Von der Natur lernen – Chemische CO2-Reduktion

Aufsatz von Robert Schlögl

Einleitung – Begrenzte Möglichkeiten, durch CO2-Reduktion unmittelbar Klima zu beeinflussen

CO2 ist neben Wasserdampf und Methan ein wirksames Treibhausgas und hat maßgeblich Einfluss auf das Klima der Erde. Etwa seit der Mitte des 18. Jahrhunderts beginnt nun der Mensch seinerseits, die Kreisläufe der Treibhausgase zu beeinflussen. Seit dem Ende des Zweiten Weltkrieges nimmt dieser Einfluss erheblich zu und hat inzwischen das Klima auf der Erde klar erkennbar verändert.

Zu den Maßnahmen, um diesen Einfluss zu begrenzen, zählen eine deutliche Reduktion der Treibhausgasemission, aber auch Versuche, die schon emittierten Treibhausgase unschädlich zu machen. Eine Kernfrage für beide Strategien ist es, wie wir gebildetes CO2 nicht in die Atmosphäre gelangen lassen. Dazu gibt es die Möglichkeiten der dauerhaften Lagerung carbon capture and storage“(CCS) oder der dauerhaften Nutzung „carbon capture and use, bzw. utilisation“ (CCU).

Die Nutzung von CO2 bedarf in jedem Fall eines erheblichen Energieaufwands, was im Folgenden erläutert wird. Will man dies mittels solarer Energie bewerkstelligen, hat man zum einen die Möglichkeit, die Sonne direkt zu nutzen und mittels biologischer Prozesse zusätzliches CO2, zu binden, das derzeit noch nicht biologisch gebunden wird.

Wir unterstellen dabei, dass die in der Realität hochkomplexen Wechselwirkungen zwischen Klima und Pflanzenwachstum wirklich zu einer Netto- CO2-Bindung führen, wenn wir mehr Pflanzen anbauen. Dies ist bis heute nicht klar, es gibt sogar begründete Zweifel1 daran, die stark davon abhängen2 auf welche Weise wir mehr Pflanzen auf der Erde anbauen. Eine Wirkung für das Klima ergibt sich aber nur, wenn wir die gebildete Biomasse dauerhaft aus dem Stoffkreislauf der Natur entfernen, was durch die Bildung künstlicher Kohle und (oder) den Einschluss der Biomasse unter Tage möglich ist.

Zum anderen können wir ohne derartige Probleme mit technischen Systemen Sonnenenergie in chemische Energie umwandeln und mit chemischen Verfahren gesammeltes und gereinigtes CO2 zu solaren Energieträgern konvertieren. Eine hybride Lösung ist die Konstruktion eines künstlichen Blattes, das mit Halbleiterstrukturen das Sonnenlicht direkt in die chemische Reduktion von CO2 einbringt.3 Mit diesen Möglichkeiten wird sich mein Beitrag befassen. Es wird um die Prozesse der chemischen Energiekonversion (chemical energy conversion – CEC) gehen. Wir werden uns dabei auf den wichtigen Einzelfall der CO2-basierten Energiekonversion beschränken.

Zuvor wollen wir das Thema aber qualitativ wie quantitativ in den Zusammenhang des Klimawandels stellen. Dabei wird sich ergeben, dass die Möglichkeiten, durch CO2-Reduktion unmittelbar eine deutliche Wirkung auf das Klima auszuüben, sehr begrenzt sind. Es wäre gut, wenn wir festhalten, dass wir die Verfahren der CO2-Reduktion benötigen, um nachhaltig stoffliche Energieträger herstellen zu können. Wir sollten aber nicht glauben, dass wir damit im Sinne des „Geoengineering“4 einen direkten Effekt auf die Treibhausgasemission ausüben können.

Eine globale Einordnung

Die Erde ist ein dynamisches System, in dem komplexe Austauschprozesse chemischer Elemente zwischen ihren verschiedenen Sphären zu einem stationären Zustand führen, in welchem wir heute leben können. Die Komplexität und die damit verbundenen Rückkopplungen bedingen, dass quantitativ kleine Änderungen erhebliche und schwer vorhersehbare Störungen des stationären Zustandes5 hervorrufen. Ohne dies hier näher diskutieren zu wollen, gibt die Tabelle 1 einen Eindruck von den Stoffmengen an Kohlenstoff, die in Reservoiren auf der Erde gespeichert sind. Weiter zeigt die Tabelle, welche Stoffmengen von Kohlenstoff und teilweise Sauerstoff an den Austauschprozessen beteiligt sind. Damit wächst das Verständnis für die enorme Herausforderung, der wir gegenüberstehen, wenn wir Ursachen und Folgen der menschlichen Eingriffe bewerten wollen und damit auch die Frage nach der Schädlichkeit der CO2-Emission stellen.

Folgt: 2-Grad-Grenze