Một nghiên cứu của MIT xác nhận tác động của hydro đến khí hậu và khuyến nghị rằng việc ngăn ngừa rò rỉ phải được ưu tiên khi xây dựng cơ sở hạ tầng để xử lý loại nhiên liệu đốt sạch này.
Đường ống sản xuất hydro xanh. Tín dụng: audioundwerbung/iStock
Khi thế giới tìm cách ngăn chặn biến đổi khí hậu, nhiều cuộc thảo luận tập trung vào việc sử dụng hydro thay vì nhiên liệu hóa thạch, loại nhiên liệu thải ra khí nhà kính (GHG) làm nóng khí hậu khi chúng bị đốt cháy. Ý tưởng này rất hấp dẫn. Đốt cháy hydro không thải ra GHG vào khí quyển và hydro rất phù hợp cho nhiều mục đích sử dụng, đáng chú ý là thay thế khí đốt tự nhiên trong các quy trình công nghiệp, phát điện và sưởi ấm tại nhà.
Nhưng trong khi đốt cháy hydro sẽ không thải ra GHG, bất kỳ hydro nào bị rò rỉ từ đường ống hoặc cơ sở lưu trữ hoặc tiếp nhiên liệu đều có thể gián tiếp gây ra biến đổi khí hậu bằng cách ảnh hưởng đến các hợp chất khác là GHG, bao gồm ôzôn tầng đối lưu và mêtan, trong đó tác động của mêtan là tác động chủ đạo. Một nghiên cứu mô hình năm 2022 được trích dẫn nhiều khi phân tích tác động của hydro lên các hợp chất hóa học trong khí quyển đã kết luận rằng những tác động khí hậu này có thể là đáng kể. Với nguồn tài trợ từ Trung tâm Hệ thống Năng lượng Tương lai của Sáng kiến Năng lượng MIT, một nhóm các nhà nghiên cứu của MIT đã xem xét chi tiết hơn về hóa học cụ thể gây ra rủi ro khi sử dụng hydro làm nhiên liệu nếu nó bị rò rỉ.
Các nhà nghiên cứu đã phát triển một mô hình theo dõi nhiều phản ứng hóa học hơn có thể bị ảnh hưởng bởi hydro và bao gồm các tương tác giữa các hóa chất. Kết quả của họ cho thấy rằng mặc dù tác động của hydro bị rò rỉ lên khí hậu sẽ không lớn như nghiên cứu năm 2022 dự đoán—và rằng nó sẽ bằng khoảng một phần ba tác động của bất kỳ khí đốt tự nhiên nào thoát ra ngày nay—hydro bị rò rỉ sẽ tác động đến khí hậu. Do đó, phòng ngừa rò rỉ nên là ưu tiên hàng đầu khi cơ sở hạ tầng hydro được xây dựng, các nhà nghiên cứu tuyên bố.
