Geo-Engineering

Zuletzt aktualisiert am 05.02.2017

Untersuchung möglicher alternativer Klimaschutzkonzepte

1  Hintergrund

Die Menge globaler Treibhausgasemissionen ist trotz hoher politischer Vorgaben in den letzten Jahren kontinuierlich gestiegen. Obwohl unter den meisten Wissenschaftlern und Politikern Einigkeit darüber besteht, dass Treibhausgase und insbesondere CO2 für den bestehenden Klimawandel und eine weiter zunehmende globale Erwärmung verantwortlich sind, ist beim Bestreben einer Emissionsminderung auf globaler Ebene wenig Erfolg zu erkennen. In Abbildung 1 sind die jährlichen fossilen CO2-Emissionen seit 1850 und die Zunahme des CO2-Gehalts der Atmosphäre dargestellt.

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Abbildung 1: CO2-Konzentration und CO2-Emissionen aus fossilen Brennstoffen im Zeitraum 1850 – 2007 (1 Gt C = 3,667 Gt CO2)

Zusätzlich zur Verbrennung fossiler Brennstoffe kommen anthropogen verursachte CO2-Emissionen durch veränderte Landnutzung hinzu – etwa bedingt durch das Abholzen von Regenwäldern – die sich in der Größenordnung von weiteren 1,5 Gigatonnen Kohlenstoff bewegen. Die CO2-Konzentration in der Atmosphäre stieg in den letzten Jahren auf den höchsten Stand seit mindestens 650.000 Jahren. Die Wachstumsrate lag in den Jahren 2000 – 2006 bei durchschnittlich 1,93 ppm pro Jahr und damit ebenfalls deutlich über den historischen Werten.

2  Motivation für Geo-Engineering

Mit dem Oberbegriff „Geo-Engineering“ werden verschiedenste Vorschläge bezeichnet, der globalen Erwärmung mit Hilfe großtechnischer Eingriffe entgegenzuwirken. Diese sind in den letzten Jahren immer wieder hervorgebracht und teilweise kontrovers diskutiert worden. Grundsätzlich lassen sich zwei unterschiedliche Ansätze charakterisieren:

  • 1. Methoden, der Atmosphäre CO2 zu entziehen
  • 2. Beeinflussung der solaren Strahlung

Geo-Engineering wird gelegentlich als mögliche kostengünstige Alternative gegenüber der Verminderung von Treibhausgasemissionen gesehen, was wiederum auf weitgehende Kritik in der Öffentlichkeit stößt. Auf der anderen Seite könnte in Zukunft die Situation eintreten, dass internationale Abkommen zu keiner ausreichenden Emissionsreduktion geführt haben und Geo-Engineering praktisch als einzig möglicher Ausweg verbleibt. Verschiedene Ansätze – wie beispielsweise der Bau von Anlagen zum aktiven CO2-Entzug aus der Atmosphäre – könnten zudem die bestehende CO2-Konzentration verringern, was durch Emissionsminderung alleine nicht zu bewerkstelligen wäre.

3  Vorgehensweise im Projekt, Beispiele

Im Rahmen eines an der FfE durchgeführten Projektes wurde eine Auswahl potenziell möglicher Maßnahmen des Geo-Engineering analysiert. Hierbei wurden Punkte wie Durchführbarkeit, Wirksamkeit, Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit betrachtet. Nachfolgend einige Beispiele bereits vorgeschlagener Maßnahmen.

Algenzucht

Ein Ansatzpunkt des Geo-Engineerings ist es, Algen in großen Anlagen auf dem Festland zu züchten. Ein großer Vorteil der Mikroalgen im Vergleich zur Biomasseproduktion herkömmlicher Pflanzen liegt in deren schnellem Wachstum und effizienteren Lichtenergieausnutzung. Der Ertrag einer möglichen Biomassenutzung einer Algenzuchtanlage könnte dadurch um den Faktor 5 – 10 höher ausfallen als bei Energiepflanzen wie Raps. Zudem kommen auch Flächen in Frage, die für die landwirtschaftliche Nutzung ungeeignet sind, was die Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion verringert.

