Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen Teil 2.3

Teil 2.3 | Grenzen der heutigen Energieversorgung

2.3.1 | Treibhausgase und Klimawandel

Verbrennt man kohlenstoffhaltige EnergietrÀger, entsteht Kohlendioxid (CO2). Kohlendioxid ist der wesentliche Treiber der menschengemachten, globalen ErwÀrmung (= Klimawandel), die mit dem Beginn der Industrialisierung einsetzte. Bereits in den 1930er Jahren beobachtete Guy Stewart Callendar einen CO2-Anstieg in der AtmosphÀre und einen damit einhergehenden Temperaturanstieg. Er erstellte auch erste Klimaprognosen, die seither immer mehr verfeinert wurden.

Kohlendioxid (chemisch korrekt: Kohlenstoffdioxid) ist ungiftig und ein natĂŒrlicher Bestandteil der ErdatmosphĂ€re. Das „natĂŒrliche“ Kohlendioxid ist Teil eines Kreisprozesses: Bei der Photosynthese wird es von Pflanzen mithilfe der Sonnenenergie und Wasser in energiereichere Kohlenhydrate ĂŒberfĂŒhrt. Dabei wird Sauerstoff freigesetzt, den wiederum Menschen und Tiere zum Leben und Überleben benötigen. Auch die Kohlenhydrate und die daraus gebildete andere Biomasse werden von Mensch und Tier als Nahrung aufgenommen. Sie werden entweder in den Körper eingebaut (zum Beispiel als Fettreserven oder Muskelmasse) oder „verbrannt“, also zu Kohlendioxid und Wasser abgebaut, um ihre Energie zu nutzen. Danach wird das CO2 ĂŒber die Atmung wieder abgegeben.

1.1.1.1      Gutes Treibhaus, schlechtes Treibhaus

Doch was macht dieses CO2 nun mit dem Klima? Die ErdatmosphĂ€re ist weitestgehend durchlĂ€ssig fĂŒr sichtbares Sonnenlicht. Die RĂŒckstrahlung langwelliger Infrarotstrahlung von der Erde ins Weltall wird hingegen von einigen in der AtmosphĂ€re vorhandenen Substanzen teilweise verhindert. Damit verhĂ€lt sich die AtmosphĂ€re Ă€hnlich wie das Glasdach eines Treibhauses. Deshalb spricht man vom Treibhauseffekt.

CO2 ist weder das einzige noch das stĂ€rkste Treibhausgas. Der Treibhauseffekt wird zu zwei Dritteln von Wasserdampf in höheren Luftschichten, zu einem Viertel von Kohlendioxid (vor allem aus den natĂŒrlichen Prozessen) und zu zwei Prozent von Methan hervorgerufen. Das ĂŒbrige Zehntel verteilt sich auf verschiedene andere Gase. Der Treibhauseffekt hebt die durchschnittliche Temperatur der ErdoberflĂ€che um 33 °C an. Ohne dieses PhĂ€nomen lĂ€ge die weltweite Durchschnittstemperatur somit bei -18 °C und nicht bei +15 °C. Wir können also froh sein, dass es den natĂŒrlichen Treibhauseffekt gibt.

Das Problem besteht jedoch darin, dass Menschen seit rund 150 Jahren zusĂ€tzlich CO2, das vor Jahrmillionen gebunden wurde, freisetzen. So ist die globale Durchschnittstemperatur seit der Zeit vor der Industrialisierung um gut ein Grad gestiegen. Dies macht sich bereits seit langem bemerkbar: Die HĂ€ufung von DĂŒrren, Starkregen, WaldbrĂ€nden und Hitzerekorden in den letzten Jahren ist wissenschaftlich nur nachvollziehbar, wenn man den Klimawandel mit einbezieht.

