Treibhauspotential

Definition und Bedeutung

Das relative Treibhauspotential (THP; englisch Global Warming Potential, GWP) ist eine Maßzahl für den relativen Beitrag einer chemischen Verbindung zum Treibhauseffekt. Es beschreibt die mittlere Erwärmungswirkung einer bestimmten Masse eines Treibhausgases auf die Erdatmosphäre über einen festgelegten Zeitraum. Üblicherweise wird ein Zeitraum von 100 Jahren betrachtet, der als GWP₁₀₀ bezeichnet wird.

Als Vergleich dient dieselbe Masse Kohlenstoffdioxid (CO₂), dessen Treibhauspotential auf 1 festgelegt ist. Ein Treibhauspotential von 28 bedeutet daher, dass ein Kilogramm des betreffenden Gases innerhalb des betrachteten Zeitraums 28-mal stärker zur globalen Erwärmung beiträgt als ein Kilogramm CO₂. Das Treibhauspotential ist eine dimensionslose Kennzahl. Verwendete Bezeichnungen sind CO₂e, CO₂eq oder CO₂‑e (CO₂-Äquivalent).

Für Methan beträgt das CO₂-Äquivalent bei einem Zeithorizont von 100 Jahren 28. Für Distickstoffmonoxid (Lachgas) nennt der Artikel 273 ± 130. Das Treibhauspotential darf jedoch nicht mit dem tatsächlichen Anteil eines Gases an der globalen Erwärmung gleichgesetzt werden, weil die emittierten Mengen der verschiedenen Gase sehr unterschiedlich sind. Mit CO₂-Äquivalenten lassen sich die Beiträge verschiedener Gase bei bekannten Emissionsmengen vergleichen und zusammenrechnen.

Stickstoff, Sauerstoff und Argon, die Hauptbestandteile der Erdatmosphäre, sind wegen ihrer molekularen Struktur keine Treibhausgase. Das insgesamt wirkungsstärkste Treibhausgas ist Wasserdampf. Sein Anteil am natürlichen Treibhauseffekt schwankt je nach geografischen Bedingungen und Klimazone zwischen 36 und 70 Prozent. Wasserdampf wird allerdings nur in sehr geringem Umfang direkt emittiert; seine Konzentration hängt unmittelbar von der Lufttemperatur ab. Pro Grad Temperaturzunahme kann die Atmosphäre etwa 7 Prozent mehr Wasserdampf aufnehmen. Dadurch entsteht eine Wasserdampf-Rückkopplung: Bei Erwärmung steigt der Wasserdampfgehalt, bei Abkühlung sinkt er.

Bestimmende Faktoren und Wirkungsweise

Das Treibhauspotential hängt vor allem von zwei Eigenschaften ab: der Verweilzeit eines Gases in der Atmosphäre und dem Strahlungsantrieb, den eine Erhöhung seiner Konzentration gegenüber der vorhandenen Hintergrundkonzentration verursacht. Änderungen bei der Einschätzung dieser Größen führen dazu, dass der IPCC seine GWP-Werte in neuen Berichten regelmäßig aktualisiert.

Treibhausgase absorbieren von der Erdoberfläche und den bodennahen Luftschichten ausgesandte Wärmestrahlung im mittleren Infrarotbereich von 3 bis 50 Mikrometern. Sie strahlen einen Teil dieser Energie zurück zur Erde und behindern dadurch die Abkühlung der Atmosphäre. Für das zusätzliche Erwärmungspotential eines Gases ist besonders wichtig, ob es in Bereichen absorbiert, in denen Wasserdampf und CO₂ nur wenig absorbieren. Besonders bedeutsam ist das atmosphärische Fenster zwischen 8 und 13 Mikrometern.

Die Erdatmosphäre gibt ihre Wärme im Mittel in einer Höhe von 5500 m an den Weltraum ab. Steigende Treibhausgaskonzentrationen verlagern den Bereich, aus dem die Erde Wärme abstrahlt, nach oben. Damit die Abstrahlung weiterhin der Einstrahlung entspricht, muss die Temperatur in Bodennähe entsprechend dem atmosphärischen Temperaturgradienten steigen.

Der Strahlungsantrieb hängt nichtlinear, näherungsweise logarithmisch, von der Konzentration ab. Deshalb kann eine Erhöhung von 2 auf 3 ppm dieselbe Wirkung haben wie eine Erhöhung von 20 auf 30 ppm oder von 200 auf 300 ppm. Komplexe Moleküle besitzen außerdem mehr mögliche Schwingungsformen als beispielsweise CO₂. Die molekulare Struktur bestimmt, in welchen Wellenlängenbereichen ein Gas Wärmestrahlung absorbiert.