In mehreren Versuchsprojekten wurde bisher getestet, inwieweit in Algenzuchtanlagen das CO2 aus dem Rauchgas von Kraftwerken aufgenommen werden kann. Problematisch ist bisher noch die Abtrennung der Mikroalgen aus der Algensuspension, da diese aufgrund ihrer geringen Größe nur in aufwendigen Prozessen abgetrennt werden können, die wiederum Energie verbrauchen. Größter Hinderungsgrund sind bislang jedoch die sehr hohen Kosten.

Meeresdüngung

Eine Idee, die bereits von einigen kommerziellen Unternehmen näher verfolgt wurde, ist die Düngung der Ozeane mit Eisenpartikeln zur Anregung des Algenwachstums. Eisen wird von Plankton und Algen zum Wachstum benötigt, ist aber in weiten Meeresregionen nicht ausreichend vorhanden. Durch das Wachstum der Algen und anderer pflanzlicher Organismen wird der Atmosphäre CO2 entzogen und in Kohlenstoff und Sauerstoff umgewandelt. Das aufgenommene CO2 soll dabei zumindest teilweise dauerhaft gebunden werden, da davon ausgegangen wird, dass einige Algenarten nach dem Absterben zum Meeresboden absinken und dort auf unbestimmte Zeit verbleiben.

In welchem Maße die künstliche Eisendüngung tatsächlich CO2 aus der Atmosphäre entfernen und somit einen Beitrag zum Klimaschutz leisten kann, kann heute noch nicht abschließend beantwortet werden, ebenso wenig sind die gesamten Risiken bekannt. Vor einer großflächigen Anwendung wäre in jedem Fall weiterer Forschungsbedarf notwendig. In einem großangelegten Düngungsexperiment, das im letzten Jahr unter der Bezeichnung LOHAFEX durchgeführt wurde, konnte die langfristige CO2-Bindung nicht bestätigt werden. Ein unerwartet hoher Anteil an Algen wurde hier bereits vor dem Absinken von Meeresorganismen gefressen.

Anlagen zum CO2-Entzug aus der Luft (künstliche Bäume)

Mit Hilfe sogenannter „künstlicher Bäume“ ist es möglich, CO2 direkt aus der Umgebungsluft zu extrahieren. Sobald das CO2 in Reinform vorliegt, könnte dieses dauerhaft in geologischen Formationen sequestriert werden. Anlagen zum CO2-Entzug basieren in der Regel auf bekannten chemischen Kreislaufprozessen, wie beispielsweise dem Ca(OH)2-Kreislauf, der schon beim Kalkbrennen zur Anwendung kommt.

Ein besonderer Vorteil technischer CO2-Entzugsanlagen ist deren deutlich effektivere CO2-Aufnahme auf gleicher Fläche gegenüber Pflanzen – und in Folge ein deutlich geringerer Flächenverbrauch. Weiterhin spricht für künstliche Bäume, dass diese an beliebigen Standorten der Welt gebaut werden könnten, etwa in Wüsten. Bei der Standortwahl sind insbesondere geologische Speicherkapazitäten sowie das Vorhandensein natürlicher Energiequellen von Bedeutung. Zudem wäre das CO2 dauerhaft sequestriert, wohingegen in Pflanzen gebundener Kohlenstoff in der Regel früher oder später wieder als CO2 freigesetzt wird.

Nachteil aller Verfahren zum direkten CO2-Entzug ist deren hoher Energieaufwand. Aufgrund der geringen CO2-Konzentration in der Umgebungsluft liegt bereits das theoretische Minimum des Energieverbrauchs bei 0,44 GJ pro Tonne CO2, um ein reines Gas unter Normaldruck zu erhalten. In der Praxis liegt der tatsächliche Wert nochmals deutlich darüber. So wird in chemischen Verfahren CO2 zunächst gebunden und anschließend wieder abgespalten, wofür zumindest die gesamte Bindungsenergie erneut aufgewandt werden muss. Zusätzliche Energie ist für Kompression und Sequestrierung des CO2 erforderlich.

