Dok svet traži načine da zaustavi klimatske promene, mnoge diskusije se fokusiraju na korišćenje vodonika umesto fosilnih goriva, koja emituju gasove staklene bašte koji zagrevaju klimu (GHG) kada se sagore. Ideja je privlačna. Sagorevanjem vodonika se ne emituju gasovi sa efektom staklene bašte u atmosferu, a vodonik je veoma pogodan za različite namene, posebno kao zamena za prirodni gas u industrijskim procesima, proizvodnji električne energije i grejanju kuća.
Ali dok sagorevanje vodonika neće emitovati gasove staklene bašte, svaki vodonik koji iscuri iz cevovoda ili skladišta ili postrojenja za punjenje gorivom može indirektno da izazove klimatske promene utičući na druga jedinjenja koja su GHG, uključujući troposferski ozon i metan, pri čemu su uticaji metana dominantni. Mnogo citirana studija modeliranja iz 2022. koja analizira uticaje vodonika na hemijska jedinjenja u atmosferi zaključila je da bi ovi klimatski uticaji mogli biti značajni.
Sada je tim istraživača sa MIT-a detaljnije pogledao specifičnu hemiju koja predstavlja rizik korišćenja vodonika kao goriva ako iscuri.
Istraživači su razvili model koji prati mnogo više hemijskih reakcija na koje može uticati vodonik i uključuje interakcije između hemikalija. Njihovi rezultati, objavljeni u Frontiers in Energi Research, pokazali su da, iako uticaj curenja vodonika na klimu neće biti tako velik kao što je predviđala studija za 2022. godinu, i da će biti oko trećine uticaja bilo kog prirodnog gasa koji iziđe. danas — curenje vodonika će uticati na klimu. Stoga bi sprečavanje curenja trebalo da bude glavni prioritet dok se gradi vodonična infrastruktura, navode istraživači.
Globalni trodimenzionalni klimatsko-hemijski modeli koji koriste veliki broj hemijskih reakcija takođe su korišćeni za procenu potencijalnih klimatskih uticaja vodonika, ali rezultati variraju od modela do modela, što je motivisalo studiju MIT-a da analizira hemiju. Većina studija o klimatskim efektima korišćenja vodonika razmatra samo GHG koji se emituju tokom proizvodnje vodoničnog goriva. Različiti pristupi mogu napraviti „plavi vodonik“ ili „zeleni vodonik“, oznaku koja se odnosi na emitovane GHG.
Bez obzira na proces koji se koristi za proizvodnju vodonika, samo gorivo može ugroziti klimu. Za široku upotrebu, vodonik će morati da se transportuje, distribuira i skladišti – ukratko, biće mnogo mogućnosti za curenje.
Pitanje je šta se dešava sa tim iscurelim vodonikom kada dospe u atmosferu? Studija iz 2022. koja predviđa velike klimatske uticaje zbog curenja vodonika zasnovana je na reakcijama između parova samo četiri hemijska jedinjenja u atmosferi. Rezultati su pokazali da bi vodonik iscrpio hemijsku vrstu koju atmosferski hemičari nazivaju „deterdžent atmosfere“, objašnjava Candice Chen, dr. kandidat na MIT-ovom Odeljenju za Zemljine, atmosferske i planetarne nauke (EAPS).
„To ide unaokolo i uništava gasove staklene bašte, zagađivače, sve vrste loših stvari u atmosferi. Dakle, čisti naš vazduh“, dodaje ona.
Najbolje od svega je to što taj deterdžent – hidroksilni radikal, skraćeno OH – uklanja metan, koji je izuzetno moćan gas staklene bašte u atmosferi. OH tako igra važnu ulogu u usporavanju brzine porasta globalnih temperatura. Ali svaki vodonik koji bi iscurio u atmosferu smanjio bi količinu OH dostupnog za čišćenje metana, tako da bi se koncentracija metana povećala.
Otkrijte najnovije u nauci, tehnologiji i prostoru sa preko 100.000 pretplatnika koji se oslanjaju na Phis.org za dnevne uvide.
