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(shí)現(xiàn)零碳排放，最終實(shí)現(xiàn)對氣候變化的調(diào)控。事實(shí)果真如此嗎？近期英國咨詢機(jī)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(diǎn)具有現(xiàn)實(shí)意義。《報告》解讀如下：
《報告》核心要點(diǎn)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(jìn)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(yùn)用中全流程的泄露問題，以及進(jìn)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(bǔ)充性質(zhì)的報告。重點(diǎn)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。《報告》啟示意義在于:規(guī)?；l(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(jìn)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(jì)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?yàn)樵谄搅鲗又蠬2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(dú)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(jì)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(qiáng)迫：氫氣與甲烷共同推動輻射強(qiáng)迫數(shù)值的增長
輻射強(qiáng)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(qiáng)迫引起的對流層頂垂直方向上的凈輻射變化。
當(dāng)輻射強(qiáng)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(qiáng)迫，部分抵消改用氫的氣候效益。
圖表4 氫氣濃度與強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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
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?！彼约词辜僭O(shè)最壞的泄漏情況，這仍然是一個巨大的進(jìn)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(jì)中控制氫氣泄漏的重要性?！?/span>
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(jì)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(jì)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(jì)下氫泄漏假設(shè)
來源：FNC，氫云鏈
2、氫經(jīng)濟(jì)下減排情況
《報告》就全球氫經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(jìn)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
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。
來源：FNC，氫云鏈
4、場景假設(shè)
《報告》考慮了5中氫經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(yùn)行了數(shù)十年，最終得到了氫氣泄露對于大氣的影響。
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