Tác động của hydro lên “chất tẩy rửa” làm sạch bầu khí quyển của chúng ta
Các mô hình hóa học khí hậu ba chiều toàn cầu sử dụng một số lượng lớn các phản ứng hóa học cũng đã được sử dụng để đánh giá tác động tiềm tàng của hydro đối với khí hậu, nhưng kết quả khác nhau giữa các mô hình, thúc đẩy nghiên cứu của MIT phân tích hóa học. Hầu hết các nghiên cứu về tác động của khí hậu khi sử dụng hydro chỉ xem xét các GHG được thải ra trong quá trình sản xuất nhiên liệu hydro. Các cách tiếp cận khác nhau có thể tạo ra "hydro xanh" hoặc "hydro xanh lục", một nhãn liên quan đến các GHG được thải ra. Bất kể quy trình nào được sử dụng để tạo ra hydro, bản thân nhiên liệu có thể đe dọa khí hậu. Để sử dụng rộng rãi, hydro sẽ cần được vận chuyển, phân phối và lưu trữ - nói tóm lại, sẽ có nhiều khả năng rò rỉ. Câu hỏi đặt ra là, Điều gì sẽ xảy ra với hydro bị rò rỉ khi nó đến khí quyển? Nghiên cứu năm 2022 dự đoán tác động lớn đến khí hậu từ hydro bị rò rỉ dựa trên các phản ứng giữa các cặp chỉ bốn hợp chất hóa học trong khí quyển. Kết quả cho thấy hydro sẽ làm cạn kiệt một loại hóa chất mà các nhà hóa học khí quyển gọi là "chất tẩy rửa của khí quyển", Candice Chen, ứng cử viên tiến sĩ tại Khoa Khoa học Trái đất, Khí quyển và Hành tinh (EAPS) của MIT giải thích. "Nó di chuyển xung quanh để loại bỏ khí nhà kính, chất gây ô nhiễm, đủ loại chất độc hại trong khí quyển. Vì vậy, nó đang làm sạch không khí của chúng ta". Tuyệt vời nhất là chất tẩy rửa đó - gốc hydroxyl, viết tắt là OH - loại bỏ mê-tan, một loại GHG cực kỳ mạnh trong khí quyển. Do đó, OH đóng vai trò quan trọng trong việc làm chậm tốc độ tăng nhiệt độ toàn cầu. Nhưng bất kỳ hydro nào rò rỉ vào khí quyển sẽ làm giảm lượng OH có sẵn để làm sạch mê-tan, do đó nồng độ mê-tan sẽ tăng lên.
Tuy nhiên, các phản ứng hóa học giữa các hợp chất trong khí quyển vốn rất phức tạp. Trong khi nghiên cứu năm 2022 sử dụng "mô hình bốn phương trình", Chen và các đồng nghiệp của cô—Susan Solomon, Giáo sư về Nghiên cứu Môi trường và Hóa học Lee và Geraldine Martin; và Kane Stone, một nhà khoa học nghiên cứu tại EAPS—đã phát triển một mô hình bao gồm 66 phản ứng hóa học. Các phân tích sử dụng mô hình 66 phương trình của họ cho thấy hệ thống bốn phương trình không nắm bắt được phản hồi quan trọng liên quan đến OH—một phản hồi có tác dụng bảo vệ quá trình loại bỏ mêtan.
Đây là cách phản hồi đó hoạt động. Khi hydro làm giảm nồng độ OH, quá trình làm sạch mêtan chậm lại, do đó nồng độ mêtan tăng lên. Tuy nhiên, mêtan đó trải qua các phản ứng hóa học có thể tạo ra các gốc OH mới. "Vì vậy, mêtan đang được tạo ra có thể tạo ra nhiều chất tẩy rửa OH hơn", Chen nói. "Có một hiệu ứng đối kháng nhỏ. Gián tiếp, mêtan giúp tạo ra thứ loại bỏ nó". Và, Chen nói, đó là một sự khác biệt chính giữa mô hình 66 phương trình của họ và mô hình bốn phương trình. "Mô hình đơn giản sử dụng một giá trị hằng số cho quá trình sản xuất OH, do đó, nó bỏ lỡ phản hồi sản xuất OH quan trọng đó", cô nói.
Tính toán tác động của hydro lên khí mê-tan trong khí quyển: Kết quả mẫu sử dụng hai mô hình
Hình trên minh họa tầm quan trọng của hiệu ứng phản hồi đó. Hình này biểu diễn sự thay đổi nồng độ mêtan (trục dọc) theo thời gian tính bằng năm (trục ngang). Các nhà nghiên cứu MIT cho rằng một xung hydro duy nhất được đưa vào tại thời điểm bằng không và sau đó sử dụng hai mô hình để tính toán nồng độ mêtan bổ sung (được đo bằng phần tỷ hoặc ppb) trong 100 năm tới. Kết quả từ mô hình bốn phương trình được hiển thị bằng màu xanh lá cây, trong khi kết quả từ mô hình 66 phương trình có màu xanh lam. Trong mỗi trường hợp, các vùng tô bóng biểu thị sự không chắc chắn do các tham số mô hình được sử dụng, chẳng hạn như nhiệt độ, áp suất, cường độ của bồn chứa hydro trong đất, v.v. Với hệ thống bốn phương trình, nồng độ mêtan bổ sung đạt đỉnh ở mức gần 2 ppb; với hệ thống 66 phương trình, nó đạt đỉnh ở mức hơn 1 ppb một chút.
