Der Kohlenstoffkreislauf: Wie können wir Kohlendioxid in der Atmosphäre reduzieren?

Dec 11, 2023

Ohne Kohlenstoff, der ein wesentlicher Bestandteil komplexer Moleküle wie DNA, Proteine ​​und Kohlenhydrate ist, gäbe es kein Leben, wie wir es kennen. Nach Angaben des Earth Observatory der NASA ist Kohlenstoff das vierthäufigste Element im Universum. Der größte Teil des Kohlenstoffs der Erde ist in Gesteinen gespeichert. Der Rest befindet sich in der Atmosphäre, im Ozean, in Lebewesen, im Boden und in fossilen Brennstoffen. Der Kohlenstoffkreislauf – der schnelle und langsame Komponenten umfasst – beschreibt, wie sich Kohlenstoff auf natürliche Weise durch diese verschiedenen Speicherorte bewegt.

Seit Beginn der industriellen Revolution vor etwa 150 Jahren gibt der Mensch Kohlenstoff aus fossilen Brennstoffen wie Kohle, Öl und Erdgas in die Atmosphäre ab. Die Energie aus diesen Quellen ermöglichte die weitverbreitete Verfügbarkeit von Industriegütern, Automobilen, Elektronik und anderen Innovationen, die das moderne Leben ermöglichen. Allerdings verändert der überschüssige Kohlenstoff nun das Klima und bedroht die Ökosysteme, die das Leben im Gleichgewicht halten. Daher ist die Reduzierung der CO2-Emissionen zu einem dringenden internationalen Ziel geworden.

Der schnelle Kohlenstoffkreislauf ist größtenteils die Bewegung von Kohlenstoff durch Lebensformen auf der Erde. Kohlendioxid (CO2) in der Atmosphäre wird von Pflanzen aufgenommen, die Photosynthese betreiben, die die Energie der Sonne nutzt, um CO2 mit Wasser (H2O) zu kombinieren und so Zucker (normalerweise C6H12O6) und Sauerstoff (O2) zu produzieren.

Die durch diesen Prozess eingefangenen Kohlenstoffe können in eine scheinbar endlose Vielfalt komplexer organischer Moleküle eingebaut werden, während die Pflanzen wachsen und Ökosysteme mit Tieren, Bakterien und Pilzen unterstützen. In einer Umkehrung der ursprünglichen Reaktion können Zuckermoleküle aufgespalten werden, um bei der Verdauung, dem Zerfall oder bei der Verbrennung Energie und CO2 zu erzeugen. Dies erfordert den Eintrag von Sauerstoff und Wasser und ermöglicht die Rückabgabe von CO2 an die Umwelt.

Der Mensch kennt CO2 am besten aus der Atmosphäre, aber auch im Ozean kommt CO2 vor. Mikroskopisch kleine Meeresalgen – Phytoplankton genannt – nehmen dieses CO2 auf und nutzen die Energie der Sonne, um Photosynthese zu betreiben. Laut National Geographic bilden diese Algen die Basis der marinen Nahrungskette und liefern 50 % des Sauerstoffs in der Atmosphäre.

Der schnellste Teil des langsamen Kohlenstoffkreislaufs ist der Ozean. An der Meeresoberfläche wird Kohlendioxid mit der Atmosphäre ausgetauscht. Da der Mensch mehr CO2 in die Atmosphäre abgegeben hat, hat der Ozean mehr CO2 aufgenommen.

Im Ozean reagiert Kohlendioxid mit Wassermolekülen unter Freisetzung von Wasserstoff, wodurch der Ozean saurer wird. Der Wasserstoff reagiert mit Carbonat unter Bildung von Bicarbonationen. Karbonat wird auch von schalenbildenden Organismen wie Phytoplankton, Korallen, Austern und Seesternen zum Aufbau ihrer Kalziumkarbonatschalen verwendet. Mehr Kohlendioxid in der Atmosphäre hat zu weniger Karbonat in den Ozeanen und empfindlicheren Muscheln geführt.

Wenn Meeresorganismen sterben, sinken sie auf den Meeresboden. Im Laufe der Zeit verkitten sich Muschel- und Sedimentschichten zu Kalkstein. Der im Kalkstein eingeschlossene Kohlenstoff kann über Millionen von Jahren gespeichert werden, wie die häufig in Kalkstein vorkommenden Fossilienschalen belegen. Etwa 80 % des kohlenstoffhaltigen Gesteins werden auf diese Weise hergestellt. Die restlichen 20 % stammen von landlebenden Organismen, die sich im Schlamm festsetzten und Schiefer bildeten, eine andere Art von Sedimentgestein. Wenn abgestorbene Pflanzen schneller wachsen, als sie verrotten können, können sie zu fossilen Brennstoffen werden.

