Neues klimachemisches Modell findet „nicht zu vernachlässigende“ Auswirkungen eines potenziellen Austritts von Wasserstoffkraftstoff

Während die Welt nach Möglichkeiten sucht, den Klimawandel zu stoppen, konzentrieren sich viele Diskussionen auf die Verwendung von Wasserstoff anstelle von fossilen Brennstoffen, die bei ihrer Verbrennung klimaerwärmende Treibhausgase (THGs) ausstoßen. Die Idee ist ansprechend. Durch die Verbrennung von Wasserstoff werden keine Treibhausgase in die Atmosphäre freigesetzt, und Wasserstoff eignet sich gut für eine Vielzahl von Anwendungen, insbesondere als Ersatz für Erdgas in industriellen Prozessen, bei der Stromerzeugung und beim Heizen von Häusern.

Aber während die Verbrennung von Wasserstoff keine Treibhausgase ausstößt, kann jeder Wasserstoff, der aus Pipelines oder Lager- oder Tankanlagen austritt, indirekt zum Klimawandel führen, indem er sich auf andere Verbindungen auswirkt, die Treibhausgase sind, darunter troposphärisches Ozon und Methan, wobei die Auswirkungen von Methan der dominierende Effekt sind. Eine viel zitierte Modellstudie aus dem Jahr 2022, in der die Auswirkungen von Wasserstoff auf chemische Verbindungen in der Atmosphäre analysiert wurden, kam zu dem Schluss, dass diese Klimaauswirkungen erheblich sein könnten.

Nun hat ein Team von MIT-Forschern die spezifische Chemie genauer untersucht, die bei der Verwendung von Wasserstoff als Kraftstoff die Risiken birgt, wenn er ausläuft.

Die Forscher entwickelten ein Modell, das viele weitere chemische Reaktionen verfolgt, die durch Wasserstoff beeinflusst werden können, und Wechselwirkungen zwischen Chemikalien berücksichtigt. Ihre Ergebnisse, veröffentlicht In Grenzen in der Energieforschungzeigte, dass die Auswirkungen von austretendem Wasserstoff auf das Klima zwar nicht so groß sein würden, wie in der Studie von 2022 vorhergesagt, und dass sie etwa ein Drittel der Auswirkungen von heute austretendem Erdgas ausmachen würden, dass aber ausgetretener Wasserstoff Auswirkungen auf das Klima haben wird. Beim Aufbau der Wasserstoff-Infrastruktur sollte die Vermeidung von Leckagen daher oberste Priorität haben, so die Forscher.

Der Einfluss von Wasserstoff auf das „Reinigungsmittel“, das unsere Atmosphäre reinigt

Globale dreidimensionale Klimachemiemodelle, die eine große Anzahl chemischer Reaktionen nutzen, wurden ebenfalls verwendet, um die potenziellen Klimaauswirkungen von Wasserstoff zu bewerten. Die Ergebnisse variieren jedoch von Modell zu Modell, was die MIT-Studie dazu motivierte, die Chemie zu analysieren. Die meisten Studien zu den Klimaauswirkungen der Verwendung von Wasserstoff berücksichtigen nur die Treibhausgase, die bei der Herstellung des Wasserstoffkraftstoffs emittiert werden. Verschiedene Ansätze können zu „blauem Wasserstoff“ oder „grünem Wasserstoff“ führen, einer Bezeichnung, die sich auf die emittierten Treibhausgase bezieht.

Unabhängig vom Verfahren zur Herstellung des Wasserstoffs kann der Kraftstoff selbst eine Gefahr für das Klima darstellen. Für eine weitverbreitete Nutzung muss Wasserstoff transportiert, verteilt und gespeichert werden – kurz gesagt, es wird viele Möglichkeiten für Leckagen geben.

Die Frage ist: Was passiert mit dem austretenden Wasserstoff, wenn er die Atmosphäre erreicht? Die Studie aus dem Jahr 2022, die große Klimaauswirkungen durch austretenden Wasserstoff vorhersagte, basierte auf Reaktionen zwischen Paaren von nur vier chemischen Verbindungen in der Atmosphäre. Die Ergebnisse zeigten, dass der Wasserstoff eine chemische Spezies abbauen würde, die Atmosphärenchemiker das „Reinigungsmittel der Atmosphäre“ nennen, erklärt Candice Chen, eine Doktorandin. Kandidat im Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences (EAPS) des MIT.

„Es geht darum, Treibhausgase, Schadstoffe und alle möglichen schlechten Dinge in der Atmosphäre einzudämmen. Es reinigt also unsere Luft“, fügt sie hinzu.

Das Beste daran ist, dass dieses Reinigungsmittel – das Hydroxylradikal, abgekürzt als OH – Methan entfernt, das ein äußerst starkes Treibhausgas in der Atmosphäre ist. OH spielt somit eine wichtige Rolle bei der Verlangsamung des globalen Temperaturanstiegs. Aber jeglicher Wasserstoff, der in die Atmosphäre entweicht, würde die Menge an OH verringern, die zur Reinigung von Methan zur Verfügung steht, sodass die Methankonzentration ansteigen würde.

