Treibhauspotential

Das (relative) Treibhauspotential (THP, auch Treibhauspotenzial; englisch Global Warming Potential oder greenhouse warming potential, GWP) einer chemischen Verbindung ist eine Maßzahl für ihren relativen Beitrag zum Treibhauseffekt, also ihre mittlere Erwärmungswirkung der Erdatmosphäre über einen bestimmten Zeitraum (in der Regel 100 Jahre: GWP₁₀₀). Sie gibt damit an, wie viel eine bestimmte Masse eines Treibhausgases im Vergleich zur gleichen Masse CO₂ zur globalen Erwärmung beiträgt. Das Treibhauspotential ist eine Kennzahl mit der Dimension Zahl und dem Formelzeichen CO₂e, CO₂eq oder CO₂‑e.

Beispielsweise beträgt das CO₂-Äquivalent für Methan bei einem Zeithorizont von 100 Jahren 28: Das bedeutet, dass ein Kilogramm Methan innerhalb der ersten 100 Jahre nach der Freisetzung 28-mal so stark zum Treibhauseffekt beiträgt wie ein Kilogramm CO₂. Bei Distickstoffmonoxid beträgt dieser Wert 265.

Das Treibhauspotential ist aber nicht mit dem tatsächlichen Anteil an der globalen Erwärmung gleichzusetzen, da sich die Emissionsmengen der verschiedenen Gase stark unterscheiden. Mit diesem Konzept können bei bekannten Emissionsmengen die unterschiedlichen Beiträge einzelner Treibhausgase verglichen werden. Die Hauptbestandteile der irdischen Lufthülle (Stickstoff, Sauerstoff und Argon) zählen nicht zu den Treibhausgasen und haben aufgrund ihrer molekularen Struktur keinen Einfluss auf den Treibhauseffekt. Das in seiner Gesamtwirkung stärkste Treibhausgas ist der Wasserdampf, dessen Anteil am natürlichen Treibhauseffekt je nach geographischen Gegebenheiten beziehungsweise Klimazone zwischen 36 und 70 Prozent schwankt. Jedoch ist Wasserdampf nur in sehr geringem Umfang ein Emissionsgas, seine Konzentration in der Atmosphäre steht in unmittelbarem Zusammenhang mit der Lufttemperatur. Der atmosphärische Wasserdampfgehalt nimmt bei niedrigen Durchschnittstemperaturen ab und steigt während einer Erwärmungsphase an (Wasserdampf-Rückkopplung), wobei die Atmosphäre pro Grad Temperaturzunahme 7 Prozent mehr Wasserdampf aufnehmen kann.

In der ersten Verpflichtungsperiode des Kyoto-Protokolls werden Emissionsmengen mit Hilfe der CO₂-Äquivalente der einzelnen Gase bewertet und so gemäß ihren Treibhauspotentialen gewichtet. Dies bedeutet, dass beispielsweise eine Methan-Emissionsreduktion um eine Tonne gleichwertig zu einer CO₂-Reduktion um 21 Tonnen ist, da in beiden Fällen Emissionen in der Höhe von 21 Tonnen CO₂-Äquivalent weniger anfallen. Maßgeblich sind dabei die Zahlen gemäß dem zweiten Sachstandsbericht des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) aus dem Jahr 1995 für einen Zeithorizont von 100 Jahren.

Das IPCC selbst gibt jedoch GWP-Werte für Zeithorizonte von 20 Jahren, 100 Jahren und 500 Jahren an und betont, dass dessen Wahl von politischen Überlegungen bestimmt sei. So sei z. B. ein langer Zeithorizont zu wählen, wenn bevorzugt die Eindämmung der langfristigen Folgen der globalen Erwärmung angestrebt werde.