Im Laufe der geologischen Zeit können diese Sedimentgesteine ​​der Atmosphäre oder vulkanischer Aktivität ausgesetzt sein und ihr Kohlenstoff kann in die Atmosphäre zurückgeführt werden. Kohlendioxid in der Atmosphäre verbindet sich mit Wasser zu Kohlensäure, einer schwachen Säure, die als Regen fällt und freiliegendes Gestein durch einen Prozess namens chemische Verwitterung auflöst. Dadurch werden Ionen freigesetzt – etwa Kalzium, das zur Bildung von Kalziumkarbonatschalen benötigt wird – und schließlich dazu führen, dass sich mehr Kohlenstoff auf dem Meeresboden ablagert. Wenn vulkanische Aktivität dazu führt, dass Sedimentgesteine ​​schmelzen, bilden sie frische Silikatmineralien und geben Kohlendioxid in die Atmosphäre ab.

Derzeit stoßen Vulkane jährlich zwischen 130 und 380 Millionen Tonnen Kohlendioxid aus. Laut Statista stößt der Mensch durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe mittlerweile etwa 36 Milliarden Tonnen Kohlendioxid pro Jahr aus. Die Menge an Kohlendioxid in der Atmosphäre ist heute so groß wie nie zuvor in den letzten 3,6 Millionen Jahren.

Kohlendioxid ist ein Treibhausgas. Wenn es in der Atmosphäre vorhanden ist, absorbiert es die von der Erde abgegebene Wärme und reflektiert einen Teil davon zurück zur Erde. Ohne Treibhausgase wie Wasserdampf, CO2 und Methan wäre die Erde vollständig gefroren. Zu viel Kohlendioxid führt jedoch zu einer übermäßigen Erwärmung. Seit 1880 ist die CO2-Konzentration in der Atmosphäre von 280 Teilen pro Million auf 387 Teile pro Million gestiegen, und die durchschnittliche globale Temperatur ist um 0,8 Grad Celsius (1,4 Grad Fahrenheit) gestiegen.

Um dieses Problem umzukehren, ist die Reduzierung der Kohlenstoffemissionen durch eine effizientere Energienutzung und die Umstellung auf saubere, erneuerbare Energien, wann immer möglich, von entscheidender Bedeutung. Es ist auch wichtig, natürliche Kohlenstoffspeicher wie Wälder, Permafrostböden und Salzwiesen zu schützen und wiederherzustellen. Allerdings setzen einige industrielle Prozesse (z. B. das Schmelzen von Eisen und die Herstellung von Zement aus Kalkstein) unabhängig von der Energiequelle Kohlenstoff frei.

Deshalb brauchen wir Möglichkeiten, Kohlendioxid aus der Atmosphäre oder am Emissionsort abzufangen und es sicher für Tausende oder Millionen von Jahren zu speichern.

Laut Chemical and Engineering News funktionieren bestehende Technologien zur Kohlenstoffabscheidung, sind aber in allen Fällen bis auf wenige Fälle unerschwinglich teuer. Bei der Kohlenstoffabscheidung handelt es sich im Wesentlichen um ein Gastrennungsproblem, das mit zunehmender CO2-Verdünnung energieintensiver wird. Zu den „niedrig hängenden Früchten“ zählen Eisen- und Stahlwerke, die Ströme mit 15 bis 80 % CO2 ausstoßen. Kohle- und Erdgaskraftwerke stellen eine größere Herausforderung dar, da sie den größten Anteil an Gasemissionen verursachen und Gasströme mit weniger als 15 % CO2 ausstoßen. Die größte Herausforderung stellt die Umgebungsluft dar, die eine CO2-Konzentration von etwa 0,041 % aufweist.

Zu den bestehenden Technologien gehört der Einsatz von Filtern, Membranen oder Lösungsmitteln, die CO2 absorbieren und gleichzeitig andere Moleküle passieren lassen. Bei diesen Prozessen ist häufig Wärme erforderlich, um Gas durch den Filter zu drücken und gereinigtes CO2 zu entfernen, damit es gespeichert werden kann, oder um das System aufzufrischen, damit es wiederverwendet werden kann. Eine vielversprechende Option besteht darin, diesen Energiebedarf mit sauberen Energiequellen oder Wärme zu koppeln, die sonst verschwendet würden.

Laut der umweltpolitischen Denkfabrik Center for Climate and Energy Solutions können bestehende Technologien zur CO2-Abscheidung mehr als 90 % der CO2-Emissionen von Kraftwerken und Industrieanlagen abfangen. Zu den geologischen Formationen, die für die CO2-Speicherung genutzt oder in Betracht gezogen werden, gehören alte Öl- und Gaslagerstätten, salzhaltige Grundwasserleiter, Basaltformationen und Schieferbecken.

Fast das gesamte bisher abgeschiedene CO2 wurde für die „verstärkte Ölgewinnung“ verwendet, bei der das CO2 in rückläufige Ölfelder injiziert wird, um die Ölproduktion zu steigern. Dies scheint die Vorteile der CO2-Abscheidung zunichte zu machen und dem Ziel der Umstellung auf erneuerbare Energien entgegenzuwirken. Öl- und Gasunternehmen haben die CO2-Abscheidungstechnologie jedoch schon früh übernommen und verfügen über enorme Budgets – beides ist für die schnelle Verbesserung der Technologie zur Erzielung von CO2-Netto-Null-Emissionen unerlässlich.

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