Geoengineering - Groß gedacht beim Klimaschutz

Klimaschutz

Die Erderwärmung, ihre Folgen und die Bemühungen zur raschen Emissionsminderung sind in aller Munde. Doch was, wenn eine nachhaltigere Lebensweise allein nicht ausreicht? Der Weltklimarat geht davon aus, dass zur Erreichung der globalen Klimaziele auch technologische Umwelteingriffe notwendig sind. Forscher arbeiten an unterschiedlichen Lösungen des sogenannten Geoengineerings.

Luft-Strom-Anlage Geoengineering
In dieser kompakten Anlage der Größe eines Schiffscontainers wird aus Luft und Strom synthetisches E-Fuel für Verbrennungsmotoren oder Flugzeugturbinen gewonnen. Das Vorhaben wird von der Bundesregierung im Rahmen dessogenannten Kopernikusprojekts Power-to-X gefördert.  

Was bedeutet Geoengineering?

Zwar gibt es keine präzise und allgemein anerkannte Definition des Begriffs Geo-Engineering, üblicherweise versteht die Fachwelt darunter bewusste und in großem Maßstab umgesetzte Eingriffe in das Ökosystem, um so die Folgen des Klimawandels abzumildern. So soll beispielsweise im Rahmen des sogenannten Solar Radiation Managements die auf die Erde eintreffende Sonneneinstrahlung mit unterschiedlichen Methoden verringert werden. Ziel ist es, die globale Durchschnittstemperatur zu reduzieren und so die Erde künstlich abzukühlen.


Welchen Ansatz gibt es zur Reduzierung von CO² im Geoengineering?

Ein weiterer großtechnischer Ansatz, bekannt als Carbon Dioxide Removal, umfasst verschiedene Maßnahmen, die der Atmosphäre oder den Ozeanen möglichst viel CO2 entziehen. An einem dieser Verfahren arbeitet ein Team um Prof. Dr.-Ing. Roland Dittmeyer am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Die Wissenschaftler haben ein ehrgeiziges Ziel: Sie wollen aus Luft klimafreundlichen Treibstoff gewinnen. „Denn für wichtige Verkehrssegmente wie den Flug- und den Schwerlastverkehr, vor allem auf langen Strecken, werden auch in Zukunft elektrische Antriebe wegen der geringen Energiedichte der Batterien im Vergleich zu chemischen Energieträgern keine realistische Option sein“, erläutert Dittmeyer. „Wir bleiben darum auch perspektivisch auf Kraftstoffe mit hoher Energiedichte wie Kerosin und Diesel angewiesen.“ Wenn der Wechsel von fossilen zu „grünen“ Brennstoffen gelingen soll, braucht es also Alternativen – und eine erneuerbare Kohlenstoffquelle. Mit an Bord ist deswegen das schweizerische Unternehmen Climeworks, das ein Adsorptionsverfahren zum Filtern von CO2 aus der Umgebungsluft entwickelt hat.


Wie läuft das Geoengineering Verfahren Carbon Dioxide Removal ab?

In einem ersten Schritt des Verfahrens nehmen die aus einem porösen Feststoff bestehenden Filter das Treibhausgas aus der eingeleiteten Luft wie ein Schwamm auf und binden es chemisch. Anschließend wird der beladene Filter unter Vakuum auf etwa 100°C erhitzt, wodurch sich das anhaftende CO2 wieder von der inneren Oberfläche des Filtermaterials löst und abgepumpt werden kann. In der zweiten Phase werden das so gewonnene CO2 und der ebenfalls aufgenommene Wasserdampf elektrolytisch in Kohlenmonoxid und Wasserstoff gespalten, bevor im dritten Schritt ein Katalysator aus dem entstandenen Gasgemisch lange Kohlenwasserstoffketten bildet – die Rohprodukte für Kraftstoffe. Das vierte und letzte Modul schließlich spaltet die festen, langkettigen Kohlenwasserstoffe so auf, dass sie für die Herstellung verschiedener Kraftstoffe nutzbar sind.


Welche Auswirkungen hat das Verfahren?

