Wie Treibhausgase wirken - Treibhausgase, CO2eq und Global Warming Potential
- Benno Müller
- 5. Dez. 2022
- 9 Min. Lesezeit
Aktualisiert: 19. Dez. 2022
In meinen Artikeln sowie in anderen Berichterstattungen ist immer wieder von CO2eq die Rede. Doch was bedeutet eigentlich dieses "CO2eq" und warum ist das relevant?
Kurze Antwort: CO2eq steht für "CO2 euqivalent (zu deutsch: CO2 Äquivalente)". Da verschiedene Gase mit unterschiedlicher Wirkung entstehen können, ist diese Größe zur Normierung (Vereinheitlichung) und Zusammenfassung der Klimawirkung und deren Vergleichbarkeit wichtig.
In diesem Artikel möchte ich näher bringen, was Treibhausgase (THGs) sind, wie sie wirken, wie deren unterschiedliche Wirkungsstärke zustande kommt, wo es in der Praxis auftaucht, wie man damit umgeht und welche Effekte noch bei der Treibhauswirkung mitspielen. Da das ganze Thema rund um die genaue Wirkung von Treibhausgasen sehr tief und komplex wird, werde ich die wichtigsten Effekte eher oberflächlich beleuchten, anstatt wirklich tief in die wissenschaftlichen Details zu gehen.
Gliederung
2.3 Verweilzeit
5.2 CO2-Sättigung?
5.3 Luftschichten
6 Fazit
1 Was sind Treibhausgase
1.1 Hintergrund Treibhauseffekt
Woher Treibhausgase ihren Namen haben lässt sich recht schnell mit dem Treibhauseffekt beantworten, den wir uns für den Anfang einmal anschauen werden.
Von der Sonne aus gelangt kurzwellige Strahlung zur Erdoberfläche. Die Erdoberfläche absorbiert die Strahlung, erwärmt sich, und strahlt langwellige Infrarotstrahlung (IR-Strahlung, auch Wärmestrahlung genannt) zurück ins All. Dabei wird ein Thermisches Gleichgewicht angestrebt, sodass sich die Erde so viel erwärmt, dass die von ihr abgestrahlte Energie genau so groß ist wie die von der Sonne kommende. Die Strahlung gelangt aber nicht ungehindert durch die Atmosphäre, sondern erfährt bei ihrem Weg hindurch sowohl beim Eintritt zur Erdoberfläche als auch beim Austritt von der Erdoberfläche ins All "Hindernisse" in Form von Reflektion, Streuung, Absorption, Brechung und anderen Effekten, die durch Moleküle oder Partikel in der Luft verursacht werden. Der Treibhauseffekt ist dabei die Absorption der Infrarotstrahlung auf dem Weg von der Erde in Richtung All, wodurch die Strahlung aufgehalten und somit dessen Energie (Wärme) in der Atmosphäre verbleibt, anstatt in den Weltraum zu entweichen. Die Absorption wird dabei durch sogenannte Treibhausgase (oft auch mit THG oder GHG (Greenhouse Gas) abgekürzt) verursacht. Dies ist ein ganz natürlicher Effekt, auf den das Leben auf der Erde auch angewiesen ist. Ohne den natürlichen Treibhauseffekt wären es auf der Erdoberfläche durchschnittlich -18°C statt den 15 °C. Problematisch wird er nur, weil der Mensch zusätzliche Treibhausgase in sehr kurzer Zeit in die Atmosphäre einbringt. Als Konsequenz staut sich immer mehr Energie im Erdsystem an, welches wir unter anderem als steigende Durchschnittstemperatur oder extremere Wetterlagen zu spüren bekommen.
Schaubild Treibhauseffekt
Die größte Menge an dem menschengemachten Treibhauseffekt haben CO2, Methan, Lachgas und halogenierte Gase, von denen seit der Industrialisierung ein stetiger Anstieg in der Atmosphäre zu beobachten ist.
Hinzu kommen einige Treibhausgase, welche es vorher so nicht auf der Erde gegeben hat.
Um zu verstehen warum Treibhausgase wirken wie sie es tun, gehen wir einmal kurz näher auf den naturwissenschaftlichen Hintergrund der Infrarotabsorption ein.
