Wie viel Wasserstoff verträgt die Atmosphäre?

Wasserstoff reagiert mit Hydroxylradikalen und beeinflusst so die Lebensdauer von Methan in der Atmosphäre. Dieser Effekt ist aufgrund der geringen Wasserstoffmengen in der Atmosphäre zurzeit vernachlässigbar. Wird Wasserstoff jedoch zukünftig als Energieträger genutzt, könnte sich das ändern.

Kein anderer energiereicher Stoff eignet sich gleichermaßen, in Mobilität, Wärmeversorgung und in der industriellen Produktion die CO₂-belasteten fossilen Rohstoffe abzulösen.^1–6) Neben seinen stofflichen Eigenschaften basiert die besondere Eignung des Wasserstoffs auf zwei Säulen:

Er lässt sich ohne CO₂-Emissionen mit Strom aus Wind und Sonne erzeugen (grüner Wasserstoff).Wasserstoff ist nicht wie CO₂, Methan und andere Gase infrarotaktiv und heizt das Klima nicht an. Deshalb machen Leckagen in die Atmosphäre nicht die klimatischen Gewinne aus der CO₂-Vermeidung zunichte.

Dies ist die allgemeine Lesart. Bei näherer Betrachtung aber ist der Einfluss des Wasserstoffs auf die Atmosphäre vielschichtig und nicht vernachlässigbar:

Wasserstoff gehört wie NO_x, CO, CH₄ und andere Kohlenwasserstoffe zu den Vorläufersubstanzen des troposphärischen Ozons. Eine Zunahme ihrer Konzentration führt zu mehr Ozon in den unteren Luftschichten.Die gleichen Vorläufersubstanzen kontrollieren auch Konzentration und Verteilung von Hydroxylradikalen (OH). Diese sind das Waschmittel der Atmosphäre,⁷⁾ das die Lebensdauer und die globale Entwicklung der Methankonzentration bestimmt. Da Methan und Ozon selbst Klimagase sind, sind die Vorläufersubstanzen einschließlich Wasserstoff ebenfalls potenzielle Klimagase.

Diese Zusammenhänge sind in der Atmosphärenwissenschaft seit fast zwei Jahrzehnten bekannt,^8–11) haben aber bei den noch kleinen Mengen industriell verwendeten Wasserstoffs keine praktische Bedeutung. Dies könnte sich in einer globalen Wasserstoffökonomie ändern.

Wie viel Wasserstoff verträgt die Atmosphäre, ohne die klimabedingten Vorteile aus einer CO₂-freien Wirtschaft zunichte zu machen? Die Antwort auf diese Frage ist alles andere als trivial, erfordert sie doch die genaue Analyse der atmosphärischen Chemie des Wasserstoffs sowie eine halbwegs verlässliche Abschätzung der zukünftig emittierten Mengen aus Leckagen bei Herstellung, Transport und Verwendung. Umfassende Analysen der chemischen und klimatischen Auswirkungen von anthropogenen Wasserstoffemissionen haben kürzlich Warwick et al.¹²⁾ sowie Ocko und Hamburg¹³⁾ vorgelegt.

Wasserstoffquellen

Wasserstoff ist ein Bestandteil der Atmosphäre. Er entsteht durch Oxidation flüchtiger organischer Substanzen (volatile organic compounds, VOCs) in der Atmosphäre gefolgt von der Photolyse der entstehenden Aldehyde (zirka 60 Prozent) sowie durch Verbrennen fossiler Energieträger (15 Prozent) und Biomasse (16 Prozent). Er wird der Atmosphäre entz0gen durch die Reaktion mit OH-Radikalen (20 Prozent) und die Aufnahme in Böden (80 Prozent). Seine globale Quellstärke liegt derzeit bei etwa 80 bis 100 Tg·a^–1 (= Mt·a^–1);^14,15) seine mittlere atmosphärische Konzentration beträgt 0,58 ppm, seine Lebensdauer zirka 2,3 Jahre.

