Industriechemikalien verzögern Erholung der Ozonschicht

Ozonabbauende Chemikalien wie Tetrachlorkohlenstoff (CCl4) oder bestimmte Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs) werden zwar nicht mehr in Kühlschränken und Schaumstoffen eingesetzt – in industriellen Prozessen dienen sie jedoch weiterhin als Ausgangsstoffe für moderne Kältemittel und Kunststoffe. Bisher blieben diese sogenannten Feedstock-Chemikalien unter dem Radar internationaler Abkommen, weil die produzierten Mengen und Leckraten deutlich unterschätzt wurden.

Empa-Forschende konnten nun gemeinsam mit internationalen Forschungsgruppen anhand globaler Messungen zeigen, dass bei der Produktion und Weiterverarbeitung dieser Stoffe jeweils rund drei bis vier Prozent aus Leckagen in die Atmosphäre gelangen. Zudem wurden sie in den vergangenen Jahrzehnten deutlich häufiger eingesetzt. In einer in «Nature Communications» publizierten Studie berechneten sie nun, dass sich die Ozonschicht dadurch um rund sieben Jahre später erholen dürfte als bislang angenommen – sofern die Emissionen nicht reduziert werden. «Diese Stoffe sind nicht nur ozonabbauend, sondern auch stark klimaschädlich. Weniger Emissionen würden gleichzeitig der Ozonschicht und dem Klima helfen», sagt Stefan Reimann, Atmosphärenforscher an der Empa und Hauptautor der Studie.

Messungen zeigen höhere Emissionen
Als das Montreal-Protokoll in den 1980er-Jahren ausgehandelt und später verschärft wurde, führte dies zu einem weltweiten Verbot ozonabbauender Stoffe in Alltagsprodukten. Ausgenommen davon waren jedoch Feedstock-Chemikalien. Denn die Industrie ging damals davon aus, dass nur rund 0,5 Prozent der produzierten Mengen in die Atmosphäre entweichen und dass diese Stoffe langfristig weniger genutzt würden. «Diese Einschätzung stimmt aber schon länger nicht mehr», sagt Reimann. «Feedstock-Chemikalien werden heute bei der Produktion, beim Transport sowie bei der Weiterverarbeitung in erhöhtem Mass freigesetzt und die derzeit produzierten Mengen sind deutlich grösser als man vor 30 Jahren annahm.»

Diese neuen Erkenntnisse stützen sich auf globale atmosphärische Messungen aus internationalen Netzwerken wie das «Advanced Global Atmospheric Gases Experiment» (AGAGE), zu denen auch die Empa-Messstation auf dem Jungfraujoch gehört. Da viele ozonabbauende Stoffe Jahrzehnte in der Atmosphäre verbleiben, lassen sich aus ihren Konzentrationen Rückschlüsse auf globale Emissionen ziehen. «Wir messen die Konzentrationen dieser Stoffe in der Atmosphäre. Anhand ihrer Lebensdauer können wir berechnen, wie stark sie eigentlich abnehmen müssten. Tun sie das nicht, muss es weiterhin Emissionen geben», erklärt Martin Vollmer, Empa-Forscher und Mitautor der Studie.

Der Vergleich dieser Messungen mit den von den einzelnen Staaten offiziell gemeldeten Produktionszahlen zeigt: Heute gelangen durchschnittlich drei bis vier Prozent der produzierten Feedstock-Mengen in die Atmosphäre – ein Vielfaches der ursprünglich angenommenen Werte. Für den besonders ozonschädlichen Tetrachlorkohlenstoff liegen die Emissionsraten sogar über vier Prozent.

Warum die Nutzung zunimmt
Die Emissionen steigen jedoch nicht nur wegen höherer Verluste bei der Produktion, sondern auch weil die Nutzung von Feedstock-Chemikalien insgesamt zunimmt – seit dem Jahr 2000 um rund 160 Prozent. Ein Teil der Feedstocks wurde zunächst zur Herstellung von Hydrofluorkohlenwasserstoffen (HFKWs) genutzt, die nach dem Verbot der FCKWs als Ersatz für Kältemittel eingeführt wurden. Da sich diese Ersatzstoffe später als starke Treibhausgase erwiesen, werden sie heute im Rahmen des sogenannten Kigali-Amendments schrittweise ersetzt. An ihre Stelle treten zunehmend Hydrofluorolefine (HFOs), die das Klima zwar wenig beeinflussen, bei deren Herstellung aber erneut stark ozonabbauende Feedstock-Chemikalien eingesetzt werden.

Hinzu kommt ein stark wachsender Einsatz in der Polymerindustrie – etwa für die Herstellung von Fluorpolymeren wie Teflon (PTFE) oder Polyvinylidenfluorid (PVDF), einem wichtigen Material in Lithium-Ionen-Batterien von Elektroautos. «Die Feedstock-Mengen nehmen nicht ab, sondern wachsen zumindest in den kommenden Jahren weiter», sagt Reimann.

Jungfraujoch_Stefan-Para.jpg Empa-Forscher Stefan Reimann auf dem Jungfraujoch vor dem «Medusa»-Messsystem, einem speziell für das AGAGE-Netzwerk entwickelten Gaschromatograph-Massenspektrometer, das zahlreiche Spurengase in der Atmosphäre automatisch misst. Bild: Empa

Ozonschicht und Klima sind betroffen
Auf Basis dieser Entwicklungen berechnete das internationale Forschungsteam verschiedene Zukunftsszenarien. Verglichen wurden dabei etwa die ursprünglich angenommenen, sehr niedrigen Emissionsraten mit den heute gemessenen Werten aus der Nutzung von Feedstock-Chemikalien. Als Referenz dient die etablierte Kenngrösse aus dem Jahr 1980, als der globale Ozonabbau erstmals deutlich beobachtet wurde. Bislang ging man davon aus, dass dieser ursprüngliche Zustand der Ozonschicht um das Jahr 2066 wieder erreicht wird.

Die neuen Berechnungen zeigen jedoch: Bleiben die Feedstock-Emissionen auf dem heutigen Niveau, verschiebt sich dieser Zeitpunkt um rund sieben Jahre. Die stratosphärische Ozonschicht würde sich demnach erst um das Jahr 2073 vollständig erholen. Die Unsicherheitsspanne dieser Abschätzung reicht von sechs bis elf Jahren.

Die freigesetzten Feedstock-Chemikalien schädigen aber nicht nur die Ozonschicht, sondern wirken auch als starke Treibhausgase. Wenn sich nichts ändert, erreichen die zusätzlichen klimaschädigenden Emissionen bis Mitte des Jahrhunderts rund 300 Millionen Tonnen CO2-Äquivalente pro Jahr – vergleichbar mit den aktuellen jährlichen CO2-Emissionen eines Landes wie England oder Frankreich. Eine Reduktion dieser Emissionen hätte daher einen doppelten Nutzen.

Ob diese Emissionen künftig durch verbindliche Emissionsgrenzwerte oder eine gezielte Begrenzung besonders problematischer Stoffe gesenkt werden, ist laut Stefan Reimann letztlich eine politische Entscheidung. Auch wenn das Montreal-Protokoll weiterhin als einer der grössten Erfolge der internationalen Umweltpolitik gilt, sollte es aufgrund neuer wissenschaftlicher Erkenntnisse regelmässig überprüft und gegebenenfalls angepasst werden. «Das Montreal-Protokoll war erfolgreich, weil Wissenschaft, Politik und Industrie eng zusammengearbeitet haben. Eine solche Zusammenarbeit ist auch heute wieder entscheidend, um neue Herausforderungen anzugehen», sagt Reimann.


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