1.2 Infrarotabsorbtion und Re-emission
Atome und Moleküle sind in der Lage Strahlung zu absorbieren (aufnehmen) und wieder zu emittieren (abgeben). Je nach Eigenschaft können aber nur bestimmte Wellenlängen absorbiert werden, während andere einfach "hindurch" gelangen können. Das ist übrigens auch der Grund, weshalb die Treibhausgase "nur in eine Richtung" wirken: das von der Sonne kommende Licht hat eine andere Wellenlänge als die Infrarotstrahlung und die THGs interagieren nur oder hauptsächlich mit der IR-Strahlung. Diese speziellen Wellenlängen werden auch "diskrete Absorptionsspektren" genannt. Das Molekül, welches die Strahlung absorbiert hat diese Energie nun in sich gespeichert, erwärmt sich oder gibt sie auch wieder in Form der gleichen Strahlung wieder ab (re-emission). Die Emission kann dabei in alle Richtungen erfolgen. Der Teil der Strahlung, welcher wieder in Richtung Erde abgegeben wird, trägt zur Erderwärmung bei.
Schaubild Flippertisch mit Molekülen und Strahlung
Daraus resultiert ein sogenannter "Strahlungsantrieb" (oder Radiative Forcing RF), wodurch die veränderte Strahlungsflussdichte an der Tropopause bezeichnet wird. Einfach gesagt: durch die Atmosphäre strömt Energie in Form von Strahlung in Richtung All. Wenn diese Strahlung nun am Übergang zwischen der untersten Atmosphärenschicht (Stratosphäre) und der darüber liegenden Schicht (Troposphäre) aufgehalten und zurückgeworfen wird, dann ändert sich der Fluss an Strahlung durch die Grenze zwischen Stratosphäre und Troposphäre, der so genannten Tropopause. Ein Stoff mit hohem Strahlungsantrieb führt also zu mehr Strahlung die zurück in die Stratosphäre gelangt, was den Treibhauseffekt verstärkt.
2 Wie kommt deren Wirkungsstärke zustande?
Wie stark ein Gas zum Treibhauseffekt beiträgt ist in der Praxis sehr wichtig zu wissen, um bspw. Maßnahmen oder Entscheidungen zu treffen. Um die Klimawirkung einheitlich beschreiben zu können und Vergleichbar zu machen, wurde das Global Warming Potential eingeführt
2.1 Global Warming Potential (GWP) und CO2-Äquivalente (CO2eq)
Die Wirkungsstärke eines Treibhausgases wird meist als das "Global warming potential", kurz GWP, bezeichnet. Dabei wird die Klimawirkung von 1 kg des Gases auf die Wirkung von 1 kg CO2 normiert. Somit hat beispielsweise 1 kg Methan mit einem GWP100 von 34 die gleiche Wirkung wie 34 kg CO2 (über 100 Jahre gesehen, siehe "Verweilzeit"). Aus dieser Normierung gehen auch die sogenannten CO2-Äquivalente hervor, die quasi Aussagen "Die Klimawirkung ist äquivalent (gleichwertig) wie X kg CO2". Diese Einheit wird typischerweise verwendet um z.B. die Klimawirkung von Produkten darzustellen, bei deren Herstellung nicht nur reines CO2 sondern auch weitere Treibhausgase entstanden sind. Um nicht schreiben zu müssen "5 kg CO2 und auch noch 1 kg Methan mit einem GWP100 von 34" rechnet man das alles eben auf CO2 um und gibt die Summe an, in diesem Beispiel, dass 39kg (5*1 + 1*34) CO2eq entstanden sind. Mehr zur Anwendung unter "Umgang im Arbeitskontext".
Das GWP lässt sich größtenteils aus dem o.g. Strahlungsantrieb und der Verweilzeit (Lebensdauer) des Gases bestimmen. Je größer der Strahlungsantrieb und die Lebensdauer, desto stärker die Wirkung.