Die industrielle Wasserstoffproduktion im Jahr 2020 betrug weltweit 117 Mt·a^–1.¹⁶⁾ Mit einem Heizwert des Wasserstoffs von 33,3 kWh·kg entspricht dies einer Energie von 3900 TWh·a^–1. Davon wurden 60 Prozent durch Dampfreformierung und 40 Prozent aus Nebenprodukten der Industrie erzeugt, zum Teil begleitet von erheblichen CO₂-Emissionen (etwa 1 Gt·a^–1). In Deutschland belief sich die Produktion im gleichen Jahr auf 57 TWh oder fast 1,5 Prozent der globalen Menge.

Der Bedarf

Der zukünftige Bedarf an grünem Wasserstoff in einer CO₂-freien Wirtschaft hängt von vielen Faktoren ab, etwa wie sich die Elektrolysekapazitäten entwickeln, wie viele Speicher- und Transportkapazitäten es gibt und wie viel Wasserstoff durch Umstellung von Industrieprozessen und Power-to-X-Produkte³⁾ nachgefragt wird. Schließlich stellt sich auch die Frage, wie viel Wasserstoff die einzelnen Sektoren, also Wärme, Strom, Mobilität und Industrie, brauchen.

Aus all diesen Gründen ist der künftige Wasserstoffbedarf nur mit großer Unsicherheit abzuschätzen. Demnach werden für Deutschland 4 bis 20 TWh im Jahr 2030 und 250 bis 800 TWh im Jahr 2050 vorausgesagt,¹⁾ also im Mittel etwa das Zehnfache des heutigen Bedarfs. Die prognostizierten Bedarfe für die EU in den gleichen Zeiträumen betragen 500 bis 600 TWh im Jahr 2030 und 800 bis 2200 TWh 20 Jahr später.¹⁷⁾

Belastbare Prognosen für einen künftigen globalen Bedarf gibt es nach Kenntnis des Autors nicht. Wenn man allerdings davon ausgeht, dass sich in Analogie zur Entwicklung in Deutschland der weltweite Bedarf bis 2050 ebenfalls in etwa verzehnfacht, kommt man auf 39 000 TWh.

Einen ähnlichen Wert nennt der neueste Energieentwicklungsbericht des Unternehmens BP aus dem Jahr 2020:¹⁸⁾ Demnach wird Wasserstoff bis zum Jahr 2050 etwa 23 Prozent des weltweiten Gesamtenergiebedarfs decken, also 33 EJ oder 36 000 TWh. Warwick et al. schätzen den Wasserstoffbedarf für das Jahr 2050 auf 28 400 TWh.¹²⁾ Deshalb sind 1000 Mt·a^–1 vermutlich ein realistischer Wert für den globalen Wasserstoffbedarf.

Die Verluste

Für den Verlust von Wasserstoff durch Leckagen bei Erzeugung, Transport und Anwendung gibt es kaum Erfahrungswerte. In US-amerikanischen Verteilungsketten für Erdgas gehen etwa 2,3 Prozent verloren. Da Wasserstoffmoleküle kleiner sind ist als die Moleküle im Erdgas, werden die Wasserstoffverluste bei Leckagen größer sein. Daher kommen Warwick et al. zu unteren und oberen Leckageraten von 1 bis 10 Prozent, also 10 bis 100 Mt·a^–1.¹²⁾ Die Obergrenze ähnelt mit der derzeitigen Gesamtquellstärke, sodass sich das heutige Mischungsverhältnis etwa verdoppeln, also bei 1,2 ppm liegen würde.

