Strategien zur Absenkung der CO₂-Emissionen bei der Bekämpfung des Klimawandels

1.      Zielstellung

Der stattfindende bedrohliche Klimawandel wird bekanntlich in wesentlichem Ausmaß durch die Emission des klimaschädlichen Gases CO₂ verursacht, das von der Atmosphäre aufgenommen wird. Der weltweite Ausstoß dieses sog. Treibhausgases wird mit 36,4 Mrd t/Jahr angegeben. Wie sich bereits jetzt unverkennbar anzeigt, werden die Folgen für das Klima auf der Erde, die Natur und ihre Bewohner gravierend sein, wenn nicht nachhaltig entgegengewirkt wird. Dazu sind nachhaltige Maßnahmen zu treffen, deren Ziel darin besteht, die globale Erwärmung auf 1,5 ⁰ C zu begrenzen. Deutschland hat sich dazu das Ziel vorgegeben, auf diesem Level Klimaneutralität bis spätestens zum Jahr 2050 zu erlangen, ist jedoch bemüht, diesen Zustand bereits schon 2045 zu erreichen.

Diese Vorgaben sollen allerdings erfüllt werden, ohne dass der Mensch wesentliche seiner bisher erlangten Errungenschaften aufgeben muss. Wer ist schon bereit, etwa auf die hauptsächlich durch den Einsatz von Elektromotoren ermöglichten Erleichterungen bei der Arbeit, den gewohnten Komfort einer elektrische Beleuchtung bzw. automatisierten Heizung, die heutzutage bestehenden Informations- und Kommunikationsmöglichkeiten, die weltumspannende Mobilität u. v. a. zu verzichten. Dies alles hat jedoch seinen Preis, denn dafür wird Energie benötigt.

2.      Einsatz erneuerbarer Energiequellen

Die wichtigste Maßnahme zur Erreichung der ehrgeizigen Klimaziele ist die Reduzierung der CO₂–Emissionen. Dies bedeutet für Deutschland und auch andere europäische Länder, die bisher hauptsächlich für die Stromerzeugung genutzten Energiequellen, insbesondere in Form Stein-, Braunkohle und Erdgas, aufzugeben und dafür auf regenerative Energiequellen umzustellen. Auch unsere Mobilität beruht weitgehend auf flüssigen und teilweise auch gasförmigen Treibstoffen ähnlicher fossiler Herkunft. Wesentliche unserer Industriebereiche benötigen ebenfalls erhebliche Energiemengen, die auf der Verwendung von Strom und Erdgas beruhen.  Hier wird es teilweise besonders schwierig sein, auf natürliche Energieträger umzustellen.

Eine Sonderrolle spielen die kerntechnischen Energieträger, die in manchen Ländern Europas auch heutzutage noch immer einen wesentlichen Teil des benötigten Stroms liefern. Diese Technologie produziert zwar keine klimaschädlichen Gase, besitzt aber stattdessen andere durchaus schwerwiegende negative Eigenschaften, wie die Gefahr hochgefährlicher Kernschmelzen oder das ungelöste Problem der Endlagerung. Deshalb hat sich Deutschland für eine kurzfristige Stilllegung der noch verbliebenen Kernkraftwerke entschieden.

Somit konzentriert sich in Deutschland der Technologiewandel auf dem Gebiet der Stromerzeugung im Wesentlichen auf die alternative Verwendung regenerativer Energieträger. Dazu ist vorgesehen, die letzten Kohlekraftwerke bis zum Jahr 2038 abzuschalten, was jedoch einige Befürworter bereits für 2030 verlangen. Von dieser Umstellung sind allein im Gebiet der Niederlausitz 3 Wärmekraftwerke und 4 Tagebaue betroffen. Die Folgen dieses Umbruchs sind für die betroffenen Regionen, ihre Menschen und auch die Natur schwerwiegend. Hierbei geht es nicht nur um den Rückbau der Kraftwerke und der riesigen Förderbrücken in den Tagebauen, sondern auch um die Renaturierung der ausgebeuteten Landschaften und die Einrichtung neuer Arbeitsplätze. Die Rekultivierungsmaßnahmen betreffen u. a. die Schaffung künstlicher Wasserlandschaften, Waldwiederherstellung und Bodenversetzung.

