Dr. Heinz Brecht




KOHLENDIOXID, BIOMASSE, KLIMA (16)                  September 2019


Vorgeschichte

Schon 1896 wies Svante Arrhenius (Nobelpreis für Chemie 1903) auf den Einfluss von Kohlensäure  (= Kohlendioxid) auf die Bodentemperatur hin.
Er sah die Erwärmung der Erde allerdings positiv: die Gefahr einer neuen Eiszeit sinkt, die Lebensbedingungen in den kälteren Klimazonen verbessern sich, es entstehen zusätzliche Anbauflächen für die Ernährung der Bevölkerung.

Die Reaktion von Kohlendioxid zu Biomasse in grünen Pflanzen unter Einwirkung von Licht und unter Freisetzung von Sauerstoff wurde von den deutschen Chemikern A. von Baeyer (Nobelpreis für Chemie 1905) und Richard Willstätter (Nobelpreis für Chemie 1915) aufgeklärt.

 

Strahlungsbilanz

Die von der Sonne auf die Erde eingestrahlte Energie (Ultraviolett, sichtbares Licht, Infrarot) muss von der Erde wieder in den Weltraum zurückgeführt werden, sonst erhöht sich die Temperatur der Erde. Dies geschieht durch langwellige Infrarotstrahlung, die allerdings durch in der Atmosphäre enthaltene Stoffe wie Wasserdampf, Methan oder Kohlendioxid gedämpft wird. Die Mengen an Methan in der Lufthülle sind relativ gering. Der Wasserbestand der Erde ist konstant, bei Kohlendioxid hat man in den letzten Jahrzehnten jedoch einen Anstieg um 1,7 ppm (parts per million) pro Jahr auf heute 400 ppm festgestellt. Zwischen der Durchschnittstemperatur der Lufthülle und deren Kohlendioxidkonzentration besteht eine positive Korrelation: mehr Kohlendioxid, höhere Temperatur, weniger Kohlendioxid, niedrigere Temperatur.

 

Kohlendioxidbilanz, Kohlenstoffkreislauf

Der Kohlenstoffkreislauf der Erde wird üblicherweise in Kohlenstoffeinheiten der beteiligten chemischen Verbindungen dargestellt, dabei gelten folgende Relationen, gegeben durch die Atom-/Formel- bzw. Molekulargewichte:

 Kohlenstoff = 12, Erdöl = 14, Methan = 16, Biomasse = 30, Kohlendioxid = 44.

Für den Kohlendioxidgehalt der Erde sind zwei gegenläufige chemische Reaktionen verantwortlich: die Verbrennung bzw. Verwesung von organischem Material einerseits und die Bildung von Biomasse aus Kohlendioxid durch Photosynthese andrerseits. Diese beiden Vorgänge sind an sich im Gleichgewicht: durch Verbrennung und Verwesung werden der Lufthülle jährlich 400 Gigatonnen (= 400 Milliarden Tonnen) Kohlendioxid zugeführt, durch die Photosynthese werden der Lufthülle 400 Gigatonnen Kohlendioxid entzogen. Aber in diese Bilanz greifen 20 Gigatonnen Kohlendioxid aus fossilen Brennstoffen ein. Diese Brennstoffe sind aus Biomasse vor Jahrmillionen gebildet worden. Diese 20 Gigatonnen erhöhen die Konzentration in der Lufthülle um 1,7 ppm jährlich.

 

 
Gegensteuerung

Wenn man diesem Anstieg gegensteuern will, gibt es zwei Möglichkeiten:

entweder weniger fossile Stoffe verbrennen (Kohle, Erdöl, Erdgas)

oder die Photosynthese erhöhen.

Für die erste Möglichkeit gibt es zahlreiche Vorschläge:
Sonnenenergie direkt nutzen: (Solarkraftwerke, Photovoltaik, Windkraftanlagen, Wasserkraft, oberflächennahe Wärmepumpen); Kernenergie nutzen (Kernkraftwerke und Wärmepumpen aus tieferen Erdschichten). Ferner werden zahlreiche administrative Maßnahmen erwogen: Kohlekraftwerke stilllegen, Verbrauchslimitierung bei PKW (3-Literauto), gänzliche Abschaffung von Verbrennungsmotoren, Kontingentierung von Flugreisen.

Die zweite Möglichkeit wird noch wenig diskutiert: Erhöhung der Photosynthese von 400 Gigatonnen Kohlendioxidverbrauch jährlich auf 420 Gigatonnen. Die Photosynthese ist die mächtigste Kohlendioxidsenke, andere Methoden wie CCS (Carbon Capture Storing) leisten weniger.  Im  Kyotoprotokoll wird auf den Wald als  Kohlendioxidsenke eingegangen, jedoch wird vorhandener Wald und Wald durch Aufforstung unterschiedlich bewertet (Artikel 3.4). Dies ist eine ziemlich fragwürdige Unterscheidung, Schließlich ist es für die Atmosphäre unerheblich, ob ihr Kohlendioxid aus vorhandenem oder neu angepflanztem Wald entzogen wird.