Modellbetrachtung

Was bedeuten 100 Mt·a^–1 zusätzliche Mengen Wasserstoff für die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre und deren Strahlungseigenschaften? Anders als bei Warwick et al.¹²⁾ steht in diesem Artikel eine einfache Modellbetrachtung der Chemie des Wasserstoffs und wie sich diese auf das Oxidationspotenzial der Atmosphäre sowie auf die Konzentration des Klimagases Methan auswirkt. Im Zentrum einer solchen Betrachtung steht das Hydroxylradikal. Dieses sorgt in der sonnenbeschienen Atmosphäre für den Abbau bodengebundener Emissionen und bestimmt deren Lebensdauern. Das OH-Radikal entsteht ausschließlich photochemisch:

(1) O(¹D) + H₂O → 2 OH,

wobei die elektronisch angeregten Sauerstoffatome (O(¹D)) aus der Photolyse des Ozons stammen. Seine wesentliche Senke ist die Rekombination mit NO₂ oder HO₂-Radikalen:

(2) OH + NO₂ + M → HNO₃ + M

(3) OH + HO₂ → H₂O + O₂

Die Gesamtkonzentration von OH im globalen Mittel und über 24 Stunden liegt bei nur 2·10⁶ Molekülen pro cm³ (0,08 ppt). Tageshöchstkonzentrationen können 10⁷ Moleküle pro cm³ oder mehr erreichen, während sie während der Nacht auf zirka 10⁵ Moleküle pro cm³ sinkt. Wir bewegen uns also im extrem kleinen Spurengasbereich. Dennoch ist das OH-Radikal der mit Abstand wichtigste Vertreter des Oxidationspotenzials der Atmosphäre.

OH-Radikale entstehen nicht nur und werden verbraucht, sondern werden auch gemeinsam mit HO₂ in einem Kettenreaktionszyklus geführt, den die Spurengase CO und NO antreiben:

(4) OH + CO → CO₂ + H

(5) H + O₂ → HO₂

(6) HO₂ + NO → NO₂ + OH

Brutto: CO + NO + O₂ → CO₂ + NO₂

Hierdurch werden OH und HO₂ gegenläufig im Kreislauf geführt, ohne dass sich HO_x, die Summe aus OH + HO₂ (ΔHO_x = 0), verändert. Gleichzeitig werden CO und NO oxidiert. Das Verhältnis von OH zu HO₂ wird durch die jeweiligen Mengen an CO und NO bestimmt. Zunehmendes CO verringert OH zugunsten von HO₂, das Umgekehrte gilt für NO.

In den Modellen der OH-Chemie wird im wesentlichen CO als Hauptreagenz der OH/HO₂-Konversion betrachtet, ein geringerer Anteil entfällt auf das Methan (Abbildung). Ob ein Spurengas an diesem Zyklus beteiligt ist oder nicht, hängt von seiner Reaktivität gegenüber dem OH-Radikal und seiner Konzentration ab.

Hier kommt Wasserstoff ins Spiel. Dieser kann im gleichen Sinne wie CO wirken. Aufgrund der Reaktionsfolge

(7) OH + H₂ → H₂O + H

(5) H + O₂ → HO₂ und

(6) HO₂ + NO → NO₂ + OH

Brutto: H₂ + NO + O₂ → H₂O + NO₂

sinkt auch durch H₂ die OH-Menge zugunsten der HO₂-Menge.

Lebensdauern

Wie sich die OH-Konzentration durch den zusätzlichen Wasserstoff ändert, lässt sich durch Modellrechnungen abschätzen, die viele Reaktionen berücksichtigen. So haben Warwick et al.¹²⁾ eine OH-Abnahme von zirka 1 · 10⁵ pro H₂-Zuwachs von 1 ppm berechnet.