Für die Technologieumstellung sind gewaltige finanzielle Mittel aufzubringen. Auf der Gegenseite verringern sich durch den Umstieg auf Photovoltaik und Windkraft die Erzeugungskosten auf 1-2 Cent/kWh gegenüber 20-23 Cent/kWh bei der Verstromung von Stein- bzw. Braunkohle.

Als neue Energieträger werden in unseren Breiten vor allem die aus dem Weltall stammende solare Strahlung sowie die erdnahe Windströmung favorisiert. Andere Länder mit entsprechenden Voraussetzungen stützen sich hingegen mehr auf die Nutzung der Wasserkraft oder auch Erdwärme.

Die in unserem Land und weiten Teilen Europas stattfindende Umstellung auf erneuerbareEnergien gründet sich vor allem auf die Verwendung von Photovoltaikanlagen sowie Windkraftanlagen. Eine ausführliche Darlegung dazu findet sich beispielsweise in [1]. Die diesbezüglichen Veränderungen in der Energielandschaft lassen sich nicht nur an der Vielzahl der inzwischen installierten Photovoltaikanlagen und Windkraftanlagen auf privaten Dächern wahrnehmen, sondern zeigen sich vor allem in Form von großflächigen Windkraft- und Solarparks entlang der Autobahnen, in der Weite des norddeutschen Tieflandes und sogar im Offshore-Bereich. Der Ausbau ist inzwischen soweit fortgeschritten, dass der Anteil der Erneuerbaren Energien bei über 40 % liegt. Davon liefert die Windkraft bei der Erzeugung von Ökostrom mit 180 GW den größten Beitrag, der sogar die Leistung aller übrigen Energiequellen, einschließlich des Beitrags, der aus den noch vorhandenen fossilen Quellen stammt, übersteigt. Somit kommt der Windkraftnutzung bei der sog. Dekarbonisierung der Stromerzeugung die führende Rolle zu. Um der rasant wachsenden Nachfrage nach Grünem Strom gerecht zu werden, will die EU diese Kapazität bis 2030 sogar verdreifachen [2]. Die größten Zuwachsraten sind im Offshore-Bereich zu erwarten, dem ein noch ein erhebliches Wachstumspotenzial bescheinigt wird. Der angesichts der dort bestehenden Standortvorteile vorgesehene Ausbau der Windkraftnutzung an bisher eher industriearmen Standorten wird dort zu einem erheblichen Überschuss an Ökostrom führen. Daher wird es voraussichtlich zur Entwicklung einer neuen Industrielandschaft führen, um eine ortsnahe Verwendung des Windstroms zu ermöglichen.

3.      Entzug von CO₂ aus der Atmosphäre

Wie sich bereits herausstellt, wird das weltweit gesteckte Ziel, den CO₂–Anstieg bis zum Jahr 2035 auf 1,5% zu begrenzen, mit dem zuvor beschriebenen Umstieg auf erneuerbare Energien allein nicht zu erreichen sein. Die Hauptgründe dafür werden einerseits die bisher noch nicht für überwindbar gehaltenen Schwierigkeiten bei der Findung nachhaltiger Lösungen in bestimmten Bereichen der Industrie, des Verkehrswesens und in der Landwirtschaft gesehen. Hinzu kommen zusätzliche Effekte aus der bestehenden Erderwärmung. Dazu gehört das Auftauen der Permafrostböden, was zum Entweichen des sogar noch schädlicheren Klimagases Methan führt. Kritikwürdig ist auch das Verhalten verschiedener oftmals großer Länder wegen ihres oft nur zögerlichen Bemühens um Eindämmung der von dort ausgehenden erheblichen CO2-Emissionen. Diese Zurückhaltung zeigt sich auch auf den in Abständen stattfindenden Weltklimagipfeln, auf denen sich bestimmte Staaten, darunter China und Indien, nicht zu konkreten Angaben über eigene Klimaziele bekennen.

