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Kohlenstoffdioxid- Feind oder Freund?#

Einleitung#

CO2 , wo also jedes Molekül aus einem Atom Kohlenstoff und zwei Atomen Sauerstoff besteht, ist ein unbrennbares, farb- und geruchloses, chemisch träges und in geringer Konzentration (unter 1%) ungiftiges Gas. Ohne CO2 gäbe es keine Pflanzen, die ja auf Photosynthese angewiesen sind, damit auch keine Tiere (die fast alle vom Verzehr von Pflanzen oder anderer Tiere leben) und damit natürlich auch keine Menschen. Also ist CO2 für uns lebenswichtig und in diesem Sinn ein unverzichtbarer Freund.

Konzenrationsverlauf
Kohlenstoffdioxid Konzentration Messstation Hawaii.
Photo: Delorme. From: Wikicommons
Die Konzentration von CO2 in der Atmosphäre ist gering: sie liegt bei 0,04 %, bequemer als 400 ppm (parts per million) bezeichnet, ist aber seit der Industrialisierung im 19. Jahrhundert von 300 ppm erstmals (zeitlich und örtlich verschieden) auf den gegenwärtigen Wert angestiegen. Zwischen 1960 und 2005 stieg die Konzentration um durchschnittlich 1,4 ppm pro Jahr.

Freilich war vor 500 Millionen Jahren die Kohlendioxidkonzentration 20 Mal höher als sie heute ist, sank dann aber allmählich auf 300 ppm und blieb seit 800.000 Jahren recht stabil bei diesem Wert. Die gegenwärtige Konzentration von Kohlendioxid ist daher an sich nicht so Besorgnis erregend, wie der andauernde rasche Anstieg.

Der Kohlenstoffdioxid Zyklus#

Es ist wichtig, den Kohlenstoff- bzw. Kohlendioxid Kreislauf und die Auswirkungen des Kohlendioxids im Groben zu verstehen:

Kohlendioxid entsteht sowohl bei der Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Substanzen als auch im Organismus von Lebewesen durch Zellatmung. (Auch wir Menschen atmen ja Sauerstoff ein, aber eine stark mit CO2 angereicherte Gasmischung aus. ) Pflanzen, Algen und manche Bakterien u.a. verwandeln Kohlenstoffdioxid in „Biomasse“. Bei der Photosynthese entstehen aus anorganischem Kohlenstoffdioxid organische Stoffe, das Grundmaterial aller Pflanzen. Die CO2 Konzentration regelt sich bis zu einem gewissen Grad selbst: Mehr davon in der Luft führt zu stärkerem Wachstum (darum erhöht man in Gewächshäusern den CO2 Gehalt und beschleunigt damit das Wachstum der Pflanzen), wodurch mehr CO2 gebunden wird.

Man beachte, das manche Algenartenbesonders (Blaualgen, in Wahrheit Cyanobakterien) effizient CO2 binden, sprich Biomasse erzeigen und daher Kohlendioxid in wertvolle Substanzen überführen: Man kann aus der Biomasse Nahrung, Dünger, Pharmazeutika, Kosmetika, Treibstoff und vieles mehr herstellen!

Es ist heute allgemeiner Konsens, dass diese Selbstregelung durch die Menschen, die z.B. durch Heizung oder Verbrennung viel CO2 erzeugen, nicht mehr ausreicht, wobei die seit 1900 eingetretene Verfünffachung (!) der Erdbevölkerung von 1,5 auf 7,5 Milliarden natürlich eine große Rolle spielt, die zu oft ignoriert wird.

Kohlenstoffdioxid absorbiert einen Teil der Wärmestrahlung, gibt diese Wärme aber auch allmählich an die Luft ab. Daher ist Kohlenstoffdioxid ein sogenanntes Treibhausgas, ist also für die Erwärmung der Luft mitverantwortlich („Treibhauseffekt“). Alle Treibhausgase zusammen erhöhen die mittlere Temperatur auf der Erdoberfläche von circa −18 °C auf +15 °C.

Kohlenstoffdioxid hat einen relativ großen Anteil am Gesamteffekt und ist somit für das lebensfreundliche Klima der Erde mitverantwortlich.

