Anglies dioksido emisijos: tiesioginis naudojimas ir viso gyvavimo ciklo analizė

Deginimas naudojimo vietoje: nulinis CO₂ vandenilio energijos kiekis prieš aukštą CO₂ natūraliojo dujų kiekį

Deginant vandenilį tiesiogiai išsiskiria tik vandens garai – naudojimo vietoje išsiskiria nulis CO₂. Priešingai, gamtinių dujų deginimas išskiria apytiksliai 0,18 kg CO₂ kiekvienam kWh ir sudaro daugiau nei 20 % visų pasaulinių iškastinio kuro susijusių CO₂ emisijų. Tai daro vandenilį patraukliu dekarbonizacijos įrankiu pramoniniam šildymui, sunkiajam transportui ir elektros energijos gamybai, kur elektrifikacija yra netikslinga. Svarbiausia, kad vandenilio anglies nebuvimas taip pat pašalina dūmų, dulkių, sieros dioksido ir gyvsidabrio emisijas – tai suteikia nedelsiant naudos orų kokybei kartu su klimato apsaugos priemonėmis.

Kodėl būtina atlikti viso gyvavimo ciklo analizę: nuo gamybos iki galutinio naudojimo

Susitelkus tik į išmetamųjų dujų vamzdžių arba kaminų emisijas, tikroji aplinkos poveikio vertinimo tikslumas yra iškreipiamas. Griežta gyvavimo ciklo analizė (GCA) įvertina emisijas per tris etapus: gamybą (pvz., garinį metano reformavimą ar elektrolizę), perdirbimą ir vežimą bei naudojimą deginant. Vandenilio atveju GCA atskleidžia ryškius skirtumus priklausomai nuo gamybos būdo: pilkas vandenilis, gautas gariniu metano reformavimu, išmeta iki 12 kg CO₂ vienam kg H₂ – daugiau nei tiesioginė gamtinės dujos deginant. Tuo tarpu gamtinės dujos sistemos praranda metaną – neperdegusį angliavandenį, kurio šiltnamio efekto potencialas (ŠEP) yra 28–36 kartus didesnis už CO₂ ŠEP per 100 metų – o naujausi lauko tyrimai rodo, kad faktinės netikėtos emisijos gali būti 50–100 % didesnės nei reguliavimo organų įvertinimai. Be GCA emisijos tiesiog perkeliama – o ne sumažinama – tai užmaskuoja bendrą klimato rezultatą.

Vandenilio energijos gamybos keliai ir jų aplinkos poveikis

Pilkasis vandenilis: šiuo metu vyraujantis CO₂ intensyvus garinis metano reformavimas

Pilkoji vandenilis – gaminamas naudojant gamtinio dujų garinį metano reformavimą (SMR) – sudaro apytiksliai 62 % viso pasaulinio vandenilio gamybos kiekio, remiantis 2023 m. energijos analizėmis. Kiekvienas kilogramas vandenilio sukuria 10–12 kg CO₂, dėl ko vandenilio gamyba kasmet sukelia apytiksliai 920 mln. tonų CO₂ emisijų. Anglies pagrindu gaminamas vandenilis sudaro dar 28 % gamybos, kiekvienam vandenilio kilogramui išsklendžiant 22–26 kg CO₂. Kartu fosilinės kilmės gamybos būdai sudaro daugiau nei 90 % dabartinės tiekimo dalies – mažiau nei 1 % šių būdų naudoja anglies pašalinimą ar atsinaujinančiuosius išteklius. Šis įsitvirtinęs priklausomumas pabrėžia infrastruktūros perėjimo mastą, reikalingą giliems dekarbonizacijos tikslams pasiekti.

