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Der endgültige CO2/CH4-Vergleich

Publiziert: 19. September, 2021
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Es gibt einen neuen Vorstoß zur Verringerung der CH4-Emissionen als mögliche schnelle “Win-Win-Situation” für Klima und Luftqualität. Um es klar zu sagen: Das ist eine äußerst vernünftige Idee – wie schon seit Jahrzehnten (erinnern Sie sich an die Initiative “Methan-to-markets” aus den frühen 2000er Jahren?), aber sie bringt unweigerlich ein Sammelsurium von halb erinnerten, unpassenden oder veralteten Vergleichen zwischen den Auswirkungen von Kohlendioxid und Methan hervor. Dies ist also ein Versuch, all das in einen Zusammenhang zu bringen und einen hoffentlich umfassenden Leitfaden dafür zu erstellen, wie, wann und warum man die beiden Treibhausgase richtig vergleicht.

Historische Vergleiche

Zunächst einmal sollten wir uns über die relative Größenordnung der Gaskonzentrationen im Klaren sein. Im Jahr 2020 lag die CO2-Konzentration bei ~410 Teilen pro Million, während die CH4-Konzentration bei 1870 Teilen pro Milliarde lag (oder 1,87 ppm, ein Faktor von mehr als 200 weniger). Allerdings ist der relative Anstieg seit der vorindustriellen Zeit bei CH4 dreimal so groß, nämlich etwa 150 %, verglichen mit dem 50 %igen Anstieg bei CO2.

Der Strahlungsantrieb, der sich aus diesen Konzentrationsänderungen ergibt, lässt sich anhand von Standardformeln (aus Etminan et al., 2016, die die etwas einfacheren Formeln aus dem IPCC TAR ersetzen) leicht berechnen: etwa 2 W/m2 für die CO2-Veränderung und 0,65 W/m2 für CH4.

Die Rolle von Methan in der Atmosphärenchemie und als Quelle von Wasserdampf in der Stratosphäre bedeutet jedoch, dass es einen größeren Einfluss auf das Klima hat als nur den direkten Effekt seiner Konzentration. Methanemissionen haben eine Rückkopplung auf seine eigene Lebensdauer, dienen als Ozonvorläufer und verringern die Produktion von Sulfat- und Nitrat-Aerosolen (und folglich indirekte Wolken-Aerosol-Effekte), was alles seinen Nettoerwärmungseffekt auf etwa 1,2 W/m2 (auf etwa 60 % des CO2-Effekts seit 1750) verstärkt. Auch die Oxidation von aus fossilen Brennstoffen stammendem Methan zu CO2 hat einen sehr geringen Einfluss.

(a) Historischer Strahlungsantrieb durch Emissionen (W/m2) (IPCC Abb. TS.15a).(b) Historische Konzentrationen von CO2, CH4 und N2O (IPCC AR6 Abb. TS.9b)
b) Informationen aus mehreren Eisbohrkernen zeigen einen starken Anstieg von CO2, CH und N2O seit dem 19 Jahrhundert.

Dies bedeutet, dass man, wenn man die Auswirkungen der einzelnen Emissionen in Temperaturen umrechnet, wie dies im Bericht des IPCC AR6 getan wurde, etwa 0,75 ºC für die Veränderungen bei CO2 und 0,5 ºC für CH4 (ab dem späten 19. Jahrhundert, siehe Abbildung unten) bzw. 1 ºC und 0,6 ºC ab 1750 erhält. Trotz der geringeren Konzentrationen und Veränderungen bei Methan im Vergleich zu Kohlendioxid sind die Auswirkungen also vergleichbar.