Werte von Treibhauspotentialen

Bedeutende Treibhausgase

Treibhausgas	Summen- formel	Quellen	GWP gemäß …			atmosphärische Lebensdauer gemäß IPCC AR5 (Jahre)
			IPCC AR5		Kyoto-Protokoll
			bezogen auf 20 Jahre	bezogen auf 100 Jahre	bezogen auf 100 Jahre
Kohlenstoffdioxid	CO₂	Verbrennung fossiler Energieträger (Kohle, Erdöl, Erdgas) und von Biomasse (Wald-/ Brandrodung), Zementproduktion, ebenfalls entsteht es bei der äußeren Atmung	1,0	1,0	1,0	– ^a
2,3,3,3-Tetrafluorpropen (R1234yf)	C₃H₂F₄	Kältemittel in Kühlanlagen		4,4		0,033
Methan	CH₄	Reisanbau, Viehzucht, Kläranlagen, Mülldeponien, Steinkohlenbergbau (Grubengas), Erdgas- und Erdölproduktion, Zerfall von Methanhydrat-Vorkommen durch die globale Erwärmung, Feuchtgebiete	84,0	28,0	21,0	12,000
Distickstoffoxid (Lachgas)	N₂O	Stickstoffdünger in der Landwirtschaft, Verbrennung von Biomasse	264,0	265,0	310,0	121,000
1,1,1,2-Tetrafluorethan (R-134a, HFC-134a)	C₂H₂F₄	Kältemittel in Kühlanlagen	3710,0	1430,0	1000,0	13,4,00
Tetrafluormethan (R-14)	CF₄	Herstellung von Elektronik und Kältemittel in Kühlanlagen	4950,0	7350,0	,0	50000,00
Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW)	z. B. CClF₃	Gruppe verschiedener Verbindungen, Treibgase in Sprühdosen, Kältemittel in Kühlanlagen, Narkosemittel, Füllgase in Schaumstoffen. Reduktion aufgrund des Montreal-Protokolls. In Deutschland seit 1995 verboten.	10900,0	4660,0		640,000
Fluorkohlenwasserstoffe (FKW, HFKW)	z. B. CHF₃	Treibgase in Sprühdosen, Kältemittel in Kühlanlagen, Füllgase in Schaumstoffen	10800,0	12400,0		222,000
Stickstofftrifluorid	NF₃	Herstellung von Halbleitern, Solarzellen und Flüssigkristallbildschirmen	12800,0	16100,0		500,000
Schwefelhexafluorid	SF₆	Schutzgas bei der technischen Erzeugung von Magnesium. Auch bei Leckagen an gasisolierten Hochspannungsschaltanlagen	17500,0	23500,0	23900	3200,000
Wasserstoff ^b	H₂	Erdgasförderung, Vulkanismus	33 (20-44)	11 ± 5	4,3	4–7

^a

kann nicht als einzelner Zahlenwert angegeben werden

^b

Wasserstoff ist kein direktes Treibhausgas, denn es absorbiert keine Infrarotstrahlung. Stattdessen beeinflusst es das Vorkommen anderer Treibhausgase, sodass es indirekt Einfluss auf den Treibhauseffekt nimmt.

Weitere Gase

Trotz der international gültigen Protokolle inklusive der damit einhergehenden Nachbesserungen, gibt es nach wie vor Treibhausgase, die nicht erfasst werden und ein sehr hohes Treibhauspotential aufweisen. Dies gilt zum Beispiel für die Substanz Sulfuryldifluorid, die ein Treibhauspotential von 7642, 4780 bzw. 1540 bezogen auf 20, 100 bzw. 500 Jahre bei einer Verweilzeit von 36 Jahren in der Atmosphäre aufweist. Sulfuryldifluorid wird eingesetzt für die Schädlingsbekämpfung wie zum Beispiel von Exportholz (siehe auch Containerbegasung) oder von Gebäuden. Durch eine stark steigende Zunahme der deutschen Holzexporte in den letzten Jahren sowie restriktivere Einfuhrbestimmungen der Importländer hat auch die Emission von Sulfuryldifluorid stark zugenommen.

