Das Potenzial von Wasserstoff als sauberer Brennstoff könnte laut Forschungen der Princeton University und der National Oceanic and Atmospheric Association durch eine chemische Reaktion in der unteren Atmosphäre begrenzt werden.
Dies liegt daran, dass Wasserstoffgas in der Atmosphäre leicht mit demselben Molekül reagiert, das hauptsächlich für den Abbau von Methan, einem starken Treibhausgas, verantwortlich ist. Wenn die Wasserstoffemissionen einen bestimmten Schwellenwert überschreiten, wird diese gemeinsame Reaktion wahrscheinlich dazu führen, dass sich Methan in der Atmosphäre ansammelt – mit jahrzehntelangen Klimafolgen.
„Wasserstoff ist theoretisch der Treibstoff der Zukunft“, sagte Matteo Bertagni, Postdoktorand am High Meadows Environmental Institute, der an der Carbon Mitigation Initiative arbeitet. „In der Praxis wirft es jedoch viele ökologische und technologische Bedenken auf, die noch angegangen werden müssen.“
Bertagni ist der erste Autor eines Forschungsartikels, der in veröffentlicht wurde Naturkommunikation, in dem Forscher die Wirkung von Wasserstoffemissionen auf atmosphärisches Methan modellierten. Sie fanden heraus, dass eine undichte Wasserstoffwirtschaft oberhalb einer bestimmten Schwelle, selbst wenn sie die Nutzung fossiler Brennstoffe ersetzt, kurzfristig Umweltschäden verursachen könnte, indem sie die Menge an Methan in der Atmosphäre erhöht. Das Schadensrisiko wird durch Wasserstoffproduktionsmethoden verstärkt, die Methan als Input verwenden, was die kritische Notwendigkeit hervorhebt, Emissionen aus der Wasserstoffproduktion zu verwalten und zu minimieren.
„Wir müssen noch viel über die Folgen der Verwendung von Wasserstoff lernen, daher schafft der Wechsel zu Wasserstoff, einem scheinbar sauberen Kraftstoff, keine neuen ökologischen Herausforderungen“, sagte Amilcare Porporato, Thomas J. Wu ’94 Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen und das High Meadows Environmental Institute. Porporato ist Hauptforscher und Mitglied des Führungsteams der Carbon Mitigation Initiative und ist außerdem assoziierte Fakultät am Andlinger Center for Energy and the Environment.
Das Problem läuft auf ein kleines, schwer zu messendes Molekül hinaus, das als Hydroxylradikal (OH) bekannt ist. OH wird oft als „das Reinigungsmittel der Troposphäre“ bezeichnet und spielt eine entscheidende Rolle bei der Beseitigung von Treibhausgasen wie Methan und Ozon aus der Atmosphäre.
Das Hydroxylradikal reagiert auch mit Wasserstoffgas in der Atmosphäre. Und da jeden Tag eine begrenzte Menge OH erzeugt wird, bedeutet jeder Anstieg der Wasserstoffemissionen, dass mehr OH zum Abbau von Wasserstoff verwendet würde, wodurch weniger OH für den Abbau von Methan zur Verfügung stünde. Infolgedessen würde Methan länger in der Atmosphäre bleiben und seine Erwärmungswirkung verlängern.
Laut Bertagni könnten die Auswirkungen einer Wasserstoffspitze, die auftreten könnte, wenn die staatlichen Anreize für die Wasserstoffproduktion zunehmen, jahrzehntelange Klimafolgen für den Planeten haben.
„Wenn Sie jetzt etwas Wasserstoff in die Atmosphäre emittieren, wird dies in den folgenden Jahren zu einer fortschreitenden Ansammlung von Methan führen“, sagte Bertagni. „Obwohl Wasserstoff in der Atmosphäre nur eine Lebensdauer von etwa zwei Jahren hat, werden Sie in 30 Jahren immer noch die Methan-Rückkopplung von diesem Wasserstoff haben.“
In der Studie identifizierten die Forscher den Wendepunkt, an dem Wasserstoffemissionen zu einem Anstieg des atmosphärischen Methans führen und dadurch einige der kurzfristigen Vorteile von Wasserstoff als sauberem Kraftstoff untergraben würden. Durch die Identifizierung dieses Schwellenwerts legten die Forscher Ziele für das Management von Wasserstoffemissionen fest.