Auch der Zeithorizont ist entscheidend. Der IPCC gibt Werte für 20, 100 und 500 Jahre an. Die Wahl des Zeitraums enthält politische Zielsetzungen: Soll vor allem die langfristige Wirkung der globalen Erwärmung bewertet werden, ist ein langer Zeitraum sinnvoll. Fluorhaltige Gase erreichen wegen ihrer langen Verweilzeit besonders hohe GWP-Werte; für Schwefelhexafluorid (SF₆) werden 3200 Jahre genannt. Methan verbleibt etwa 12 Jahre in der Atmosphäre und hat deshalb über kurze Zeiträume ein wesentlich höheres GWP als über lange Zeiträume.

Für CO₂ wird eine klimawirksame Verweilzeit von insgesamt mehreren 100.000 Jahren angegeben. Nach etwa 1000 Jahren befinden sich geschätzt noch 15 bis 40 Prozent des CO₂ in der Atmosphäre. Betrachtet man nur das Lösungsgleichgewicht zwischen Atmosphäre und oberen Meeresschichten, reduziert sich die angegebene Zeit auf etwa 120 Jahre. Sinkt CO₂-haltiges Wasser in die Tiefsee, kann die Verweilzeit im Ozean einige tausend Jahre betragen. Der Wasserdampfkreislauf ist damit nicht vergleichbar: Verdunstung, Kondensation und Niederschlag laufen meist innerhalb weniger Tage ab und regulieren sich selbst.

Wichtige Treibhausgase und Vergleichswerte

Die Werte unterscheiden sich je nach Quelle und Zeithorizont. Für CO₂ gilt bei 20, 100 und 500 Jahren jeweils 1,0. Methan (CH₄), das unter anderem aus Reisanbau, Viehzucht, Kläranlagen, Mülldeponien, Steinkohlenbergbau, der Erdgas- und Erdölproduktion, Feuchtgebieten sowie aus dem Zerfall von Methanhydratvorkommen stammt, hat nach IPCC AR5 ein GWP von 84,0 für 20 Jahre und 28,0 für 100 Jahre. Das Kyoto-Protokoll verwendete für 100 Jahre den Wert 21,0. Die atmosphärische Lebensdauer wird mit 12,000 Jahren angegeben.

Distickstoffoxid (N₂O, Lachgas) entsteht vor allem durch Stickstoffdünger in der Landwirtschaft und durch die Verbrennung von Biomasse. Die Tabelle nennt nach IPCC AR5 264,0 für 20 Jahre und 265,0 für 100 Jahre; für das Kyoto-Protokoll werden 310,0 genannt. Seine atmosphärische Lebensdauer beträgt 121,000 Jahre. Diese Werte unterscheiden sich von der im allgemeinen Beispiel genannten Angabe 273 ± 130, weil unterschiedliche Bewertungsgrundlagen verwendet werden.

Für einige fluorierte Gase nennt die Tabelle sehr hohe Werte. 2,3,3,3-Tetrafluorpropen (R1234yf; C₃H₂F₄), ein Kältemittel, hat ein GWP₁₀₀ von 0,033 und eine Lebensdauer von 4,4 Jahren. 1,1,1,2-Tetrafluorethan (R-134a; C₂H₂F₄), ebenfalls ein Kältemittel, erreicht nach IPCC AR5 ein GWP von 3710,0 für 20 Jahre und 1430,0 für 100 Jahre; das Kyoto-Protokoll nennt 1000,0. Die Lebensdauer wird mit 13,4,00 Jahren angegeben.

Tetrafluormethan (CF₄), das unter anderem bei der Elektronikherstellung und als Kältemittel eingesetzt wird, hat nach IPCC AR5 Werte von 4950,0 für 20 Jahre und 7350,0 für 100 Jahre; seine Lebensdauer beträgt 50000,00 Jahre. Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), beispielsweise CClF₃, werden mit 10900,0 für 20 Jahre und 4660,0 für 100 Jahre sowie einer Lebensdauer von 640,000 Jahren aufgeführt. Fluorkohlenwasserstoffe (FKW beziehungsweise HFKW), beispielsweise CHF₃, haben Werte von 10800,0 und 12400,0 sowie eine Lebensdauer von 222,000 Jahren.

Stickstofftrifluorid (NF₃), das bei der Herstellung von Halbleitern, Solarzellen und Flüssigkristallbildschirmen verwendet wird, erreicht 12800,0 für 20 Jahre und 16100,0 für 100 Jahre bei einer Lebensdauer von 500,000 Jahren. Schwefelhexafluorid (SF₆), das unter anderem als Schutzgas bei der technischen Erzeugung von Magnesium und in gasisolierten Hochspannungsschaltanlagen vorkommt, erreicht 17500,0 beziehungsweise 23500,0; das Kyoto-Protokoll nennt 23900. Die Lebensdauer beträgt 3200,000 Jahre. Für Wasserstoff (H₂) werden 33 (20–44) für 20 Jahre, 11 ± 5 für 100 Jahre und 4,3 nach dem Kyoto-Protokoll genannt; die atmosphärische Lebensdauer beträgt 4–7 Jahre.