Wenn es denn so ist, dann müssen andere Maßnahmen ins Auge gefasst werden, um das angestrebte Ziel zu erreichen.

Die einfachste Art zur Senkung der Treibhausgase besteht im bewussteren Umgang mit den Ressourcen und der Vermeidung von Verschwendungen. Hier kann jeder Einzelne von uns durch eine Verhaltensänderung seinen Beitrag zur Verminderung des  Treibhauseffekts leisten.

Die wirkungsvollste Problemlösung zur Eindämmung der Klimaerwärmung besteht wohl darin, das Kohlendioxid direkt aus der Atmosphäre herauszufiltern. Die hierzu benutzten Verfahren werden unter dem Namen CDR Carbon­­_Dioxine_Removable zusammengefasst. Dafür wird allerdings erhebliche Energie benötigt. Diese wiederum sollte aus regenerativen Quellen stammen, um einen wirksamen Klimaeffekt zu erreichen. Somit wird man den Klimawandel an zwei Fronten bekämpfen.

Für die direkte Entfernung des CO₂ aus der Atmosphäre kommen aus gegenwärtiger Sicht folgende Strategien in Betracht:

3.1  Bindung des herausgefilterten klimaschädlichen Gases durch natürliche Stoffe

Eine mögliche  Form, den CO₂–Anteil aus der Atmosphäre direkt herauszufiltern, besteht im Einsatz gewisser Nutzpflanzen. Als besonders geeignete pflanzliche Form gilt die großflächige Aufforstung von Wäldern. Der hierbei entstehende Effekt besteht darin, dass die Bäume während ihres Wachstums der Umgebungsluft Kohlendioxid entziehen, indem sie den in diesem Gas enthaltenen Kohlenstoff durch natürliche Photosynthese abspalten und in ihrer Substanz einlagern. Dieser fossile Anteil wird dann allerdings bei der späteren Verbrennung oder Verrottung des Holzes wieder in Form von CO₂ an die Atmosphäre abgegeben. Dennoch ergibt sich ein positiver Effekt dadurch, dass infolge langfristigen Bestands der Wälder anstelle der entfernten oder abgestorbenen Bäume auch ständig neue nachwachsen und somit wiederum Kohlendioxyd gebunden wird. Somit wird der freigesetzte Anteil von CO₂ durch erneute Aufnahme von Kohlenstoff wieder weitgehend ausgeglichen. Verfahren dieser Art tragen die Bezeichnung BECCS Bioenergy_with_Carbon_Capture_and _Storage und liefern einen Anteil von geschätzten 5 Mrd. t/Jahr.

Der Lebenszyklus der Waldbäume wird jedoch nicht selten abrupt beendet, sei es infolge der vom Menschen verursachte Brandrodungen oder die mit zunehemender Klimaveränderung immer häufiger auftretenden großflächigen Waldbrände. 

Eine andere Möglichkeit, Kohlendioxyd temporär zu binden, besteht im Einsatz bestimmter Nutzpflanzen, darunter eigens für diesen Zweck angebauten Raps und Mais. Diese Pflanzen sind besonders geeignet, während ihres Wachstums größere Mengen ebenfalls CO₂ aufzunehmen und es somit zu speichern. Bei der späteren Verbrennung oder Verrottung wir dieses klimaschädliche Gas allerdings wieder abgegeben. Somit ergibt sich nur ein temporärer Effekt. Bei dieser Art der CO₂–Bindung geht es um eine Größenordnung von 3,6 Mrd t/Jahr.

