Mô hình hóa học khí hậu mới tìm thấy tác động 'không đáng kể' của khả năng rò rỉ nhiên liệu hydro
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, thải ra khí nhà kính (GHG) làm nóng khí hậu khi chúng được đốt cháy. Ý tưởng này rất hấp dẫn. Đốt hydro không thải ra khí nhà kính vào khí quyển và hydro rất phù hợp cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau, đặc biệt là thay thế cho khí tự nhiên trong các quy trình công nghiệp, sản xuất điện và sưởi ấm gia đình.
Nhưng trong khi đốt hydro sẽ không thải ra khí nhà kính, bất kỳ hydro nào bị rò rỉ từ đường ống hoặc các 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 khí nhà kính, bao gồm ôzôn đối lưu và khí mêtan, với tác động khí mêtan là tác động chủ đạo. Một nghiên cứu mô hình hóa năm 2022 được trích dẫn nhiều phân tích tác động của hydro đối với các hợp chất hóa học trong khí quyển đã kết luận rằng những tác động khí hậu này có thể là đáng kể.
Giờ đây, một nhóm các nhà nghiên cứu của MIT đã có một cái nhìn 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 khác có thể bị ảnh hưởng bởi hydro và bao gồm các tương tác giữa các hóa chất. Kết quả của họ, được công bố trên Frontiers in Energy Research, cho thấy mặc dù tác động của hydro bị rò rỉ đối với khí hậu sẽ không lớn như nghiên cứu năm 2022 dự đoán và nó sẽ chiếm khoảng một phần ba tác động của bất kỳ loại khí tự nhiên nào.
Tác động của hydro đối với '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 các tác động khí hậu tiềm ẩn của hydro, 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 khí hậu của việc sử dụng hydro chỉ xem xét các khí nhà kính 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", một nhãn liên quan đến GHG phát ra.
Bất kể quá trình được sử dụng để tạo ra hydro là gì, 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 cơ hội 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 các tác động khí hậu lớn từ hydro bị rò rỉ dựa trên 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 học mà các nhà hóa học trong khí quyển gọi là "chất tẩy rửa của khí quyển", Candice Chen, một ứng cử viên tiến sĩ tại Khoa Khoa học Trái đất, Khí quyển và Hành tinh (EAPS) của MIT giải thích.
"Nó đi khắp nơi để tiêu thụ khí nhà kính, chất ô nhiễm, tất cả những thứ xấu trong khí quyển. Vì vậy, nó làm sạch không khí của chúng tôi," cô nói thêm.
Hơn hết, chất tẩy rửa đó - gốc hydroxyl, viết tắt là OH - loại bỏ khí mêtan, một khí nhà kính cực kỳ mạnh trong khí quyển. Do đó, OH đóng một vai trò quan trọng trong việc làm chậm tốc độ tăng nhiệt độ toàn cầu. Nhưng bất kỳ hydro nào bị rò rỉ vào khí quyển sẽ làm giảm lượng OH có sẵn để làm sạch khí mêtan, vì vậy nồng độ khí mêtan sẽ tăng lên
Tuy nhiên, các phản ứng hóa học giữa các hợp chất trong khí quyển nổi tiếng là 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 Nghiên cứu Môi trường và Hóa học Lee và Geraldine Martin; và Kane Stone, một nhà khoa học nghiên cứu trong 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 hoạt động để bảo vệ quá trình loại bỏ khí mê-tan.
Đây là cách phản hồi đó hoạt động: Khi hydro giảm nồng độ OH, quá trình làm sạch khí mêtan chậm lại, do đó nồng độ khí mêtan tăng lên. Tuy nhiên, khí mêtan đó trải qua các phản ứng hóa học có thể tạo ra các gốc OH mới.
"Vì vậy, khí mêtan đang được sản xuất có thể tạo ra nhiều chất tẩy rửa OH hơn", Chen nói. "Có một hiệu ứng phản công nhỏ. Gián tiếp, khí mê-tan giúp tạo ra thứ đang loại bỏ nó."
Đó là 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 không đổi để sản xuất OH, vì vậy nó bỏ lỡ phản hồi sản xuất OH quan trọng đó", cô nói.
Để khám phá tầm quan trọng của việc bao gồm hiệu ứng phản hồi đó, các nhà nghiên cứu MIT đã thực hiện phân tích sau: Họ giả định rằng một xung hydro duy nhất được bơm vào khí quyển và dự đoán sự thay đổi nồng độ khí mêtan trong 100 năm tới, đầu tiên sử dụng mô hình bốn phương trình và sau đó sử dụng mô hình 66 phương trình. Với hệ thống bốn phương trình, nồng độ khí mê-tan bổ sung đạt đỉnh gần 2 phần tỷ (ppb); Với hệ phương trình 66, nó đạt đỉnh chỉ hơn 1 ppb.
Bởi vì phân tích bốn phương trình chỉ giả định rằng hydro được bơm vào phá hủy OH, nồng độ khí mêtan tăng lên không được kiểm soát trong 10 năm đầu tiên hoặc lâu hơn. Ngược lại, phân tích 66 phương trình tiến thêm một bước: nồng độ mêtan tăng lên, nhưng khi hệ thống tái cân bằng, nhiều OH hình thành và loại bỏ khí mêtan.