Aktuell produziert die erste integrierte Versuchsanlage nahe Karlsruhe rund 10 l pro Tag. Das Nachfolgemodell soll bis 2022 schon die 20- bis 30-fache Menge herstellen, bevor eine dritte Anlagengeneration bis 2025 auf den kommerziell interessanten Bereich von 1.500 l täglich kommen soll. Die Forscher gehen davon aus, dass sie bei dieser Anlagengröße dann einen Gesamtwirkungsgrad von 60 % erreichen werden. „Diese hohe Effizienz ist möglich, weil wir mit der im Syntheseteil des Verfahrens entstehenden Wärme Dampf erzeugen und diesen wiederum für die anderen Prozessschritte nutzen“, erläutert Dittmeyer. Wenn alles funktioniere wie geplant, sei damit ein Kreislauf in Gang gesetzt, der vorhandenes CO2 verwerte und kein neues mehr produziere. Voraussetzung dafür ist allerdings, dass CO2-freie erneuerbare Energie genutzt wird. Als potenzielle Standorte bieten sich daher vor allem Gegenden an, in denen Wind-, Solar- oder Wasserkraft zur Verfügung steht. Für Dittmeyer ist klar: „Wenn wir die Klimaziele noch erreichen wollen, werden wir nicht umhinkommen, Verfahren wie dieses weltweit und in großem Stil anzuwenden.“


Welche anderen Ansätze verfolgt das Geoengineering noch zur Reduktion von CO² ?

Ähnlich sieht es auch Prof. Dr. Thomas Brück, wenngleich er und sein Team eine andere Variante der CO2-Reduktion im Hinterkopf haben. In ihrem Algentechnikum an der TU München forschen Wissenschaftler aus fünf unterschiedlichen Lehrstühlen an der Produktion von Biokerosin und chemischen Wertstoffen aus Algen. Dabei machen sie sich zunächst das Prinzip der Fotosynthese zunutze: Die in offenen Becken kultivierten Salzwasseralgen benötigen hierfür neben Wasser, Licht und einigen Spurenelementen wie Stickstoff eben auch CO2 das sich die Forscher derzeit noch aus der Stahlindustrie liefern lassen. Aus diesen Komponenten bauen die Algen Biomasse auf. „In ihrem normalen Umfeld im Meer müssen sie mit wenig Licht klarkommen“, erklärt Brück. „Darum haben sie eine höhere fotosynthetische Aktivität als terrestrische Pflanzen.“ Genau diese Eigenschaft macht sie zu einer Geheimwaffe im Kampf gegen den Klimawandel: Bei guten Bedingungen ist die Ausbeute an Biomasse etwa zehnmal so groß wie bei Pflanzen, die an Land wachsen. Und weil Salzwasser wegen seines höheren pH-Werts CO2 deutlich besser speichert als Süßwasser, setzt die Salzwasseralge 90 % des eingeleiteten CO2 in Biomasse um.

Salzwasseralge Geoengineering
Grünlich schimmern die zwei Pools auf der 1.500 m2 großen Testfläche im SüdenMünchens. Hier gedeiht die Salzwasseralge Microchloropsis salina durch Hinzugabe von circa 40 t Salz pro Jahr. Ihr eingelagertes Fett ist laut Forscherteam ähnlich wertvoll wie Erdöl.  

Wie läuft das Verfahren genau ab?

Im Technikum werden die Algen nach etwa zwei Wochen geerntet. Kurz vorher setzen Brück und seine Kollegen sie unter Stress, indem sie die Stickstoffzufuhr unterbrechen, wodurch die Algen aufhören zu wachsen und Fett einlagern. Dieses wird über ein umweltschonendes Prozedere aus den Zellen gelöst und durch Zentrifugieren in Öl und Restbiomasse getrennt. Während sich Letztere zum Beispiel für Nahrungsmittel verwenden lässt, kann das Öl mittels Hydrolyse zu Fettsäuren und schließlich zu Biokraftstoff verarbeitet werden. Übrig bleibt, praktisch als Abfallprodukt, Glycerin. „Das
ist bisher üblicherweise an die Kosmetik und Pharmaindustrie gegangen“, so Brück. „Aber bei den Mengen an Biokraftstoffen, die künftig weltweit produziert werden sollen, brauchen wir alternative Nutzungen.“ Die innovative Idee: Über chemische Katalyse wandeln sie das Glycerin in Acrylnitril um – und das wiederum ist der universelle Vorläufer aller kommerziellen Carbonfasern. „Die Industrie kann unsere grünen Carbonfasern zur Produktion von Bauteilen für Autos oder Flugzeuge nutzen.“ Der große Vorteil daran ist, dass das CO2 so dauerhaft gebunden wäre.