Faktoren für die Berechnung

Für die Berechnung der Treibhausgasemissionen werden in der EU derzeit diese Faktoren aus United Nations FCCC/CP/2013/10/Add.3 Anhang III verwendet: Auch das Umweltbundesamt rechnet mit diesen Zahlen.

Treibhausgas	Formel	Faktor
Kohlenstoffdioxid	CO₂	10
Methan	CH₄	250
Distickstoffoxid (Lachgas)	N₂O	2980
Fluorkohlenwasserstoffe (FKW, HFKW)
Fluoroform	CHF₃	148000
Difluormethan (R-32)	CH₂F₂	6750
Fluormethan (R-41)	CH₃F	920
R-43-10mee	CF₃CHFCHFCF₂CF₃	16400
Pentafluorethan (R-125)	C₂HF₅	35000
1,1,2,2-Tetrafluorethan (R-134)	C₂H₂F₄ (CHF₂CHF₂)	11000
1,1,1,2-Tetrafluorethan (R-134a)	C₂H₂F₄ (CH₂FCF₃)	14300
1,1,2-Trifluorethan (R-143)	C₂H₃F₃ (CHF₂CH₂F)	3530
1,1,1-Trifluorethan (R-143a)	C₂H₃F₃ (CF₃CH₃)	44700
1,2-Difluorethan (R-152)	CH₂FCH₂F	530
1,1-Difluorethan (R-152a)	C₂H₄F₂ (CH₃CHF₂)	1240
Fluorethan (R-161)	CH₃CH₂F	120
1,1,1,2,3,3,3-Heptafluorpropan (R-227ea)	C₃HF₇	32200
1,1,1,2,2,3-Hexafluorpropan (R-236cb)	CH₂FCF₂CF₃	13400
1,1,1,2,3,3-Hexafluorpropan (R-236ea)	CHF₂CHFCF₃	13700
1,1,1,3,3,3-Hexafluorpropan (R-236fa)	C₃H₂F₆	98100
R-245ca	C₃H₃F₅	6930
1,1,1,3,3-Pentafluorpropan (R-245fa)	CHF₂CH₂CF₃	10300
R-365mfc	CH₃CF₂CH₂CF₃	7940
Perfluorcarbone
Tetrafluormethan – PFC-14	CF₄	73900
Hexafluorethan – PFC-116	C₂F₆	122000
Octafluorpropan – PFC-218	C₃F₈	88300
Decafluorbutan – PFC-3-1-10	C₄F₁₀	88600
Octafluorcyclobutan – PFC-318	c-C₄F₈	103000
Perfluorpentan – PFC-4-1-12	C₅F₁₂	91600
Perfluorhexan – PFC-5-1-14	C₆F₁₄	93000
Perflunafen – PFC-9-1-18b	C₁₀F₁₈	75000
Perfluorcyclopropan	c-C₃F₆	173400
Schwefelhexafluorid (SF₆)
Schwefelhexafluorid	SF₆	228000
Stickstofftrifluorid (NF₃)
Stickstofftrifluorid	NF₃	172000
Hydrofluorether
HFE-125	CHF₂OCF₃	149000
HFE-134	CHF₂OCHF₂	63200
HFE-143a	CH₃OCF₃	7560
Isofluran (HCFE-235da2)	CHF₂OCHClCF₃	3500
HFE-245cb2	CH₃OCF₂CF₃	7080
HFE-245fa2	CHF₂OCH₂CF₃	6590
HFE-254cb2	CH₃OCF₂CHF₂	3590
HFE-347mcc3	CH₃OCF₂CF₂CF₃	5750
HFE-347pcf2	CHF₂CF₂OCH₂CF₃	5800
HFE-356pcc3	CH₃OCF₂CF₂CHF₂	1100
HFE-449sl (HFE-7100)	C₄F9OCH₃	2970
HFE-569sf2 (HFE-7200)	C₄F9OC₂H₅	590
HFE-43-10pccc124 (H-Galden 1040x)	CHF₂OCF₂OC₂F₄OCHF₂	18700
HFE-236ca12 (HG-10)	CHF₂OCF₂OCHF₂	28000
HFE-338pcc13 (HG-01)	CHF₂OCF₂CF₂OCHF₂	15000
	(CF₃)₂CFOCH₃	3430
	CF₃CF₂CH₂OH	420
	(CF₃)₂CHOH	1950
HFE-227ea	CF₃CHFOCF₃	15400
Desfluran (HFE-236ea2)	CHF₂OCHFCF₃	9890
HFE-236fa	CF₃CH₂OCF₃	4870
HFE-245fa1	CHF₂CH₂OCF₃	2860
HFE-263fb2	CF₃CH₂OCH₃	110
HFE-329mcc2	CHF₂CF₂OCF₂CF₃	9190
HFE-338mcf2	CF₃CH₂OCF₂CF₃	5520
HFE-347mcf2	CHF₂CH₂OCF₂CF₃	3740
HFE-356mec3	CH₃OCF₂CHFCF₃	1010
HFE-356pcf2	CHF₂CH₂OCF₂CHF₂	2650
HFE-356pcf3	CHF₂OCH₂CF₂CHF₂	5020
HFE-365mcfI’ll t3	CF₃CF₂CH₂OCH₃	110
HFE-374pc2	CHF₂CF₂OCH₂CH₃	5570
	– (CF₂)₄CH (OH) –	730
	(CF₃)₂CHOCHF₂	3800
	(CF₃)₂CHOCH₃	270
Perfluorpolyether
PFPMIE	CF₃OCF(CF₃)CF₂OCF₂OCF₃	103000
Trifluormethylschwefelpentafluorid (SF₅CF₃)
Trifluormethylschwefelpentafluorid	SF₅CF₃	177000

