Im Rahmen des Aufbaus großer globaler Produktionskapazitäten für Wasserstoff mit entsprechender Logistik und neuen Anwendungsfeldern stellt sich die Frage nach potentiellen Auswirkungen von Wasserstoff als Klimagas.
Da Wasserstoff keine Infrarotstrahlung absorbiert, ist seine Klimawirkung nur indirekter Natur durch Wechselwirkung mit anderen Bestandteilen der oberen Atmosphäre.
Wasserstoff ist ein besonders flüchtiges und permeables Gas, welches schnell in obere Luftschichten aufsteigt und dort unter Bildung von Wasser bzw. Reaktion mit anderen Gasen empfindliche Gleichgewichte beeinflusst. So haben die Wasserstoff-Emissionen insbesondere Auswirkungen auf andere Klimagase wie Kohlendioxid und Methan.
Schon 2003 und 2005 wurde auf das Risiko hingewiesen, dass größere Wasserstoff-Emissionen den Abbau von Ozon, aber auch eine Abkühlung der Stratosphäre infolge des gebildeten Wassers in Form von Wolkenbildung verursachen könnten.
Die globale Umstellung auf eine Wasserstoff-Wirtschaft stellt daher zukünftig höhere Anforderungen an die Minimierung von Emissionen vor allem verursacht durch Leckagen. „Best Practice“-Standards für technische Maßnahmen sind erforderlich, um die Verluste in der gesamten Versorgungskette zu begrenzen.
Wasserstoff in der oberen Atmosphäre
Der atmosphärische Abbau von Wasserstoff erfolgt durch Reaktion mit Hydroxylradikalen als Grundreaktion für die indirekte Klimawirkung mit mehreren Folgereaktionen. Abb.1 zeigt dies schematisch.
Der Methanabbau in der Troposphäre durch Reaktion mit Hydroxylradikalen zu letztlich Wasser und CO2 wird durch die konkurrierende Reaktion von Methan mit Wasserstoff verlangsamt und verstärkt damit die Klimawirkung der Methanemissionen.
Grafik 1 (siehe PDF-Dokument)
Wasserstoffradikale, die aus Wasserstoff durch Reaktion mit Hydroxylradikalen entstehen, befördern in einer Reaktionskette mit Stickoxiden die Bildung von Ozon und damit zusätzlicher Erwärmung und verzögerter Verkleinerung des Ozonlochs.
Die Erhöhung der Wasserdampfkonzentration in der Stratosphäre führt zu Abkühlungseffekten, vermehrter Wolkenbildung und verringerter Abstrahlung sowie ebenfalls einer Verstärkung der Ozonbildung.
Klimawirkung von Wasserstoff im Vergleich zu CO2
Eine umfangreiche Recherche des Umweltbundesamts (UBA) über die Treibhausgaswirkung von Wasserstoff ergibt die in Tab. 1 dargestellten Treibhausgas-Faktoren im Vergleich zu CO2.
Neuere Untersuchungen von Warwick et al und Ocko et al kommen übereinstimmend zu dem Schluss, dass das Erderwärmungspotenzial von Wasserstoff etwa doppelt so hoch ist wie bisher angenommen und über einen Zeitraum von 100 Jahren eine Tonne Wasserstoff in der Atmosphäre die Erde etwa elfmal stärker als eine Tonne CO2 erwärmt.
Grafik 2 (siehe PDF-Dokument)
Szenarien für Wasserstoffemissionen
Die Größenordnung von Wasserstoffemissionen, ihre zeitliche Entwicklung und die Maßnahmen zur Emissionsbegrenzung durch technische Maßnahmen können derzeit nur grob geschätzt und über Annahmen umrissen werden.
Warwick et al basieren ihre Abschätzung auf einem globalen Energiebedarf von ca. 7.566 Mio. Tonnen Öl-Äquivalent (bezogen auf das Jahr 2018) in den Sektoren Gebäude, Transport und Energieerzeugung. Dies umfassen ca. 75 % des globalen Gesamtenergiebedarfs.