Mėlynasis vandenilis: anglies pašalinimo ribojimai ir metano nuotėkiai pakenkia klimato naudai

Mėlynasis vandenilis taiko anglies dioksido sugavimą ir saugojimą (CCS) SMR procese, tačiau realiame pasaulyje jo našumas neatitinka teorinio potencialo. Komercinėse CCS įmonėse iš procesų išskiriamo CO₂ sugaunama tik 60–90 %, o aukštutinės grandies metano nuotėkiai – vidutiniškai 3,5 % gamybos kiekio – sukelia reikšmingą šiltnamio efektą. Kadangi metano šiltnamio efekto potencialas (GWP) per 100 metų yra 25 kartus didesnis nei CO₂, tokie nuotėkiai padidina mėlynojo vandenilio bendrą klimato pėdsaką iki 20 % lyginant su modeliuotais pradinių sąlygų rodikliais. Kitos ribos apima geologinio saugojimo talpos apribojimus ir energijos nuostolius (15–25 % iš viso gaminamo vandenilio sunaudojama sugavimui), todėl mėlynasis vandenilis 2023 metais sudarė tik 0,7 % viso pasaulinio vandenilio gamybos.

Žaliasis vandenilis: žemo anglies dioksido emisijų ateitis – priklausoma nuo atsinaujinančių energijos šaltinių elektros tinklo ir efektyvaus elektrolizės proceso

Žaliasis vandenilis – gaminamas elektrolizuojant vandenį, kuriam energiją tiekia atsinaujinančiosios energijos šaltiniai – suteikia beveik nulinį eksploatacijos metu išsiskleidžiančių emisijų kiekį. Tačiau jo viso gyvavimo ciklo pėdsakas labai priklauso nuo elektros tinklo anglies intensyvumo ir elektrolizatoriaus naudingumo. Protonų apmainos membranų (PEM) sistemos šiuo metu reikalauja 50–55 kWh vienam kg H₂; kai jos maitinamos pasaulio vidutine elektros mišriąja energija, emisijos padidėja iki ~15 kg CO₂-ekv./kg H₂ – tai blogiau nei mėlynasis vandenilis. Tik tada, kai naudojama aukšto atsinaujinančiųjų energijos šaltinių dalies elektros energija ir optimizuota infrastruktūra, žaliasis vandenilis artėja prie savo potencialaus rodiklio ≤1,4 kg CO₂-ekv./kg H₂. Kaina vis dar yra kliūtis: ji siekia 4–5,5 JAV dolerių už kg, todėl žaisis vandenilis vis dar 60–120 % brangesnis nei pilkasis vandenilis (2,5 JAV dolerių už kg). Vis dėlto elektrolizinis gamybos būdas 2023 metais išaugo 35 % – tai rodo, kad įdiegimas sparčiai auga link kainomis konkuruojančios ir tikrai mažo anglies pėdsako tiekimo grandinės.

Gamtinis dujų kuras: už CO₂ ribų – metano nuotėkiai ir ekosistemų poveikis

Gamtinio dujų aplinkos rizikos išsiplečia žymiai toliau nei degimo metu išsiskiriantis CO₂. Metano nuotėkiai per visą ekstrakcijos, perdavimo ir pristatymo infrastruktūrą yra pagrindinė problema: jo globalinio potencialo šiltnamio efektui (GWP) reikšmė yra 28–36 kartus didesnė nei CO₂ šimtmečio laikotarpiu (Clean Wisconsin, 2023 m.), o lauko matavimai nuolat parodo, kad deklaruojamos emisijų ataskaitos faktines emisijas nepakankamai įvertina 50–100 % dydžiu. Hidraulinis skaldymas dar labiau pablogina šią padėtį – vienam gręžinyui sunaudojama 15–25 milijonai litrų vandens, chemikalais užteršiamos požeminės vandens atsargos, suskaidomos gyvenamosios vietos, o į orą išsisklaido lakiosios organinės medžiagos (VOC), kurios pablogina regioninę oro kokybę. Skirtingai nuo vandenilio, kuris visiškai pašalina teršalus naudojimo vietoje, gamtinio dujų infrastruktūra sukelia kaupiamąją ekologinę žalą – nuo požeminio vandens užteršimo iki biologinės įvairovės nykimo – ir tai turi būti visiškai įvertinta gyvavimo ciklo analizėje (LCA).