Recht neu in der öffentlichen Diskussion sind sich selbst verstĂ€rkende Effekte (positive RĂŒckkopplungen), die schlimmstenfalls zu sogenannten Kipppunkten in der Klimadynamik fĂŒhren könnten: Brennen beispielsweise durch die Trockenheit mehr WĂ€lder und Moore, setzen sie zusĂ€tzliches CO2 frei. Die dadurch entstandenen schwarzen FlĂ€chen erhitzen sich stĂ€rker als die zuvor grĂŒnen Gebiete, wodurch es noch trockener und wĂ€rmer wird als vorher. Auch wenn Eis schmilzt, verwandeln sich helle FlĂ€chen in dunkle und verstĂ€rken die ErwĂ€rmung. Höhere Temperaturen fĂŒhren auch zum Auftauen der Permafrostböden, aus denen dann das Klimagas Methan in die AtmosphĂ€re aufsteigt und die Erde noch weiter aufheizt.

In den letzten Jahren wurden solche PhĂ€nomene vermehrt beobachtet. Wissenschaftler befĂŒrchten daher, dass diese Dynamik schon in wenigen Jahren nicht mehr aufzuhalten ist. So können sich auch prĂ€gende KlimaphĂ€nomene verĂ€ndern: Indem das Eis vor Grönland schmilzt, gelangt dort immer mehr SĂŒĂŸwasser ins Meer. Das sorgt bereits jetzt dafĂŒr, dass der Golfstrom, der angenehm warme Luft nach Mitteleuropa befördert, langsamer geworden ist.

Sogenannte „Klimaskeptiker“ halten dagegen, das Klima habe sich in der Erdgeschichte schon hĂ€ufig geĂ€ndert. Das ist durchaus richtig. Doch praktisch die gesamte Historie der menschlichen Zivilisation hat sich in den letzten 10.000 Jahren abgespielt, einem Zeitraum mit erdgeschichtlich ungewöhnlich stabilen KlimaverhĂ€ltnissen. Deshalb ist ein Kippen des Klimas fĂŒr die Menschen schlicht nicht vorstellbar. Schnelle KlimaumschwĂŒnge haben in der Erdgeschichte bereits mehrfach zum massenhaften Aussterben von Arten gefĂŒhrt.

Die Aufgabe ist also nicht, „das Klima zu schĂŒtzen“ (ein Klima wird es immer geben), sondern es so stabil zu halten, dass unsere Ökosysteme und damit unsere Lebensgrundlage erhalten bleiben. Damit das gelingt, sollte sich die Erde möglichst nicht mehr als 1,5 °C gegenĂŒber der vorindustriellen Zeit erwĂ€rmen. Eine ErwĂ€rmung um 2 °C gilt als Schmerzgrenze – wĂŒrde es noch wĂ€rmer, wĂ€ren die Folgen immer schwerer kalkulierbar.

Massive Änderungen können Mitte des Jahrhunderts, also fĂŒr Menschen, die heute bereits geboren sind, spĂŒrbar werden. Im Jahr 2016 wurde bereits eine globale ErwĂ€rmung um 1,1 °C gegenĂŒber 1880 registriert. Um die ErwĂ€rmung auf ein tolerables Maß zu begrenzen, muss die gesamte Weltwirtschaft bis 2050 dekarbonisiert werden, besser noch bis 2040. Das ist technisch machbar, sofern wir keine Zeit verlieren.

 

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Abb. 3: Die vom Wissenschaftler Ed Hawkins erfundenen „Warming Stripes“ verdeutlichen die Temperaturentwicklung von kĂŒhlen (blau) zu warmen (rot) Jahren. Grundlagen dieser Grafik sind die Daten des Deutschen Wetterdienstes fĂŒr Berlin/Brandenburg von 1881 bis 2019.

Quelle: showyourstripes.info.2      Klimaschutzabkommen: Viel heiße Luft

Im Jahr 1992 trafen sich die Staaten der Vereinten Nationen in Rio de Janeiro in Brasilien zum ersten Klimagipfel und beschlossen die Klimarahmenkonvention. Sie enthĂ€lt im Wesentlichen das Ziel, die Treibhausgasemissionen so stark zu begrenzen, dass Gefahren durch den Klimawandel fĂŒr die Nahrungserzeugung, die Wirtschaft und die Ökosysteme vermieden werden. Der Weg zu diesem Ziel wird seither auf den regelmĂ€ĂŸigen Vertragsstaatenkonferenzen verhandelt (Conferences of the Parties, COP).