Allerdings sind chemische Reaktionen zwischen Verbindungen in der Atmosphäre bekanntermaßen kompliziert. Während die Studie von 2022 ein „Vier-Gleichungs-Modell“ verwendete, haben Chen und ihre Kollegen – Susan Solomon, Professorin für Umweltstudien und Chemie bei Lee und Geraldine Martin; und Kane Stone, ein Forschungswissenschaftler bei EAPS, entwickelten ein Modell, das 66 chemische Reaktionen umfasst. Analysen mit ihrem 66-Gleichungen-Modell zeigten, dass das Vier-Gleichungen-System keine kritische Rückkopplung mit OH erfasste – eine Rückkopplung, die den Methanentfernungsprozess schützt.

So funktioniert diese Rückkopplung: Wenn der Wasserstoff die OH-Konzentration verringert, verlangsamt sich die Methanreinigung, sodass die Methankonzentration zunimmt. Dieses Methan unterliegt jedoch chemischen Reaktionen, die zur Bildung neuer OH-Radikale führen können.

„Das erzeugte Methan kann also mehr OH-Reinigungsmittel herstellen“, sagt Chen. „Es gibt einen kleinen Gegeneffekt. Indirekt hilft das Methan dabei, das zu produzieren, was es loswird.“

Das ist ein wesentlicher Unterschied zwischen ihrem 66-Gleichungen-Modell und dem Vier-Gleichungen-Modell. „Das einfache Modell verwendet einen konstanten Wert für die OH-Produktion, daher fehlt das wichtige Feedback zur OH-Produktion“, sagt sie.

Um zu untersuchen, wie wichtig es ist, diesen Rückkopplungseffekt einzubeziehen, führten die MIT-Forscher die folgende Analyse durch: Sie gingen davon aus, dass ein einzelner Wasserstoffstoß in die Atmosphäre injiziert wurde, und sagten die Änderung der Methankonzentration über die nächsten 100 Jahre vorher, zunächst mithilfe eines Vier-Gleichungs-Modells und dann das 66-Gleichungsmodell verwenden. Mit dem Vier-Gleichungen-System erreichte die zusätzliche Methankonzentration ihren Höhepunkt bei fast 2 Teilen pro Milliarde (ppb); Mit dem 66-Gleichungssystem erreichte er einen Spitzenwert von knapp über 1 ppb.

Da die Vier-Gleichungen-Analyse nur davon ausgeht, dass der injizierte Wasserstoff das OH zerstört, steigt die Methankonzentration in den ersten etwa 10 Jahren unkontrolliert an. Im Gegensatz dazu geht die 66-Gleichungen-Analyse noch einen Schritt weiter: Die Methankonzentration steigt zwar, aber wenn das System wieder ins Gleichgewicht kommt, bildet sich mehr OH und entfernt Methan.

Da diese Rückkopplung nicht berücksichtigt wird, überschätzt die Vier-Gleichungs-Analyse den Spitzenanstieg von Methan aufgrund des Wasserstoffimpulses um etwa 85 %. Das einfache Modell verdoppelt über die Zeit hinweg die Menge an Methan, die sich als Reaktion auf den Wasserstoffimpuls bildet.

Chen weist darauf hin, dass der Zweck ihrer Arbeit nicht darin besteht, ihr Ergebnis als „solide Schätzung“ der Auswirkungen von Wasserstoff darzustellen. Ihre Analyse basiert auf einem einfachen „Box“-Modell, das globale Durchschnittsbedingungen darstellt und davon ausgeht, dass alle vorhandenen chemischen Spezies gut gemischt sind. So können sich die Arten im Laufe der Zeit verändern, das heißt, sie können gebildet und zerstört werden, aber alle vorhandenen Arten sind immer perfekt gemischt. Daher berücksichtigt ein Boxmodell beispielsweise nicht den Einfluss von Wind auf die Artenverteilung.

„Wir wollen darauf hinweisen, dass man zu einfach vorgehen kann“, sagt Chen. „Wenn Sie einfacher vorgehen als das, was wir darstellen, kommen Sie weiter von der richtigen Antwort entfernt. Der Nutzen eines relativ einfachen Modells wie unseres besteht darin, dass alle Knöpfe und Hebel sehr klar sind. Das bedeutet, dass Sie das erkunden können.“ System und sehen Sie, was einen interessierenden Wert beeinflusst.

Ausgetretener Wasserstoff versus ausgetretenes Erdgas: Ein Klimavergleich

Bei der Verbrennung von Erdgas entstehen weniger Treibhausgasemissionen als bei der Verbrennung von Kohle oder Öl; Aber wie bei Wasserstoff kann jedes Erdgas, das aus Brunnen, Pipelines und Verarbeitungsanlagen austritt, Auswirkungen auf das Klima haben und einige der wahrgenommenen Vorteile der Verwendung von Erdgas anstelle anderer fossiler Brennstoffe zunichte machen. Schließlich besteht Erdgas größtenteils aus Methan, dem hochwirksamen Treibhausgas in der Atmosphäre, das durch das OH-Reinigungsmittel gereinigt wird. Aufgrund seiner Wirksamkeit können selbst kleine Methanlecks große Auswirkungen auf das Klima haben.

