绿色能源泄漏隐患：减排努力前功尽弃
Didier Hauglustaine
法国国家科学研究中心（CNRS）研究主任、
物理学专家
Fabien Paulot
美国普林斯顿大学地球物理流体动力学实验室
大气化学研究员
绿氢被视为能源转型的关键，尤其在欧盟为摆脱对俄罗斯化石燃料依赖的背景下。然而，绿氢和氨燃料在制备和运输过程中存在的泄漏风险，对气候的潜在负面影响不容忽视。尽管氢能具有显著的减排潜力，但其复杂的生态效应需要深入研究和审慎应对。目前的氢能和氨能技术是否已经足够成熟，可以有效替代化石燃料？氢能经济在气候保护中具有哪些优势与挑战？
绿氢，指使用可再生能源电解水制备的氢，被欧盟视为能源转型的关键抓手。
为了摆脱对俄罗斯化石燃料的依赖，欧盟制定了如下目标：到2030年，绿氢年产量达到960万吨。
氢气在大气中天然存在，且不是温室气体，但氢气会破坏羟基自由基（OH），导致其无法氧化大气中的强温室气体甲烷，从而使得甲烷浓度上升。
氢能经济中，以氢制氨也是重要的价值链环节。
但燃烧氨作为能源会排放强温室气体一氧化二氮。
诸多研究表明，面对五花八门的新型能源，我们应小心谨慎，避免投资于适得其反的气候解决方案。
绿氢，指使用可再生能源电解水制备的氢，被欧盟视为能源转型的关键抓手。氢气燃烧，只产生水和氮氧化物，不会向大气释放温室气体二氧化碳。自俄乌冲突爆发以来，欧盟便决心尽快摆脱对俄罗斯化石燃料的依赖，制定了如下目标：到2030年，绿氢年产量达到960万吨、年进口量1000万吨（其中40%以绿氢制氨的形式）[1]。
“用绿氢替代化石燃料，即使在当前估算的泄漏率下，也可以减少94%的二氧化碳排放。”
氢气对气候的影响
大气中含有氢气，是某些天然存在的气质化合物分解的产物。氢气也会因化石燃料燃烧、森林火灾、地质变化而释放。大气中大约40%的氢是由人类活动产生的[2]。
氢气不是温室气体，但是据美国普林斯顿大学地球物理流体动力学实验室大气化学研究员Fabien Paulot介绍：“当氢浓度变化时，大气的化学性质便会相应地变化，从而间接影响温室气体的浓度。”这背后的主要原因是：氢气会破坏羟基自由基（OH），导致其无法氧化大气中的强温室气体甲烷，从而使得甲烷浓度上升。氢浓度的增加也会增加对流层臭氧以及平流层水蒸气的浓度，从而加剧温室效应。
气态氢可以通过现有管网长距离输送。然而，近年来卫星观测数据显示，全球多地的管网和工业气体厂都出现了异常，甚至发生甲烷大量泄漏。据法国液化空气集团Air Liquide估计，在运输途中压缩氢气的损失率约为4.2%。而液态氢损失率则高达20%[3]。法国国家科学研究中心（CNRS）研究主任、物理学专家Didier Hauglustaine指出：“氢气与甲烷不同。氢气泄漏不能通过卫星检测。因此，损失率的估算计并不准确。另一方面，未来的新技术有望减少泄漏。” Hauglustaine与Paulot就该课题共同撰写了一篇论文，于2023年发表在《自然·通讯·地球与环境》期刊上[4]。既然大气中氢气增加，会间接加剧温室效应，是否会抵消氢气本身的积极作用？Hauglustaine解释道：“那不会——用绿氢替代化石燃料，即使在当前估算的泄漏率下，也可以减少94%的二氧化碳排放。蓝氢则能减少70%-80%的二氧化碳排放。即使考虑到目前估算的误差，氢能仍是航运、公路运输、重工业等行业主要减排渠道。”
但是氢能经济不仅与氢气本身的制备和运输相关，以氢制氨也是价值链中重要的一环。氨气可以直接作为燃料燃烧，也可以裂解转化回氢气。这些工艺目前都很成熟。一些船舶已经开始使用氨作为燃料。根据国际可再生能源机构（IRENA）估计[5]，如果将全球升温控制在1.5摄氏度以内，到2050年氢气必须占全球12%的能源需求，国际航运使用氢能的比例必须达到四分之一。届时，55%的氢燃料将以纯氢气或混合燃料的形式通过公路或管网运输，45%氢燃料将以氨气的形式通过船舶运输。
01
适得其反的氨燃料？
发展氢能经济，氨气至关重要。但是氨气运输也存在泄漏的风险，对气候的影响大为不利。氨气燃烧产生的一氧化二氮（N2O）升温能力比二氧化碳强265倍。在2023年11月发表在《美国国家科学院院刊（PNAS）》上的一篇论文中[6]，美国科学家评估了这一风险。由于氨和甲烷的性质相似，故其泄漏率可以约等于甲烷，且也可以通过卫星来观测。0.5%-5%的氨会以活性氮的形式流失到环境中，大部分是因为泄漏，小部分源自氨的不完全燃烧。按照5%的最高损失率估计，相当于氮肥造成的气变效应一半，即等同于每年排放2.3亿吨二氧化碳，或者每年农业生产碳排量的1/5。
此外，氨燃烧会发生有害的化学反应，产生N2O，尽管能通过新技术控制，但无法彻底消除。美国科学家的论文指出，N2O排放可能会完全抵消氢能源的环保效益，甚至比煤炭等化石燃料对气候的影响还要大。即使在没有任何泄漏的理想情况下，氨能的碳排放也高于风能、地热能，只与太阳能相当。
2022年，另一个课题组评估了使用氨能对海运脱碳的影响[7]，得出了类似的结论：氨燃料燃烧、运输过程中N2O即使只有少量泄漏，也会完全抵消燃料本身的绿色贡献。Hauglustaine评论道：“此类估算前人从未做过，且氨能经济仍在起步阶段，所以估算必然包含不准确因素，高估了氨燃料的负面作用。尽管如此，结论值得重视，因为揭示了氨燃料的温室效应弊端。”航运业已经对氨燃料表现出了极大的兴趣：改造传统内燃机使用氨燃料相对容易，且已有厂家在生产氨燃料专用的发动机。但上述的初步研究表明，面对五花八门的新型能源，我们应小心谨慎，避免投资于适得其反的解决方案，对气候造成更大的危害。
作者
Anaïs Marechal
Meister Xia
1. According to the France Hydrogène association, which brings together players in the sector: https://www.france-hydrogene.org/magazine/repower-eu-encore-plus-dambition-pour-lhydrogene/
2. https://doi.org/10.5194/acp-24–4217-2024
3. Arrigoni, A. and Bravo Diaz, L., Hydrogen emissions from a hydrogen economy and their potential global warming impact, EUR 31188 EN, Publications Office of the European Union, Luxembourg, 2022, ISBN 978–92-76–558484, doi:10.2760/065589, JRC130362.
4. https://doi.org/10.1038/s43247-023–008578
5. IRENA (2022), Global hydrogen trade to meet the 1.5°C climate goal: Part I – Trade outlook for 2050 and way forward, International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi.
6. https://doi.org/10.1073/pnas.2311728120
7. https://doi.org/10.1038/s41560-022–01124-4