Im Jahr 1997 verstÀndigten sich insgesamt 160 Staaten in der japanischen Stadt Kyoto unter anderem auf die völkerrechtlich verbindliche Begrenzung der CO2-Emissionen durch handelbare Zertifikate (Kyoto-Protokoll).

Die IndustrielĂ€nder verpflichteten sich, ihre Emissionen von Kohlendioxid und Treibhausgasen bis 2012 um durchschnittlich 5,2 Prozent gegenĂŒber dem Vergleichsjahr 1990 zu senken. Offiziell in Kraft getreten ist das Kyoto-Protokoll 2005.

Die EuropĂ€ische Union (EU) sicherte im Zuge dieser Vereinbarung zu, ihre CO2-Emissionen um acht Prozent bis 2012 zu reduzieren. Wegen der unterschiedlichen Lastverteilung innerhalb der EU sagte die Bundesrepublik Deutschland 21 Prozent zu, wĂ€hrend anderen europĂ€ischen LĂ€ndern ein Anstieg ihrer Zahlen zugestanden wurde (z. B. Griechenland: +25 Prozent). Bis zum Jahr 2020 war ursprĂŒnglich eine Emissionsreduktion von 30 Prozent und bis 2040 von 70 Prozent angepeilt worden. Diese Zielsetzung wurde jedoch in zahllosen Verhandlungen aufgegeben. Ende 2008 stimmte das EU-Parlament stattdessen dafĂŒr, 20 Prozent Treibhausgasemissionsverminderung bis 2020 anzupeilen. Dieses Ziel wurde bereits erreicht. Allerdings spielten dabei der Zusammenbruch der Schwerindustrie im Osten und die Finanzkrise eine wesentliche Rolle. Das 2008 gesetzte Ziel von 40 Prozent Minderung bis 2030 gilt als deutlich schwerer erreichbar. Erschwerend kommt hinzu, dass es bereits ĂŒberholt ist. Ende 2020 beschloss die EuropĂ€ische Kommission im Rahmen ihres „Green Deal“, das 2030-Ziel auf 55 Prozent zu verschĂ€rfen. Die Anstrengungen werden also ebenfalls deutlich steigen mĂŒssen.

 

Abb. 4: Die Treibhausgasemissionen in Deutschland sinken seit 1990. Verglichen mit den angestrebten Minderungen (pinke Balken) geht es allerdings zu langsam.

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Quelle: Umweltbundesamt

Momentan emittieren fast alle LĂ€nder eher mehr als weniger Kohlendioxid gegenĂŒber 1990. Lediglich Wirtschaftskrisen fĂŒhrten zu vorĂŒbergehenden RĂŒckgĂ€ngen: der Zusammenbruch der Sowjetunion, der Bankencrash und zuletzt die Coronakrise. In den Vereinigten Staaten von Amerika, die fĂŒr einen Großteil des weltweiten CO2-Ausstoßes verantwortlich sind, zeigt sich ein widersprĂŒchliches Bild: Seit dem Jahr 2000 gehen die Emissionen tendenziell zurĂŒck. Dieser Trend hielt sogar unter US-PrĂ€sident Donald Trump an, denn die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien ist in weiten Teilen des Landes inzwischen die billigste Erzeugungsart geworden.

Deutlich erkennbar ist auch, dass China und Indien aufgrund ihres enormen Wirtschaftswachstums weiterhin stark an Emissionen zulegen. Das Gleiche gilt fĂŒr LĂ€nder wie SĂŒdkorea und Indonesien. China ist seit 2007 Hauptemittent von Kohlendioxid und erzeugte 2018 mehr als ein Viertel der globalen Emissionen. Abgesehen vom EmissionsrĂŒckgang, der durch die Corona-Pandemie bedingt ist, muss man feststellen: Eine globale Trendwende ist bei den Treibhausgasen nicht in Sicht.