Ergänzend sei noch erwähnt, dass CO2 für viele wichtige chemische Prozesse eingesetzt wird, in der Form von Trockeneis als Kühlmittel, für die Erzeugung von Harnstoff, in manchen Situationen als Löse- und Extraktionsmittel, als Löschmittel, in der Lebensmitteltechnologie z.B. zur Frischhaltung, usw. Man beachte, dass Harnstoff (weltweite Produktion ca. 150 Millionen Tonnen pro Jahr!) und seine Derivate wichtige Stickstoffdünger und Rohstoffe für die chemische Industrie sind, etwa für die Herstellung von Harzen, die als Klebstoff, zur Imprägnierung oder Isolierung eingesetzt werden. Harnstoff dient als Grundlage für die Synthese von Barbitursäure, Koffein, Hydrazin und weiteren Chemikalien.

Die Bedeutung von CO2 für viele Anwendungen wird auch dadurch belegt, dass es eine Reihe von Verfahren gibt, die reines CO2 herstellen.

Freund oder Feind? #

Bisher erscheint Kohlendioxid also nur als Freund. Als Feind wird CO2 (bzw. seine weitere Konzentrationszunahme) aus zwei Gründen eingestuft:

Erstens nimmt Ozeanwasser CO2 auf. Das führt zur „Übersäuerung“, was sich auf das Leben im Meer auswirkt. Siehe dazu auch den Beitrag über die Bedrohung der Umwelt.

Zweitens trägt es zur Verstärkung des Treibhauseffekts bei und damit zur globalen Erwärmung. Die Diskussion: Wie stark dies langfristig zu einem Klimawandel führt; wie weit das CO2 dazu beiträgt; wie weit die Zunahme durch Menschen verursacht wird; oder durch z. B. Waldbrände oder Vulkanausbrüche; oder nicht durch Handlungen der Menschen an sich sondern durch die zunehmende Zahl von Menschen; und schließlich, ob eine Klimaerwärmung nur negativ zu sehen ist: All das sei einem etwaigen weiteren Beitrag vorbehalten.

Es gibt dazu auch über 30 Beiträge unter dem Thema „Klimawandel“ im Austria-Forum, und wird daher hier nicht weiter diskutiert.

Konsens#

Unabhängig davon nämlich, wie man Auslösung und Effekt der CO2 Zunahme sieht, scheint ein Konsens zu bestehen: Dass die CO2 Konzentration eher ab- als zunehmen sollte.

Das führt u.a. dazu, dass man den Ausstoß von CO2 in die Luft verringern will. Das kann geschehen, indem man auf die Verwendung wiederverwendbarer Energie oder neue Energiegewinnungs- und Speichermethoden an Stelle der heute dominierenden Verwendung fossiler Brennstoffe setzt. Dies ist ein sinnvoller Ansatz, solange man nicht zu konservativ und durch finanzielle Anreize auf langfristig wenig sinnvolle Methoden setzt.

Eine andere Möglichkeit, die CO2 Konzentration in der Luft zu verringern, ist die Ausscheidung des CO2 aus der Luft und seine Speicherung. Das bietet sich bei Prozessen, die besonders viel CO2 erzeugen an, wie beim Kalkbrennen (Zementherstellung) oder bei kalorischen Kraftwerken. Für die Speicherung gibt es viele Möglichkeiten, sei es als Gas, durch Bindung an andere Substanzen oder durch Verwendung von z.B. bei Algenfarmen, die viel CO2 binden und gleichzeitig organisches Material als Ausgangsstoff für weitere Verwendung liefern. Die Forschung ist in diesem Bereich sehr aktiv .

Die optmistische Möglichkeit#

Eine dritte Möglichkeit, die für den Autor besonders zukunftsträchtig erscheint, ist es, CO2 nicht als Feind, sondern als Rohstoff zu sehen. Tatsächlich gibt es intensive Forschung in diese Richtung und durchaus auch Erfolge, wie noch kurz berichtet wird, doch muss eines vorweg festgehalten werden: Viele der Prozesse werden nicht intensiv verfolgt, weil sie viel Energie benötigen. Sie sind also nur dann sinnvoll, wenn wir genug Energie gewinnen können, ohne dabei CO2 zu erzeugen!

Das ist der Grund, warum Solarenergie und Windenergie erste interessante Ansätze sind, die aber langfristig durch mächtigere Methoden wie Energiegewinnung aus der Erdwärme und durch Fusionsenergie ersetzt werden müssen.