Aufgrund des hohen Energieaufwands kann die Idee der künstlichen Bäume nach heutigen Maßstäben nur dann als sinnvoll erscheinen, wenn hinreichend große erneuerbare Energiequellen vorhanden sind. Für die Zukunft könnten sie jedoch einen Beitrag leisten, verfehlte CO2-Reduktionsziele aus der Vergangenheit wieder auszugleichen.

Beeinflussung der Wolkenbildung

Ein weiterer Beitrag zur Verringerung der globalen Erwärmung könnte durch Spezialschiffe geleistet werden, die salzhaltige Wasserpartikel in den Ozeanen aufwirbeln. Die Idee ist, die aufgewirbelten Wasserpartikel in Stratocumulus-Wolken einzuleiten und dadurch eine Steigerung ihres Reflexionsgrades und ihrer Lebensdauer zu erreichen. Die salzhaltigen Wasserpartikel sollen dabei im Inneren der Wolke als zusätzliche Kondensationskerne dienen und so dazu beitragen, dass sich die Anzahl der Wassertropfen erhöht. Mit dieser Methode könnte nach verschiedenen Berechnungen eine globale Erwärmung in dem Umfang ausgeglichen werden, wie sie durch eine Verdopplung der CO2-Konzentration in der Atmosphäre gegenüber dem vorindustriellen Zeitalter verursacht wird.

Es gibt bereits konkrete Baupläne, wie solche Spezialschiffe konstruiert sein könnten. Sie könnten unbemannt, über Satelliten fernsteuerbar und komplett windbetrieben sein. Möglich wird der Antrieb durch mehrere Flettner-Rotoren, deren Prinzip schon seit Jahrzehnten bekannt ist. Sobald sie sich drehen, wird ein Unterdruck erzeugt, der für die Bewegung der Schiffe sorgt. Durch die Bewegung im Wasser wiederum werden Turbinen angetrieben, die die notwendige Energie für das gesamte Schiff liefern sollen.

Derzeit gibt es noch wenige Untersuchungen über die Wirksamkeit des Systems und mögliche Risiken, die ein Eingriff in die maritime Wolkenbildung mit sich bringen könnte, wie etwa veränderte Niederschlagshäufigkeiten. Vorteile sind insbesondere der geringe Energieaufwand und die Tatsache, dass sich die Spezialschiffe auch jederzeit wieder abschalten ließen.

Schwefelaerosole

Der Vorschlag, Schwefelaerosole künstlich in die Stratosphäre zu leiten, beruht auf der Beobachtung, dass große Vulkanausbrüche das globale Klima über einen längeren Zeitraum beeinflussen können. In verschiedenen chemischen Reaktionen oxidiert das vom Vulkan freigesetzte SO2 zu Sulfaten ([SO4]2–), die einen gewissen Teil der einfallenden Sonnenstrahlung reflektieren und dadurch eine Abkühlung bewirken.
Beim Ausbruch des Vulkans Pinatubo auf den Philippinen im Juni 1991 wurden etwa 10 Millionen Tonnen Schwefel freigesetzt und in die höhere gelegene Stratosphäre – oberhalb von 10 km Höhe – getragen. In der Folge war ein Absinken der weltweiten, durchschnittlichen Temperatur im darauf folgenden Jahr 1992 um 0,5 °C zu beobachten.

Die Idee, durch Schwefelaerosole einen abkühlenden Effekt zu erzielen, wurde in jüngster Zeit von dem Atmosphärenforscher und Chemienobelpreisträger Paul Crutzen neu aufgegriffen. Vorteil wäre eine schnelle Wirksamkeit sowie die leichte Umsetzbarkeit bereits mit heutigen technischen Mitteln. Kritikpunkt sind jedoch negative Umweltauswirkungen, insbesondere die Schädigung der Ozonschicht. Diese Schädigung tritt hauptsächlich durch Sulfate in Kombination mit Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) auf, die sich heute noch in großer Menge in der Atmosphäre befinden. So ließ sich auch nach dem Ausbruch des Pinatubos eine deutliche Reduzierung des Ozons in der Atmosphäre beobachten.