Historische Beiträge zur globalen Erwärmung durch Emissionen (IPCC AR6 SPM)

Bestände und Ströme

Bevor wir jedoch weitergehen, müssen wir verstehen, dass die effektive Störungszeit für CO2 und CH4 in der Atmosphäre sehr unterschiedlich ist. CO2-Emissionen verankern sich in der Atmosphäre/Biosphäre/Oberozean-Kohlenstoffkreislauf und haben sehr langfristige Auswirkungen (unter natürlichen Bedingungen werden sich etwa 15 % der CO2-Störungen noch in Tausenden von Jahren in der Atmosphäre befinden). Im Gegensatz dazu hat Methan eine Störungszeit von etwa 12 Jahren. Dies bedeutet, dass die Auswirkungen von CO2 auf die Temperatur kumulativ sind (eine Funktion der gesamten CO2-Emissionen oder des CO2-Bestands), während die Auswirkungen von CH4 eine Funktion der aktuellen (~ dekadischen) Emissionen (der Ströme) sind. Die Stabilisierung der Temperaturauswirkungen von CO2 bedeutet, dass die anthropogenen Emissionen netto auf Null sinken, während die Stabilisierung der Temperaturauswirkungen von CH4 einfach eine Stabilisierung der Emissionen bedeutet.

Die Auswirkungen von CH4-Emissionen im Vergleich zu CO2 haben dann eine zeitlich variierende Komponente. Kurzfristig wird die verstärkte Wirksamkeit von Methan wichtig sein, aber auf sehr langen Zeitskalen werden die Auswirkungen von CO2 dominieren. Daraus ergibt sich der Unterschied zwischen den Zahlen für das “Global Warming Potential” (GWP), die für einen Zeitraum von 20 oder 100 Jahren berechnet werden und seit Jahrzehnten verwendet werden. Sie erinnern sich vielleicht, dass das GWP definiert ist als das Verhältnis der Temperaturauswirkungen anderer Treibhausgase im Vergleich zu CO2 pro kg über einen bestimmten Zeitraum. Aber wie im AR6 eindeutig festgestellt wird, hängt die Eignung vergleichbarer Emissionsmetriken von Ihrem Endziel oder Ihren Werten ab.

Wenn man z. B. GWP-100 verwendet, um die Emissionen auf dem Weg zu einem Temperaturstabilisierungsszenario auszugleichen, funktioniert das einfach nicht (da man keine Netto-CO2-Emissionen mit einem bestimmten Niveau von CH4-Emissionen ausgleichen kann – man bräuchte ein konstant abnehmendes CH4). Daher wurden neuere Konzepte wie GWP* entwickelt, die dies berücksichtigen. Dennoch verwenden das UNFCCC (und die EPA) die GWP-Werte aus dem IPCC AR4 für die Berechnung der CO2eq-Emissionen und haben sie nicht aktualisiert, da die Wissenschaft Fortschritte gemacht hat.

Vorwärtsgerichtete Vergleiche

Die Menschen interessieren sich am meisten für Vergleiche, die sich auf künftige Entscheidungen beziehen, und man sollte bedenken, dass es zwar viele Möglichkeiten gibt, dies zu tun, aber die meisten beziehen sich nicht auf reale Entscheidungen, die die Menschen treffen, und sie entsprechen auch nicht eindeutig einem konsistenten Wertesystem. Auf dieses Problem werde ich weiter unten zurückkommen. Also, los geht’s:

