CO2-Speicher

CO2-Speicher (Kohlenstoffspeicher, Kohlenstoffsenken, Kohlenstoffkreislauf)

CO2 ist uns als jenes Gas bekannt, das maßgeblich für den Treibhauseffekt verantwortlich ist. Indem wir Menschen durch klimaschädliches Handeln mehr CO2 produzieren, kurbeln wir diesen Prozess massiv an und verursachen damit den anthropogenen Treibhauseffekt. Die Konzentration an CO2 in der Atmosphäre ist in den letzten Jahren enorm angestiegen – aktuell befindet sie sich auf ihrem bisherigen Höchststand.

Wie gehen wir nun mit dieser besorgniserregenden Entwicklung um? In erster Linie muss natürlich verhindert werden, dass weiterhin so viele Mengen an CO2 emittiert werden, z.B. indem wir unser Verhalten ändern und auf emissionsärmere Mobilität umsteigen. Auf der anderen Seite stellt sich die Frage, ob und wie es möglich ist, das bereits emittierte CO2 „einzufangen“ und dadurch den Anteil an CO2 in der Atmosphäre zu reduzieren. In diesem Zusammenhang ist der Begriff CO2-Speicher im Umlauf. Viele von euch werden hier vermutlich an Bäume und Regenwälder denken – und dieser Gedankengang stimmt grundsätzlich: Pflanzen entziehen der Atmosphäre CO2, um zu gedeihen. Doch genau genommen wird bei diesem Prozess nicht das CO2 an sich gespeichert, sondern eines seiner Bestandteile, nämlich Kohlenstoff – ein Element, das für unser Leben und für das Klima von großer Bedeutung ist.

Kohlenstoff – der Bestandteil jeden Lebens (oder: Kohlenstoff = Lebensstoff)

CO2, also Kohlenstoffdioxid, ist eine Verbindung aus den Elementen Kohlenstoff (C) und Sauerstoff (O). Der Bestandteil Kohlenstoff ist jenes chemische Element, das aufgrund seiner besonderen Eigenschaften (Anordnung der Elektronen in der Atomhülle) vielfältige und sehr komplexe Verbindungen mit anderen Stoffen eingehen kann. Kohlenstoff ist das Grundelement für Zucker, Fette, Proteine etc. und damit der wichtigste Baustein jeden Lebens auf der Erde – auch unseres, denn der menschliche Körper besteht zu einem überwiegenden Teil aus Kohlenstoffmolekülen.

Kohlenstoff ist nicht nur für seine „Bindungsfreudigkeit“ bekannt, sondern auch dafür, dass es häufig umgewandelt wird. Diese Umwandlungsprozesse sind unter dem Begriff „Kohlenstoffkreislauf“ bekannt. In unserem Körper finden ständig Stoffumwandlungen statt, etwa bei der Atmung oder wenn wir Nahrung aufnehmen und verdauen. Dabei handelt es sich um sehr kurzfristige Kohlenstoffkreisläufe, da der Kohlenstoff hier besonders rasch seine Zustandsform verändert. Genauso, wie in unserem Körper, finden auch in unserem Klimasystem Kohlenstoffkreisläufe statt, die sich u.a. in der Dauer des Umwandlungsprozesses unterscheiden. Bleibt Kohlenstoff für einen längeren Zeitraum in einem Zustand bestehen und wird nicht in CO2 umgewandelt, spricht man von Kohlenstoffspeicher. Diese werden auch „Kohlenstoffsenken“ genannt und sind definiert als Gebiete oder Ökosysteme, die mehr Kohlenstoff aufnehmen können, als sie wieder in Form von CO2 an ihre Umgebung abgeben, z.B. Wälder. Umgekehrt gelten Prozesse, die mehr CO2 produzieren, als sie aufnehmen (z.B. die Verbrennung von Erdöl), als Kohlenstoffquellen.

Carbon-cycle-cute_diagram by User Kevin Saff on wikipedia
Die schwarzen Zahlen zeigen wie viele Milliarden Tonnen Kohlenstoff in den verschiedenen Reservoiren vorhanden sind. Die blauen Zahlen zeigen an, wie viel Kohlenstoff zwischen den einzelnen Speichern pro Jahr ausgetauscht wird.

