氢气温室效应是二氧化碳的11倍！氢气是不是清洁环保能源？

通常认为，氢气替代化石燃料可以解决二氧化碳生成问题，从而实现零碳排放，最终实现对气候变化的调控。事实果真如此吗？近期英国咨询机构弗雷泽-纳什发布了报告《atmospheric implications of increased hydrogen use》（以下简称《报告》），提出在100年的时间段内，一吨氢的温室效应是一吨二氧化碳的11倍，不确定性为±5！

考虑到目前还有许多企业随意排空氢气，如国外液氢加氢站经常将无法卸出的氢气直接排空（国内化工厂一般烧掉！），氢云链认为该《报告》观点具有现实意义。《报告》解读如下：

《报告》核心要点包括：（1）逃逸的氢气产生的温室效应是等量二氧化碳的11倍。（2）氢气的温室效应的间接的，主要通过延长甲烷等温室气体的寿命形成。（3）即使是在最坏的情况下，氢气带来的减排效果也远高于产生的温室效应。

《报告》论证结论是认为氢气依旧是一种环保的能源，但要警惕氢气泄露和随便排放引发温室效应：（1）氢气的温室效应来自与其他气体的相互作用（如延长了大气中甲烷的寿命，甲烷温室效应是二氧化碳的86倍）；（2）进入大气的氢气大多来自泄露和吹扫，数量有限。因此氢气依旧是一种环保的能源，但需要注意氢气在制储运用中全流程的泄露问题，以及进一步控制甲烷的泄露。

氢云链认为：对比IEA系列报告，该报告是一份基础的、补充性质的报告。重点讨论了“氢气是否真的清洁”这个十分重要又容易被忽略讨论的问题。《报告》启示意义在于:规模化发展氢能应用的同时，为保障减排效果，需要注意氢气及甲烷的泄露控制问题；同时，氢气不能随便排放，需要精确地进行碳排放的管理。

一、氢如何导致温室效应？

报告采用了UKESM1地球系统模型（The UKESM1 Earth system model）和箱形（box model）模型，考虑了不同的氢经济开展规模下氢泄漏导致的大气中氢气水平，以及能源使用情况和排放情况。

氢气对气候的产生影响的原因是：

氢气泄漏到大气中会降低对流层主要氧化剂羟基自由基(OH)的浓度，大气中甲烷的消耗依赖OH，从而延长甲烷寿命

氢气会增加臭氧的负荷，臭氧的减少会导致温室效应加剧

水蒸气也被认为是造成温室效应的主要物质之一，氢气会提升大气中水蒸气的浓度

1、氢气浓度上升将降低平流层羟基自由基的浓度

在对流层中，当其他排放量恒定时，氢气浓度每增加1ppm，对流层平均OH浓度降低约0.90x105个分子/立方厘米。

与对流层相反，平流层OH的模拟结果是随着氢气的增加而增加，因为在平流层中H2与高能激发的氧原子反应生成OH，O(1D)与水蒸气也会在平流层中形成反应OH，但总量相对较少。

图表1羟基自由基与氢气的关系图

来源：FNC，氢云链

2、由于羟基自由基的减少，甲烷寿命延长导致温室效应加剧

氢气每增加1ppm，大气中甲烷寿命就会增加约1年。甲烷与一氧化碳等的混合物也有类似特性。

箱型模型计算表明，在氢单独增加1.5ppm，甲烷浓度将增加约340ppb。即使甲烷排放量减少，氢泄漏对羟基自由基浓度的影响仍可能导致甲烷浓度升高。

因此未来大气中甲烷浓度的变化将取决于氢气排放量和采用氢经济后甲烷排放的变化。

图表2氢气、甲烷、羟基自由基的关系图

来源：FNC，氢云链

3、氢气会降低臭氧的含量，导致温室效应加剧

氢气增加1.5ppm会导致对流层臭氧负荷增加约6.5Tg(~1.8%)。随着大气中氢含量的增加，平流层上部（>40 公里高度）臭氧混合比降低。氢气增加1.5ppm会导致臭氧混合比降低约 5%。