  • Molekül-zu-Molekül-Konzentrationen: Pro ppm ist Methan als direktes Treibhausgas 25-mal wirksamer. Bezieht man die indirekten Effekte mit ein, erhöht sich die Wirksamkeit auf das 45-fache.
  • kg zu kg: Auf die Masse bezogen ist Methan als Treibhausgas 70-mal wirksamer. Dabei werden die unterschiedlichen Molekulargewichte der Moleküle berücksichtigt. Das würde bedeuten, dass es 126-mal so wirksam ist, wenn man die indirekten Effekte mit einbezieht.
  • kgC-zu-kgC: Eine gleiche Menge an kgC als CH4 oder CO2 führt zu der gleichen ppm-Veränderung, so dass Methan im Verhältnis kgC-zu-kgC wiederum 45-mal effektiver als Treibhausgas ist.
  • kg zu kg emittiert: Hier fängt es an, wegen der unterschiedlichen Zeitskalen haarig zu werden. Aktuelle (AR6) Schätzungen für Methan aus fossilen Quellen liegen bei ~83 für GWP-20 und ~30 für GWP-100 (AR6 Tabelle 7.15). (Für biogenes (nicht-fossiles) Methan ist der Wert etwas geringer, da das Oxidationsprodukt von CO2 in diesem Fall kohlenstoffneutral ist). Die geschätzten Unsicherheiten in diesen Werten (die größtenteils mit direkten und indirekten Aerosoleffekten zusammenhängen) betragen ±25 und ±11. Der AR4-Wert für das GWP-100 von Methan betrug 25.
  • kgC emittiert zu kgC emittiert: Bei einigen Anwendungen, z. B. bei der Beurteilung der Auswirkungen des Abfackelns von Erdgas im Vergleich zur direkten Freisetzung in die Atmosphäre, sind Vergleiche von kg zu kg nicht relevant, da dieselbe Menge an Kohlenstoff und nicht dieselbe Gesamtmasse freigesetzt wird. In diesem Fall wäre der GWP-Wert über 100 Jahre bei einer direkten Freisetzung von Methan 30*44/16 = 83 Mal schlechter als beim Abfackeln.
  • Emissionen zur Stabilisierung der Temperatur: Jedes zusätzliche GtC Kohlendioxid trägt zu einer eventuellen Erwärmung von etwa 0,00165ºC bei (der TCRE), während eine anhaltende Verringerung der Methanemissionen um TgCH4/Jahr (0,00075 GtC/Jahr) zu einem Anstieg der Methankonzentrationen um ~3 ppb (AR6 Tabelle 5.2), zu einem Strahlungsantrieb von etwa 0,0024 W/m2 und – unter der Annahme einer mittleren Klimasensitivität von 3ºC für 2xCO2 – zu einer globalen Gleichgewichtserwärmung von etwa 0,002ºC führt. Das bedeutet, dass man eine anhaltende Verringerung von 0,8 TgCH4/Jahr (0,0006 GtC/Jahr Methan) benötigt, um einen einmaligen GtC-Impuls von CO2 auszugleichen.

Wie auch immer man es betrachtet, es bedeutet, dass die CH4-Reduzierung einen großen Einfluss auf das Klima hat, aber auch einen unbestreitbar positiven Einfluss auf die Luftverschmutzung, die Ernteerträge und die öffentliche Gesundheit. Es ist daher keine komplizierte Entscheidung, Methanreduzierungen anzustreben, wobei man nicht davon ausgehen sollte, dass man dadurch von der CO2-Reduzierung befreit wird, egal was die EPA sagt.

Ich möchte, dass diese Seite nützlich und aktuell ist. Wenn Sie also der Meinung sind, dass ich einen zusätzlichen Vergleich oder Anwendungsfall hinzufügen sollte, oder wenn Sie denken, dass ich etwas falsch verstanden habe, lassen Sie es mich bitte in den Kommentaren wissen.

Quellen/Original/Links:
https://www.realclimate.org/index.php/archives/2021/09/the-definitive-co2-ch4-comparison-post/#.YUgGsRR1Pnc.twitter

Übersetzung:
https://www.realclimate.org/index.php/archives/2021/09/the-definitive-co2-ch4-comparison-post/#.YUgGsRR1Pnc.twitter

Klimamodellierer
Gavin Schmidt

Gavin Schmidt

Gavin Schmidt ist Klimamodellierer am NASA Goddard Institute for Space Studies und am Earth Institute der Columbia University in New York und beschäftigt sich mit der Modellierung des vergangenen, gegenwärtigen und zukünftigen Klimas. Er arbeitet an der Entwicklung und Verbesserung gekoppelter Klimamodelle und ist insbesondere daran interessiert, wie deren Ergebnisse mit paläoklimatischen Proxydaten verglichen werden… Weiterlesen »Gavin Schmidt