Bởi vì phân tích bốn phương trình chỉ giả định rằng hydro được tiêm vào phá hủy OH, nên nồng độ mêtan tăng không kiểm soát trong khoảng 10 năm đầu tiên. Ngược lại, phân tích 66 phương trình tiến xa hơn một bước: Nồng độ mêtan tăng, nhưng khi hệ thống cân bằng lại, nhiều OH hơn được hình thành và loại bỏ mêtan. Bằng cách không tính đến phản hồi đó, phân tích bốn phương trình ước tính quá cao mức tăng đỉnh của mêtan do xung hydro khoảng 85%. Trải dài theo thời gian, mô hình đơn giản này tăng gấp đôi lượng mêtan hình thành để đáp ứng với xung hydro.
Chen cảnh báo rằng mục đích của công trình của họ không phải là trình bày kết quả của họ như là "một ước tính chắc chắn" về tác động của hydro. Phân tích của họ dựa trên một mô hình "hộp" đơn giản biểu diễn các điều kiện trung bình toàn cầu và giả định rằng tất cả các loài hóa học hiện diện đều được trộn lẫn tốt. Do đó, các loài có thể thay đổi theo thời gian—tức là chúng có thể được hình thành và phá hủy—nhưng bất kỳ loài nào hiện diện luôn được trộn lẫn hoàn hảo. Do đó, mô hình hộp không tính đến tác động của, chẳng hạn, gió đối với sự phân bố của các loài. Chen cho biết: "Điểm chúng tôi muốn nêu ra là bạn có thể quá đơn giản". "Nếu bạn đơn giản hơn những gì chúng tôi đang biểu diễn, bạn sẽ không đạt được câu trả lời đúng". Cô ấy tiếp tục lưu ý, "Tiện ích của một mô hình tương đối đơn giản như mô hình của chúng tôi là tất cả các nút và cần gạt đều rất rõ ràng. Điều đó có nghĩa là bạn có thể khám phá hệ thống và xem điều gì ảnh hưởng đến giá trị quan tâm".
Rò rỉ hydro so với rò rỉ khí đốt tự nhiên: So sánh về khí hậu
Đốt khí thiên nhiên tạo ra ít khí thải GHG hơn so với đốt than hoặc dầu; nhưng giống như hydro, bất kỳ khí thiên nhiên nào rò rỉ từ giếng, đường ống và cơ sở chế biến đều có thể gây ra tác động đến khí hậu, phủ nhận một số lợi ích được nhận thấy khi sử dụng khí thiên nhiên thay cho các nhiên liệu hóa thạch khác. Xét cho cùng, khí thiên nhiên chủ yếu bao gồm mê-tan, loại khí nhà kính cực mạnh trong khí quyển được làm sạch bằng chất tẩy rửa OH. Với mức độ mạnh của nó, ngay cả những rò rỉ mê-tan nhỏ cũng có thể gây ra tác động lớn đến khí hậu.
Vì vậy, khi nghĩ đến việc thay thế nhiên liệu khí đốt tự nhiên—về cơ bản là mêtan—bằng nhiên liệu hydro, điều quan trọng là phải xem xét tác động của hai loại nhiên liệu này đến khí hậu so sánh như thế nào nếu và khi chúng bị rò rỉ. Cách thông thường để so sánh tác động đến khí hậu của hai loại hóa chất là sử dụng một biện pháp gọi là tiềm năng làm nóng toàn cầu, hay GWP. GWP kết hợp hai biện pháp: lực bức xạ của một loại khí—tức là khả năng giữ nhiệt của nó—với thời gian tồn tại của nó trong khí quyển. Vì thời gian tồn tại của các loại khí khác nhau rất nhiều, để so sánh tác động đến khí hậu của hai loại khí, quy ước là liên hệ GWP của từng loại với GWP của carbon dioxide.
