Mudar para combustível de hidrogênio pode prolongar o problema do metano

Opotencial do hidrogênio como combustível limpo pode ser limitado por uma reação química na baixa atmosfera, de acordo com pesquisas da Universidade de Princeton e da Associação Nacional Oceânica e Atmosférica

Isso ocorre porque o gás hidrogênio reage facilmente na atmosfera com a mesma molécula responsável principalmente pela quebra do metano, um potente gás de efeito estufa. Se as emissões de hidrogênio excederem um determinado limite, essa reação compartilhada provavelmente levará ao acúmulo de metano na atmosfera – com consequências climáticas de décadas.

Intensidade crítica de emissão de hidrogênio (HEI) para mitigação de metano HEI crítica em função do excesso de OH (EOH) e método de produção de hidrogênio (H2 verde e azul com taxas de vazamento de 0,2, 0,5, 1% de CH4, respectivamente). As linhas tracejadas (pontilhadas) são obtidas para um aumento (diminuição) de 20% na taxa de absorção de H2 pelas bactérias do solo (kd). Triângulos marcam o HEI crítico para a melhor estimativa de EOH

“O hidrogênio é teoricamente o combustível do futuro”, disse Matteo Bertagni, pesquisador de pós-doutorado do High Meadows Environmental Institute, que trabalha na Carbon Mitigation Initiative. “Na prática, porém, apresenta muitas preocupações ambientais e tecnológicas que ainda precisam ser abordadas”.

Bertagni é o primeiro autor de um artigo de pesquisa publicado na Nature Communications , no qual os pesquisadores modelaram o efeito das emissões de hidrogênio no metano atmosférico. Eles descobriram que, acima de um certo limite, mesmo ao substituir o uso de combustível fóssil, uma economia de hidrogênio com vazamento pode causar danos ambientais de curto prazo, aumentando a quantidade de metano na atmosfera.

O risco de danos é agravado pelos métodos de produção de hidrogênio usando metano como insumo, destacando a necessidade crítica de gerenciar e minimizar as emissões da produção de hidrogênio. “Temos muito a aprender sobre as consequências do uso do hidrogênio, então a mudança para o hidrogênio, um combustível aparentemente limpo, não cria novos desafios ambientais,” disse Amilcare Porporato, Thomas J. Wu ‘94 Professor de Engenharia Civil e Ambiental e o Instituto Ambiental High Meadows. Porporato é investigador principal e membro da Equipe de Liderança da Iniciativa de Mitigação de Carbono e também é professor associado do Andlinger Center for Energy and the Environment.

(1) a competição por OH; (2) a produção de H2 a partir da oxidação de CH4; (3) as emissões potenciais [mínimo-máximo] devido a um sistema de energia mais baseado em hidrogênio. As estimativas de fluxo (Tg/ano) são de refs. As setas são escalonadas com a intensidade do fluxo de massa, sendo a escala CH4 10 vezes mais estreita que a escala H2. Em uma base por mol, H2 consome apenas cerca de 3 vezes menos OH do que CH4. ppq = parte por quatrilhão (10⁻¹⁵). uma estimativa de cima para baixo incluindo também sumidouros atmosféricos menores (<10%). b intervalo obtido como diferença entre as emissões totais e de combustíveis fósseis

O problema se resume a uma molécula pequena e difícil de medir, conhecida como radical hidroxila (OH). Frequentemente apelidado de “o detergente da troposfera”, o OH desempenha um papel crítico na eliminação de gases de efeito estufa, como metano e ozônio, da atmosfera. O radical hidroxila também reage com o gás hidrogênio na atmosfera.

E como uma quantidade limitada de OH é gerada a cada dia, qualquer pico nas emissões de hidrogênio significa que mais OH seria usado para quebrar o hidrogênio, deixando menos OH disponível para quebrar o metano. Como consequência, o metano permaneceria mais tempo na atmosfera, ampliando seus impactos de aquecimento.

Segundo Bertagni, os efeitos de um pico de hidrogênio que pode ocorrer à medida que os incentivos do governo para a produção de hidrogênio se expandem podem ter consequências climáticas de décadas para o planeta. “Se você emitir um pouco de hidrogênio na atmosfera agora, isso levará a um acúmulo progressivo de metano nos anos seguintes”, disse Bertagni.