Einflussgrößen

Das relative Treibhauspotential (GWP) eines Treibhausgases wird durch verschiedene Faktoren bestimmt, nämlich seine Verweilzeit in der Atmosphäre und den Strahlungsantrieb, den eine Konzentrationszunahme von einer vorhandenen Hintergrundkonzentration aus verursacht. Änderungen der Einschätzung der Verweilzeit und geringerer Strahlungsantrieb wegen steigender Hintergrundkonzentrationen sind Gründe, warum der IPCC in seinen Berichten die Werte für das Treibhauspotential regelmäßig aktualisiert.

Die Erdatmosphäre strahlt im Mittel in einer Höhe von 5500 m Wärme ins All ab, nicht auf Meeresspiegelniveau. Eine Erhöhung der atmosphärischen Treibhausgaskonzentrationen bewirkt, dass der Bereich, in dem die Erde ihre Wärme ins All abstrahlt, nach oben wandert. Damit die Wärmeabstrahlung gleich der Einstrahlung bleibt, muss sich auch der Abstrahlungsbereich nach oben verschieben. Die bodennahe Temperatur steigt dann entsprechend dem atmosphärischen Temperaturgradienten an.

Einfluss des Absorptionsverhaltens

Der Effekt eines Treibhausgases beruht auf seiner Fähigkeit, die von der Erdoberfläche und bodennahen Luftschichten im mittleren Infrarotbereich (3 bis 50 Mikrometer) emittierte Wärmestrahlung zu absorbieren und teilweise wieder zur Erde zurückzustrahlen und so die Abkühlung der Atmosphäre zu behindern (Treibhauseffekt). Da hier der zusätzliche Erwärmungseffekt des Gases betrachtet wird, ist insbesondere sein Absorptionsverhalten in denjenigen Spektralbereichen von Bedeutung, in denen die natürlich vorhandenen Treibhausgase (vor allem Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid) nicht oder nur wenig absorbieren. Dies ist insbesondere das sogenannte atmosphärische Fenster im Bereich 8–13 Mikrometer Wellenlänge.