Nhưng rò rỉ hydro và mêtan gây ra sự gia tăng mêtan, và mêtan phân hủy theo thời gian tồn tại của nó. Do đó, Chen và các đồng nghiệp của cô nhận ra rằng một quy trình không thông thường sẽ có hiệu quả: Họ có thể so sánh trực tiếp tác động của hai loại khí bị rò rỉ. Những gì họ phát hiện ra là tác động của khí hydro đối với khí hậu ít hơn khoảng ba lần so với khí mêtan (trên cơ sở khối lượng). Vì vậy, việc chuyển đổi từ khí đốt tự nhiên sang hydro không chỉ loại bỏ khí thải từ quá trình đốt cháy mà còn có khả năng làm giảm tác động của khí hậu, tùy thuộc vào lượng rò rỉ.
Những điểm chính cần ghi nhớ
Tóm lại, Chen nhấn mạnh một số điều mà bà coi là phát hiện chính của nghiên cứu. Đầu tiên trong danh sách của bà là: “Chúng tôi chỉ ra rằng một hệ thống bốn phương trình thực sự đơn giản không phải là thứ nên được sử dụng để dự đoán phản ứng của khí quyển đối với nhiều rò rỉ hydro hơn trong tương lai”. Các nhà nghiên cứu tin rằng mô hình 66 phương trình của họ là một sự thỏa hiệp tốt cho số lượng phản ứng hóa học cần đưa vào. Nó tạo ra các ước tính cho GWP của mêtan “khá phù hợp với mức thấp hơn của các con số mà hầu hết các nhóm khác đang nhận được khi sử dụng các mô hình hóa học khí hậu phức tạp hơn nhiều”, Chen nói. Và nó đủ minh bạch để sử dụng trong việc khám phá các lựa chọn khác nhau để bảo vệ khí hậu. Thật vậy, các nhà nghiên cứu MIT có kế hoạch sử dụng mô hình của họ để kiểm tra các kịch bản liên quan đến việc thay thế các nhiên liệu hóa thạch khác bằng hydro để ước tính lợi ích về khí hậu khi thực hiện chuyển đổi trong những thập kỷ tới.
Nghiên cứu này cũng chứng minh một cách mới có giá trị để so sánh hiệu ứng nhà kính của hai loại khí. Miễn là hiệu ứng của chúng tồn tại trên các thang thời gian tương tự, thì có thể so sánh trực tiếp—và tốt hơn là so sánh từng loại với carbon dioxide, loại khí tồn tại cực kỳ lâu trong khí quyển. Trong công trình này, phép so sánh trực tiếp tạo ra cái nhìn đơn giản về tác động khí hậu tương đối của hydro bị rò rỉ và mêtan bị rò rỉ—thông tin có giá trị cần lưu ý khi cân nhắc chuyển từ khí tự nhiên sang hydro.
Cuối cùng, các nhà nghiên cứu đưa ra hướng dẫn thực tế cho việc phát triển và sử dụng cơ sở hạ tầng cho cả hydro và khí tự nhiên. Các phân tích của họ xác định rằng bản thân nhiên liệu hydro có GWP "không đáng kể", cũng như khí tự nhiên, chủ yếu là mê-tan. Do đó, việc giảm thiểu rò rỉ của cả hai loại nhiên liệu này sẽ là cần thiết để đạt được mức phát thải carbon ròng bằng 0 vào năm 2050, mục tiêu mà cả Ủy ban Châu Âu và Bộ Ngoại giao Hoa Kỳ đặt ra. Bài báo của họ kết luận, "Nếu được sử dụng gần như không rò rỉ, hydro là một lựa chọn tuyệt vời. Nếu không, hydro chỉ nên là một bước tạm thời trong quá trình chuyển đổi năng lượng hoặc phải được sử dụng song song với các bước loại bỏ carbon [ở nơi khác] để chống lại tác động làm nóng của nó".
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