1.1.1.3      Die Rolle des Wasserdampfes fĂŒr das Klima

Obwohl Wasserdampf fĂŒr das Klima eine wichtige Rolle spielt, kommt er in der öffentlichen Diskussion kaum vor. Manch einer wittert hier eine Verschwörung in dem Sinne, dass die wahren Ursachen der ErderwĂ€rmung verzerrt werden sollen. TatsĂ€chlich ist aber die Rolle des Wasserdampfes in den Klimamodellen sehr wohl berĂŒcksichtigt.

Wasserdampf ist fast allgegenwĂ€rtig auf der Erde. Aus Meeren und Seen, FlĂŒssen und PfĂŒtzen verdunsten jedes Jahr rund 525 Billionen Tonnen Wasser. Die mittlere Verweildauer eines H2O-MolekĂŒls in der AtmosphĂ€re ist allerdings nicht sonderlich lang, sie betrĂ€gt nur neun Tage. Dann fallen mehrere MolekĂŒle gemeinsam in Form von Regentropfen oder Schneeflocken wieder zu Boden beziehungsweise zurĂŒck ins Wasser. Insgesamt befinden sich so jĂ€hrlich durchschnittlich etwa 13 Billionen Tonnen Wasserdampf in der ErdatmosphĂ€re. Weil Wasserdampf so ein hohes Treibhausgaspotenzial besitzt, wird immer wieder die Frage gestellt, ob eine vermehrte Verbrennung von Wasserstoff sich nicht durch eine VerĂ€nderung der atmosphĂ€rischen Wasserdampfkonzentration auf die Erdtemperatur auswirken mĂŒsste. Tatsache ist: Ein höherer Gehalt an Wasserdampf und eine höhere Temperatur können sich gegenseitig verstĂ€rken. Dabei ist allerdings die Erhitzung durch mehr CO2 der stĂ€rkere Treiber, denn eine wĂ€rmere AtmosphĂ€re nimmt mehr Wasserdampf auf, der wiederum den Treibhauseffekt verstĂ€rkt.

Eine Umstellung des Verkehrssektors auf Wasserstoff als Energiespeicher wĂŒrde dagegen Berechnungen zufolge keine merklichen VerĂ€nderungen bewirken. Nicht einmal mit lokalen PhĂ€nomenen wie vermehrtem Nebel wĂ€re zu rechnen, da im Vergleich zur jetzigen Situation nur bedingt zusĂ€tzlicher Wasserdampf gebildet wird. Bei der Nutzung erneuerbarer Energien fĂŒr die Wasserstoffherstellung per Elektrolyse wĂŒrde aus Wasser mithilfe von Strom Wasserstoff erzeugt, der bei der anschließenden Verbrennung wieder zu Wasserdampf wĂŒrde. Hierbei wĂ€re es fĂŒr das Klima egal, ob dieser Wasserdampf aus dem Auspuffrohr eines Brennstoffzellenautos kĂ€me oder durch Verdunstung ĂŒber einem See entsteht.

Etwas anderes wĂ€re die Herstellung von Wasserstoff aus Erdgas oder anderen fossilen EnergietrĂ€gern. In dem Fall wĂŒrde zusĂ€tzlicher Wasserdampf freigesetzt. Aber auch hier wĂ€re es fĂŒr das Klima egal, ob das Erdgas (oder andere Kohlenwasserstoffe) in einem Verbrennungsmotor verbrannt wird, der dann Wasserdampf emittiert, oder ob in einem zusĂ€tzlichen Umwandlungsschritt zwischenzeitlich Wasserstoff als Energiespeicher genutzt wird.

Wissenschaftler der Ludwig-Bölkow-Systemtechnik (LBST) berechneten bereits im Jahr 1994 den mit der EinfĂŒhrung von Wasserstofffahrzeugen verbundenen weltweiten Wasserdampfausstoß, wobei sie zum Zwecke des Vergleichs zunĂ€chst von der Verbrennung fossiler Brennstoffe ausgingen: Aus einem Liter Benzin werden 2,4 kg CO2 und 0,99 kg Wasser. Bei dem damaligen WeltprimĂ€renergiebedarf von 90,6 Petawattstunden gelangten gemĂ€ĂŸ der Studie 20 Milliarden Tonnen Wasserdampf in die Luft. WĂŒrde jedoch Wasserstoff als Energiespeicher eingesetzt und wĂŒrden zu einem hohen Maße erneuerbare Energien genutzt, lĂ€gen die Wasserdampfemissionen nur bei zwölf Milliarden Tonnen pro Jahr.