 
 

Photosynthese

Die Photosynthese ist die Umkehrung des Verbrennungsvorgangs.

Verbrennung:  Biomasse + Sauerstoff   ergibt   Kohlendioxid + Wasser + Wärme

Photosynthese:  Kohlendioxid + Wasser + Sonnenlicht   ergibt   Biomasse und Sauerstoff.

Formelgleichung:    (CHOH)n + O2  <--------> CO2 +H2O

20 Gigatonnen Kohlendioxid aus der Verbrennung von fossilen Stoffen ergeben durch Photosynthese 13,6 Gigatonnen Biomasse. Diese Mehrproduktion muss durch Holz, Baumwolle, sowie durch Energiepflanzen (Soja, Mais, Raps) erbracht werden. Dies erfordert zusätzliche Agrarflächen oder eine Ertragssteigerung von 5%.

Aus der weltweiten Jahresproduktion Biomasse von 272 Gigatonnen (aus 400 Gigatonnen Kohlendioxid) errechnet sich ein Hektarertrag von 27 Tonnen, bezogen auf 100 Millionen Quadratkilometer urbares Land weltweit.

Der jährliche Flächenertrag im Alpenvorland in Tonnen pro Hektar (ha) ist wie folgt: Fichte 7; Sojaöl 4; Körnermais 10; Getreide 9.                      

Mais wird zu Ethanol vergoren und dem Benzin zugemischt. Sojaöl wird zu Biodiesel verarbeitet und herkömmlichen Dieselkraftstoff und Heizöl zugemischt. Organische Abfälle werden zu Methan vergoren, dieses wird in die Erdgasversorgung eingespeist. In allen Fällen werden fossile Brennstoffe eingespart und durch „erneuerbare Energie“ ersetzt. Bei der Verbrennung von Biomasse entsteht zwar ebenfalls Kohlendioxid, doch diese Mengen gelten als klimaneutral, da sie zeitnah aus Kohlendioxid erzeugt wurden.
Die Steigerung der Flächenerträge für Energiepflanzen ist übrigens eine lohnende Aufgabe für die Grüne Gentechnik.

 

Fazit

Stellt man die beiden Möglichkeiten zur Stabilisierung des Kohlendioxidgehalts der Lufthülle gegeneinander, so erscheint es leichter, die Photosynthese um 5% zu steigern, statt den Verbrauch von fossilen Brennstoffen um 100% zu reduzieren. Die beiden Methoden müssen natürlich nebeneinander angewandt werden. In beiden Fällen muss die Weltgemeinschaft (200 Staaten) mitmachen. Es wurden für jedes Land Reduktionsziele vereinbart, deren Verfehlung aber nicht sanktioniert wird, sodass die Ziele letztlich unverbindlich sind. Man kann hier keine besseren Ergebnisse erwarten als bei den Verschuldungsgrenzen der Eurozone, die auch nur von der Hälfte der Mitglieder eingehalten werden.

Bei der Photosynthese funktioniert die Kontrolle besser. Die Erzeugung von Energiepflanzen kann über die Ernteerträge ermittelt werden. Die Menge von Kohle, Erdöl und Erdgas, die nach wie vor verbrannt wird, kann ebenso bei der Förderung erfasst werden und muss nicht umständlich durch viele Einzeldaten auf der Verbraucherseite ermittelt werden.

Die Förderung von fossilen Brennstoffen kann durch Abgaben belastet werden, die Erzeugung von Energiepflanzen kann in gleicher Höhe subventioniert werden. Wenn beide Methoden gleichzeitig angewandt werden, saldieren sich die Beträge und es entstehen für die Verbraucher keine zusätzlichen Belastungen.

Alternativ zu Abgaben und Steuern wird vor allem von volkswirtschaftlicher Seite die Einführung von „Verschmutzungszertifikaten“ vorgeschlagen. Diese Zertifikate werden wie Aktien an einer Börse gehandelt. Wer Kohlendioxid emittiert, muss Zertifikate kaufen. Wer Kohlendioxid aus der Atmosphäre entnimmt, erhält Zertifikate und kann diese verkaufen.  