Eine weniger aufwendige Möglichkeit, die OH-Abnahme zu schätzen, basiert auf der Betrachtung der Geschwindigkeiten der Reaktionen (4) und (7). Diese kann man ausdrücken durch die OH-Lebensdauern (τ(OH)):

τ(OH+Y) = –(d ln(OH)/dt)^–1= (k_OH+Y ·(Y))^–1

wobei k_OH+Y die Geschwindigkeitskonstanten der Reaktionen von OH mit CO (4) und H₂ (7) und Y = CO, H₂ sind. Sie betragen k_OH+CO = 1,5 · 10^–13 cm³·(Molekül·s)^–1 und k_OH+H2 = 3,8 · 10^–15 cm³·(Molekül·s)^–1 bei jeweils 273 K, gewählt als mittlere Temperatur der unteren Troposphäre in etwa 4 km Höhe.¹⁹⁾ Gemeinsam mit den Konzentrationen von CO und H₂ von 0,10 ppm, also 2,6 · 10¹² Molekülen pro cm³ beziehungsweise 1,2 ppm, also 3,1 · 10¹³ Molekülen pro cm³, ergeben sich Lebensdauern von τ(OH+CO) = 2,6 s und τ(OH+H₂) = 8,5 s sowie eine Gesamtlebensdauer von τ(OH)=(1/τ(OH+CO) +1/(τ(OH+H₂))^–1 = 2,0 s.

Das heißt, wenn alles sonst unverändert bleibt, darunter die Konzentrationen von CO und NO, so sinkt die OH-Konzentration durch die erhöhte H₂-Konzentration um etwas weniger als 20 Prozent.

Indirekter Klimaeffekt

Die Reduktion des OH-Gehalts löst einen indirekten Klimaeffekt des Wasserstoffs aus, indem er die Klimawirkung des Methans verstärkt. Für Methan in der Atmosphäre gibt es natürliche (Feuchtgebiete) und anthropogene Quellen (Wiederkäuer, Reisanbau, Kohleabbau, Gas- und Ölindustrie, Deponien). Abgebaut wird es im Wesentlichen durch Reaktion mit dem OH-Radikal. Seine Lebensdauer beträgt etwa neun Jahre, sein Mischungsverhältnis liegt heute bei 1,86 ppm.

Eine Verringerung der OH-Konzentration ließe die Konzentration des Methans proportional um etwa 20 Prozent wachsen, also um 0,37 ppm. Sein Beitrag zur Klimaerwärmung würde deshalb von derzeit etwa 30 auf 36 Prozent steigen.

Die Standardmetrik für die Klimawirkung einer Substanz ist der GWP-Wert (Global Warming Potential, Treibhauspotenzial), der die integrale Wirkung über einen bestimmten Zeitraum (meist 20 und 100 Jahre) relativ zum CO₂ wiedergibt. Kürzer existierende Klimagase haben deshalb höhere GWP-Werte auf der kürzeren Zeitskala. So beträgt er beim Methan 28 (100 Jahre) beziehungsweise 84 (20 Jahre).²⁰⁾ Aufgrund der wasserstoffinduzierten Zunahme der Methankonzentration wächst der GWP-Wert des Methans; die Differenz wird dem Wasserstoff selbst zugeordnet.¹²⁾

Weniger CO, NO_x und Methan

Es gibt weitere Veränderungen der atmosphärischen Zusammensetzung, die mit der Einführung einer globalen Wasserstoffökonomie verbunden sind:¹²⁾ Durch Rückgang oder Verzicht der Verbrennung fossiler Energieträger werden die anthropogenen Emissionen von CO, NO_x und VOC abnehmen. Diese sind selbst Luftschadstoffe und darüber hinaus für die Bildung des troposphärischen Ozons verantwortlich. Die Luftqualität würde also steigen. Der Verzicht auf Kohle und Erdgas wird den anthropogenen Anteil an der Methanemission verringern und damit seinen Anteil an der globalen Klimaveränderung verringern.

Der Autor

Reinhard Zellner war Professor für physikalische Chemie mit Schwerpunkt Atmosphärenchemie an der Universität Duisburg-Essen. Er war unter anderem Mitglied der Enquete-Kommissionen des Deutschen Bundestags „Schutz der Erdatmosphäre“ und „Schutz des Menschen und Umwelt“ und koordinierte das deutsche Ozon-Forschungsprogramm.

