Gleichgewichtszustand des Klimas bei Störung der H2-Emissionen erst nach Jahrhunderten erreicht
Wasserstoff, das als indirektes Klimagas Störungen der drei starken Treibhausgase Methan, Ozon und stratosphärischer Wasserdampf hervorruft, wird als wichtiger künftiger Energieträger für Anwendungen in vielen Sektoren angesehen. Unter Verwendung von Daten aus einem hochmodernen globalen numerischen Modell berechneten Forscher aus Frankreich, Norwegen, Großbritannien und den USA die Wasserstoff-Klimakennzahlen als Funktion des betrachteten Zeithorizonts und leiten ein 100-jähriges Treibhauspotenzial von 12,8 ± 5,2 und ein 20-jähriges Treibhauspotenzial von 40,1 ± 24,1 ab. Die Ergebnisse ihrer Untersuchung wurden am 26.11.2022 open access in nature communications earth & environment veröffentlicht.
Wasserstoff-Tanklastzug – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft, für Solarify
Die betrachteten Szenarien für einen zukünftigen Übergang zu Wasserstoff zeigen, dass eine grüne Wasserstoffwirtschaft für alle politisch relevanten Zeithorizonte und Leckageraten vorteilhaft ist, was die Verringerung der Kohlendioxidemissionen angeht. Im Gegensatz dazu verringern die mit blauem Wasserstoff verbundenen Kohlendioxid- und Methanemissionen den Nutzen einer Wasserstoffwirtschaft und führen bei einer hohen Leckagerate oder einem hohen Anteil an blauem Wasserstoff zu einer Klimabelastung. Die Leckagerate und die Wasserstoffproduktionspfade sind wichtige Hebel, um einen klaren Klimavorteil durch einen groß angelegten Übergang zu einer Wasserstoffwirtschaft zu erreichen.
Molekularer Wasserstoff (H2) wird zunehmend als Schlüsselelement der weltweiten Energiewende dargestellt, die erforderlich ist, um die globale Erwärmung zu begrenzen und das Klimaziel des Pariser Abkommens zu erreichen. H2 wird als wichtiger zukünftiger Energievektor für Anwendungen in den Bereichen Stromerzeugung, Verkehr, Industrie, Gebäudeheizung und Energiespeicherung anerkannt. Die Verwendung von durch Grünstrom erzeugtem Wasserstoff ermöglicht die Umwandlung und Speicherung von Energie und kann einen Weg zur Dekarbonisierung von schwer zu dekarbonisierenden Wirtschaftssektoren bieten, wie z. B. Langstreckentransporte mit Lastkraftwagen und Flugzeugen, Schwerindustrie oder für den häuslichen Gebrauch in Mischung mit Erdgas.
H2 ist ein symmetrisches Molekül, das bei den in der Erdatmosphäre herrschenden Temperatur- und Druckbedingungen keinen direkten Einfluss auf die Infrarotstrahlung hat. Wasserstoff gilt jedoch als indirektes Treibhausgas, da er an chemischen Reaktionen beteiligt ist, die die Lebensdauer und Konzentration anderer Treibhausgase beeinflussen. Insbesondere wird durch die troposphärische Oxidation von H2 das Hydroxylradikal (OH) abgebaut. Da OH die wichtigste Senke für das starke Treibhausgas Methan ist, führt dies zu einer Verlängerung der atmosphärischen Lebensdauer von Methan. H2 und Methan sind auch Vorläufersubstanzen für troposphärisches Ozon und eine photochemische Quelle für Wasserdampf in der trockenen Stratosphäre, die beide ebenfalls als Treibhausgase wirken.
Firnluftmessungen am Südpol zeigten, dass die Wasserstoffkonzentration von etwa 350 ppbv (parts per billion) im Jahr 1910 auf etwa 540 ppbv im Jahr 2000 gestiegen ist. Die heutigen Quellen für H2 sind die Oxidation von Methan und anderen Kohlenwasserstoffen in der Atmosphäre (56 %), die Verbrennung fossiler Brennstoffe (23 %), die Verbrennung von Biomasse (12 %) und die Stickstofffixierung in den Böden und im Meer (12 %). Wasserstoff wird aus der Atmosphäre durch Oxidation mit OH (etwa 25 %) und durch Aufnahme in den Boden aufgrund bakterieller Aktivität (etwa 75 %) entfernt. Die H2-Belastung der Troposphäre und die Bedingungen für ihre Produktion und Zerstörung sind jedoch sowohl hinsichtlich der Größenordnung als auch der Verteilung unsicher. Insbesondere bei der entscheidenden Rolle, die der biologische H2-Verbrauch im Boden spielt, gibt es erhebliche Unterschiede zwischen den verschiedenen Schätzungen. Dies spiegelt sich in der großen Bandbreite der Schätzungen für die Lebensdauer von H2 in der Troposphäre wider.