Whitening

Die Energiebilanz der Erdatmosphäre wird unter anderem von den optischen Eigenschaften der Erdoberfläche bestimmt. Oberflächen mit hohem optischen Reflektionsgrad reflektieren die einfallende Strahlung stärker und erwärmen sich somit weniger. Dieser Effekt wird als „Albedo-Effekt“ bezeichnet.

An diesem Punkt setzt eine Möglichkeit des Geo-Engineerings an, nämlich die Erdoberfläche mit gezielten Maßnahmen aufzuhellen. Eine einfache Möglichkeit der großflächigen Aufhellung der Erde wäre beispielsweise die Hellfärbung einer großen Zahl von Dachflächen oder Straßen. Einen Schritt weiter geht die Optimierung von Agrarflächen, um deren ohnehin schon relativ hohe Albedo durch gezielte Auswahl der Bepflanzung weiter zu steigern. Konzepte, die in diese Richtung gehen, werden auch als Bio-Geo-Engineering bezeichnet.

Das Aufhellen der Erdoberfläche ist ein Schritt, der die globale Temperatur in einem gewissen Umfang beeinflussen kann. Problematisch ist wohl am ehesten die Nachhaltigkeit der Maßnahme, da die Beständigkeit heller Oberflächen nicht von Dauer sein dürfte.

Sonnenschirme im All

Ein sehr futuristischer Vorschlag, der globalen Erwärmung entgegenzuwirken, ist die Installation von Sonnenschirmen im Weltall, mit deren Hilfe die Intensität der Sonneneinstrahlung auf die Erde verringert werden soll. Das Gesamtsystem soll aus einer Vielzahl von kleinen transparenten Sonnensegeln bestehen, die durch Lichtbrechung einen gewissen Teil des Sonnenlichts von der Erde ablenken und dadurch zur Kühlung beitragen.
Die Segel könnten nahe des inneren Lagrange-Punktes L1 installiert werden, 1,5 Millionen Kilometer von der Erde und 150 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt. Objekte in diesem Punkt umkreisen die Sonne in der gleichen Geschwindigkeit wie die Erde, bedingt durch die sich gegenseitig aufhebenden Gravitationsfelder. Bis zu 1,8 % der einfallenden Sonnenstrahlung könnten so abgelenkt werden. Insgesamt ist das System der Sonnensegel noch weit von der Realisierung entfernt.

4  Fazit

Angesichts der fortschreitenden globalen Erwärmung, die immer sichtbarere Auswirkungen mit sich bringt, ist es umso wichtiger, den CO2-Gehalt in der Atmosphäre nicht noch weiter ansteigen zu lassen. Bisher konnten internationale Bemühungen und Vereinbarungen hingegen zu keiner ausreichenden Minderung der Treibhausgasemissionen beitragen.

Wie alle Vorschläge, die bisher zum Geo-Engineering gemacht wurden, sollten auch die hier aufgeführten Ideen in keinem Fall als Ersatz für eine notwendige CO2-Minderung gesehen werden. Über die Auswirkungen und Risiken jeden Eingriffs in das komplexe Klimasystem ist zudem noch sehr wenig bekannt. Geo-Engineering kann allerdings in Zukunft notwendig werden, falls sich die erforderlichen Reduktionsziele auch weiterhin nicht umsetzen lassen. Es stellt ferner die einzige Möglichkeit dar, den bereits bestehenden Klimawandel abzumildern. Beim unbestritten weiter großen Forschungsbedarf im Bereich Klimaschutz sollte daher auch Geo-Engineering nicht gänzlich ausgeschlossen werden.

 

Auftraggeber: EnBW AG

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