Мир, отчаянно нуждающийся в безвредном для климата топливе, возлагает надежды на водород, рассматривая его как способ обеспечить электроэнергией фабрики, здания, корабли и самолеты, не выбрасывая в небо углекислый газ.
Но теперь ученые предупреждают, что при некоторых способах производства, распределения и использования, водород может усугубить потепление в течение нескольких десятилетий. Они говорят, что любая экономика, основанная на водороде, должна с самого начала быть спроектирована так, чтобы свести утечки газа к минимуму, иначе она рискует усугубить ту самую проблему, которую должна решать. Некоторые идеи, испытываемые сейчас, как транспортировка водорода по трубопроводам для природного газа или его сжигание в отдельных домах, могут привести к неприемлемому уровню утечек.
«Проблема намного сильнее, чем люди думают», — сказала Илисса Око, климатолог из некоммерческой организации «Фонд защиты окружающей среды». «Сейчас мы ставим вопрос на всеобщее обсуждение не чтобы сказать «нет» водороду, а чтобы подумать о том, как мы его используем».
Водород не задерживает тепло напрямую, как это делает CO₂. Вместо этого при утечке он запускает серию химических реакций, которые нагревают воздух, действуя как косвенный парниковый газ. И хотя он уходит из атмосферы намного быстрее, чем двуокись углерода, держащаяся веками, в краткосрочной перспективе он может нанести больше вреда. Согласно недавнему отчету правительства Великобритании, за 20 лет потенциал потепления от водорода в 33 раза превышает его от углекислого газа.
Согревающий потенциал водорода никогда раньше не представлял проблемы, поскольку его использование в основном ограничивалось нефтеперерабатывающими и химическими заводами или заводами по производству удобрений. Но теперь правительства всего мира инвестируют миллиарды в создание водородной экономики, рассматривая газ как один из вариантов декарбонизации многих отраслей, которые не могут легко работать на электричестве. Президент Джо Байден выделил 8 млрд долларов на строительство как минимум четырех «водородных узлов», где будет производиться и использоваться топливо, и штаты готовятся конкурировать за это право. Коммунальные компании США, которые сейчас поставляют природный газ, видят в нем спасение, объявив за последние два года о более чем двух десятках пилотных проектов по водороду.
«Сейчас принимаются решения и тратятся деньги, — сказал Око. «Мы должны продумать этот вопрос сейчас, чтобы он не стал проблемой». Она и другие, бьющие тревогу, настаивают на том, что это не повод отказываться от водорода. Скорее способность водорода удерживать тепло означает, что любая будущая система производства, распределения и использования газа должна быть построена так, чтобы свести к минимуму утечки.
«Существует большой потенциал использования водорода для сокращения выбросов двуокиси углерода, но очень важно снизить скорость утечки самого водорода», — сказала Никола Уорвик, ведущий автор исследования в Великобритании и научный сотрудник Национального центра атмосферных наук в Кембриджском университете.
Водородная промышленность признает наличие проблемы, даже если компании расходятся во мнениях относительно потенциального масштаба. Дэйв Эдвардс из компании Air Liquide, занимающейся промышленным газом, сказал, что воздействие утечек водорода на атмосферу должно быть намного меньше, чем у традиционных видов топлива, которые они вытесняют. Работа автомобилей и грузовиков на водородных топливных элементах окажет меньшее воздействие на атмосферу, чем работа на бензине и дизельном топливе, даже если система производства и доставки этого водорода даст утечку.
«Это не значит, что это все еще не важно, это не значит, что нам не нужно больше знать об этом, но наше первое впечатление, что масштаб проблемы намного меньше», — сказал Эдвардс, директор компании и ее руководитель и лоббист водорода в США. Утечки водорода, по его словам, «являются управляемыми проблемами, которые нужно решать».
Водород имеет большие преимущества как чистое топливо. Водород можно сжечь в турбине, и она будет генерировать энергию без углекислого газа. Можно пропустить его через топливный элемент, который будет производить электричество с водяным паром в качестве единственного выхлопа. В отличие от солнечной и ветровой энергии, его можно хранить в больших количествах до тех пор, пока он не понадобится. В то время как подавляющее большинство производимого сегодня водорода извлекается из природного газа, в процессе, который высвобождает углекислый газ, его также можно отделить от воды с использованием возобновляемой энергии без других выбросов, кроме кислорода.
