Водород разочаровывает

Иллюстрация Петра Перевезенцева

А так все хорошо складывалось! Поскольку водород при сгорании выделяет не CO₂, а только воду, он считается углеродно-нейтральным энергоносителем. Вот почему водород назначили главным строительным блоком энергетического перехода, и он все чаще будет заменять вредоносное ископаемое топливо, которое поставляет в атмосферу метан — сильнейший парниковый газ. Вот начнем «топить» водородом, и климат станет остывать, пойдет на поправку.

Довольно наивно. Как показывают многочисленные исследования, ничего линейного в глобальных многофакторных процессах нет. Вот и решили ученые все же присмотреться к круговороту водорода на Земле и посмотреть, не связаны ли с ним какие-нибудь климатические риски.

Исследователи из Стэнфордского университета в Калифорнии первым делом проанализировали, какое количество водорода выделяется на Земле, из каких источников и что с ним происходит в атмосфере. Исследователи анализировали данные за 1990–2020 годы.

«Источники H₂ увеличивались с 1990 по 2020 год в основном из-за окисления метана и других антропогенных летучих органических соединений, биогенной азотфиксации и утечек в процессе производства H₂», — пишут исследователи. Выбросы от сжигания ископаемого топлива, а также от лесных пожаров тоже вносят свой вклад. В целом в период с 2010 по 2020 год из этих источников в атмосферу ежегодно попадало в среднем 69,9 млн тонн водорода.

Что же с ним происходило? Во-первых, у водорода на Земле есть потребители — микробы в почве, которые используют Н₂ для производства энергии. Так что микробы каждый год изымают из атмосферы 50 млн тонн водорода. Во-вторых, он связывается с гидроксильным радикалом в атмосфере, порождая воду. Этот процесс расходует еще 18,4 млн тонн Н₂ в год.

Остается 1,55 млн тонн водорода, который живет в атмосфере, замедляет разложение метана и косвенно еще больше нагревает климат. Метан (CH₄), кстати, способствует глобальному потеплению в 80 раз больше, чем CO₂. Однако он не остается в атмосфере в течение столетий, а обычно разлагается в первые 10–12 лет.

Наиболее важный механизм в этом процессе — реакция со свободными гидроксильными радикалами (ОН^–) в атмосфере, в результате чего СН4 и ОН^– превращаются в воду и углекислый газ в несколько этапов. Водород конкурирует с метаном за радикалы ОН^–. Поэтому больше водорода означает меньше ОН^– в атмосфере, что позволяет метану сохраняться дольше и, следовательно, дольше нагревать климат.

К этому добавляется и другая работа водорода — взаимодействие с озоном (риск для озонового слоя), а также влияние на образование облаков.

Итак, хотя сам H₂ не накапливает тепло в атмосфере, он способствует нагреву в 37 раз больше, чем CO₂, за счет своего взаимодействия с другими газами в первые 20 лет после его выброса.

Исследователи подсчитали, что повышение содержания H₂ в атмосфере способствовало повышению глобальной температуры поверхностного воздуха на 0,02°С в период с 2010 по 2020 год (Nature).

По словам исследователей, то, как водород повлияет на климат в будущем, будет зависеть от множества факторов, в том числе от методов производства, качества инфраструктуры, транспортировки и хранения, а также от областей применения. Пока что производство водорода требует много энергии и парниковых газов. Более 90% современного водорода — это серый водород, получаемый в результате паровой конверсии метана или газификации угля, оба процесса углеродоемкие и вредные для климата.