Je nach Nutzungssektor wird im Modell ein Energieträger auf einen angenommenen Wasserstoffanteil umgestellt, siehe Tab. 2.
Damit entsteht ein Wasserstoffbedarf von 859 Terragramm = 859 Mio. Tonnen H2. Bei 1 % bzw. 10 % angenommener Leckage entspricht dies einer jährlichen Wasserstoffemission von 8,7 Mio. Tonnen bzw. 95,5 Mio. Tonnen. Zum Vergleich: die heutige Wasserstoffkonzentration in der Atmosphäre beträgt ca. 89 Mio Tonnen.
Grafik 3 (siehe PDF-Dokument)
Leckagen
In einer in und für Großbritannien erstellten Studie wurden Leckageraten für die gesamte Kette der Wasserstofferzeugung (Elektrolyse oder grau mit CCS) über den Transport und die Verteilung bis hin zu den Verbrauchern untersucht, die gleichzeitig auch das Potenzial für Maßnahmen zur Eingrenzung der Verluste aufzeigen, siehe Tab.3.
Auffällig hierbei sind die hohen Verluste bei der Wasserstoffherstellung durch Elektrolyse, bedingt durch An- und Abfahren, Umschalt- und Spülvorgänge, ferner die Verluste beim Flüssig-Transport.
Schätzungen gehen davon aus, dass Wasserstoff-Emissionen durch Leckagen einen (sicher als „worst case“ zu bezeichnenden) Klimaeffekt von bis zu 0,15 – 0,35 °C (bezogen auf 3000 Terragramm = 3 Gigatonnen Wasserstoff und 10 % Leckageraten) haben könnten, Abb. 2.
Grafik 4 (siehe PDF-Dokument)
Fazit: Relevanz von Wasserstoff-Emissionen
Die Kenntnisse über die Klimawirkung von Wasserstoff sind bisher äußerst begrenzt, könnten aber im Zuge der Ausweitung der Wasserstoff-Produktion und der damit verbundenen Liefer- und Handlingketten relevant werden.
Gesichert ist, dass Wasserstoff im Vergleich zu CO2 ein 11faches (bezogen auf 100 Jahre) und vermutlich ca. 30faches (bezogen auf 20 Jahre) Treibhausgaspotential hat.
Wasserstoff ist ein indirektes Klimagas. Es reagiert in der oberen Atmosphäre zu Wasserdampf (mit einer entsprechenden abschirmenden Wirkung) und fördert den Abbau von Ozon.
Alle bisherigen Modelle ergeben eine Wasserstoff-Konzentration in der Atmosphäre von wenigen ppm. Welchen Einfluss dabei die indirekte Klimawirkung von Wasserstoff auf die globale Erwärmung hat, lässt sich derzeit nicht bestimmen.
Allgemein akzeptierte „Best Practices“ oder Standards zur Senkung der Emissionen vor allem bei den Hauptquellen Elektrolyse und Flüssig-H2-Transport gibt es derzeit nicht.
Die technisch bedingten und beeinflussbaren Wasserstoffverluste bewegen sich geschätzt im einstelligen Prozentbereich und bis zu 10 % bei der Elektrolyse.
Allerdings ist die allgemeine Vorstellung, dass die Erzeugung und Nutzung von Wasserstoff, vor allem auch von Elektrolysewasserstoff klimaneutral sei, falsch. In der Gesamtbetrachtung ist davon auszugehen, dass zusätzliche Klimaeffekte durch Wasserstoff vergleichsweise gering sind und die positiven Effekte durch vermehrte Verwendung von Wasserstoff und die damit verbundene Absenkung der Emissionen anderer Klimagase wie CO2 überwiegen.
In diesem Zusammenhang erstaunlich ist die Tatsache, dass Wasserstoff nicht in der Liste der Klimagase des Pariser Klimaschutzabkommens geführt wird und daher auch nicht in die einzelnen Klimabilanzen eingeht.