2.2 Strahlungsantrieb
Wie oben beschrieben führen Treibhausgase zu einem Strahlungsantrieb, indem sie die Infrarotstrahlung aufnehmen und wieder abgeben. Aus chemischer Sicht können die Treibhausgase die Infrarotstrahlung absorbieren, indem innerhalb des Moleküls Dipolmomente (ungleich verteilte Ladungen im Molekül) durch Molekülschwingungen geändert werden. Je mehr Möglichkeiten ein Molekül hat, Dipolmomente so zu ändern, desto mehr IR-Strahlung kann absorbiert werden. Große Moleküle wie FCKWs haben im Vergleich zu kleinen wie CO2 viele Schwingungsebenen und damit viel mehr Möglichkeiten zu absorbieren, wodurch sie eine viel stärkere Klimawirkung als CO2 besitzen.
Dass ein höherer Strahlungsantrieb zu mehr Klimawirkung, also einem höheren GWP, führt ist denke ich sehr intuitiv. Wichtig ist aber auch die Betrachtung der Lebensdauer in Kombination damit.
2.3 Verweilzeit
Die Verweilzeit oder auch Lebensdauer eines Treibhausgases beschriebt die Zeit, in der das Gas in der Atmosphäre vorkommt und seine Wirkung entfalten kann. Die gase können auf verschiedene Wege entfernt werden, etwa durch chemische Reaktionen in der Luft, Spaltung durch UV-Strahlung oder Aufnahme an der Oberfläche. Je nach Molekül ist daher die Verweilzeit in der Atmosphäre unterschiedlich. Robuste, inerte (nicht reaktive) Gase verbleiben daher länger als instabile reaktionsfreudige.
Durch den Einfluss der zeitlichen Komponente über die Lebensdauer kann ein Gas mit geringem Strahlungsantrieb das gleiche GWP erreichen wie eins mit einem hohen Strahlungsantrieb. Wird das starke Gas schon nach kurzer Zeit abgebaut, während das schwache noch wesentlich länger in der Atmosphäre verbleibt und Strahlung absorbieren kann, steigt die Klimawirkung des schwachen Gases mit der Zeit im Gegensatz zum starken.
Aus diesem Grund ist es wichtig, den betrachteten Zeithorizont des GWP anzugeben. In Datenbanken zum Global Warming Potential verschiedener Gase findet man deshalb üblicherweise das GWP20, GWP100 und ggf. noch andere, wobei die angehängten Zahlen für den Zeithorizont in Jahren steht.
3 Umgang im Arbeitskontext
Nun kommen wir zum springenden Punkt warum wir uns überhaupt die Mühe machen den ganzen Spaß so genau zu analysieren.
In der Praxis möchte man oft wissen, wie klimaschädlich ein Produkt oder eine Dienstleistung ist und was man machen kann, um die Klimawirkung zu reduzieren. Dafür erstellt man üblicherweise zunächst einen sogenannten Carbon-Footprint, in dem alle relevanten Emissionen enthalten sind, um letztendlich die Gesamt-Klimabilanz zu berechnen.
Im Arbeitskontext kann das folgendermaßen aussehen:
Um ein Produkt herzustellen benötigt es ein bestimmtes Bauteil. Dieses Bauteil gibt es aus drei verschiedenen Materialien, Material A, B und C. Die Aufgabe ist es nun zu entscheiden, welches dieser Materialien zum Einsatz kommen soll, um das Produkt möglichst klimafreundlich zu gestalten.
Nun schauen wir uns zuerst an, welche Stoffe durch die Produktion jeweils freigesetzt werden, in unserem Fall Treibhausgase.
Material | freigesetztes THG | Menge an THG [kg] |
|---|---|---|
A | CO2 | 800 |
B | CH4 | 35 |
C | CH3F | 5 |
Wir können erkennen, dass Material C die geringste Menge an Treibhausgasen emittiert. Wir müssen also Material C auswählen, richtig? Nicht ganz. Ziel ist, das Produkt möglichst klimafreundlich zu gestalten, also eine möglichst geringe Klimawirkung zu erreichen. Wie beschrieben schaut man deshalb auf das GWP als Vergleichsgröße. Die Mengen an ausgestoßenem Gas wird mit dem Charakterisierungsfaktor ("Wie viel trägt der Stoff zur Wirkung bei") multipliziert. Die oben gezeigten GWP-Werte beziehen sich auf CO2eq pro kg des Gases, womit mit der Masse an ausgestoßenem Gas dann das gesamt-GWP berechnet werden kann. Das sieht dann in der Tabelle so aus:
Material | freigesetztes THG | Menge an THG [kg] | GWP100 [kg CO2eq] |
|---|---|---|---|
A | CO2 | 800 | 800 |
B | CH4 | 35 | 735 |
C | CH3F | 5 | 750 |
Nun können wir sehen, dass Material C durch zwar die kleinste Menge, aber dafür das stärkste Treibhausgas hat, was am Ende nicht zur klimafreundlichsten Alternative führt. Die Empfehlung würde jetzt also bei Produkt B liegen.