Prijavite se za naš besplatni bilten i dobijajte novosti o otkrićima,
inovacije i istraživanja koja su važna – dnevno ili nedeljno.
Međutim, hemijske reakcije među jedinjenjima u atmosferi su notorno komplikovane. Dok je studija iz 2022. koristila „model sa četiri jednačine“, Čen i njene kolege—Suzan Solomon, Li i Džeraldin Martin profesor za studije životne sredine i hemiju; i Kejn Stoun, naučnik u EAPS-u — razvili su model koji uključuje 66 hemijskih reakcija. Analize koje su koristile njihov model od 66 jednačina su pokazale da sistem sa četiri jednačine nije uhvatio kritičnu povratnu informaciju koja uključuje OH – povratnu vezu koja deluje da štiti proces uklanjanja metana.
Evo kako ta povratna informacija funkcioniše: kako vodonik smanjuje koncentraciju OH, čišćenje metana se usporava, pa se koncentracija metana povećava. Međutim, taj metan prolazi kroz hemijske reakcije koje mogu proizvesti nove OH radikale.
„Dakle, metan koji se proizvodi može da napravi više deterdženta OH“, kaže Čen. „Postoji mali efekat suprotstavljanja. Indirektno, metan pomaže u proizvodnji stvari koja ga se oslobađa.“
To je ključna razlika između njihovog modela sa 66 jednačina i modela sa četiri jednačine. „Jednostavan model koristi konstantnu vrednost za proizvodnju OH, tako da mu nedostaje ta ključna povratna informacija o proizvodnji OH“, kaže ona.
Da bi istražili važnost uključivanja tog povratnog efekta, istraživači MIT-a su izvršili sledeću analizu: Pretpostavili su da je jedan impuls vodonika ubrizgan u atmosferu i predvideli promenu koncentracije metana u narednih 100 godina, prvo koristeći model sa četiri jednačine. a zatim koristeći model sa 66 jednačina. Sa sistemom četiri jednačine, dodatna koncentracija metana dostigla je vrhunac na skoro 2 dela na milijardu (ppb); sa sistemom od 66 jednačina, dostigao je maksimum na nešto više od 1 ppb.
Pošto analiza četiri jednačine pretpostavlja samo da ubrizgani vodonik uništava OH, koncentracija metana se nekontrolisano povećava tokom prvih 10-ak godina. Nasuprot tome, analiza sa 66 jednačina ide korak dalje: koncentracija metana se povećava, ali kako se sistem ponovo ekvilibriše, više OH formira i uklanja metan.
Ne uzimajući u obzir tu povratnu informaciju, analiza sa četiri jednačine precenjuje vršno povećanje metana usled impulsa vodonika za oko 85%. Raširen tokom vremena, jednostavan model udvostručuje količinu metana koja se formira kao odgovor na impuls vodonika.
Čen upozorava da poenta njihovog rada nije predstavljati njihov rezultat kao „čvrstu procenu“ uticaja vodonika. Njihova analiza se zasniva na jednostavnom modelu „kutije“ koji predstavlja globalne prosečne uslove i pretpostavlja da su sve prisutne hemijske vrste dobro izmešane. Dakle, vrste mogu varirati tokom vremena – to jest, mogu se formirati i uništiti – ali sve prisutne vrste su uvek savršeno pomešane. Kao rezultat toga, model kutije ne uzima u obzir uticaj, recimo, vetra na distribuciju vrsta.
„Poenta koju pokušavamo da kažemo je da možete biti previše jednostavni“, kaže Čen. „Ako idete jednostavnije od onoga što predstavljamo, udaljićete se od pravog odgovora. Korisnost relativno jednostavnog modela kao što je naš je da su sva dugmad i poluge veoma jasne. To znači da možete istražiti sistema i videti šta utiče na vrednost interesa“.
