Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen

2.3.1 | Treibhausgase und Klimawandel

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

Kohlendioxid (chemisch korrekt: Kohlenstoffdioxid) ist ungiftig und ein natürlicher Bestandteil der Erdatmosphäre. Das „natürliche“ Kohlendioxid ist Teil eines Kreisprozesses: Bei der Photosynthese wird es von Pflanzen mithilfe der Sonnenenergie und Wasser in energiereichere Kohlenhydrate überführt. 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 über die Atmung wieder abgegeben.

1.1.1.1      Gutes Treibhaus, schlechtes Treibhaus

Doch was macht dieses CO₂ nun mit dem Klima? Die Erdatmosphäre ist weitestgehend durchlässig für sichtbares Sonnenlicht. Die Rückstrahlung langwelliger Infrarotstrahlung von der Erde ins Weltall wird hingegen von einigen in der Atmosphäre vorhandenen Substanzen teilweise verhindert. Damit verhält sich die Atmosphäre ähnlich wie das Glasdach eines Treibhauses. Deshalb spricht man vom Treibhauseffekt.

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

Das Problem besteht jedoch darin, dass Menschen seit rund 150 Jahren zusätzlich 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 Häufung von Dürren, Starkregen, Waldbränden 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 verstärkende Effekte (positive Rückkopplungen), die schlimmstenfalls zu sogenannten Kipppunkten in der Klimadynamik führen könnten: Brennen beispielsweise durch die Trockenheit mehr Wälder und Moore, setzen sie zusätzliches CO₂ frei. Die dadurch entstandenen schwarzen Flächen erhitzen sich stärker als die zuvor grünen Gebiete, wodurch es noch trockener und wärmer wird als vorher. Auch wenn Eis schmilzt, verwandeln sich helle Flächen in dunkle und verstärken die Erwärmung. Höhere Temperaturen führen auch zum Auftauen der Permafrostböden, aus denen dann das Klimagas Methan in die Atmosphäre aufsteigt und die Erde noch weiter aufheizt.

In den letzten Jahren wurden solche Phänomene vermehrt beobachtet. Wissenschaftler befürchten daher, dass diese Dynamik schon in wenigen Jahren nicht mehr aufzuhalten ist. So können sich auch prägende Klimaphänomene verändern: Indem das Eis vor Grönland schmilzt, gelangt dort immer mehr Süßwasser ins Meer. Das sorgt bereits jetzt dafür, 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 häufig geändert. 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 Klimaverhältnissen. Deshalb ist ein Kippen des Klimas für die Menschen schlicht nicht vorstellbar. Schnelle Klimaumschwünge haben in der Erdgeschichte bereits mehrfach zum massenhaften Aussterben von Arten geführt.

Die Aufgabe ist also nicht, „das Klima zu schützen“ (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 gegenüber der vorindustriellen Zeit erwärmen. Eine Erwärmung um 2 °C gilt als Schmerzgrenze – würde es noch wärmer, wären die Folgen immer schwerer kalkulierbar.

Massive Änderungen können Mitte des Jahrhunderts, also für Menschen, die heute bereits geboren sind, spürbar werden. Im Jahr 2016 wurde bereits eine globale Erwärmung um 1,1 °C gegenüber 1880 registriert. Um die Erwärmung 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.

3_stripes_EUROPE-Germany-Brandenburg_Berlin-1881-2019-DW-withlabels.png

Abb. 3: Die vom Wissenschaftler Ed Hawkins erfundenen „Warming Stripes“ verdeutlichen die Temperaturentwicklung von kühlen (blau) zu warmen (rot) Jahren. Grundlagen dieser Grafik sind die Daten des Deutschen Wetterdienstes für 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 enthält im Wesentlichen das Ziel, die Treibhausgasemissionen so stark zu begrenzen, dass Gefahren durch den Klimawandel für die Nahrungserzeugung, die Wirtschaft und die Ökosysteme vermieden werden. Der Weg zu diesem Ziel wird seither auf den regelmäßigen Vertragsstaatenkonferenzen verhandelt (Conferences of the Parties, COP).

Im Jahr 1997 verständigten 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 Industrieländer verpflichteten sich, ihre Emissionen von Kohlendioxid und Treibhausgasen bis 2012 um durchschnittlich 5,2 Prozent gegenüber dem Vergleichsjahr 1990 zu senken. Offiziell in Kraft getreten ist das Kyoto-Protokoll 2005.

Die Europäische 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, während anderen europäischen Ländern ein Anstieg ihrer Zahlen zugestanden wurde (z. B. Griechenland: +25 Prozent). Bis zum Jahr 2020 war ursprünglich 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 dafür, 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 überholt ist. Ende 2020 beschloss die Europäische Kommission im Rahmen ihres „Green Deal“, das 2030-Ziel auf 55 Prozent zu verschärfen. Die Anstrengungen werden also ebenfalls deutlich steigen müssen.