Komplexer wird es jetzt noch, wenn wir die Zeithorizonte anpassen. Wir haben hier mit dem typischerweise verwendetem GWP100 gerechnet. Wie oben beschrieben kann sich das GWP je nach gewähltem Zeithorizont aber ändern. Betrachten wir nun neben dem GWP100 auch noch das GWP50 und GWP20, sehen wir neue Ergebnisse.
Material | freigesetztes THG | Menge an THG [kg] | GWP20 [kg CO2eq] | GWP100 [kg CO2eq] | GWP500 [kg CO2eq] |
|---|---|---|---|---|---|
A | CO2 | 800 | 800 | 800 | 800 |
B | CH4 | 35 | 1960 | 735 | 227,5 |
C | CH3F | 5 | 2450 | 750 | 225 |
Wie zu sehen ist, ist bei dem gewählten Zeithorizont von 20 Jahren Material A plötzlich das klimafreundlichste, während Material C in 500 Jahren den geringsten Carbon Footprint hat.
Zugegeben, die Werte liegen jetzt sehr nah beieinander, aber mir geht's drum das Prinzip zu verdeutlichen, dass es zu solchen Ergebnissen und Schwankungen kommen kann.
Welches dieser Materien würdet ihr nun empfehlen?
Welches Material würdet ihr empfehlen?
Material A - Wir müssen kurzfristig Ergebnisse erzielen
Material B - Hundert ist ne coole Zahl, deshalb die Mitte
Material C - Der langfristige Ansatz ist am Ende besser
4 Zusammenfassung
Ich hoffe ich konnte euch einen guten Überblick verschaffen was Treibhausgase sind, was sie ausmacht und wie man damit arbeitet.
Mit dem Praxisbeispiel möchte ich deutlich machen, warum das GWP und die Umrechnung auf CO2eq so relevant ist - nicht nur für die Aussage zur Gesamt-Klimawirkung oder den Vergleich sondern auch in anderen Bereichen, wie eine CO2-Bepreisung. Eine CO2-Bepreisung hat das Ziel, klimaschädliche Emissionen zu senken, indem abhängig von der Klimaschädlichkeit Kosten anfallen. Unter anderem dafür ist es auch wichtig, die Treibhauswirkung von Stoffen zu kennen, um dementsprechend Preise zuzuordnen.
Auch wollte ich hervorheben, welche Rolle die Zeit spielt und dass die Ergebnisse deshalb je nach gewähltem Zeithorizont abweichen können. Wichtig ist das bspw. bei politischen Interessen: je nach Priorität ob kurz- oder langfristig gehandelt werden soll, können so verschiedene Handlungsempfehlungen entstehen.
5 Exkurs: Weitere mit dem Treibhauseffekt zusammenhängende Effekte
Nun noch ein paar Themen im Blitzlicht, welche für die Wirkung von Treibhausgasen auch noch eine Rolle spielen
5.1 Absorptionsspektren und Atmosphärisches Fenster
Wie bereits beschrieben absorbieren verschieden Gase verschiedene Strahlung. Dadurch ergeben sich so genannte Absorptionsspektren, also Wellenlängenbereiche die absorbiert werden. Somit werden Teile der Strahlung sehr zuverlässig durch den Mix an Gasen aufgehalten, wohingegen einige Wellenlängenbereiche weitgehend ungehindert bleiben. Diese "freien" Spektren (Wellenlängenbereiche) bezeichnet man als "Atmosphärische Fenster".
Warum ist das von Bedeutung? Nun, wenn jetzt ein neues Gas die Bühne betritt und auch Infrarotstrahlung absorbiert, macht es einen großen Unterschied in welchen Spektren es das tut. Absorbiert das neue Gas in einem Bereich wo schon viel Strahlung aufgehalten wird oder in einem Bereich der noch kaum absorbiert wird? Da der Strahlungsantrieb logarithmisch zur Konzentration verläuft, bewirken kleine Mengen in einem wenig absorbierten Spektrum viel mehr als in einem viel absorbierten.