Palyginamieji aplinkos kompromisai: oro kokybė, vandens naudojimas ir žemės plotų poreikis

NOₓ ir dalelių emisija iš degimo: vandenilis suteikia akivaizdžių privalumų orų kokybei

Degant vandeniliui, susidaro nepastebimi NOₓ kiekiai ir visiškai nesigamina dalelių medžiagų – įskaitant PM _2.5, kurios yra viena iš kvėpavimo takų ligų ir ankstyvo mirties priežasčių. Vandeniliu varomi turbinų varikliai išmeta iki 90 % mažiau NOₓ nei gamtinio dujų analogai, todėl miestuose ir pramonės zonose, kur orų kokybė neatitinka standartų, tai suteikia matomų visuomenės sveikatos pranašumų. Be to, vandenilis visiškai išvengia sieros dioksido ir gyvsidabrio išmetimo – teršalų, susijusių su rūgščiuoju lietumi ir neurotoksiškumu, – todėl jis ypač tinkamas siekiant švaraus oro politikos tikslų.

Žaliojo vandenilio gamybos vandens suvartojimas palyginti su gamtinio dujų gavyba naudojant hidraulinį skleidimą

Žaliosios vandenilio gamybai reikia apie 9 litrus valytos vandens vienam kilogramui H₂ – tai nedidelis kiekis palyginti su daugeliu pramonės procesų. Priešingai, vienas hidraulinio skleidimo (fraktūrizavimo) šulinys kasmet sunaudoja 15–25 milijonus litrų vandens, dažnai imdamas jį iš įtemptų gėlo vandens šaltinių ir keldamas neišvengiamos požeminio vandens telkinių užteršimo riziką. Nors jūros vandens desalinizacija galėtų palaikyti pakrantėse įsikūrusius žaliuosius vandenilio centrus, fraktūrizavimo vandens sąnaudos ir užteršimo rizika kelia sisteminę grėsmę baseinams ir žemės ūkio gyvybingumui – tai akivaizdžiai parodo vandenilio pranašumą, susijusį su cirkuliacinėmis vandens valdymo strategijomis.

D.U.K.

Kas yra pilkasis vandenilis ir kodėl jo gamyba yra CO₂ intensyvi?

Pilkasis vandenilis gaminamas naudojant gamtinio dujų garinį metano reformavimą. Šiame procese išsiskiria 10–12 kg CO₂ vienam kilogramui pagaminto vandenilio, dėl ko žymiai padidėja metinės CO₂ emisijos.

Kaip žaliasis vandenilis skiriasi nuo kitų vandenilio gamybos būdų?

Žaliasis vandenilis gaminamas elektrolizuojant vandenį naudojant atsinaujinančią energiją. Jis užtikrina beveik nulinį eksploatacijos metu išsiskleidžiančių emisijų kiekį, tačiau jo gamyba priklauso nuo atsinaujinančiosios energijos tiekimo iš elektros tinklo ir efektyvaus elektrolizės proceso, kad būtų išlaikytas žemas CO₂ išmetimas.

Kokie aplinkos susirūpinimai susiję su gamtiniu dujų naudojimu?

Gamtinių dujų gamyba ir naudojimas susiję su metano nuotėkiais, kurie turi didelį globalinio atšilimo potencialą, bei su skysčių slėginio šakojimo (hidraulinio fraktūrizavimo) technologija, kuri gali užteršti vandens šaltinius ir pažeisti ekosistemas.

Kaip vandenilio deginimas veikia orų kokybę palyginti su gamtinėmis dujomis?

Deginant vandenilį susidaro nepastebimi azoto oksidų (NOₓ) kiekiai ir visiškai nesigamina kietųjų dalelių, todėl tai suteikia orų kokybės pranašumų palyginti su gamtinėmis dujomis, kurios išskleidžia didesnius azoto oksidų ir kitų teršalų kiekius.