Einfluss von Konzentration und Molekülgeometrie

Der Strahlungsantrieb eines Treibhausgases hängt nichtlinear von seiner Konzentration ab. Diese nichtlineare Abhängigkeit ist näherungsweise eine logarithmische Funktion. Dies bedeutet, dass eine Konzentrationsänderung von beispielsweise 2 auf 3 ppm dieselbe Wirkung wie eine Konzentrationsänderung von 20 ppm auf 30 ppm (bzw. 200 ppm auf 300 ppm usw.) hat. Neben der im Vergleich mit beispielsweise CO₂ größeren Zahl möglicher Schwingungsformen komplexer Moleküle ist dies ein weiterer Grund, dass sich die Konzentrationsänderung eines im atmosphärischen Fenster absorbierenden Spurengases, das natürlicherseits nicht oder nur in extrem kleinen Konzentrationen existiert, so stark auswirkt, wie in der Tabelle aufgezeigt.

Das Absorptionsverhalten eines Treibhausgases, also in welchen Wellenlängenbereichen es die Wärmestrahlung absorbieren kann, hängt von der molekularen Struktur des jeweiligen Gases ab.

Einfluss der Verweilzeit

Ebenfalls von entscheidender Bedeutung ist die mittlere Verweilzeit des Gases in der Atmosphäre. Hierbei spielt auch der gewählte Zeithorizont eine wichtige Rolle. So haben Fluor-haltige Treibhausgase aufgrund ihrer hohen Verweilzeit (z. B. 3200 Jahre für SF₆) in der Atmosphäre ein wesentlich höheres GWP als Treibhausgase ohne Fluoratome im Molekül. Methan (Verweilzeit ca. 12 Jahre) wirkt andererseits kurzfristig, sein GWP ist daher für kurze Zeithorizonte wesentlich größer als für lange. Als Vergleich sei noch die berichtete klimawirksame Verweilzeit von CO₂ in der Atmosphäre von insgesamt mehreren 100.000 Jahren (15 bis 40 % CO₂ geschätzt nach ca. 1000 Jahren) beziffert, wobei anzumerken ist, dass sich diese Zeit auf ca. 120 Jahre reduziert, betrachtet man das Lösungsgleichgewicht für Kohlendioxid von Atmosphäre und den oberen Meeresschichten. Sinken CO₂-haltige Wassermassen dagegen in die Tiefsee ab, erhöht sich die Verweilzeit in dem Zwischenspeicher Ozean auf einige tausend Jahre. Im Unterschied dazu ist der Wasserdampf-Kreislauf ein sich selbst regulierender Prozess, der die Stadien Verdunstung – Kondensation – Niederschlag großteils unabhängig vom jeweiligen Klimazustand innerhalb weniger Tage durchläuft und deshalb mit der Verweildauer anderer Treibhausgase nicht vergleichbar ist.

Aktuelle Werte

Seit 1835 hat sich die Konzentration von Kohlenstoffdioxid in der Erdatmosphäre von rund 280 ppm auf 400 ppm im Jahr 2015 erhöht. Der Methangehalt hat sich 1750–2000 von 0,8 auf 1,75 ppm mehr als verdoppelt. Dies entspricht einem Anstieg des CO₂-Äquivalents von 24 ppm auf rund 50 ppm. Zusammen mit der Erhöhung der Konzentration vieler anderer Treibhausgase ergibt sich für das Jahr 2015 ein Gesamt-Strahlungsantrieb, der einem CO₂-Äquivalent von 485 ppm entspricht. Die Konzentration der meisten anderen Treibhausgase war vorindustriell nahezu Null. In neuerer Zeit gerät Distickstoffoxid (Lachgas) in den Fokus.

Siehe auch

Das Ozonabbaupotential ist die analoge Maßzahl zum GWP zur Beschreibung des relativen Effekts beim Abbau der Ozonschicht (Ozonloch).