通常認(rèn)為，氫氣替代化石燃料可以解決二氧化碳生成問題，從而實現(xiàn)零碳排放，最終實現(xiàn)對氣候變化的調(diào)控。事實果真如此嗎？近期英國咨詢機構(gòu)弗雷澤-納什發(fā)布了報告《atmospheric implications of increased hydrogen use》（以下簡稱《報告》），提出在100年的時間段內(nèi)，一噸氫的溫室效應(yīng)是一噸二氧化碳的11倍，不確定性為±5！
考慮到目前還有許多企業(yè)隨意排空氫氣，如國外液氫加氫站經(jīng)常將無法卸出的氫氣直接排空（國內(nèi)化工廠一般燒掉！）， 氫云鏈認(rèn)為該《報告》觀點具有現(xiàn)實意義?！秷蟾妗方庾x如下：
《報告》核心要點包括：（1）逃逸的氫氣產(chǎn)生的溫室效應(yīng)是等量二氧化碳的11倍。（2）氫氣的溫室效應(yīng)的間接的，主要通過延長甲烷等溫室氣體的壽命形成。（3）即使是在最壞的情況下，氫氣帶來的減排效果也遠(yuǎn)高于產(chǎn)生的溫室效應(yīng)。
《報告》論證結(jié)論是認(rèn)為氫氣依舊是一種環(huán)保的能源，但要警惕氫氣泄露和隨便排放引發(fā)溫室效應(yīng)：（1）氫氣的溫室效應(yīng)來自與其他氣體的相互作用（如延長了大氣中甲烷的壽命，甲烷溫室效應(yīng)是二氧化碳的86倍）；（2）進入大氣的氫氣大多來自泄露和吹掃，數(shù)量有限。因此氫氣依舊是一種環(huán)保的能源，但需要注意氫氣在制儲運用中全流程的泄露問題，以及進一步控制甲烷的泄露。
氫云鏈認(rèn)為：對比IEA系列報告，該報告是一份基礎(chǔ)的、補充性質(zhì)的報告。重點討論了“氫氣是否真的清潔”這個十分重要又容易被忽略討論的問題?！秷蟾妗穯⑹疽饬x在于:規(guī)模化發(fā)展氫能應(yīng)用的同時，為保障減排效果，需要注意氫氣及甲烷的泄露控制問題；同時，氫氣不能隨便排放，需要精確地進行碳排放的管理。
一、氫如何導(dǎo)致溫室效應(yīng)？
報告采用了UKESM1地球系統(tǒng)模型（The UKESM1 Earth system model）和箱形（box model）模型，考慮了不同的氫經(jīng)濟開展規(guī)模下氫泄漏導(dǎo)致的大氣中氫氣水平，以及能源使用情況和排放情況。
氫氣對氣候的產(chǎn)生影響的原因是：
氫氣泄漏到大氣中會降低對流層主要氧化劑羥基自由基(OH)的濃度，大氣中甲烷的消耗依賴OH，從而延長甲烷壽命
氫氣會增加臭氧的負(fù)荷，臭氧的減少會導(dǎo)致溫室效應(yīng)加劇
水蒸氣也被認(rèn)為是造成溫室效應(yīng)的主要物質(zhì)之一，氫氣會提升大氣中水蒸氣的濃度
1、氫氣濃度上升將降低平流層羥基自由基的濃度
在對流層中，當(dāng)其他排放量恒定時，氫氣濃度每增加1ppm，對流層平均OH濃度降低約0.90x105個分子/立方厘米。
與對流層相反，平流層OH的模擬結(jié)果是隨著氫氣的增加而增加，因為在平流層中H2與高能激發(fā)的氧原子反應(yīng)生成OH，O(1D)與水蒸氣也會在平流層中形成反應(yīng)OH，但總量相對較少。
圖表1 羥基自由基與氫氣的關(guān)系圖
來源：FNC，氫云鏈
2、由于羥基自由基的減少，甲烷壽命延長導(dǎo)致溫室效應(yīng)加劇
氫氣每增加1ppm，大氣中甲烷壽命就會增加約1年。甲烷與一氧化碳等的混合物也有類似特性。
箱型模型計算表明，在氫單獨增加1.5ppm，甲烷濃度將增加約340ppb。即使甲烷排放量減少，氫泄漏對羥基自由基濃度的影響仍可能導(dǎo)致甲烷濃度升高。
因此未來大氣中甲烷濃度的變化將取決于氫氣排放量和采用氫經(jīng)濟后甲烷排放的變化。
圖表2 氫氣、甲烷、羥基自由基的關(guān)系圖
來源：FNC，氫云鏈
3、氫氣會降低臭氧的含量，導(dǎo)致溫室效應(yīng)加劇
氫氣增加1.5ppm會導(dǎo)致對流層臭氧負(fù)荷增加約6.5Tg(~1.8%)。隨著大氣中氫含量的增加，平流層上部（>40 公里高度）臭氧混合比降低。氫氣增加1.5ppm會導(dǎo)致臭氧混合比降低約 5%。
4、氫氣會提高水蒸氣濃度，加劇溫室效應(yīng)
氫氣與羥基自由基的結(jié)合將導(dǎo)致整個大氣中的水蒸氣增加，氫氣增加1.5ppm之時，平流層上部的水(H2O)增加了1ppm以上。
圖表3 氫氣濃度與水蒸氣的變化
來源：FNC，氫云鏈
二、輻射強迫：氫氣與甲烷共同推動輻射強迫數(shù)值的增長
輻射強迫，是指由于氣候系統(tǒng)內(nèi)部變化，如二氧化碳濃度或太陽輻射的變化等外部強迫引起的對流層頂垂直方向上的凈輻射變化。