AUF EINEN BLICK

Wasserstoff in der Atmosphäre trägt indirekt zur Klimaerwärmung bei.

Wenn Wasserstoff global als Energieträger und Rohstoff dient, ist darauf zu achten, dass Leckagen möglichst klein bleiben.

Wenn Wasserstoff künftig fossile Brenn- und Kraftstoffe ersetzt, verringern sich auch die begleitenden Schadstoffe wie CO, NO_x und VOC, und damit verbessert sich die Luftqualität.

• ¹ C. Hebling, M. Ragwitz, T. Fleite , Wasserstoff-Roadmap für Deutschland, Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI, Karlsruhe, und Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Freiburg 2019
• ² M. Roeb, S. Brendelberger, A. Rosenstiel et al. Wasserstoff als ein Fundament der Energiewende, Teil 1: Technologien und Perspektiven für eine nachhaltige und ökonomische Wasserstoffversorgung, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR), Köln 2020
• ³ E. Bauer, M. Sterner, Chem. Ing. Tech. 2020, 92(1), 21
• ⁴ Bundesministerium für Wirtschaft, Die nationale Wasserstoffstrategie, Berlin 2020
• ⁵ Sachverständigenrat für Umweltfragen (SRU) , Wasserstoff im Klimaschutz: Klasse statt Masse, Berlin, 2021
• ⁶ R. Zellner, Chem. Ing. Tech. 2022, 94(4), 457–470
• ⁷ A. Wahner, A. Hofzumahaus, G. K. Moortgat in: R. Zellner (Hrsg.) Chemie über den Wolken, Wiley-VCH, Weinheim 2011, 163–170
• ⁸ M. G. Schultz, T. Diehl, G. P. Brasseur, W. Zittel, Science 2003, 302, 624
• ⁹ R. Derwent, P. Simmond, S. O‘Doherty et al., Int. J. of Nuclear Hydrogen Production and Applications 2006, 1(1), 57–67 doi: 10.1504/IJNHPA.2006.009869
• ¹⁰ M. Z. Jacobson, Geophys. Res. Lett. 2008, 35, L19803, doi: 10.1029/2008GL035102
• ¹¹ T. Feck, Wasserstoff-Emissionen und ihre Auswirkungen auf den arktischen Ozonverlust. Risikoanalyse einer globalen Wasserstoffwirtschaft, Schriftenreihe des Forschungszentrums Jülich, 2009, 51
• ¹² N. Warwick, P. Griffith, J. Keeble et al. Atmospheric implications of increased Hydrogen use, 2022, www.gov.uk/government/publications/atmospheric-implications-of-increased-hydrogen-use (Stand 22.8.2022)
• ¹³ I. B. Ocko, St. B. Hamburg, Atm. Chem. Phys. 2022, 22, 9349–9368, doi.org/10.5194/acp-22–9349–2022, 2022.
• ¹⁴ G. Pieterse, M. C. Krol, A. M. Batenburg et al., Geophys. Res. Atmos. 2013, 118, 3764–3780
• ¹⁵ T. S. Rhee, C. A. M. Brenninkmeijer, T. Röckmann, Atmos. Chem. Phys. 2006, 6, 1611–1625
• ¹⁶ de.statista.com/themen/7353/wasserstoff (Stand 22.08.2022)
• ¹⁷ European Commission, A hydrogen strategy for a climate neutral Europe, 2020
• ¹⁸ www.bp.com/en/global/corporate/energy-economics.html (Stand 22.08.2022)
• ¹⁹ J. B. Burkholder, S. P. Sander, J. P. D. Abbatt et al., JPL-Publication 2015, 15–10
• ²⁰ Intergovernmental Panel on Climate Change, Assessment Report 5, 2015

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