Treibhausgase

Eigenschaften und Verwendung

Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) sind vor allem dafür bekannt, dass sie in der Stratosphäre Ozon zerstören. Einige Jahre nach der Entdeckung des Ozonlochs über der Antarktis wurde das Montrealer Protokoll zum Schutz der Ozonschicht verabschiedet. Darin werden jene Gase geregelt, die die stratosphärische Konzentration an Chlor- und Bromverbindungen erhöhen. Es handelt sich dabei generell um halogenierte Kohlenwasserstoffe (Halone), von denen die FCKW (Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe), auf Englisch CFC (chloro-fluoro-carbons), eine Untergruppe sind. Gleichzeitig wirken diese jedoch auch als Treibhausgase. Das Potential zum Ozonabbau und die Treibhauswirkung sind im Prinzip unabhängige Eigenschaften (erstere chemischer und letztere physikalischer Art), so dass die stärksten Ozonzerstörer nicht unbedingt auch die stärksten Treibhausgase sind.

Im Gegensatz zu allen anderen Treibhausgasen sind die wichtigsten Fluorchlorkohlenwasserstoffe ausschließlich anthropogenen Ursprungs. Sie sind von Chemikern künstlich hergestellte Stoffe, die seit den 1930er Jahren in der Industrie eine vielfältige Verwendung finden. Als Treibgas werden sie in Sprühdosen und zum Aufblähen von Schäumen benutzt, als Kühlmittel werden sie in Eisschränken, Kühltruhen und Klimaanlagen eingesetzt und als Reinigungsmittel für Textilien und die empfindlichen Teile in der elektronischen Industrie verwendet. Für den technischen Gebrauch besitzen FCKWs ausgezeichnete Eigenschaften: Sie sind unbrennbar, ungiftig und chemisch inert, d.h. sie gehen keine Reaktionen mit anderen Stoffen ein.

FCKW als Treibhausgase

Dass FCKWs chemisch inert sind, bedeutet aber auch, dass sie, einmal freigesetzt, sehr lange in der Atmosphäre verbleiben und nicht wie etwa Methan durch chemische Reaktionen zerstört werden. So besitzen die beiden wichtigsten FCKWs CFC-11 (CFCl₃) und CFC-12 (CF2Cl₂) eine atmosphärische Verweilzeit von 45 bzw. 100 Jahren. Aus der langen Verweilzeit und der starken Absorption im infraroten Spektralbereich resultiert ein hohes Treibhauspotential: Jedes Molekül trägt etwa 10000 mal stärker zum Treibhauseffekt bei als ein CO₂-Molekül! Daher ist der Beitrag der Fluorchlorkohlenwasserstoffe am anthropogenen Treibhauseffekt im Vergleich zu ihrer geringen Konzentration von einigen Hundert ppt (Billionstel Volumenanteile) relativ hoch.

Die beiden wichtigsten FCKWs CFC-11 und CFC-12 hatten 2019 einen Strahlungsantrieb von 0,218 W/m² bzw. 0,7 % des Strahlungsantriebs aller langlebigen Treibhausgase.¹ Da Ozon ebenfalls ein Treibhausgas ist, haben die FCKW mittels der Zerstörung der Ozonschicht zugleich einen kühlenden Einfluss auf das Klima. Der gesamte Strahlungsantrieb durch den stratosphärischen Ozonabbau ist mit -0,05 W/m² jedoch deutlich kleiner als die Treibhauswirkung der FCKW, so dass ihr netto-Einfluss mit 0,18 W/m² erwärmend ist.²

Entwicklung der atmosphärischen FCKW-Konzentration

Abb. 1: Änderung der Konzentration von Fluorchlorkohlenwasserstoff (FCKW) CFC-11 für die Periode 1977-2020^B1

Die lange Verweilzeit von FCKW-Molekülen in der Troposphäre bewirkt eine gleichmäßige Verteilung rund um den Globus. Seit etwa 1940 hat die atmosphärische Konzentration deutlich zugenommen. Sie zeigte 1980 bei dem vollhalogenierten Kohlenwasserstoff CFC-11 einen Wert von ca. 160 ppt, der 1993 mit fast 270 ppt seinen Höhepunkt erreichte und seitdem deutlich abnimmt. CFC-12 hat in den 2000er Jahren mit fast 550 ppt ebenfalls ein Maximum der Konzentration erreicht und hat inzwischen auf einen Wert von 500 ppt abgenommen.

Abb. 2: Änderung der Konzentration von Fluorchlorkohlenwasserstoff (FCKW) CFC-12 für die Periode 1977-2020^B2

Die Ursache für diese Trendwende liegt in dem auf die stratosphärische Ozonzerstörung reagierenden Montrealer Protokoll von 1987 und seinen Verschärfungen in London und Kopenhagen 1990 und 1992, durch die eine deutliche Verringerung der Emissionsraten bei den beiden wichtigsten Fluorchlorkohlenwasserstoffen CFC-11 und CFC-12 erreicht werden konnte. Allerdings nimmt die Konzentration der FCKW-Ersatzstoffe, besonders der teilhalogenierten Verbindungen (HFCKW) wie z.B. HCFC-22 und der perfluorierten Kohlenwasserstoffe (PFKW), stark zu. Die atmosphärische Verweilzeit, das Treibhauspotential und die Konzentration sind zwar geringer als bei CFC-11 und CFC-12, das Treibhauspotential ist aber immer noch viel höher als bei Kohlendioxid.

Anmerkungen:
1. NOAA Global Monitoring Laboratory (2020): The NOAA annual greenhouse gas index (AGGI) 
2. IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, 8.3.3.2

Bildquellen:
B1. NOAA Earth System Research Laboratory (2020):  Chlorofluorocarbon-11 (CCl3F); Lizenz: public domain
B2. NOAA Earth System Research Laboratory (2020):  Chlorofluorocarbon-12 (CCl3F); Lizenz: public domain