Aktuelle Konzentrationen und politische Bewertung

Seit 1835 stieg die CO₂-Konzentration der Erdatmosphäre von ungefähr 280 ppm auf 400 ppm im Jahr 2015. Der Methangehalt nahm zwischen 1750 und 2000 von 0,8 auf 1,75 ppm zu und hat sich damit mehr als verdoppelt. Der entsprechende Anstieg des CO₂-Äquivalents wird mit 24 ppm auf rund 50 ppm angegeben.

Zusammen mit der Zunahme vieler weiterer Treibhausgase ergab sich für 2015 ein Gesamt-Strahlungsantrieb, der einem CO₂-Äquivalent von 485 ppm entsprach. Die Konzentration der meisten anderen Treibhausgase war vorindustriell nahezu null. Seit den 2000er Jahren steht besonders Distickstoffoxid (Lachgas) im Fokus.

In der ersten Verpflichtungsperiode des Kyoto-Protokolls wurden Emissionsmengen mithilfe von CO₂-Äquivalenten gewichtet. Maßgeblich waren die Werte aus dem zweiten Sachstandsbericht des IPCC von 1995 für 100 Jahre. Eine Verringerung der Methanemissionen um eine Tonne wurde dabei einer CO₂-Reduktion um 21 Tonnen gleichgesetzt, weil beide Maßnahmen die Emissionen um 21 Tonnen CO₂-Äquivalent verminderten. Der Kyoto-Wert für Methan von 21 unterscheidet sich deshalb vom später genannten Wert 28 nach IPCC AR5.

Berechnungsfaktoren für Emissionen

Für die Berechnung von Treibhausgasemissionen verwendet die Europäische Union nach United Nations FCCC/CP/2013/10/Add.3, Anhang III, festgelegte Faktoren; auch das Umweltbundesamt rechnet mit diesen Zahlen. CO₂ hat den Faktor 1, Methan (CH₄) 25 und Distickstoffoxid (N₂O) 298.

Die Tabelle umfasst zahlreiche fluorierte Stoffe und Stoffgruppen. Beispiele sind Fluoroform (CHF₃) mit 14800, Difluormethan R-32 (CH₂F₂) mit 675, Fluormethan R-41 (CH₃F) mit 92, Pentafluorethan R-125 (C₂HF₅) mit 3500 und 1,1,1,2-Tetrafluorethan R-134a (C₂H₂F₄ beziehungsweise CH₂FCF₃) mit 1430. Weitere aufgeführte Werte sind 1,1,1-Trifluorethan R-143a mit 4470, 1,1-Difluorethan R-152a mit 124, Fluorethan R-161 mit 12 sowie 1,1,1,3,3,3-Hexafluorpropan R-236fa mit 9810.

Bei Perfluorcarbonen reichen die Faktoren beispielsweise von 7390 für Tetrafluormethan (PFC-14, CF₄) über 12200 für Hexafluorethan (PFC-116, C₂F₆) bis 17340 für Perfluorcyclopropan (c-C₃F₆). Für Schwefelhexafluorid werden 22800 und für Stickstofftrifluorid 17200 angegeben. Hydrofluorether weisen je nach Molekül sehr unterschiedliche Faktoren auf, zum Beispiel 14900 für HFE-125, 6320 für HFE-134, 756 für HFE-143a, 350 für Isofluran, 989 für Desfluran und 59 für HFE-569sf2. Für Perfluorpolyether (PFPMIE) wird 10300 genannt, für Trifluormethylschwefelpentafluorid (SF₅CF₃) 17700.

Die große Spannweite zeigt, dass das Treibhauspotential nicht allein von der Stoffgruppe oder der Masse abhängt, sondern von der konkreten Molekülstruktur, dem Absorptionsverhalten und der Verweilzeit.

Nicht erfasste Gase

Trotz internationaler Protokolle und ihrer späteren Nachbesserungen gibt es Treibhausgase mit sehr hohem Treibhauspotential, die nicht erfasst werden. Ein Beispiel ist Sulfuryldifluorid. Sein Treibhauspotential beträgt 7642 bei 20 Jahren, 4780 bei 100 Jahren und 1540 bei 500 Jahren. Die Verweilzeit in der Atmosphäre beträgt 36 Jahre.

Sulfuryldifluorid wird zur Schädlingsbekämpfung eingesetzt, beispielsweise bei Exportholz und bei der Begasung von Gebäuden. Durch die stark gestiegenen deutschen Holzexporte und restriktivere Einfuhrbestimmungen der Importländer nahmen auch die Emissionen dieses Stoffes stark zu.