Was sind weitere Nutzungsarten von Algenöl aus dem Geoengineering?

Zudem hat der Professor noch weitere Produkte im Sinn, die sich aus dem Algenöl herstellen ließen: So arbeitet sein Team aktuell an einem Komposit, das beim Bauen zum Einsatz kommen soll und dort Zement ersetzen könnte. Wenn sich tatsächlich ein globaler Klimaeffekt ergeben soll, müsste nach Brücks Berechnungen allerdings CO2 in einer Größenordnung von mehreren Gigatonnen fixiert werden. „Dafür bräuchte es eine Fläche etwa in der Größe Algeriens“, macht er deutlich. Das Meer will er für sein Verfahren nicht nutzen, da sich das Wachstum der Algen dort nicht kontrollieren ließe. Stattdessen ist die Idee, etwas landeinwärts große Algenbecken zu installieren und diese mit einer Meerwasser-Zufuhr zu versehen. Das CO2 sollen Anlagen wie die oben erwähnte von Climeworks aus der Luft filtern. „Wir brauchen Temperaturen von 15–35°C und viel Sonne“, unterstreicht Brück, „darum wären Standorte in Südeuropa oder Nordafrika gut geeignet.“ Er ist überzeugt, dass diese Art der Algennutzung als eine von verschiedenen CO2-Speicher-und-Reduktions-Methoden eine wichtige Rolle spielen wird, da die Umsetzung von CO2 in Wertstoffe hier besonders effizient sei. „Mit der Innovationskraft, die wir in Deutschland haben, sind wir da gut aufgestellt. Wir müssen nur die Ersten sein, die es auch machen.“


Ausblick auf das Geoengineering

Mit innovativen und in großem Maßstab eingesetzten Technologien die Welt retten: Dazu gibt es viele Ideen. Bislang basieren sie allerdings im Wesentlichen auf Computer-Simulationen oder ersten kleineren Praxistests. Kritische Stimmen warnen zudem vor unkontrollierbaren Folgen. So rät das Umweltbundesamt von Geoengineering ab, da es „potenzielle Nutzungskonflikte von Ressourcen mit sich bringen und mögliche unvorhersehbare globale Risiken bergen könnte“. Auch der Weltklimarat kommt in seinem Sonderbericht über die Folgen einer globalen Erwärmung um 1,5°C zu dem Ergebnis, dass zumindest die Maßnahmen zur Veränderung der Sonneneinstrahlung mit großen Unsicherheiten und Wissenslücken behaftet seien. Dass es aber nicht mehr ausreicht, sich zum Erreichen der Klimaziele auf eine Reduzierung der Treibhausgas-Emissionen zu beschränken, davon sind mittlerweile viele Fachleute überzeugt. Wer jetzt an Methoden forscht, der Atmosphäre aktiv CO2 zu entziehen, hat daher realistische Chancen, sein Verfahren eher früher als später auf den Markt zu bringen.

Porträt

Roland Dittmeyer

Prof. Dr.-Ing. Roland Dittmeyer (55) forscht schwerpunktmäßig zu den Bereichen chemische Reaktionstechnik und Mikroverfahrenstechnik, insbesondere mit dem Ziel synthetische Kraftstoffe und Energieträger aus CO2, Wasser und erneuerbarer Energie herzustellen. Seit 2009 leitet er das Institut für Mikroverfahrenstechnik am Karlsruher Institut für Technologie. 