Wenn man also darüber nachdenkt, Erdgaskraftstoff – im Wesentlichen Methan – durch Wasserstoffkraftstoff zu ersetzen, ist es wichtig zu berücksichtigen, wie sich die Klimaauswirkungen der beiden Kraftstoffe vergleichen lassen, wenn sie austreten. Der übliche Weg, die Klimaauswirkungen zweier Chemikalien zu vergleichen, ist die Verwendung eines Maßes, das als globales Erwärmungspotenzial (GWP) bezeichnet wird.

Das GWP kombiniert zwei Messgrößen: den Strahlungsantrieb eines Gases – also seine Fähigkeit, Wärme zu speichern – und seine Lebensdauer in der Atmosphäre. Da die Lebensdauer von Gasen sehr unterschiedlich ist, besteht die Konvention beim Vergleich der Klimaauswirkungen zweier Gase darin, das GWP jedes einzelnen mit dem GWP von Kohlendioxid in Beziehung zu setzen.

Aber Wasserstoff- und Methanaustritt führen zu einem Anstieg der Methanmenge, und dass Methan entsprechend seiner Lebensdauer zerfällt. Chen und ihre Kollegen erkannten daher, dass ein unkonventionelles Verfahren funktionieren würde: Sie konnten die Auswirkungen der beiden ausgetretenen Gase direkt vergleichen. Sie fanden heraus, dass die Klimaauswirkungen von Wasserstoff etwa dreimal geringer sind als die von Methan (bezogen auf die Masse). Die Umstellung von Erdgas auf Wasserstoff würde also nicht nur die Verbrennungsemissionen einsparen, sondern möglicherweise auch die Auswirkungen auf das Klima verringern, je nachdem, wie viele Lecks austreten.

Wichtige Erkenntnisse

Zusammenfassend hebt Chen einige der ihrer Meinung nach wichtigsten Ergebnisse der Studie hervor. Als erstes auf ihrer Liste steht Folgendes: „Wir zeigen, dass ein wirklich einfaches System mit vier Gleichungen nicht das ist, was verwendet werden sollte, um die atmosphärische Reaktion auf weitere Wasserstofflecks in der Zukunft vorherzusagen.“

Die Forscher glauben, dass ihr 66-Gleichungen-Modell einen guten Kompromiss für die Anzahl der einzubeziehenden chemischen Reaktionen darstellt. Es werden Schätzungen für das Treibhauspotenzial von Methan erstellt, die „ziemlich dem unteren Ende der Zahlen entsprechen, die die meisten anderen Gruppen mit viel ausgefeilteren Modellen der Klimachemie erhalten“, sagt Chen.

Es ist zudem transparent genug, um verschiedene Optionen zum Klimaschutz auszuloten. Tatsächlich planen die MIT-Forscher, mit ihrem Modell Szenarien zu untersuchen, bei denen andere fossile Brennstoffe durch Wasserstoff ersetzt werden, um die Klimavorteile der Umstellung in den kommenden Jahrzehnten abzuschätzen.

Die Studie zeigt auch eine wertvolle neue Möglichkeit auf, die Treibhauseffekte zweier Gase zu vergleichen. Solange ihre Auswirkungen auf ähnlichen Zeitskalen bestehen, ist ein direkter Vergleich möglich – und dem Vergleich mit Kohlendioxid, das in der Atmosphäre extrem langlebig ist, vorzuziehen. In dieser Arbeit liefert der direkte Vergleich einen einfachen Blick auf die relativen Klimaauswirkungen von ausgetretenem Wasserstoff und ausgetretenem Methan – wertvolle Informationen, die bei der Überlegung, von Erdgas auf Wasserstoff umzusteigen, zu berücksichtigen sind.

Abschließend bieten die Forscher praktische Anleitungen für die Entwicklung und Nutzung der Infrastruktur sowohl für Wasserstoff als auch für Erdgas. Ihre Analysen kommen zu dem Ergebnis, dass Wasserstoffkraftstoff selbst ein „nicht vernachlässigbares“ GWP aufweist, ebenso wie Erdgas, das größtenteils aus Methan besteht. Daher ist die Minimierung der Leckage beider Kraftstoffe notwendig, um bis 2050 Netto-CO2-Emissionen von Null zu erreichen, das Ziel, das sich sowohl die Europäische Kommission als auch das US-Außenministerium gesetzt haben.

Ihr Papier kommt zu dem Schluss: „Wenn Wasserstoff nahezu leckagefrei verwendet wird, ist er eine ausgezeichnete Option. Andernfalls sollte Wasserstoff nur ein vorübergehender Schritt in der Energiewende sein oder er muss zusammen mit Schritten zur Kohlenstoffentfernung verwendet werden.“ [elsewhere] um seinen wärmenden Auswirkungen entgegenzuwirken.

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website mit Neuigkeiten über MIT-Forschung, Innovation und Lehre.