Die LBST-Studie kam daher zu dem Ergebnis: „Eine Wasserstoffökonomie wĂŒrde also gegenĂŒber heute sicher nicht wesentlich mehr, sondern eher weniger Wasserdampf emittieren.“ Weiter hieß es seitens der Autoren: „Einfluss auf das Klima haben solche QuantitĂ€ten (0,005 Prozent von 525 Mio. t H2O) nicht. Anthropogene Kohlendioxidemissionen mit einem Anteil von etwa vier Prozent an den Gesamtemissionen stören den natĂŒrlichen Kreislauf dagegen erheblich.“ [Zittel, 1994]

Das österreichische Bundesamt fertigte im Jahr 2006 ebenfalls eine Studie an. Bezogen auf die FlĂ€che des Alpenstaats (84.000 kmÂČ) kamen die Autoren auf etwa 0,43 kg/mÂČ spezifische Wasserdampfemissionen pro Jahr aus dem Straßenverkehr. Bei einer jĂ€hrlichen Niederschlagsmenge in Österreich von etwa 1.170 mm, von der rund 44 Prozent verdunsten, ergeben sich daraus natĂŒrliche Wasserdampfemissionen in Höhe von 516 kg/mÂČ pro Jahr. Bei einer vollstĂ€ndigen Umstellung der österreichischen Kraftfahrzeuge auf Wasserstoff wĂŒrden also nur etwa 0,03 Prozent des natĂŒrlich verdampfenden Wassers zusĂ€tzlich emittiert werden.

Die Österreicher zogen daher das Fazit: „Wasserdampfemissionen aus dem Verkehrssektor stellen auch bei einem vollstĂ€ndigen Umstieg auf wasserstoffbetriebene Fahrzeuge nur einen sehr geringen Teil der witterungsbedingten Verdampfungen dar. Die direkten Wasserstoffemissionen werden in der Literatur als sehr gering prognostiziert. Die Ergebnisse dieser Studien zeigen keine nennenswerten Auswirkungen auf das Klima. Selbst in dicht besiedelten Gebieten und stĂ€dtischen Agglomerationen ist durch den Einsatz von Wasserstofffahrzeugen nicht von relevanten Auswirkungen auf die klimatischen VerhĂ€ltnisse auszugehen.“ [Salchenegger, 2006]

Ähnliche Überlegungen werden auch in Bezug auf die Freisetzung von gasförmigem Wasserstoff angestellt: Sollten im Jahr 2050 rund 1 Mrd. Straßenfahrzeuge unterwegs sein, wovon 10 bis 20 Prozent mit gasförmigem Wasserstoff betrieben wĂŒrden, so könnten sich hieraus erhöhte H2-Emissionen von 0,2 bis 0,8 Mio. Tonnen pro Jahr ergeben. DemgegenĂŒber lag jedoch in den letzten Jahren die jĂ€hrliche H2-Zunahme aufgrund anthropogener Verbrennungsprozesse (z. B. Industrie, Autoabgase) bei etwa 1 Mio. Tonnen H2 pro Jahr, also deutlich höher.

Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen

Die Technik von gestern, heute und morgen

Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen. Bewusst leicht verstÀndlich gehalten und beschrieben. Es soll technikinteressierten als ein umfangreiches Literaturverzeichnis dienen.

Die grundlegend ĂŒberarbeitete Neuauflage unseres Buches zu diesem Thema ist hier erhĂ€ltlich. Aktuelle Entwicklungen wurden ergĂ€nzt, Überholtes entfernt. Neben den jĂŒngsten Trends vermittelt dieses Buch – wie schon seine VorgĂ€nger – die grundlegenden physikalischen ZusammenhĂ€nge, denn diese gelten ja bei allem Wandel nach wie vor.

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