“Embora o hidrogênio tenha apenas uma vida útil de cerca de dois anos na atmosfera, você ainda terá o feedback de metano desse hidrogênio daqui a 30 anos.” No estudo, os pesquisadores identificaram o ponto de inflexão em que as emissões de hidrogênio levariam a um aumento no metano atmosférico e, assim, prejudicariam alguns dos benefícios de curto prazo do hidrogênio como combustível limpo. Ao identificar esse limite, os pesquisadores estabeleceram metas para o gerenciamento das emissões de hidrogênio.

“É imperativo que sejamos proativos no estabelecimento de limites para as emissões de hidrogênio, para que possam ser usados para informar o projeto e a implementação da futura infraestrutura de hidrogênio”, disse Porporato.

Para o hidrogênio conhecido como hidrogênio verde, que é produzido pela divisão da água em hidrogênio e oxigênio usando eletricidade de fontes renováveis, Bertagni disse que o limite crítico para as emissões de hidrogênio fica em torno de 9%. Isso significa que, se mais de 9% do hidrogênio verde produzido vazar para a atmosfera – seja no ponto de produção, em algum momento durante o transporte ou em qualquer outro lugar ao longo da cadeia de valor – o metano atmosférico aumentaria nas próximas décadas, cancelando alguns dos benefícios climáticos de abandonar os combustíveis fósseis.

E para o hidrogênio azul, que se refere ao hidrogênio produzido por meio da reforma do metano com subsequente captura e armazenamento de carbono, o limite para as emissões é ainda menor. Como o próprio metano é o principal insumo para o processo de reforma do metano, os produtores de hidrogênio azul devem considerar o vazamento direto de metano além do vazamento de hidrogênio. Por exemplo, os pesquisadores descobriram que, mesmo com uma taxa de vazamento de metano tão baixa quanto 0,5%, os vazamentos de hidrogênio teriam que ser mantidos em torno de 4,5% para evitar o aumento das concentrações atmosféricas de metano. “Gerenciar as taxas de vazamento de hidrogênio e metano será crítico”, disse Bertagni. “Se você tiver apenas uma pequena quantidade de vazamento de metano e um pouco de vazamento de hidrogênio, então o hidrogênio azul que você produz realmente pode não ser muito melhor do que o uso de combustíveis fósseis, pelo menos nos próximos 20 a 30 anos.”

Os pesquisadores enfatizaram a importância da escala de tempo em que o efeito do hidrogênio no metano atmosférico é considerado. Bertagni disse que a longo prazo (ao longo de um século, por exemplo), a mudança para uma economia de hidrogênio provavelmente ainda traria benefícios líquidos para o clima, mesmo que os níveis de vazamento de metano e hidrogênio sejam altos o suficiente para causar quase termo aquecimento. Eventualmente, disse ele, as concentrações de gás atmosférico atingiriam um novo equilíbrio, e a mudança para uma economia de hidrogênio demonstraria seus benefícios climáticos. Mas antes que isso aconteça, as possíveis consequências de curto prazo das emissões de hidrogênio podem levar a danos ambientais e socioeconômicos irreparáveis.

Assim, se as instituições esperam atingir as metas climáticas de meados do século, Bertagni alertou que o vazamento de hidrogênio e metano para a atmosfera deve ser controlado à medida que a infraestrutura de hidrogênio começa a ser implementada. E como o hidrogênio é uma molécula pequena notoriamente difícil de controlar e medir, ele explicou que o gerenciamento de emissões provavelmente exigirá que os pesquisadores desenvolvam métodos melhores para rastrear as perdas de hidrogênio em toda a cadeia de valor. “Se empresas e governos levam a sério o investimento de dinheiro para desenvolver o hidrogênio como um recurso, eles precisam garantir que estão fazendo isso de maneira correta e eficiente”, disse Bertagni. “Em última análise, a economia do hidrogênio deve ser construída de forma que não contrarie os esforços de outros setores para mitigar as emissões de carbono”.