného jak Evropskou komisí, tak americkým ministerstvem zahraničních věcí. Jejich článek končí: \"Pokud se používá téměř bez úniků, vodík je vynikající volbou. Jinak by měl být vodík pouze dočasným krokem v energetické transformaci, nebo se musí používat společně s kroky k odstraňování uhlíku [jinde] k vyrovnání jeho oteplovacích účinků.\"