Sagorevanje prirodnog gasa proizvodi manje emisije GHG nego sagorevanje uglja ili nafte; ali kao i kod vodonika, svaki prirodni gas koji curi iz bunara, cevovoda i postrojenja za preradu može imati uticaj na klimu, negirajući neke od uočenih prednosti korišćenja prirodnog gasa umesto drugih fosilnih goriva. Na kraju krajeva, prirodni gas se uglavnom sastoji od metana, veoma snažnog stakleničkog gasa u atmosferi koji se čisti deterdžentom OH. S obzirom na njegovu moć, čak i mala curenja metana mogu imati veliki uticaj na klimu.
Dakle, kada razmišljate o zameni goriva prirodnog gasa — u suštini metana — vodoničnim gorivom, važno je razmotriti kako se klimatski uticaji ova dva goriva upoređuju ako i kada iscure. Uobičajeni način da se uporede klimatski uticaji dve hemikalije je korišćenje mere koja se zove potencijal globalnog zagrevanja ili GVP.
GVP kombinuje dve mere: zračenje gasa – to jest, njegovu sposobnost hvatanja toplote – sa njegovim životnim vekom u atmosferi. Pošto se životni vek gasova veoma razlikuje, da bi se uporedili klimatski uticaji dva gasa, konvencija je da se GVP svakog od njih poveže sa GVP ugljen-dioksida.
Ali curenje vodonika i metana uzrokuje povećanje metana, a taj metan se raspada u skladu sa životnim vekom. Čen i njene kolege su stoga shvatile da bi nekonvencionalna procedura funkcionisala: mogli su direktno da uporede uticaje dva iscurela gasa. Ono što su otkrili je da je klimatski uticaj vodonika oko tri puta manji od metana (na osnovu mase). Dakle, prelazak sa prirodnog gasa na vodonik ne bi samo eliminisao emisije iz sagorevanja, već bi i potencijalno smanjio klimatske efekte, u zavisnosti od toga koliko curenja.
Ukratko, Čen ističe neke od onoga što smatra ključnim nalazima studije. Prvo na njenoj listi je sledeće: „Pokazujemo da zaista jednostavan sistem sa četiri jednačine nije ono što bi trebalo da se koristi za projektovanje atmosferskog odgovora na više curenja vodonika u budućnosti.“
Istraživači veruju da je njihov model od 66 jednačina dobar kompromis za broj hemijskih reakcija koje treba uključiti. On generiše procene za GVP metana „prilično u skladu sa donjim krajem brojeva koje većina drugih grupa dobija koristeći mnogo sofisticiranije modele klimatske hemije“, kaže Čen.
Takođe je dovoljno transparentan za korišćenje u istraživanju različitih opcija za zaštitu klime. Zaista, istraživači sa MIT-a planiraju da koriste svoj model za ispitivanje scenarija koji uključuju zamenu drugih fosilnih goriva vodonikom kako bi procenili klimatske koristi od promene u narednim decenijama.
Studija takođe pokazuje vredan novi način upoređivanja efekata staklene bašte dva gasa. Sve dok njihovi efekti postoje na sličnim vremenskim skalama, moguće je direktno poređenje — i poželjnije od poređenja svakog sa ugljen-dioksidom, koji je izuzetno dugovečan u atmosferi. U ovom radu, direktno poređenje generiše jednostavan pogled na relativne klimatske uticaje curenja vodonika i iscurelog metana – vredne informacije koje treba uzeti u obzir kada se razmatra prelazak sa prirodnog gasa na vodonik.
Konačno, istraživači nude praktične smernice za razvoj infrastrukture i korišćenje vodonika i prirodnog gasa. Njihove analize utvrđuju da samo vodonično gorivo ima „nezanemarljiv“ GVP, kao i prirodni gas, koji je uglavnom metan. Stoga će minimiziranje curenja oba goriva biti neophodno da bi se postigle neto nulte emisije ugljenika do 2050. godine, što je cilj koji su postavili i Evropska komisija i Stejt department SAD.
Njihov rad zaključuje: „Ako se koristi skoro bez curenja, vodonik je odlična opcija. U suprotnom, vodonik bi trebalo da bude samo privremeni korak u energetskoj tranziciji, ili se mora koristiti u tandemu sa koracima za uklanjanje ugljenika [na drugom mestu] da bi se suprotstavio njegovom efekti zagrevanja.“