3.2  langfristige Abspeicherung in unterirdischen Räumen

Bei dieser Strategie geht es um die Verdrängung von Altlasten. Das klimaschädliche CO₂ wird hier dadurch zum Verschwinden gebracht, indem es entweder unmittelbar nach seiner Extraktion aus der Atmosphäre oder direkt bei seiner Erzeugung in der Produktion entweder in leere Erdgasfelder gepumpt oder unter dem Meeresboden verpresst wird. Dieses Prinzip der Verdrängung ähnelt der Behandlung abgebrannter Brennstäbe von Kernkraftwerken, wobei diese dort zunächst in sog. Castoren verbracht und diese dann in einigermaßen sicheren unterirdischen Bergwerken – wie man so schön sagt –  endgelagert werden. Dieses Verfahren ist sehr umstrittenen, da hierbei Altlasten mit unsicherem Verhalten an die Folgegenerationen weitergegeben werden.

3.3  Umwandlung des Kohlendioxids in ein verwertbares klimafreundliches Gas

Hier ist das chemische Element Wasserstoff inzwischen zu hohen Ehren gekommen. Dieses chemische Element wird üblicherweise unter Verwendung eines sog. Elektrolysators als Bestandteil des zugeführten Wassers unter Einsatz von Strom in gasförmiger Form produziert. Der hierbei eingesetzte Strom entstammt dann regenerativen Quellen, so dass dieses energiereiche Gas auch Grüner Wasserstoff genannt wird. Der als Beiprodukt anfallende Sauerstoff bleibt zumeist ungenutzt und wird an die Atmosphäre abgegeben. Der klimafreundliche Wasserstoff ist ein wertvoller Energieträger, der sich durch eine hohe Energiedichte auszeichnet, gut speicherbar ist und für vielfältige Zwecke genutzt werden kann.

Eine unmittelbare Verwendungsart von Wasserstoff ist die Beimischung zum Erdgas, wodurch der Anteil des fossilen Erdgases zurückgedrängt wird. Die hauptsächliche Verwendung von Wasserstoff liegt jedoch im Bereich der Stromerzeugung. Zu den frühen Anwendungen dieses Energieträgers im Zusammenhang mit dem Klimawandel gehört der Einsatz in Inselnetzen mit selbst erzeugtem Strom aus Photovoltaikanlagen [3].  Dort wird die ausgeprägte Speichereigenschaft dieses Mediums genutzt, um die bei dieser Art der Energiewandlung Prinzip-bedingt auftretenden Fluktuationen auszugleichen und somit eine kontinuierliche Eigenstromerzeugung zu gewährleisten.

Nachdem es inzwischen gelungen ist, Wasserstoffgas auch  in großtechnischem Maßstab zu erzeugen, ergeben sich speziell für die Regionen mit hohem Überschuss an Windstrom völlig neue Perspektiven. Da es sich hier vorwiegend um schwach industrialisierte Gebiete handelt, könnte die Etablierung der Wasserstofftechnologie dort zu einem erheblichen Wachstum führen. Zugleich würden auch die Aufwendungen für den Transport des überschüssigen Stroms in den Süden unseres Landes weitgehend erspart. Somit besteht die Chance, zuvor schwach industrialisierte Regionen mit besonders hoher regenerativer Stromerzeugung zu Zentren der Wasserstofftechnologie auszubauen.

Interessant ist dabei in diesem Zusammenhang die Möglichkeit, aus dem erzeugten Wasserstoff unter Verwendung des Stromüberschusses durch chemische Umwandlung auch Ökotreibstoffe herzustellen. Diese synthetischen Kraftstoffe, genannt BIL Bio_to_Liquid, könnten dann quasi vor Ort zum Betanken von Megalinern und Kreuzfahrtschiffen in den nahen Häfen verwendet werden, womit auch das bisher offene Problem der Versorgung großer seegängiger Schiffe mit regenerativer Antriebsenergie gelöst wäre. Eine weitere Verwendungsart von Wasserstoff wäre auch die klimaneutrale Herstellung von Stickstoffdünger.

Mit Hilfe des Wasserstoffs lässt sich sogar für den Verkehrssektor etwas tun. Grundlage dafür ist, dass sich dieser Energieträger ebenfalls zur Stromerzeugung verwenden lässt. Als Energiewandler kämen dafür vor allem Brennstoffzellen in Betracht. Hierbei handelt es sich um galvanische Zellen, welche die Energie eines chemischen Trägers, im vorliegenden Fall also von Wasserstoff, unter Mitwirkung des in der Luft enthaltenen Sauerstoffs als Oxidator mit hohem Wirkungsgrad in elektrischen Strom wandeln können.