 

 

Reduktionsziele für Deutschland

Für Deutschland sind folgende Emissionsobergrenzen für Kohlendioxid festgelegt worden:
Ist 1990: 1052 Millionen Tonnen
Ist 2018:   741 Millionen Tonnen

Ziel 2020: 634 Millionen Tonnen; entspricht 60% von 1990
Ziel 2030: 474 Millionen Tonnen; entspricht 45% von 1990
Ziel 2040: 315 Millionen Tonnen; entspricht 30% von 1990

Ziel 2050: 210 Millionen Tonnen; entspricht 20% von 1990

 In den vergangenen 12 Jahren hat sich der Kohlendioxidausstoß Deutschlands kaum geändert. Deshalb ist fraglich, ob die genannten Obergrenzen in den nächsten 12 Jahren (bis 2030) eingehalten werden können. Von 2018 bis 2030 müssen 267 Millionen Tonnen Kohlendioxid eingespart werden, das sind 22 Millionen Tonnen pro Jahr. Anstelle der Einsparung kann auch die gleiche Menge der Lufthülle entzogen werden. Dabei würden durch Photosynthese 15 Millionen Tonnen Biomasse erzeugt.

Dafür ist eine Ertragssteigerung von 5% der vorhandenen Anbaufläche oder eine zusätzliche Anbaufläche von 15.000 Quadratkilometer erforderlich. Es wird jedoch berichtet, dass in den letzten Jahren die Biomasseproduktion ohnehin um  ca. 5% angestiegen ist. Ein Absinken der CO2-Konzentration in der Lufthülle ist aber nicht beobachtet worden. Das kann viele Gründe haben, aber man muss auf alle Fälle unterscheiden, dass nur langlebige Biomasse zur Absenkung führt (Holz) . Kurzlebige Biomasse (Gras) wird in der gleichen Vegetationsperiode wieder als Kohlendioxid in den Kreislauf eingespeist. 
Für energetische Betrachtungen ist zu beachten, dass Biomasse  nur die Hälfte des Energieinhalts von fossilen Brennstoffen hat.
Ein Zertifikat für eine Tonne Kohlendioxid wird zurzeit mit 40 € gehandelt. Dies entspräche einem Ertrag von   
400 € / Hektar und Jahr, wenn man einen Hektarertrag
von 10 Tonnen Biomasse unterstellt.

Generell ist festzuhalten: 1 Tonne Fossiler Brennstoff muss durch 2 Tonnen Biomasse ersetzt werden, die durch den Verbrauch von 3 Tonnen Kohlendioxid erzeugt werden.

Kohlendioxidbilanz für Deutschland und die Welt

Die Kohlendioxidbilanz für Deutschland zeigt einen Verbrauch von 270 Millionen Tonnen Fossile Energieträger jährlich, die einen Eintrag in die Lufthülle von 850 Millionen Tonnen Kohlendioxid bedeuten. Dem steht eine Senke durch die Photosynthese von 115 Millionen Tonnen Kohlendioxid entgegen, wenn man für die Waldfläche von Deutschland (114.000 Quadratkilometer) einen Konsum von 10 Tonnen Kohlendioxid pro Hektar ansetzt.  Wenn man CO-Konsum und -Erzeugung saldiert, dann ergibt sich  für  Deutschland eine Abgabe von 30 Milliarden €.

Die Förderung von 1 Tonne Fossilem Brennstoff (Kohle, Öl, Gas) setzt den Erwerb von 3 Kohlendioxid-Zertifikaten voraus. Die Erzeugung von 2 Tonnen Biomasse wird mit 3 Zertifikaten belohnt. Bei dem gegenwertigen Preis von 40 € / Zertifikat wird also die Tonne Fossiler Brennstoff um 120 € belastet, die Tonne Biomasse um 60 € entlastet. Der Zertifikatspreis wird an einer Börse gehandelt. Steigt der Preis, wird die Lenkungswirkung erhöht.

Der Weltkonsum von fossilen Brennstoffen beträgt 6 Gigatonnen. Diese ergeben bei der Verbrennung 20 Gigatonnen Kohlendioxid pro Jahr. Durch Photosynthese konsumiert der gesamte Wald der Welt (40 Millionen Quadratkilometer) 40 Gigatonnen Kohlendioxid.

 Lokale Verhältnisse z.B.: Söchtenau

(Daten aus Energiekonzept Gemeinde Söchtenau 2013)

A: Summe Verbrauch an fossilen Brennstoffen = Erzeugung von Kohlendioxid

Jährlich werden in Söchtenau folgende Mengen an FET (Fossile Energieträger) eingesetzt:          
Erdgas – 560 t; Benzin/Diesel – 2.600 t; Heizöl – 1.300 t; insgesamt – 4.400 t.

Diese Menge erzeugt bei der Verbrennung 13.800 t Kohlendioxid. Bei einen gegenwärtigen Zertifikatspreis von 40 €/t Kohlendioxid ergibt dies eine Belastung von 550.000 €/a. 