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

4_2_abb_thg-emissionen-seit-1990-nach-gasen_2020.pdf

Quelle: Umweltbundesamt

Momentan emittieren fast alle Länder eher mehr als weniger Kohlendioxid gegenüber 1990. Lediglich Wirtschaftskrisen führten zu vorübergehenden Rückgängen: der Zusammenbruch der Sowjetunion, der Bankencrash und zuletzt die Coronakrise. In den Vereinigten Staaten von Amerika, die für einen Großteil des weltweiten CO₂-Ausstoßes verantwortlich sind, zeigt sich ein widersprüchliches Bild: Seit dem Jahr 2000 gehen die Emissionen tendenziell zurück. Dieser Trend hielt sogar unter US-Präsident 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 für Länder wie Südkorea und Indonesien. China ist seit 2007 Hauptemittent von Kohlendioxid und erzeugte 2018 mehr als ein Viertel der globalen Emissionen. Abgesehen vom Emissionsrückgang, 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 für das Klima

Obwohl Wasserdampf für 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 Erderwärmung verzerrt werden sollen. Tatsächlich ist aber die Rolle des Wasserdampfes in den Klimamodellen sehr wohl berücksichtigt.

Wasserdampf ist fast allgegenwärtig auf der Erde. Aus Meeren und Seen, Flüssen und Pfützen verdunsten jedes Jahr rund 525 Billionen Tonnen Wasser. Die mittlere Verweildauer eines H₂O-Moleküls in der Atmosphäre ist allerdings nicht sonderlich lang, sie beträgt nur neun Tage. Dann fallen mehrere Moleküle gemeinsam in Form von Regentropfen oder Schneeflocken wieder zu Boden beziehungsweise zurück ins Wasser. Insgesamt befinden sich so jährlich durchschnittlich etwa 13 Billionen Tonnen Wasserdampf in der Erdatmosphäre. Weil Wasserdampf so ein hohes Treibhausgaspotenzial besitzt, wird immer wieder die Frage gestellt, ob eine vermehrte Verbrennung von Wasserstoff sich nicht durch eine Veränderung der atmosphärischen Wasserdampfkonzentration auf die Erdtemperatur auswirken müsste. Tatsache ist: Ein höherer Gehalt an Wasserdampf und eine höhere Temperatur können sich gegenseitig verstärken. Dabei ist allerdings die Erhitzung durch mehr CO₂ der stärkere Treiber, denn eine wärmere Atmosphäre nimmt mehr Wasserdampf auf, der wiederum den Treibhauseffekt verstärkt.

Eine Umstellung des Verkehrssektors auf Wasserstoff als Energiespeicher würde dagegen Berechnungen zufolge keine merklichen Veränderungen bewirken. Nicht einmal mit lokalen Phänomenen wie vermehrtem Nebel wäre zu rechnen, da im Vergleich zur jetzigen Situation nur bedingt zusätzlicher Wasserdampf gebildet wird. Bei der Nutzung erneuerbarer Energien für die Wasserstoffherstellung per Elektrolyse würde aus Wasser mithilfe von Strom Wasserstoff erzeugt, der bei der anschließenden Verbrennung wieder zu Wasserdampf würde. Hierbei wäre es für das Klima egal, ob dieser Wasserdampf aus dem Auspuffrohr eines Brennstoffzellenautos käme oder durch Verdunstung über einem See entsteht.

Etwas anderes wäre die Herstellung von Wasserstoff aus Erdgas oder anderen fossilen Energieträgern. In dem Fall würde zusätzlicher Wasserdampf freigesetzt. Aber auch hier wäre es für das Klima egal, ob das Erdgas (oder andere Kohlenwasserstoffe) in einem Verbrennungsmotor verbrannt wird, der dann Wasserdampf emittiert, oder ob in einem zusätzlichen Umwandlungsschritt zwischenzeitlich Wasserstoff als Energiespeicher genutzt wird.

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

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

Das österreichische Bundesamt fertigte im Jahr 2006 ebenfalls eine Studie an. Bezogen auf die Fläche des Alpenstaats (84.000 km²) kamen die Autoren auf etwa 0,43 kg/m² spezifische Wasserdampfemissionen pro Jahr aus dem Straßenverkehr. Bei einer jährlichen Niederschlagsmenge in Österreich von etwa 1.170 mm, von der rund 44 Prozent verdunsten, ergeben sich daraus natürliche Wasserdampfemissionen in Höhe von 516 kg/m² pro Jahr. Bei einer vollständigen Umstellung der österreichischen Kraftfahrzeuge auf Wasserstoff würden also nur etwa 0,03 Prozent des natürlich verdampfenden Wassers zusätzlich emittiert werden.

Die Österreicher zogen daher das Fazit: „Wasserdampfemissionen aus dem Verkehrssektor stellen auch bei einem vollständigen 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 städtischen Agglomerationen ist durch den Einsatz von Wasserstofffahrzeugen nicht von relevanten Auswirkungen auf die klimatischen Verhältnisse 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 würden, so könnten sich hieraus erhöhte H₂-Emissionen von 0,2 bis 0,8 Mio. Tonnen pro Jahr ergeben. Demgegenüber lag jedoch in den letzten Jahren die jährliche H₂-Zunahme aufgrund anthropogener Verbrennungsprozesse (z. B. Industrie, Autoabgase) bei etwa 1 Mio. Tonnen H₂ pro Jahr, also deutlich höher.