Bằng cách không tính đến phản hồi đó, phân tích bốn phương trình ước tính quá cao mức tăng đỉnh của khí mêtan do xung hydro khoảng 85%. Trải rộng theo thời gian, mô hình đơn giản tăng gấp đôi lượng khí mêtan hình thành để đáp ứng với xung hydro.
Chen cảnh báo rằng mục đích của công việc của họ không phải là trình bày kết quả của họ như một "ước tính vững chắc" về tác động của hydro. Phân tích của họ dựa trên một mô hình "hộp" đơn giản đại diện cho các điều kiện trung bình toàn cầu và giả định rằng tất cả các loài hóa học có mặt đều được trộn đều. Do đó, các loài có thể thay đổi theo thời gian - nghĩa là chúng có thể được hình thành và tiêu diệt - nhưng bất kỳ loài nào hiện diện luôn được trộn lẫn hoàn hảo. Kết quả là, mô hình hộp không tính đến tác động của gió đối với sự phân bố của các loài.
"Điểm chúng tôi đang cố gắng đưa ra là bạn có thể đi quá đơn giản," Chen nói. "Nếu bạn đi đơn giản hơn những gì chúng tôi đang đại diện, bạn sẽ đi xa hơn khỏi câu trả lời đúng. Tiện ích của một mô hình tương đối đơn giản
Đốt khí đốt tự nhiên tạo ra ít khí thải nhà kính hơn so với đốt than hoặc dầu; Nhưng cũng như hydro, bất kỳ khí đốt tự nhiên nào bị rò rỉ từ giếng, đường ống và cơ sở chế biến đều có thể có tác động đến khí hậu, phủ nhận một số lợi ích nhận thức của việc sử dụng khí đốt tự nhiên thay cho các nhiên liệu hóa thạch khác. Rốt cuộc, khí tự nhiên bao gồm phần lớn khí mêtan, khí nhà kính rất mạnh trong khí quyển được làm sạch bởi chất tẩy rửa OH. Với hiệu lực của nó, ngay cả những rò rỉ nhỏ của khí mê-tan cũng có thể có tác động lớn đến khí hậu.
Vì vậy, khi nghĩ đến việc thay thế nhiên liệu khí tự nhiên - về cơ bản là khí mêtan - bằng nhiên liệu hydro, điều quan trọng là phải xem xét tác động khí hậu của hai loại nhiên liệu này so sánh như thế nào nếu và khi chúng bị rò rỉ. Cách thông thường để so sánh tác động khí hậu của hai hóa chất là sử dụng một thước đo được gọi là tiềm năng nóng lên toàn cầu, hoặc GWP.
GWP kết hợp hai thước đo: bức xạ của khí - nghĩa là khả năng giữ nhiệt của nó - với tuổi thọ của nó trong khí quyển. Vì tuổi thọ của khí chênh lệch
Nhưng rò rỉ hydro và khí mêtan gây ra sự gia tăng khí mê-tan và khí mê-tan phân rã theo tuổi thọ của nó. Do đó, Chen và các đồng nghiệp của cô nhận ra rằng một quy trình độc đáo sẽ hoạt động: 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 khí hậu của hydro ít hơn khoảng ba lần so với khí mêtan (trên cơ sở khối lượng). Vì vậy, chuyển từ khí đốt tự nhiên sang hydro sẽ không chỉ loại bỏ khí thải đốt cháy mà còn có khả năng làm giảm tác động khí hậu, tùy thuộc vào mức độ rò rỉ.
Bài học chính
Tóm lại, Chen nhấn mạnh một số điều mà cô coi là những phát hiện chính của nghiên cứu. Đầu tiên trong danh sách của cô ấy 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 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 bao gồm. Nó tạo ra ước tính
Nó cũng 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 khí hậu của việc chuyển đổi trong những thập kỷ tới.
Nghiên cứu cũng chứng minh một cách mới có giá trị để so sánh tác động nhà kính của hai loại khí. Miễn là tác động của chúng tồn tại trên các thang thời gian tương tự, một so sánh trực tiếp là có thể - và tốt hơn so sánh mỗi loại với carbon dioxide, có tuổi thọ cực kỳ lâu trong khí quyển. Trong nghiên cứu này, so sánh trực tiếp tạo ra một cái nhìn đơn giản về các tác động khí hậu tương đối của hydro bị rò rỉ và khí mêtan bị rò rỉ - thông tin có giá trị cần tính đến khi xem xét chuyển từ khí tự nhiên sang hydro.
Cuối cùng, các nhà nghiên cứu đưa ra hướng dẫn thực tế để phát triển cơ sở hạ tầng và sử dụng cả hydro và khí đốt 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 khí mêtan. Do đó, giảm thiểu rò rỉ cả hai nhiên liệu sẽ là cần thiết để đạt được mức phát thải carbon ròng bằng không vào năm 2050, mục tiêu do 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 bị 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 nó phải được sử dụng song song với các bước loại bỏ carbon [ở nơi khác] để chống lại tác động nóng lên của nó."