 B: Summe Erzeugung von Biomasse für Brennstoffe = Konsum von Kohlendioxid

Die Gemeinde Söchtenau erstreckt sich auf eine Fläche von 2.563 ha, 2.100 ha werden landwirtschaftlich genutzt: Grünland 1000 ha; Äcker 400 ha; Wald 700 ha. Bei einem Hektarertrag von 10 Tonnen ergibt dies einen Ertrag von 21.000 Tonnen Biomasse/Jahr. Bei der Biomasse muss man unterscheiden, ob kurzlebige (weniger als 1 Jahr – Typ K) oder langlebige Biomasse (einige Jahrzehnte – Typ L) gemeint ist. Ferner ist zu beachten, ob die erzeugte Biomasse Fossile Energieträger substituiert (Typ E). Typ L und E zählen als Kohlendioxid-senke. In Söchtenau zählen ca. 50% zu Typ L und E, das sind 10.500 t Biomasse. Diese Menge hat 15.500 t Kohlendioxid aus der Lufthülle entnommen; dafür werden 620.000 € an Zertifikaten zugeteilt.    

Deutschland hat sich zur Reduktion des Kohlendioxidausstoßes bis 2030 von 45% des Wertes von 1990 verpflichtet. Dieser Wert würde für die Gemeinde Söchtenau bei 6.200 t liegen und würde unter Berücksichtigung von 15.500 t Kohlendioxidkonsum um 9.000 t unterschritten. Die Gemeinde Söchtenau ist also heute schon mehr als klimaneutral . Der Eintrag von Kohlendioxid in die Atmosphäre wird durch die Bindung von  Kohlendioxid als Biomasse überkompensiert.

Ein zusätzliches Potential ist in der energetischen Verwertung von Gülle gegeben. Hier wird kurzfristige Biomasse (Biomasse K: Gras) durch Vergärung von Gülle zu Biogas (Biomasse E) umgewandelt. Das Biogas speist ein  Blockkraftwerk und erzeugt Elektrischen Strom.
In der Gemeinde gibt es 4.000 Kühe, die insgesamt 75.000 Kubikmeter Gülle erzeugen mit einem Feststoffgehalt von 7.500 Tonnen. Damit würden 11.000 Tonnen Kohlendioxid aus fossilen Quellen eingespart. Ein positiver Nebeneffekt der Güllevergärung ist die Verringerung von Geruchsbelästigungen beim Austrag auf die Felder.
Auch die direkte energetische Verwertung von Gras oder Mais ist möglich. Als Silage kann Gras oder Mais in eine Biogasanlage eingebracht werden. 

Die Kohlendioxidbilanz von Söchtenau würde sich bei der energetischen Verwertung der Gülle folgendermaßen darstellen:
Erzeugung aus fossilen Quellen: 13.800 t;
Konsum als Biomasse L und E:  16.800 t;
Konsum durch Biogas: 11.000 t;

 Der Saldo von 14.000 t würde mit 560.000 € vergütet. 

Um weitere Potentiale auszuschöpfen müsste im Gewerbegebiet Schwabering eine Hackschnitzel-anlage und eine Biogas-anlage gebaut werden. In der Hackschnitzel-anlage wird alles Restholz und Abfallholz der Gemeinde verbrannt, in der Biogas-anlage wird alle Gülle und Grünmüll der Gemeinde zu Biogas vergoren. In beiden Fällen wird elektrischer Strom erzeugt und in  das Stromnetz eingespeist.

Ausblick

Wichtig erscheint für die Gegenwart, dass der Eintrag von Kohlendioxid in die Lufthülle und die Entfernung von Kohlendioxid aus der Lufthülle komplementär behandelt werden. Wenn der Eintrag mit einer Steuer oder mit dem Kauf von Zertifikaten belastet wird, dann muss die Entfernung aus der Lufthülle mit einer Vergütung oder mit der Übertragung von Zertifikaten entlastet werden. Diese  Sichtweise hat sich noch nicht durchgesetzt.

Es werden noch andere Kohlendioxidsenken erwogen, auch kuriose: 1,9 Milliarden Menschen auf der Erde sind übergewichtig. 140 Gigatonnen Lebensmittel könnten pro Jahr eingespart werden, das entspricht 200 Gigatonnen Kohlendioxid, zehnmal mehr als durch Verbrennung von Kohle, Öl, Gas erzeugt werden.

 
Es ist möglich, dass das Klimathema in einigen Jahren an Brisanz verliert, da sich ergriffene Maßnahmen auswirken und der Temperaturanstieg der Lufthülle zum Stillstand kommt oder gar ein Temperaturrückgang eintritt oder dass eine Zunahme der Kohlendioxidkonzentration in der Lufthülle keinen Temperaturanstieg mehr bewirkt, da die Absorption bereits gesättigt ist.