El potencial del hidrógeno como combustible limpio podría verse limitado por una reacción química en la atmósfera inferior, según una investigación de la Universidad de Princeton y la Asociación Nacional Oceánica y Atmosférica.
Esto se debe a que el gas hidrógeno reacciona fácilmente en la atmósfera con la misma molécula que es la principal responsable de descomponer el metano, un potente gas de efecto invernadero. Si las emisiones de hidrógeno exceden un cierto umbral, esa reacción compartida probablemente conducirá a la acumulación de metano en la atmósfera, con consecuencias climáticas de décadas.
«El hidrógeno es teóricamente el combustible del futuro», dijo Matteo Bertagni, investigador postdoctoral en el Instituto Ambiental de High Meadows que trabaja en la Iniciativa de Mitigación de Carbono. «En la práctica, sin embargo, plantea muchas preocupaciones ambientales y tecnológicas que aún deben abordarse».
Bertagni es el primer autor de un artículo de investigación publicado en Comunicaciones de la naturaleza, en el que los investigadores modelaron el efecto de las emisiones de hidrógeno en el metano atmosférico. Descubrieron que por encima de cierto umbral, incluso cuando se reemplaza el uso de combustibles fósiles, una economía de hidrógeno con fugas podría causar daños ambientales a corto plazo al aumentar la cantidad de metano en la atmósfera. El riesgo de daño se ve agravado por los métodos de producción de hidrógeno que utilizan metano como insumo, lo que destaca la necesidad crítica de gestionar y minimizar las emisiones de la producción de hidrógeno.
«Tenemos mucho que aprender sobre las consecuencias del uso de hidrógeno, por lo que el cambio a hidrógeno, un combustible aparentemente limpio, no crea nuevos desafíos ambientales», dijo Amilcare Porporato, profesor de ingeniería civil y ambiental Thomas J. Wu ’94. y el Instituto Ambiental de High Meadows. Porporato es investigador principal y miembro del Equipo de Liderazgo de la Iniciativa de Mitigación de Carbono y también es profesor asociado en el Centro Andlinger para la Energía y el Medio Ambiente.
El problema se reduce a una molécula pequeña y difícil de medir conocida como radical hidroxilo (OH). A menudo denominado «el detergente de la troposfera», el OH desempeña un papel fundamental en la eliminación de gases de efecto invernadero como el metano y el ozono de la atmósfera.
El radical hidroxilo también reacciona con gas hidrógeno en la atmósfera. Y dado que cada día se genera una cantidad limitada de OH, cualquier aumento en las emisiones de hidrógeno significa que se usaría más OH para descomponer el hidrógeno, dejando menos OH disponible para descomponer el metano. Como consecuencia, el metano permanecería más tiempo en la atmósfera, extendiendo sus impactos de calentamiento.
Según Bertagni, los efectos de un pico de hidrógeno que podría ocurrir a medida que se expandan los incentivos gubernamentales para la producción de hidrógeno podrían tener consecuencias climáticas para el planeta durante décadas.
«Si emite algo de hidrógeno a la atmósfera ahora, conducirá a una acumulación progresiva de metano en los próximos años», dijo Bertagni. «Aunque el hidrógeno solo tiene una vida útil de alrededor de dos años en la atmósfera, todavía tendrá la retroalimentación de metano de ese hidrógeno dentro de 30 años».
En el estudio, los investigadores identificaron el punto de inflexión en el que las emisiones de hidrógeno conducirían a un aumento del metano atmosférico y, por lo tanto, socavarían algunos de los beneficios a corto plazo del hidrógeno como combustible limpio. Al identificar ese umbral, los investigadores establecieron objetivos para gestionar las emisiones de hidrógeno.
«Es imperativo que seamos proactivos en el establecimiento de umbrales para las emisiones de hidrógeno, de modo que puedan usarse para informar el diseño y la implementación de la futura infraestructura de hidrógeno», dijo Porporato.
Para el hidrógeno denominado hidrógeno verde, que se produce al dividir el agua en hidrógeno y oxígeno utilizando electricidad de fuentes renovables, Bertagni dijo que el umbral crítico para las emisiones de hidrógeno se sitúa en torno al 9%. Eso significa que si más del 9% del hidrógeno verde producido se filtra a la atmósfera, ya sea en el punto de producción, en algún momento durante el transporte o en cualquier otro lugar a lo largo de la cadena de valor, el metano atmosférico aumentaría en las próximas décadas. , anulando algunos de los beneficios climáticos de abandonar los combustibles fósiles.
Y para el hidrógeno azul, que se refiere al hidrógeno producido a través del reformado de metano con la posterior captura y almacenamiento de carbono, el umbral de emisiones es aún más bajo. Debido a que el metano en sí mismo es el insumo principal para el proceso de reformado de metano, los productores de hidrógeno azul deben considerar la fuga directa de metano además de la fuga de hidrógeno. Por ejemplo, los investigadores descubrieron que incluso con una tasa de fuga de metano tan baja como el 0,5 %, las fugas de hidrógeno tendrían que mantenerse por debajo del 4,5 % para evitar el aumento de las concentraciones de metano en la atmósfera.
«La gestión de las tasas de fuga de hidrógeno y metano será fundamental», dijo Bertagni. «Si tiene solo una pequeña cantidad de fuga de metano y un poco de fuga de hidrógeno, entonces el hidrógeno azul que produce realmente podría no ser mucho mejor que usar combustibles fósiles, al menos durante los próximos 20 a 30 años».
Los investigadores enfatizaron la importancia de la escala de tiempo en la que se considera el efecto del hidrógeno sobre el metano atmosférico. Bertagni dijo que a largo plazo (en el transcurso de un siglo, por ejemplo), el cambio a una economía de hidrógeno probablemente aún generaría beneficios netos para el clima, incluso si los niveles de fuga de metano e hidrógeno son lo suficientemente altos como para causar casi término calentamiento. Eventualmente, dijo, las concentraciones de gas atmosférico alcanzarían un nuevo equilibrio, y el cambio a una economía de hidrógeno demostraría sus beneficios climáticos. Pero antes de que eso suceda, las posibles consecuencias a corto plazo de las emisiones de hidrógeno podrían provocar daños ambientales y socioeconómicos irreparables.
Por lo tanto, si las instituciones esperan cumplir con los objetivos climáticos de mediados de siglo, Bertagni advirtió que las fugas de hidrógeno y metano a la atmósfera deben controlarse a medida que comienza a implementarse la infraestructura de hidrógeno. Y debido a que el hidrógeno es una molécula pequeña que es notoriamente difícil de controlar y medir, explicó que la gestión de las emisiones probablemente requerirá que los investigadores desarrollen mejores métodos para rastrear las pérdidas de hidrógeno a lo largo de la cadena de valor.
«Si las empresas y los gobiernos se toman en serio la inversión de dinero para desarrollar el hidrógeno como recurso, deben asegurarse de hacerlo de manera correcta y eficiente», dijo Bertagni. «En última instancia, la economía del hidrógeno debe construirse de una manera que no contrarreste los esfuerzos de otros sectores para mitigar las emisiones de carbono».