Porträt

Thomas Brück

Prof. Dr. Thomas Brück (47) ist Biochemiker und arbeitete einige Jahre als Manager in der chemischen Industrie. 2011 wechselte er an die Technische Universität München, wo er seit 2018 den Werner-Siemens-Lehrstuhl für Synthetische Biotechnologie innehat. 

Weitere Projektideen aus der Welt des Geoengineerings

 

1) Aufforstung

Eine umweltschonende Möglichkeit zur Verringerung der CO2-Konzentration in der Atmosphäre ist die Anpflanzung von Bäumen. Eine Forschergruppe der ETH Zürich hat berechnet, dass weltweit 900 Mio. ha für Aufforstungsprojekte verfügbar seien und damit Potenzial bestünde, zwei Drittel der bisherigen menschengemachten CO2-Emissionen in Baumholz zu binden.

 

2) Beeinflussung der Sonneneinstrahlung

Zum Solar Radiation Management gibt es verschiedene Gedankenspiele. Am häufigsten diskutiert wird das Ausbringen von Schwefelpartikeln in der Atmosphäre, um so das Sonnenlicht zu streuen und eine Art Sonnenschirm zu bilden. Darüber hinaus existieren Ideen, Spiegel in Erdumlaufbahnen zu platzieren, künstliche Wolken zu erzeugen oder die Erdoberfläche zu erhellen, beispielsweise durch das Weißen von Dächern.

 

3) Kohle aus CO2

In Australien haben Forscher einen Flüssigmetall-Katalysator entwickelt, der CO2 erstmals bei Raumtemperatur in Kohle zurückverwandelt. Bisher war dies nur bei hohen Temperaturen möglich. Aktuell untersucht das Team der RMIT University in Melbourne verschiedene Nutzungsmöglichkeiten des festen Kohlenstoffs, der sich bei Bedarf auch unterirdisch einlagern ließe.

 

4) Beschleunigte Gesteinsverwitterung

Gesteinsverwitterung ist ein natürlicher Prozess, bei dem Mineralien CO2 chemisch binden – was allerdings sehr langsam geschieht. Dieser Prozess ließe sich
durch Abbau, Zerkleinerung und großflächiges Ausbringen von Gesteinen wie Basalt künstlich beschleunigen.Auch hier gilt jedoch: Welche Folgen damit verbunden
wären, müssten Experimente erst zeigen.

 

5) Ocean Upwelling

Beim Ocean Upwelling geht es darum, aus den Tiefen des Ozeans kaltes und nährstoffreiches Wasser an die Oberfläche zu pumpen. Dies hätte eine kühlende Wirkung
auf die Atmosphäre und könnte zudem das Wachstum von Lebewesen wie Algen anregen, die dann zusätzliches CO2 dauerhaft binden würden.


 

FAQ zum Geoengineering

Das Geoengineering steht vor allem vor der großen Herausforderung, den Transfer aus der Theorie in die Praxis so darzustellen, dass sich eine Wirksamkeit der Methoden einstellt, ohne dass parallel nicht vorhersehbare Nebenwirkungen eintreten. Ob und inwiefern merkliche Effekte auf das globale Klima erzielt werden können, wird erst die Zukunft zeigen.

Die Vorteile des Geoengineerings liegen klar auf der Hand. Wenn die Eingriffe in das Klimasystem erfolgreich - ohne erhebliche Risiken - funktionieren, lässt sich mit Hilfe dieser Ideen und Methoden die globale Erwärmung abmildern. Durch den Menschen verursachte Treibhausgasemissionen ließen sich vermindern und Mensch und Umwelt könnten sich besser an die Klimaveränderungen anpassen.

Die Risiken des Geoengineering ergeben sich aus der Unvorhersehbarkeit der Methoden und Effekte. Die Eingriffe in die globale Umwelt lassen sich nur begrenzt ausrobieren und Folgen sowie deren Ausmaß auf Mensch und Umwelt lassen sich nur schwer einschätzen.

Text: Anne-Katrin Wehrmann

Copyrights: iStock (Weltkugel), Patrick Langer / KIT (Container), Roland Dittmeyer (Porträt mit Brille), Thomas Brück / TUM (Porträt ohne Brille), Andreas Heddergott / TUM (Algenanlage),