Das (relative) Treibhauspotential (THP, auch Treibhauspotenzial; oder , 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 273 ± 130.Valérie Masson-Delmotte, Panmao Zhai u. a. (Hrsg.): Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, S. 1017, doi:10.1017/9781009157896.
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.Stefan Rahmstorf: Klimawandel – einige Fakten. In: Aus Politik und Zeitgeschichte (APuZ 47/2007). 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 … atmosphärischeLebensdauergemäßIPCC AR5(Jahre) IPCC AR5 Kyoto-Protokoll bezogenauf20 Jahre bezogenauf100 Jahre bezogenauf100 Jahre Kohlenstoffdioxid CO2 Verbrennung fossiler Energieträger (Kohle, Erdöl, Erdgas) und von Biomasse (Wald-/ Brandrodung), Zementproduktion, ebenfalls entsteht es bei der äußeren Atmung 1 1 1 – 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 28 21 12 Distickstoffoxid (Lachgas) N2O Stickstoffdünger in der Landwirtschaft, Verbrennung von Biomasse 264 265 310 121 1,1,1,2-Tetrafluorethan (R-134a, HFC-134a) C2H2F4 Kältemittel in Kühlanlagen 3710 1430 1000 13,4 Tetrafluormethan (R-14) CF4 Herstellung von Elektronik und Kältemittel in Kühlanlagen 4950 7350 50000 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 4660 640 Fluorkohlenwasserstoffe (FKW, HFKW) z. B. CHF3 Treibgase in Sprühdosen, Kältemittel in Kühlanlagen, Füllgase in Schaumstoffen 10800 12400 222 Stickstofftrifluorid NF3 Herstellung von Halbleitern, Solarzellen und FlüssigkristallbildschirmenRay F. Weiss et al.: Nitrogen trifluoride in the global atmosphere. In: Geophys. Res. Lett., 35, L20821, doi:10.1029/2008GL035913. 12800 16100 500 Schwefelhexafluorid SF6 Schutzgas bei der technischen Erzeugung von Magnesium. Auch bei Leckagen an gasisolierten Hochspannungsschaltanlagen 17500 23500 23900 3200 Wasserstoff H2 Erdgasförderung, Vulkanismus33 (20-44)11 ± 5 4,3 4–7
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 1 Methan CH4 25 Distickstoffoxid (Lachgas) N2O 298 Fluorkohlenwasserstoffe (FKW, HFKW) Fluoroform CHF3 14800 Difluormethan (R-32) CH2F2 675 Fluormethan (R-41) CH3F 92 R-43-10mee CF3CHFCHFCF2CF3 1640 Pentafluorethan (R-125) C2HF5 3500 1,1,2,2-Tetrafluorethan (R-134) C2H2F4 (CHF2CHF2) 1100 1,1,1,2-Tetrafluorethan (R-134a) C2H2F4 (CH2FCF3) 1430 1,1,2-Trifluorethan (R-143) C2H3F3 (CHF2CH2F) 353 1,1,1-Trifluorethan (R-143a) C2H3F3 (CF3CH3) 4470 1,2-Difluorethan (R-152) CH2FCH2F 53 1,1-Difluorethan (R-152a) C2H4F2 (CH3CHF2) 124 Fluorethan (R-161) CH3CH2F 12 1,1,1,2,3,3,3-Heptafluorpropan (R-227ea) C3HF7 3220 1,1,1,2,2,3-Hexafluorpropan (R-236cb) CH2FCF2CF3 1340 1,1,1,2,3,3-Hexafluorpropan (R-236ea) CHF2CHFCF3 1370 1,1,1,3,3,3-Hexafluorpropan (R-236fa) C3H2F6 9810 R-245ca C3H3F5 693 1,1,1,3,3-Pentafluorpropan (R-245fa) CHF2CH2CF3 1030 R-365mfc CH3CF2CH2CF3 794 Perfluorcarbone Tetrafluormethan – PFC-14 CF4 7390 Hexafluorethan – PFC-116 C2F6 12200 Octafluorpropan – PFC-218 C3F8 8830 Decafluorbutan – PFC-3-1-10 C4F10 8860 Octafluorcyclobutan – PFC-318 c-C4F8 10300 Perfluorpentan – PFC-4-1-12 C5F12 9160 Perfluorhexan – PFC-5-1-14 C6F14 9300 Perflunafen – PFC-9-1-18b C10F18 7500 Perfluorcyclopropan c-C3F6 17340 Schwefelhexafluorid (SF6) Schwefelhexafluorid SF6 22800 Stickstofftrifluorid (NF3) Stickstofftrifluorid NF3 17200 Hydrofluorether HFE-125 CHF2OCF3 14900 HFE-134 CHF2OCHF2 6320 HFE-143a CH3OCF3 756 Isofluran (HCFE-235da2) CHF2OCHClCF3 350 HFE-245cb2 CH3OCF2CF3 708 HFE-245fa2 CHF2OCH2CF3 659 HFE-254cb2 CH3OCF2CHF2 359 HFE-347mcc3 CH3OCF2CF2CF3 575 HFE-347pcf2 CHF2CF2OCH2CF3 580 HFE-356pcc3 CH3OCF2CF2CHF2 110 HFE-449sl (HFE-7100) C4F9OCH3 297 HFE-569sf2 (HFE-7200) C4F9OC2H5 59 HFE-43-10pccc124 (H-Galden 1040x) CHF2OCF2OC2F4OCHF2 1870 HFE-236ca12 (HG-10) CHF2OCF2OCHF2 2800 HFE-338pcc13 (HG-01) CHF2OCF2CF2OCHF2 1500 (CF3)2CFOCH3 343 CF3CF2CH2OH 42 (CF3)2CHOH 195 HFE-227ea CF3CHFOCF3 1540 Desfluran (HFE-236ea2) CHF2OCHFCF3 989 HFE-236fa CF3CH2OCF3 487 HFE-245fa1 CHF2CH2OCF3 286 HFE-263fb2 CF3CH2OCH3 11 HFE-329mcc2 CHF2CF2OCF2CF3 919 HFE-338mcf2 CF3CH2OCF2CF3 552 HFE-347mcf2 CHF2CH2OCF2CF3 374 HFE-356mec3 CH3OCF2CHFCF3 101 HFE-356pcf2 CHF2CH2OCF2CHF2 265 HFE-356pcf3 CHF2OCH2CF2CHF2 502 HFE-365mcfI’ll t3 CF3CF2CH2OCH3 11 HFE-374pc2 CHF2CF2OCH2CH3 557 – (CF2)4CH (OH) – 73 (CF3)2CHOCHF2 380 (CF3)2CHOCH3 27 Perfluorpolyether PFPMIE CF3OCF(CF3)CF2OCF2OCF3 10300 Trifluormethylschwefelpentafluorid (SF5CF3) Trifluormethylschwefelpentafluorid SF5CF3 17700
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.Vorlesung Atmosphärenchemie WS 2005/2006, letzte Folie (PDF; 1,8 MB) 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.Spencer Weart: The Discovery of Global Warming, Center of History am American Institute of Physics, 2003,
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.IPCC Third Assessment Report, Kapitel 6.3.5, Radiative Forcing of Climate Change, Simplified expressions
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