Kohlenstoffkreisläufe nehmen im Klimasystem quasi die Rolle der „Temperaturregler“ ein: Von ihnen hängt es ab, wie viel Kohlenstoff sich in Form von CO2 in der Atmosphäre befindet und welche Auswirkungen das dann auf den Treibhauseffekt und die globale Durchschnittstemperatur hat. Um das Klima stabil zu halten, ist es wichtig, dass die CO2-Konzentration langfristig konstant bleibt – dafür sorgen die Kohlenstoffspeicher. Zu den wichtigsten zählen Böden und Wälder, Meere und Ozeane und fossile Kohlenstoffspeicher.

Böden und Wälder – unsere bedeutsamsten Kohlenstoffsenken

Für unser Klima ist auf – geologisch gesehen – kurzfristige Zeit der Kohlenstoffkreislauf der Biosphäre, zu welcher Böden, Wälder, Pflanzen, Tiere und wir Menschen zählen, am wichtigsten: Pflanzen nehmen CO2 aus ihrer Umgebung auf und wandeln dieses mithilfe von Sonnenlicht in organischen Kohlenstoff (Zucker) und Sauerstoff um. Dieser Prozess nennt sich Photosynthese. Wenn eine Pflanze abstirbt, z.B. indem Laub vom Baum abfällt, beginnen Mikroorganismen, das tote Material zu zersetzen. Durch diesen Verrottungsprozess wird Kohlenstoff wieder an die Atmosphäre abgegeben. Dort geht er mit Sauerstoff eine Verbindung ein und wird wieder zu CO2. Aufgrund dieses natürlichen Kreislaufes schwankt die CO2-Konzentration in unserer Atmosphäre im Laufe der Jahreszeiten – im Frühling und Sommer sinkt sie, im Herbst und Winter steigt sie wieder an. Doch auch auf globaler Ebene gibt es jährliche Schwankungen: Da die Nordhalbkugel mehr Grünflächen besitzt, kann sie – wenn dort Frühling und Sommer herrschen – mehr CO2 aufnehmen, als die Südhalbkugel in ihrem Frühling und Sommer. Dieses Phänomen ist anhand der sogenannten Keeling-Kurve sichtbar – siehe dazu unseren Artikel Treibhauseffekt.

Beim Verrottungsprozess wird allerdings nicht der ganze Kohlenstoff abgegeben. Ein Großteil bleibt vor Ort, also in den Böden (in der fruchtbaren Humusschicht) und in den Bäumen (im Holzkörper). Dort kann Kohlenstoff für Jahrzehnte bis Jahrhunderte gespeichert werden. Daher sind uns tropische Regenwälder, die einen großen Vorrat an Biomasse aufweisen, als besonders wichtige Kohlenstoffspeicher bekannt. Doch eine ganz wesentliche – laut Max-Planck-Gesellschaft sogar die wichtigste – Rolle als Kohlenstoffspeicher nehmen Böden ein, insbesondere Moore und Permafrostböden.

  • Moore sind feuchte Böden mit ständigem Wasserüberschuss. Pflanzen können in dieser Umgebung nicht vollständig zersetzt werden, weil durch die Wasserschicht der Kontakt mit Sauerstoff an der Luft verhindert wird – und damit auch die Reaktion zu CO2. Stattdessen entsteht aus diesen Pflanzenresten Torf, die erste Vorstufe von Kohle. Durch die laufende Bildung neuer Torfschichten, wachsen Moore langsam in die Höhe und können auf diese Weise Kohlenstoff für Jahrtausende speichern. Werden Moore hingegen entwässert, gelangt Torf an die Oberfläche und reagiert mit dem Sauerstoff in der Atmosphäre zu CO2. Zusätzlich dazu wird bei diesem Prozess auch Lachgas (N2O) freigesetzt, welches ebenfalls zu den Treibhausgasen zählt.
  • Permafrostböden sind dauerhaft gefrorene Böden, die z.B. in Sibirien vorkommen. In den warmen Jahreszeiten taut die oberste Schicht auf, während die untere gefroren bleibt. Wenn Permafrostböden auftauen, beginnen Mikroorganismen das Bodenmaterial zu zersetzen, wodurch CO2 und Methan (ein besonders wirksames Treibhausgas) freigesetzt wird. Je stärker also der Permafrostboden auftaut, desto mehr wird dort gespeicherter Kohlenstoffs freigesetzt und kann mit Sauerstoff zu CO2 reagieren.
© Johanna Ziegerhofer – Norwegen