5.2 CO2-Sättigung?
An der Stelle möchte ich gleich den Mythos der CO2-Sättigung bereinigen. Nach dieser Aussage wird schon das komplette Spektrum, welches CO2-absorbiert, aufgehalten, woraus geschlussfolgert wird, dass zusätzliches CO2 in der Atmosphäre nicht zusätzliche Strahlung aufhält und folglich nicht zu einer weiteren Erderwärmung führen könne.
Dazu kann ich nur ausdrücklich sagen doch ja, mehr CO2 führt zu einem größeren Treibhauseffekt. Die Realität ist nochmal wesentlich komplexer als das mit den "simplen Absorptionsspektren" dargestellt wird. Zum einen sind die Absorptionsspektren im Detail sehr breit aufgefächert. Dadurch sind zwar einige Spektren, die mit denen anderer Stoffe wie Wasserdampf überlappen, größtenteils gesättigt, viele aber nicht. Somit gibt es bei einer steigenden CO2-Konzentration noch genug Wellenlängen, über die CO2 zur Erderwärmung beitragen kann. Hinzu kommen weitere Effekte.
5.3 Luftschichten
Ein Detail z.B. ist, dass man sich die Atmosphäre nicht einfach als "homogene Luft" vorstellt, sondern dass sich vertikal verschiedene Luftschichten ergeben, welche sich in Druck, Temperatur und Zusammensetzung unterschieden.
In hohen Luftschichten ist einerseits wenig Wasser vorhanden, welches überlappen kann, auf der anderen Seite ist die Luft so Dünn, dass so wenig CO2 vorhanden ist, dass keine Sättigung auftritt.
Die Strahlung wandert auch nicht Schnurstracks nach oben wo irgendwann eine Schicht an THGs auftaucht, sondern es gibt mehrere Luftschichten, von denen die Strahlung Schicht für Schicht nach oben wandern kann. Das bedeutet in mehreren Schichten kann CO2 soweit gesättigt sein, dass mehr CO2 nicht noch mehr Strahlung absorbiert. In höheren Schichten allerdings ist die Konzentration durch den niedrigeren Druck geringer, wo dann dort angereichertes CO2 wieder mehr absorbiert und zurück nach unten abstrahlen kann.
Außerdem bewirkt eine steigende CO2 Konzentration, dass sich die Höhe, in der die Wärme an das All abgegeben wird, nach oben verschiebt. Weiter oben ist die Temperatur niedriger, wodurch nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz auch die abgestrahlte Energie weniger ist. Die Erde müsste sich also weiter aufwärmen, um wieder die gleiche Menge an Energie abzustrahlen (höhere Schichten müssten wärmer werden). Bis sich dieses neue Gleichgewicht aber eingestellt hat, wird mehr Energie von der Atmosphäre aufgenommen als abgestrahlt.
Schaubilder einfügen?!
6 Fazit
Wie genau Treibhausgase wirken und welche Effekte wie zum Klimawandel beitragen ist eine Wissenschaft für sich. Ich finde es wichtig die Hintergründe grundlegend zu kennen und finde es auch mal spannend, in so einem Exkurs die Ausläufer und Phänomene die mit eine Rolle spielen kennenzulernen.
Für mich persönlich zählt aber hauptsächlich die Aussage am Ende der Wissenschaft: Bestimmte Gase führen zu einer veränderten Energiebilanz der Erde, weshalb die Erde zurzeit immer mehr Energie aufnimmt, was wir als Klimawandel wahrnehmen. Ein weiterer Anstieg der Konzentration dieser Gase in der Atmosphäre verstärkt den Effekt. Um dem Klimawandel entgegenzuwirken müssen die Treibhausgasemissionen reduziert werden.
Um das effektiv zu machen kann man die verschiedenen Beiträge der Gase zum Treibhauseffekt bestimmen (GWP), mit dem sich in der Anwendung Handlungsempfehlungen ableiten lassen.
Wie die ganze Atmosphärenphysik und Umweltchemie dahinter funktioniert, da gibt es bestimmt andere schlaue Menschen, die da besser erklären können was abgeht :)
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