„Wasserstoff ist schlimmer für das Klima als CO2.“
Autor/in: Studierender Wintersemester 2024/25
Ohne den natürlichen Treibhausgaseffekt würde die durchschnittliche Temperatur auf der Erde -18,2°C betragen.[1] Ein Teil der Energie, die durch die Sonne auf die Erde gelangt, wird vom Boden absorbiert und als Infrarotstrahlung an die Umgebung abgeben. In der Atmosphäre wird die Infrarotstrahlung wiederum von Treibhausgasen absorbiert und in alle Richtungen emittiert. Dadurch gelangt ein Teil der Infrarotstrahlung wieder zurück zur Erde und es entsteht ein Temperaturgefälle in der Atmosphäre.[2, 3]
Durch die vermehrte Ausstoßung von Treibhausgasen wie CO2 verstärkt sich der Treibhausgaseffekt und die Temperaturen auf der Erde steigen. Ob und wie stark sich eine Gas auf den Klimawandel auswirkt, hängt von seiner Fähigkeit ab, Infrarotstrahlung zu absorbieren.[4] Dazu sind nur Moleküle in der Lage, die durch Schwingung der Atombindungen eine Landungsverschiebung im Molekül erzeugen können. Bei CO2 sind drei Schwingungsformen mit Ladungsverschiebung möglich, weshalb es einen Treibhausgas ist. Dabei variieren die Längen der beiden Atombindungen oder die Winkel zwischen den Atombindungen. in Abbildung 1 sind die Schwingungen von CO2 mit Ladungsverschiebung dargestellt. Das Wasserstoffmolekül ist mit nur einer Bindung zwischen zwei Wasserstoffatomen nicht dazu in der Lage beim Schwingen eine Ladungsverschiebung zu erzeugen.[5]
Abbildung 1: Schwingungsformen von CO2; Übernommen von Bec et al.[5]
Obwohl Wasserstoff selbst keine Infrarotstrahlung aufnehmen kann, wirkt es in der Troposphäre und der Stratosphäre indirekt als Treibhausgas. Durch die Reaktion von Wasserstoff mit Hydroxylradikalen stehen diese nicht mehr für den Methanabbau zur Verfügung. Dadurch verlängert sich die Lebensspanne von Methan, einem der schädlichsten Klimagase. Bei der Reaktion werden außerdem Wasserstoffradikale und Wasser gebildet. In der Troposphäre reagiert das Wasserstoffradikal mit Wasser zu Ozon, welches dort auch als Treibhausgas wirkt.[6, 7] Ozon ist zudem ein Schadstoff für Menschen und Natur, weshalb er in der Troposphäre unerwünscht ist.[8] In der Stratosphäre sorgt das gebildete Wasser für eine Abkühlung. Dadurch bilden sich polare Wolken, welche Wasserstoffradikale besitzen. Diese haben einen negativen Einfluss auf die Ozonbildung in der Stratosphäre.[7, 8] In Abbildung 2 sind die Effekte von Wasserstoff auf das Klima zusammengefasst.
Abbildung 2: Folgen der Wasserstoffemission auf das Klima; Übernommen von Ocko et al.,[6] angepasst mit Warwick et al.[7] und Dutta et al.[8]
Eine Metaanalyse aus dem Jahr 2023 schätzte das Treibhausgaspotential von Wasserstoff in einem Zeitraum von 100 Jahren auf 8 ± 2. Das bedeutet, dass die Emission einer Tonne Wasserstoff innerhalb eines Wirkungszeitraums von 100 Jahren ca. achtmal schädlicher für das Klima ist, als die Emission einer Tonne CO2.[9] Es ist jedoch zu beachten, dass Wasserstoffemissionen hauptsächlich durch ungewollte Leckagen entstehen und nicht durch Verbrennung. Bei einem Umstieg von fossilen Brennstoffen auf Wasserstoffantrieb können die Emissionen an CO2 Äquivalenten trotzdem um 96 – 99,6 % reduziert werden.[7]
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass dieselbe Masse Wasserstoff schlimmer für das Klima ist als CO2. Beim Umstieg von fossilen Brennstoffen auf Wasserstoff wird jedoch viel weniger Wasserstoff frei, da es hauptsächlich durch Leckagen zu Emissionen kommt und nicht durch die Verwendung selbst.
Quellen:
[1] J. W. Akitt: Some observation on the greenhouse effect at teh Earth’s surface. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 2018, 188 S. 127-134.
[2] A. A. Lacis, G. A. Schmidt, D. Rind, R. A. Ruedy: Atmospheric CO2: Principa Control Knob Governing Earth’s Temperatur. Science. 2010, 330 (6002), S. 356-359.
[3] T. R. Anderson, E. Hawkins, P. D. Jones: CO2, the greenhouse effect and global warming: from the pioneering work of Arrhenius and Callendar to today’s Earth System Models. Endeavour. 2016, 40 (3), S. 178-187.
[4] S. A. Montzka, E. J. Dlugokencky, J. H. Butler: Non-CO2 greenhouse gases and climate change. Nature. 2011, 476 (7358), S. 43-50.
[5] K. B. Beć, J. Grabska, C. W. Huck: Physical principles of infrared spectroscopy, in Comprehensive Analytical Chemistry Elsevier, 2022, S. 1-43.
[6] I. B. Ocko, S. P. Hamburg: Climate consequences of hydrogen emissions. Atmos. Chem. Phys. 2022, 22 (14), S. 9349-9368.
[7] N. J. Warwick, A. T. Archibald, P. T. Griffiths, J. Keeble, F. M. O’Connor, J. A. Pyle, K. P. Shine: Atmospheric composition and climate impacts of a future hydrogen economy. Atmos. Chem. Phys. 2023, 23 (20), S. 13451-13467.
[8] I. Dutta, R. K. Parsapur, S. Chatterjee, A. M. Hengne, D. Tan, K. Peramaiah, T. I. Solling, O. J. Nielsen, K.-W. Huang: The Role of Fugitive Hydrogen Emissions in Selecting Hydrogen Carriers. ACS Energy Lett. 2023, 8 (7), S. 3251-3257.
[9] R. G. Derwent: Global warming potential (GWP) for hydrogen: Sensitivities, uncertainties and meta-analysis. International Journal of Hydrogen Energy. 2023, 48 (22), S. 8328-8341.