4、氢气会提高水蒸气浓度，加剧温室效应

氢气与羟基自由基的结合将导致整个大气中的水蒸气增加，氢气增加1.5ppm之时，平流层上部的水(H2O)增加了1ppm以上。

图表3 氢气浓度与水蒸气的变化

来源：FNC，氢云链

二、辐射强迫：氢气与甲烷共同推动辐射强迫数值的增长

辐射强迫，是指由于气候系统内部变化，如二氧化碳浓度或太阳辐射的变化等外部强迫引起的对流层顶垂直方向上的净辐射变化。

当辐射强迫为正时，将呈现变暖趋势。如图表4所示，《报告》认为，由于大气中氢的增加，对流层臭氧、水蒸气和甲烷的增加都会增加辐射强迫，部分抵消改用氢的气候效益。

图表4氢气浓度与强迫辐射变化

来源：FNC，氢云链

其中，氢气增加1.5ppm时的有效辐射强迫为0.148Wm-2；当甲烷下边界增加340ppb时，与羟基自由基的减少一致，辐射强迫接近0.5Wm-2（变暖趋势）。

相反，如果没有氢气泄漏到大气中，并且减少了甲烷和其他共同排放，则辐射强迫的变化为-0.29Wm-2（一种冷却趋势）。

三、氢气的二氧化碳排放当量结果

结合上述结果，如图表5所示，《报告》的对氢气的二氧化碳排放当量的评估结果是：

对于20年的时间范围，氢气的GWP（20）为33，不确定性范围为20到44。

对于100年时间范围，氢气的GWP（100）为11±5，不确定性范围为±5。

不确定性主要来自于土壤中氢汇量的不确定性。

图表5氢气的GWP情况

来源：FNC，氢云链

四、结论：氢气的减排效果远大于泄露带来的温室效应影响，控制泄露是关键

氢云链在《蓝氢排放大于直接使用天然气！to or not to 蓝氢？》和《为何壳牌CCS+天然气制蓝氢项目减碳效果遭质疑？》中提到，国外部分机构对于甲烷泄露导致的碳排放和温室效应十分敏感，并呼吁停止蓝氢的开发。

那么在即使是绿氢，依然会导致温室效应的情况下，又该怎么办？

正如《报告》所言，“基于1%和10%的氢气泄漏率增加的当量CO2排放量分别相当于0.4%和4%的总当量CO2排放量减排量。”所以即使假设最坏的泄漏情况，这仍然是一个巨大的进步。

《报告》评价：“虽然等效二氧化碳减排的好处大大超过了氢气泄漏带来的不利影响，但它们清楚地表明了在氢经济中控制氢气泄漏的重要性。”

目前还有许多企业很任性的随意排空氢气，如国外液氢加氢站经常将无法卸出的氢气直接排空。氢云链推测，考虑到氢气的GWP（100）是二氧化碳的11倍，或许未来氢气的泄露、氢能设备扫气等都将得到控制，甚至计入碳足迹中。

附件：《报告》模型假设参考：

1、氢气泄露假设

基于1%和10%的泄漏率，《报告》估计氢经济中由于H2泄漏导致的额外H2排放量分别为9Tg/年和96Tg/年（见图表1）。考虑到全球的氢经济应用情况，《报告》采用了10%作为氢气泄露的上限，即96Tg/年。

图表6全球氢经济下氢泄漏假设

来源：FNC，氢云链

2、氢经济下减排情况

《报告》就全球氢经济下的甲烷、一氧化碳、氮氧化物、二氧化碳的减排情况都使用箱式模型（BOX MODEL）进行了模拟，其中二氧化碳减排量见图表2。

图表7二氧化碳减排情况

来源：FNC，氢云链

3、大气建模

《报告》使用耦合的 H2-CH4-CO-OH 化学方案进行大气箱模型模拟，以将氢气排放的变化转换为氢气混合比的变化，并考虑了氢气混合比对土壤汇的影响。

图表8氢气的土壤汇情况

黑线：土壤汇不随氢气混合比增加而变化；红线：土壤汇随着氢气混合比的增加而增加。

来源：FNC，氢云链

4、场景假设

《报告》考虑了5中氢经济场景，以讨论氢气与甲烷排放的关联情况，分别是：

（1）基本情况。模拟未改变的大气状态，使用了20002014年平均海表温度、海冰范围以及人为和自然排放的气候边界条件，并假设H2LBC为500ppb

（2）场景1：仅更改氢气LBC，分别为750、1000和2000ppb，并得到4个模拟结果

（3）情景2：减少人为臭氧前体的排放，但不包括甲烷。其中又包含了氢气LBC分别为500和2000的两种情况

（4）情景3：考虑甲烷对大气中氢气含量变化的响应。

（5）场景4：减少人为臭氧前体的排放，包括甲烷。

最终在得到了十余种场景中进行了时间片模拟，并在重复的边界条件下（即海面温度、海冰范围、人为和自然排放、土地利用配置等）运行了数十年，最终得到了氢气泄露对于大气的影响。