Es wird zu wenig oft beachtet, was ein unumstößliches Faktum ist: Diese Welt benötigt größere Energiemengen als wir zurzeit haben für viele Aufgaben: für die Entsalzung von Meerwasser um die notwendigen Süßwassermengen herzustellen, für die Mobilität und für unzählbar viele technische Prozesse. Niemand argumentiert das besser als Michiu Kaku (Die Physik der Zukunft: Unser Leben in 100 Jahren): Die Forschung in saubere Energiegewinnung und Energiespeicherung ist so wichtig, dass sie mit höchster Energie (was für ein zufälliges Wortspiel!) und entsprechende finanzielle Mittel verfolgt werden muss.

Hätten wir billige und saubere Energie könnte man theoretisch CO2 auch in die Grundbausteine spalten, in Kohle(nstoff) und Sauerstoff. Bis heute ist eine technische Variante der Photosynthese nicht überzeugend gelungen: Aber wäre es nicht toll, eine Solarzelle zu haben, die Nahrungsmittel (Glycose) herstellt: Mit einem Liter Wasser und dem CO2 der Luft erzeugt so eine Zelle essbare Tabletten, eine nach der anderen…

Wie gesagt, dies ist ein Traum. Aber die Idee, eine technische Photosynthese zu entwickeln wurde schon 1863 (!) in einer Publikation erwähnt. Gelungen ist sie bis heute nicht. Hingegen hatte man manche Erfolge, indem man CO2 mit Stickstoff und Wasser mit geeigneten Bakterien und Energiezufuhr bei einem Gärungsprozess studierte, der u .a. Protein liefern könnte. Der Energieaufwand dafür ist so groß, dass eine wirtschaftliche Umsetzung nicht sinnvoll ist, außer man hat billige saubere Energie.

CO2 ist ein guter Rohstoff aus dem man mit Energie auch Polymere, Urea (Düngemittel), Baumaterialien, Treibstoffe usw. herstellen kann. Es ist oft der Energiebedarf, der das wenig attraktiv macht, wobei CO2 als Basis für neue Treibstoffe, Polymere und Düngemittel besonders intensiv und zunehmend erfolgreich verfolgt wird.

Bei der Herstellung von Treibstoffen wird aber CO2 nicht vernichtet, sondern als Ersatz für Erdöl gesehen, der „CO2 neutral“ ist: der aus CO2 erzeugte Brennstoff produziert bei Verwendung wieder CO2. D.h. es ist dies mehr eine CO2 neutrale Speicherung von Energie, nicht eine direkte Reduktion von CO2 in der Luft.

Alle solche Anwendungen sind nicht unbegründete Spekulationen: Immerhin förderte das Department of Energy der USA schon 2008 zwölf Projekte mit 1,4 Milliarden Dollar „to test innovative concepts for the beneficial use of carbon dioxide“. Das deutsche Bildungsministerium für Wissenschaft und Forschung verfolgt ähnliche Ansätze. In der „Zeit“ war Mitte 2016 zu lesen: „Nun hat die Industrie eine neue Idee. "Kohlendioxid könnte Erdöl als Rohstoff ersetzen", sagt Martina Peters, Chemikerin beim Chemiekonzern Bayer. Auch die Nobelpreisträger George Olah und Josef Stiglitz preisen Kohlendioxid als "Kraftstoff der Chemieindustrie" und berufen sich auf ein unanfechtbares Vorbild – die Natur. Bäume und Sträucher verwandeln das Gas jeden Tag in lebendiges Grün. Allein Europas Wälder binden jährlich 1,4 Milliarden Tonnen Kohlendioxid.....Auch das Bundesforschungsministerium schwärmt inzwischen von der Verwandlung eines "Aschenputtels" in eine "Prinzessin" und fördert das CO₂-Recycling bis 2015 in Dutzenden Projekten mit 100 Millionen Euro.“

Prognose#

Insgesamt steckt die Wiederverwendung von CO2, bei der man die CO2 Konzentration in der Luft verringert, und damit vielleicht beherrschen lernt, in den Kinderschuhen. Die zahlreichen Forschungsinitiativen bis hin zu Tagungen wie „Carbon Dioxide Utilisation Summit“ erlauben aber die berechtigte Hoffnung, dass CO2 neben den beschriebenen positiven Eigenschaften noch mehr bietet, nämlich sich selbst als einen wertvollen Rohstoff der Zukunft.

Weiterführendes#