„Es ist zwingend erforderlich, dass wir bei der Festlegung von Schwellenwerten für Wasserstoffemissionen proaktiv vorgehen, damit sie für die Gestaltung und Implementierung zukünftiger Wasserstoffinfrastrukturen verwendet werden können“, sagte Porporato.
Für Wasserstoff, der als grüner Wasserstoff bezeichnet wird und durch die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mit Strom aus erneuerbaren Quellen hergestellt wird, liegt die kritische Schwelle für Wasserstoffemissionen laut Bertagni bei etwa 9 %. Das bedeutet, dass, wenn mehr als 9 % des produzierten grünen Wasserstoffs in die Atmosphäre entweichen – sei es am Produktionsort, irgendwann während des Transports oder irgendwo anders entlang der Wertschöpfungskette – das atmosphärische Methan in den nächsten Jahrzehnten zunehmen und sich aufheben würde einige der Klimavorteile der Abkehr von fossilen Brennstoffen herausarbeiten.
Und für blauen Wasserstoff, also Wasserstoff, der durch Methanreformierung mit anschließender Kohlenstoffabscheidung und -speicherung hergestellt wird, ist die Schwelle für Emissionen sogar noch niedriger. Da Methan selbst der primäre Input für den Prozess der Methanreformierung ist, müssen Hersteller von blauem Wasserstoff neben dem Wasserstoffleck auch den direkten Methanaustritt berücksichtigen. So fanden die Forscher beispielsweise heraus, dass selbst bei einer Methanaustrittsrate von nur 0,5 % Wasserstoffaustritte unter etwa 4,5 % gehalten werden müssten, um eine Erhöhung der atmosphärischen Methankonzentrationen zu vermeiden.
„Das Management der Leckraten von Wasserstoff und Methan wird entscheidend sein“, sagte Bertagni. „Wenn Sie nur eine kleine Menge Methan und ein bisschen Wasserstoff austreten lassen, ist der blaue Wasserstoff, den Sie produzieren, möglicherweise nicht viel besser als die Verwendung fossiler Brennstoffe, zumindest für die nächsten 20 bis 30 Jahre.“
Die Forscher betonten die Bedeutung der Zeitskala, über die die Wirkung von Wasserstoff auf atmosphärisches Methan betrachtet wird. Bertagni sagte, dass der Wechsel zu einer Wasserstoffwirtschaft langfristig (zum Beispiel im Laufe eines Jahrhunderts) dem Klima immer noch Nettovorteile bringen würde, selbst wenn die Methan- und Wasserstoffleckagen hoch genug sind, um nahezu Begriff Erwärmung. Irgendwann, sagte er, würden die atmosphärischen Gaskonzentrationen ein neues Gleichgewicht erreichen, und der Wechsel zu einer Wasserstoffwirtschaft würde seine Klimavorteile demonstrieren. Aber bevor das passiert, könnten die potenziellen kurzfristigen Folgen von Wasserstoffemissionen zu irreparablen ökologischen und sozioökonomischen Schäden führen.
Wenn die Institutionen also hoffen, die Klimaziele der Mitte des Jahrhunderts zu erreichen, warnte Bertagni, dass das Austreten von Wasserstoff und Methan in die Atmosphäre unter Kontrolle gehalten werden muss, wenn die Wasserstoffinfrastruktur mit dem Ausbau beginnt. Und da Wasserstoff ein kleines Molekül ist, das notorisch schwer zu kontrollieren und zu messen ist, erklärte er, dass das Management von Emissionen wahrscheinlich erfordern wird, dass Forscher bessere Methoden zur Verfolgung von Wasserstoffverlusten in der gesamten Wertschöpfungskette entwickeln.
„Wenn Unternehmen und Regierungen es ernst meinen, Geld in die Entwicklung von Wasserstoff als Ressource zu investieren, müssen sie sicherstellen, dass sie es richtig und effizient tun“, sagte Bertagni. „Letztendlich muss die Wasserstoffwirtschaft so aufgebaut werden, dass sie den Bemühungen in anderen Sektoren zur Minderung der CO2-Emissionen nicht entgegenwirkt.“
Mehr Informationen:
Matteo B. Bertagni et al, Risiko der Wasserstoffökonomie für atmosphärisches Methan, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-35419-7