當(dāng)輻射強迫為正時，將呈現(xiàn)變暖趨勢。如圖表4所示，《報告》認(rèn)為，由于大氣中氫的增加，對流層臭氧、水蒸氣和甲烷的增加都會增加輻射強迫，部分抵消改用氫的氣候效益。
圖表4 氫氣濃度與強迫輻射變化
來源：FNC，氫云鏈
其中，氫氣增加1.5ppm時的有效輻射強迫為0.148Wm-2；當(dāng)甲烷下邊界增加340ppb時，與羥基自由基的減少一致，輻射強迫接近0.5Wm-2（變暖趨勢）。
相反，如果沒有氫氣泄漏到大氣中，并且減少了甲烷和其他共同排放，則輻射強迫的變化為-0.29Wm-2（一種冷卻趨勢）。
三、氫氣的二氧化碳排放當(dāng)量結(jié)果
結(jié)合上述結(jié)果，如圖表5所示，《報告》的對氫氣的二氧化碳排放當(dāng)量的評估結(jié)果是：
對于20年的時間范圍，氫氣的GWP（20）為33，不確定性范圍為20到44。
對于100年時間范圍，氫氣的GWP（100）為11±5，不確定性范圍為±5。
不確定性主要來自于土壤中氫匯量的不確定性。
圖表5 氫氣的GWP情況
來源：FNC，氫云鏈
四、結(jié)論：氫氣的減排效果遠(yuǎn)大于泄露帶來的溫室效應(yīng)影響，控制泄露是關(guān)鍵
氫云鏈在《藍氫排放大于直接使用天然氣！to or not to 藍氫？》和《為何殼牌CCS+天然氣制藍氫項目減碳效果遭質(zhì)疑？》中提到，國外部分機構(gòu)對于甲烷泄露導(dǎo)致的碳排放和溫室效應(yīng)十分敏感，并呼吁停止藍氫的開發(fā)。
那么在即使是綠氫，依然會導(dǎo)致溫室效應(yīng)的情況下，又該怎么辦？
正如《報告》所言，“基于1%和10%的氫氣泄漏率增加的當(dāng)量CO2排放量分別相當(dāng)于0.4%和4%的總當(dāng)量CO2排放量減排量。”所以即使假設(shè)最壞的泄漏情況，這仍然是一個巨大的進步。
《報告》評價：“雖然等效二氧化碳減排的好處大大超過了氫氣泄漏帶來的不利影響，但它們清楚地表明了在氫經(jīng)濟中控制氫氣泄漏的重要性。”
目前還有許多企業(yè)很任性的隨意排空氫氣，如國外液氫加氫站經(jīng)常將無法卸出的氫氣直接排空。氫云鏈推測，考慮到氫氣的GWP（100）是二氧化碳的11倍，或許未來氫氣的泄露、氫能設(shè)備掃氣等都將得到控制，甚至計入碳足跡中。
附件：《報告》模型假設(shè)參考：
1、氫氣泄露假設(shè)
基于1%和10%的泄漏率，《報告》估計氫經(jīng)濟中由于H2泄漏導(dǎo)致的額外H2排放量分別為9Tg/年和96Tg/年（見圖表1）?？紤]到全球的氫經(jīng)濟應(yīng)用情況，《報告》采用了10%作為氫氣泄露的上限，即96Tg/年。
圖表6 全球氫經(jīng)濟下氫泄漏假設(shè)
來源：FNC，氫云鏈
2、氫經(jīng)濟下減排情況
《報告》就全球氫經(jīng)濟下的甲烷、一氧化碳、氮氧化物、二氧化碳的減排情況都使用箱式模型（BOX MODEL）進行了模擬，其中二氧化碳減排量見圖表2。
圖表7 二氧化碳減排情況
來源：FNC，氫云鏈
3、大氣建模
《報告》使用耦合的 H2-CH4-CO-OH 化學(xué)方案進行大氣箱模型模擬，以將氫氣排放的變化轉(zhuǎn)換為氫氣混合比的變化，并考慮了氫氣混合比對土壤匯的影響。
圖表8 氫氣的土壤匯情況
來源：FNC，氫云鏈
黑線：土壤匯不隨氫氣混合比增加而變化；紅線：土壤匯隨著氫氣混合比的增加而增加。
4、場景假設(shè)
《報告》考慮了5中氫經(jīng)濟場景，以討論氫氣與甲烷排放的關(guān)聯(lián)情況，分別是：
（1）基本情況。模擬未改變的大氣狀態(tài)，使用了20002014年平均海表溫度、海冰范圍以及人為和自然排放的氣候邊界條件，并假設(shè)H2LBC為500ppb
（2）場景1：僅更改氫氣LBC，分別為750、1000和2000ppb，并得到4個模擬結(jié)果
（3）情景2：減少人為臭氧前體的排放，但不包括甲烷。其中又包含了氫氣LBC分別為500和2000的兩種情況
（4）情景3：考慮甲烷對大氣中氫氣含量變化的響應(yīng)。
（5）場景4：減少人為臭氧前體的排放，包括甲烷。
最終在得到了十余種場景中進行了時間片模擬，并在重復(fù)的邊界條件下（即海面溫度、海冰范圍、人為和自然排放、土地利用配置等）運行了數(shù)十年，最終得到了氫氣泄露對于大氣的影響。
編輯：氫氫我心 校對：風(fēng)氫揚 審核：氫云小仙女
來源：氫云鏈
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標(biāo)簽： 溫室效應(yīng) 二氧化碳
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