Но при всех своих преимуществах водород также может легко протекать через оборудование, предназначенное для содержания более крупных молекул, таких как метан в природном газе.
Как только это происходит, большая часть вытекшего водорода будет поглощена микробами в почве. Часть того, что останется в воздухе, вступит в реакцию с веществом, помогающим удалять метан из атмосферы. Это создает проблему, потому что метан сам по себе является мощным парниковым газом, потенциал глобального потепления которого более чем в 80 раз превышает потенциал двуокиси углерода за 20 лет. Реакция между водородом и этим веществом, известная как гидроксильный радикал, оставляет меньше ОН, доступного для реакции с метаном. Таким образом, метан, попадая в атмосферу, будет задерживаться дольше и причинять больше вреда, чем если бы водорода не было.
Утечка водорода имеет и другие эффекты потепления. В тропосфере, ближайшем к земле слое атмосферы, он запускает цепочку химических реакций, в результате которых образуется больше озона, еще одного парникового газа и ключевого компонента смога. Гораздо выше, в стратосфере, водород приводит к увеличению количества водяного пара, что в целом приводит к улавливанию большего количества тепловой энергии в атмосфере.
Эти реакции происходят в течение короткого промежутка времени — несколько лет. Избыток углекислого газа, напротив, веками накапливает атмосферное тепло. Но, учитывая быстрое повышение температуры во всем мире, ученые говорят, что нельзя игнорировать краткосрочные факторы изменения климата.
«Эти десятилетия имеют значение, — сказал Стивен Гамбург, главный научный сотрудник EDF. Его группа пыталась поднять вопрос о потенциале нагревания водорода перед всеми, кто готов слушать, проводя брифинги для ученых, бизнеса и Министерства энергетики США. По оценкам его коллеги Око, на сегодняшний день они встретились примерно с 200 людьми. Для EDF это логическое продолжение работы группы, пытающейся привлечь внимание общественности к краткосрочным загрязнителям климата, таким как метан и черный углерод, которые часто упускают из виду, сосредоточив внимание на двуокиси углерода.
Многие коммунальные компании экспериментируют с добавлением водорода в существующие газопроводы и разветвленные сети, которые питают все, от электростанций до бытовых котлов. Для Гамбурга это гарантия утечек. Он предупреждает, что массовое производство водорода из ископаемого топлива повлечет краткосрочное потепление, если системы производства и транспортировки водорода будут пропускать достаточное количество водорода и метана. Сокращение выбросов CO₂ по-прежнему принесет долгосрочную выгоду, но в течение одного или двух десятилетий негерметичная водородная система, основанная на ископаемом топливе, приведет к большему потеплению, чем было бы без всякого перехода.
«Через несколько десятилетий вам может стать хуже — это очень правдоподобно», — сказал Гамбург.
Эта проблема не остановила газовые компании от изучения проектов по смешиванию водорода. Но это может стать одной из тем, которые изучают проектные группы. Калифорнийская энергокомпания PG&E Corp. в мае объявила о планах испытать различные смеси водорода и природного газа в специальной трубопроводной системе, отдельной от обычной газотранспортной сети компании, при этом смеси будут сжигаться на электростанции к югу от Сакраменто.
«Необходимо провести обширные исследования, чтобы понять возможность закачки водорода в систему трубопроводов природного газа», — написала она в электронном письме.
По словам Гамбурга, водородная экономика, изобилующая утечками, просто подорвет собственную эффективность. Сторонники чистой энергии указывают на то, как утечка метана из скважин и трубопроводов природного газа — которая оказалась гораздо более распространенной, чем считалось ранее, — подорвала некоторые преимущества перевода электростанций с угля на газ. Они не хотят, чтобы это произошло с водородом.
«Мы рискуем продолжить строительство новой инфраструктуры, которая, по сути, повторит все эти прошлые бедствия», — сказала Джули Макнамара, заместитель директора по политике в области климата и энергетики Союза обеспокоенных ученых. «У нас нет ни времени, ни ресурсов, чтобы ошибаться».