Die Nutzung dieser Möglichkeit der Stromerzeugung unter Verwendung von Wasserstoffgas als Antriebsenergie wurde schon vor einiger Zeit von der Automobilindustrie entdeckt  und in technische Lösungen umgesetzt. Somit besteht neben den bisher genutzten E-Mobilen, die den benötigten Strom in bordeigenen Akkus mitführen, eine zweite Möglichkeit zur Realisierung von klimaneutralen Automobilen. Voraussetzung für eine Ausbreitung der wasserstoff-betriebenen Automobilität wäre aber die Einrichtung eines verzweigten Netzes von Wasserstofftankstellen. Dies dürfte jedoch kein unlösbares Problem darstellen, da in solchen Stationen bereits Zapfsäulen für die Betankung mit Erdgas vorhanden sind.

3.4 Bindung von Kohlendioxid im Gestein

Gemäß einem eher exotischen Verfahren wird gemahlenes Basaltgestein auf Ackerböden ausgestreut, welches bei der Verwitterung umgewandelt wird, in dem das schädliche Gas dauerhaft gebunden ist [4]. Das Verfahren trägt die Bezeichnung ERW Enhanced_ Rock_Weathering und soll maximal 4.000 t/Jahr CO₂ binden, ohne Altlasten zu hinterlassen.

Epilog

Der Autor war mit den vorstehenden Darlegungen bemüht, einen möglichst  breiten Überblick über die Möglichkeiten der Bewältigung des weltweit wirksamen Klimawandels zu bieten. Ausgangspunkt dabei war das allgemeine Bestreben, die gesteckten Klimaziele ohne wesentliche Einbußen an dem uns heute verfügbaren Lebensstandard zu erreichen. Dafür ist allerdings ein erheblicher Energieeinsatz nötig, der nunmehr auf eine klimaverträgliche Art aufzubringen ist. Als schädlichster Bestandteil unserer Umgebungsluft gilt der Bestandteil Kohlendioxid, der bei der derzeitigen Energiebereitstellung in erheblichem Maße anfällt. Somit ist ein grundlegender Technologiewandel erforderlich, der eine Umstellung von den verwendeten Energieträgern auf fossiler Basis zugunsten des Einsatzes erneuerbarer Energien zur Folge hat. Wie sich zeigt, sind mit Maßnahmen dieser Art die gesteckten Klimaziele allein nicht zu erreichen. Daher sind noch weitere Maßnahmen erforderlich, die im vorliegenden Fall auf den direkten Entzug des Treibhausgases aus der Atmosphäre abzielen. Hier wird die die Aufmerksamkeit auf diese weniger bekannte Art von Eingriffen gelenkt und dazu einige Strategien vorgestellt. (nw)

 Autor: Prof. Dr. Wolfgang Weller. Der Autor war langjähriger Lehrstuhlinhaber an der Humboldt-Universität zu Berlin. Gegenwärtig arbeitet er als freier Wissenschaftler.

Literatur

[1] Weller, W.: Stromversorgung aus regenerativen Energien. Verlag epubi. Erhältlich beim Verlag, im Internet oder Buchhandel als PrintBOOK unter ISBN 9783753133997 oder eBOOK unter ISBN 9783753120959

[2] Vattenfall: Windiges Wetter ist nicht unbedingt schlechtes Wetter. see: https://group.vattenfall.com/de/verantwortung/fossilfreier-fortschrit...

 [3] Weller, W.: Solarstrom kombiniert mit Wasserstofftechnologie. Teil I und II. Erneuerbare Energien 02. u. 03. 07. 2018, see: http//:www.erneuerbareenergien/de/solarstrom-kombiniert-mit-wasserstofftechnol…

 [4] Lanzke, A.: Aus der Luft gesaugt. Berliner Zeitung Nr. 34 10. 02. 2022, Teil Wissenschaft