Meere und Ozeane

Ozeane stellen eine weitere natürliche Kohlenstoffsenke dar. Sie binden weltweit das meiste CO2 und liefern dadurch ca. 50% des weltweiten Sauerstoffs. Die Umwandlung in Kohlenstoff erfolgt dabei einerseits durch organische Prozesse (Plankton, Seegräser, Algen etc. betreiben Photosynthese), andererseits auf anorganische Art und Weise: Unter bestimmten Verhältnissen (je nach Luftdruck, Temperatur etc.) reagiert das Oberflächenwasser des Ozeans mit dem CO2 der Atmosphäre. Dieses wird mithilfe von Karbonat (CO32-) zu 91% in Hydrogenkarbonat (2 HCO3) umgewandelt. Durch Meeresströmungen kann der auf diese Weise umgewandelte Kohlenstoff dann in die Tiefen des Ozeans transportiert werden und dort für längere Zeit gespeichert werden. Nehmen unsere Ozeane allerdings zu viel CO2 auf, bringt es die dort herrschenden chemischen Verhältnisse aus dem Gleichgewicht – mit weitreichenden Folgen für unser Klima. (Mehr dazu im kommenden Artikel „Versauerung der Meere“).

Fossile Kohlenstoffspeicher

Die langfristigste Speicherung von Kohlenstoff findet in der Lithosphäre statt, also in der Gesteinsschicht unserer Erde (zu den einzelnen Geosphären unserer Erde findet ihr hier eine Grafik): Einerseits ist das Gestein, welches aus Mineralien (z.B. Kalk, CaCO3) besteht, für sich betrachtet bereits eine Kohlenstoffsenke. Andererseits befinden sich in der Lithosphäre fossile Brennstoffe: Kohle (entstanden aus Torf), Erdöl (entstanden aus Plankton, das unter dem Druck der Erdschichten zu Öl wurde) und Erdgas (ehemalige Pflanzen, die unter Sauerstoffausschluss nicht zersetzt werden konnten). Insgesamt ist über 99% des auf der Erde vorkommenden Kohlenstoffs in der Lithosphäre gespeichert.

Künstliche CO2-Speicher (Carbon Capture and Storage)

Bisher haben wir die natürlichen Möglichkeiten, wie CO2 – genau genommen Kohlenstoff – gespeichert werden kann, kennengelernt. Doch mittlerweile gibt es auch Technologien, durch die es möglich ist, emittiertes CO2 „einzufangen“ und anschließend unterirdisch zu lagern. Diese sind unter dem Begriff „Carbon Capture and Storage“ bekannt und sollen in der Bewältigung der Klimakrise eine wichtige Rolle spielen. [Mehr dazu im Artikel „CO2-Speicher (Teil II)“]

Wir halten fest: Wenn wir von CO2-Speicherung im natürlichen Kontext sprechen, ist genau genommen Kohlenstoffspeicherung gemeint. Kohlenstoff ist ein wesentliches Element für unser Leben und unser Klima. Kohlenstoffkreisläufe halten die Menge an CO2 in der Atmosphäre auf natürliche Weise konstant. Doch diese natürlichen Prozesse werden durch menschliche Eingriffe durcheinander gebracht, indem Kohlenstoffsenken zerstört werden (z.B. Abholzung der Regenwälder, Bodenversiegelung) und langfristig gespeicherter Kohlenstoff innerhalb kürzester Zeit in CO2 umgewandelt wird (Verbrennen von Kohle, Erdöl und Erdgas). Diese Eingriffe sollten wir so rasch als möglich und so viel als möglich reduzieren!

Quellen:

  • https://bildungsserver.hamburg.de/treibhausgase/2055556/kohlenstoffkreislauf-ozean-artikel/
  • https://www.chemie.de/lexikon/Kohlenstoff.html
  • https://www.mpg.de/4705567/Kohlenstoffspeicher_Boden
  • https://www.nabu.de/natur-und-landschaft/moore/moore-und-klimawandel/13340.html
  • https://www.nationalgeographic.org/encyclopedia/carbon-cycle/?utm_source=BibblioRCM_Row
  • https://www.nationalgeographic.org/encyclopedia/carbon-sources-and-sinks/
  • https://www.umweltbundesamt.de/themen/wasser/gewaesser/grundwasser/nutzung-belastungen/carbon-capture-storage#rechtsvorschriften-fur-ccs
  • https://utopia.de/ratgeber/die-wichtigsten-kohlenstoffspeicher-hier-wird-co2-gebunden/
  • https://worldoceanreview.com/de/wor-1/meer-und-chemie/kohlendioxidspeicher/

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