Klimaauswirkungen von Wasserstoff vergleichsweise gering
Die Entwicklung einer künftigen Wasserstoffwirtschaft in großem Maßstab birgt das Potenzial, die atmosphärische H2-Quelle durch Leckagen während der Produktion, des Transports, der Lagerung und der Nutzung zu vergrößern. Aus früheren Berichten geht hervor, dass die Leckageraten zwischen 1 und 10 % liegen dürften. Im Folgenden werden diese Leckageraten als niedrige bzw. hohe Leckageraten bezeichnet. Es wurde festgestellt, dass diese flüchtigen Wasserstoffemissionen nur geringe Auswirkungen auf die Luftqualität und den Abbau des stratosphärischen Ozons haben, es sei denn, es werden unrealistische Leckageraten von 20 % berücksichtigt. Die Auswirkungen von Wasserstoff auf das Klima werden anhand des Treibhauspotenzials (Global Warming Potential, GWP) bewertet oder in jüngerer Zeit anhand des Strahlungsantriebs und der Gleichgewichtstemperaturänderung. Mit berechneten GWP100-Werten von 5,0 ± 1,0 und 3,3 ± 1,4 deuten frühere Bewertungen darauf hin, dass die Klimaauswirkungen von Wasserstoff im Vergleich zu anderen starken Treibhausgasen mit größeren anthropogenen Emissionen wie Kohlendioxid (CO2), Distickstoffoxid (N2O) oder Methan (CH4) relativ gering sind.
In jüngster Zeit ist der Klimanutzen einer Wasserstoffwirtschaft jedoch in Frage gestellt worden. Ein erster Grund dafür ist, dass die Klimaauswirkungen der Wasserstoffwirtschaft davon abhängen, wie der Wasserstoff hergestellt wird. Insbesondere die Produktion von „dekarbonisiertem“ Wasserstoff aus Öl und Gas hängt von der Abscheidung und Speicherung des erzeugten CO2 und den damit verbundenen vorgelagerten Methanleckagen ab. Zweitens: Da die indirekten Auswirkungen von Wasserstoff auf das Klima chemische Reaktionen in der Atmosphäre beinhalten, erschweren die Unsicherheiten bei den Schlüsselprozessen, die die H2-Verteilung und das H2-Budget beeinflussen, eine genaue Quantifizierung der damit verbundenen Strahlungseffekte. Zur Veranschaulichung dieser Ungewissheit wurde in einer neueren Studie der GWP100-Wert von Wasserstoff auf mehr als das Doppelte des zuvor geschätzten Wertes korrigiert. Darüber hinaus wird GWP100, die von der Klimarahmenkonvention der Vereinten Nationen (UNFCCC) bei der Berichterstattung über die Emissionen verschiedener Treibhausgase verwendete Klimamessgröße, häufig dafür kritisiert, dass sie die Bedeutung kurzlebiger Klimaschädiger wie H2 über- oder unterbewertet.
Kürzlich wurde ein zukünftiger Wasserstoffbedarf von bis zu 3000 TgH2/Jahr angesetzt, um eine gleichgewichtige Erhöhung der globalen Oberflächentemperatur abzuleiten. Der Gleichgewichtszustand des Klimas bei einer Störung der Wasserstoffemissionen wird jedoch erst nach Jahrhunderten erreicht, vorausgesetzt, dass alle anderen Parameter konstant bleiben. Um die Auswirkungen von H2 auf das Klima zu quantifizieren, ist es wichtig, das vorübergehende Verhalten der Störung zu berücksichtigen.
Der Einfluss von H2 auf die Lebensdauer von Methan und die damit verbundene GWP-Komponente zeigt ein anderes zeitliches Profil als die anderen kurzfristigen Beiträge von troposphärischem und stratosphärischem Ozon und stratosphärischem H2O und erreicht seinen Höhepunkt bei einem Zeithorizont von 10 Jahren. Der Beitrag von Methan macht 48 bzw. 53 % des H2 GWP20 bzw. GWP100 aus. Das H2 GWP100 ist größer als die frühere Schätzung von 5,8 mit dem dreidimensionalen Modell STOCHEM, der mit demselben Modell neu berechnete Wert von 5,0 ± 1,0 und der mit dem zweidimensionalen Modell TROPOS berechnete Wert von 3,3 ± 1,4. Diese Diskrepanz kann auf eine höhere Strahlungseffizienz von Methan, auf die indirekten Effekte von stratosphärischem H2O und stratosphärischem Ozon, die in den früheren Schätzungen nicht berücksichtigt wurden, und auf die längere Lebensdauer von H2 in der Troposphäre (2,1 Jahre) im Vergleich zu diesen früheren Schätzungen (1,6 Jahre) zurückgeführt werden. Dies macht deutlich, wie empfindlich die Ergebnisse auf die Annahmen zur H2-Aufnahme durch den Boden reagieren. Unsere Ergebnisse stimmen mit einer neueren Schätzung überein, die unter Verwendung eines modernen globalen klimachemischen Modells ein H2-GWP100 von 11 ± 5 ermittelte.
->Quelle: Originalpublikation: Didier Hauglustaine, Fabien Paulot, William Collins, Richard Derwent, Maria Sand & Olivier Boucher: Climate benefit of a future hydrogen economy, in: Communications Earth & Environment Band 3, Artikel Nummer: 295 (2022) – open access