普林斯頓大學和美國國家海洋和大氣協會的研究表明，低層大氣中的一種化學反應可能會限制氫氣作為一種清潔燃料的潛力。其原因是，氫氣在大氣中很容易與負責分解甲烷的同一分子發生反應，而甲烷是一種強效溫室氣體。如果氫氣排放水平超過一個特定的閾值，這種共同反應很可能導致甲烷在大氣中的積累，導致長期的氣候後果。

“氫氣理論上是未來的燃料，”在高草地環境研究所從事碳減排計劃的博士後研究員Matteo Bertagni說。”但在實踐中，它帶來了許多仍需解決的環境和技術問題”。

Bertagni是《自然通訊》上發表的一篇研究文章的第一作者，研究人員在文章中模擬了氫氣排放對大氣中甲烷的影響。他們發現，超過一定的閾值，即使取代了化石燃料的使用，洩漏的氫氣經濟也可能通過增加大氣中的甲烷數量而造成近期的環境危害。對於使用甲烷作為輸入的氫氣生產方法來說，危害的風險更加嚴重，突出了管理和盡量減少氫氣生產排放的關鍵需要。

“我們有很多關於使用氫氣的後果的知識，所以轉向氫氣這種看似清潔的燃料不會造成新的環境挑戰，”托馬斯-J-吳94年土木與環境工程和高草甸環境研究所教授Amilcare Porporato說。Porporato是碳減排計劃的主要調查員和領導小組成員，也是Andlinger能源和環境中心的相關教師。

這個問題可以歸結為一個難以測量的小分子，即羥基自由基（OH）。通常被稱為”對流層的洗滌劑”，OH在消除大氣中的溫室氣體（如甲烷和臭氧）方面起著關鍵作用。

羥基自由基還與大氣中的氫氣發生反應。由於每天產生的羥基數量有限，任何氫氣排放的激增都意味著更多的羥基將被用於分解氫氣，從而使可用於分解甲烷的羥基減少。因此，甲烷將在大氣中停留更長時間，延長其變暖影響。

根據Bertagni的說法，隨著政府對氫氣生產的激勵措施的擴大，可能出現的氫氣高峰的影響可能對地球產生幾十年的氣候影響。

Bertagni說：”如果你現在向大氣中排放一些氫氣，它將導致甲烷在接下來的幾年中逐步積累。即使氫氣在大氣中只有大約兩年的壽命，你在30年後仍然會有來自氫氣的甲烷反饋。”

在這項研究中，研究人員確定了一個臨界點，在這個臨界點上，氫氣排放將導致大氣中甲烷的增加，從而破壞了氫氣作為清潔燃料的一些近期利益。通過確定這一臨界點，研究人員確立了管理氫氣排放的目標。

Porporato說：”當務之急是，我們要積極主動地建立氫氣排放的閾值，以便它們可以被用來為未來氫氣基礎設施的設計和實施提供信息。”

對於被稱為綠色氫氣的氫氣，即利用可再生資源的電力將水分裂成氫氣和氧氣而產生的氫氣，貝爾塔尼說，氫氣排放的臨界值在9%左右。這意味著，如果所生產的綠色氫氣有9%以上洩漏到大氣中–無論是在生產點，還是在運輸過程中的某個時候，或者在價值鏈的任何其他地方–大氣中的甲烷將在未來幾十年內增加，從而抵消掉從化石燃料轉向的一些氣候效益。

而對於藍色氫氣，指的是通過甲烷重整生產的氫氣，隨後進行碳捕獲和儲存，排放的門檻更低。因為甲烷本身是甲烷轉化過程的主要輸入物，藍氫生產商除了考慮氫氣洩漏外，還必須考慮甲烷的直接洩漏。例如，研究人員發現，即使甲烷洩漏率低至0.5%，氫氣洩漏率也必須保持在4.5%左右，以避免增加大氣中的甲烷濃度。

Bertagni說：”管理氫氣和甲烷的洩漏率將是關鍵。如果只有少量的甲烷洩漏和一點氫氣洩漏，那麼你生產的藍色氫氣真的可能不會比使用化石燃料好多少，至少在未來20到30年內是這樣。”

研究人員強調了考慮氫氣對大氣中甲烷影響的時間尺度的重要性。Bertagni說，從長期來看（例如在一個世紀的過程中），即使甲烷和氫氣洩漏水平高到足以導致近期變暖，轉向氫氣經濟仍可能給氣候帶來淨效益。他說，最終，大氣中的氣體濃度將達到一個新的平衡，轉向氫能經濟將顯示其氣候效益。但在這之前，氫氣排放的潛在近期後果可能會導致不可彌補的環境和社會經濟損害。

因此，如果各機構希望達到本世紀中期的氣候目標，Bertagni警告說，隨著氫氣基礎設施的開始推廣，必須控制氫氣和甲烷向大氣的洩漏。而且，由於氫氣是一種小分子，眾所周知難以控制和測量，他解釋說，管理排放可能需要研究人員開發更好的方法來跟踪整個價值鏈的氫氣損失。

Bertagni說：”如果公司和政府認真地投入資金開發氫氣這一資源，他們必須確保他們的做法是正確和有效的。最終，氫經濟必須以一種不會抵消其他部門減少碳排放的努力的方式來建立。”