Allgemeine Energietechnik – Umweltbelastungen

Überblick

Jede der großtechnischen Energiewandlungsketten, sei sie fossil oder nuklear, entnimmt der Erdkruste erschöpfliche Energierohstoffe (Kohlen, Erdöl, Erdgas, Natururan) und wandelt sie in mehreren Stufen unter relativ großen Verlusten in Nutzenergie um. Da die genannten Energieträger stoffgebunden sind, fallen bei den Umwandlungen beträchtliche Mengen von Rest- und Schadstoffen an. Das Freisetzen dieser Stoffe an die Umwelt, Emission genannt, führt zu beträchtlichen Umweltbelastungen durch die gegenwärtigen Energieversor-gungssysteme.

Einen Überblick über wesentliche Emissionen der Energiewandlungssysteme gibt die folgende Abbildung.

Die emittierten Stoffe reagieren zum Teil mit den Stoffen aus der Umwelt (z.B. mit dem Luftsauerstoff) und werden dadurch umgewandelt. Es entstehen komplexe, teilweise noch wenig erforschte Umwandlungsketten. Diese Schadstoffe wirken z.B. schädlich auf:

a) Menschen: U.U. Atemwegserkrankungen; Krebs
b) Tiere und Pflanzen: Fischsterben in verschmutzten oder sauren Gewässern; Waldsterben
c) Sachgüter: Schäden an (historischen) Bauwerken

Die Schadstoffe, welche im Bereich von Menschen, Tieren, Pflanzen und Sachgütern niedergehen, nennt man Immissionen. Aufgrund von Transportmechanismen finden die Immissionen oft weit entfernt von den Emissionen statt. Je nach Wetterbedingungen kann deshalb die Immissionsrate sehr unterschiedlich sein. Schadstoffe sind grenzüberschreitend, weshalb eine nationale Lösung nicht erfolgreich sein kann. Gemessen werden die Immissionen gewöhnlich in Milligramm Schadstoff pro Kubikmeter Luft, beispielsweise 120 mg/m³ Ozon.

Da es hier nicht möglich ist, sämtliche Emissionen detailliert zu behandeln, wird im Folgenden nur auf die wichtigsten näher eingegangen.

Luftschadstoffe

Nachdem derzeit der größte Teil unserer Energie durch die Verbrennung der fossilen Energieträger Kohle, Öl und Erdgas gewonnen wird, sind die in großen Mengen emittierten Luftschadstoffe von besonderer Bedeutung.

Würden die eingesetzten fossilen Primärenergieträger nur aus Kohlenstoff (Kohle) bzw. Kohlenwasserstoffen (Öl, Gas) und die Reaktionspartner aus reinem Sauerstoff bestehen, so entstehen bei vollständiger Verbrennung als Rückstände lediglich Kohlendioxid und Wasserdampf:

Kohle:  C + O₂ → CO₂ + Energie   bzw.    Erdgas: CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O + Energie

Tatsächlich enthalten die fossilen Primärenergieträger aber eine Vielzahl von zusätzlichen Stoffen. Reaktions-partner ist außerdem nicht reiner Sauerstoff, sondern in der Regel Luft.

Welche und wie viel Emissionen bei der Verbrennung auftreten, ist abhängig von folgenden Faktoren:

a) Chemische Zusammensetzung der Energieträger
b) Verbrennungsprozess (vollständige oder unvollständige Oxidation des Kohlenstoffs)
c) Verbrennungstemperatur
d) Nachgeschaltete Verfahren zur Abgasreinigung

Die bei der Verbrennung entstehenden Luftschadstoffe im engeren Sinne sind:

a) Staub
b) Schwefeldioxid (SO₂)
c) Kohlenmonoxid (CO)
d) Stickoxide (NO_x)
e) Kohlenwasserstoffe (C_mH_n)

Eine Übersicht über Entstehung, Wirkungen und technische Rückhalte- und Umwandlungsmaßnahmen bezüglich dieser Luftschadstoffe gibt die folgende Tabelle.

Die oben tabellarisch getrennt dargestellten Wirkungen der verschiedenen Luftschadstoffe dürfen nicht darüber hinwegtäuschen, dass die Schadstoffe in komplexer Weise zusammenwirken, was zu komplexen Reaktionen führen kann.

Der Treibhauseffekt

Das gasförmige Standardprodukt eines Verbrennungsprozesses mit kohlenstoffhaltigen Brennstoffen, also mit fossilen Energieträgern oder Biomasse, wie z.B. Holz, ist das Kohlendioxid, CO₂. Lange Zeit wurde dieses Gas für unbedenklich gehalten, da es nicht toxisch und das Wachstum der Pflanzen fördert. Inzwischen weiß man, dass es – bei entsprechender Konzentration in der Atmosphäre – zur Änderung des Weltklimas entscheidend beiträgt.

Die auf die Erde einfallenden Sonnenstrahlen bestehen aus elektromagnetischen Wellen. Die kurzwelligen Sonnenstrahlen, ihre größte Strahlungsintensität liegt im Bereich des sichtbaren Lichtes, werden von der Atmosphäre weitgehend durchgelassen und erwärmen die Erdoberfläche. Daraufhin werden von der Erde längerwellige Wärmestrahlen, ihre Wellenlänge liegt im unsichtbaren Infrarotbereich, abgegeben. Die elektromagnetischen Wellen des Infrarotbereichs können aber die Atmosphäre nicht wieder ungehindert verlassen; sie werden vielmehr von Spurengasen, zu denen auch das CO₂ gehört, absorbiert. Zwar strahlen die Spurengase die absorbierte Energie wieder ab, allerdings erfolgt dies ungerichtet und damit zum Teil wieder zur Erde zurück.

Die Spurengase haben damit die gleiche Wirkung wie die Glasscheiben eines Treibhauses: Sie lassen einerseits das von außen einfallende kurzwellige Sonnenlicht durch und unterbinden andererseits das Abstrahlen der langwelligen Wärmestrahlung aus dem Inneren des Treibhauses. Dadurch ist es im Inneren wärmer als außerhalb des Treibhauses.

Ohne diesen natürlichen Treibhauseffekt, also ohne Spurengase in der Atmosphäre, wäre es auf der Erde um ca. 33°C kälter. Da die weltweite jährliche Durchschnittstemperatur ca. +15°C beträgt, wäre die Erde mit einer Durchschnittstemperatur von -18°C eine Eiswüste mit Dauerfrost.

Die diesen Treibhauseffekt bewirkenden Spurengase sind in der Atmosphäre nur in geringen Mengen (in Spuren) enthalten. Es sind dies hauptsächlich das schon erwähnte Kohlendioxid, das nur etwa zu 0,03% in der Luft enthalten ist, und weit weniger bedeutsame Gase wie Distickoxid (N₂O), Methan (CH₄) und Ozon (O₃). Den größten Anteil am natürlichen Treibhauseffekt hat der durch Verdunstung in der Atmosphäre enthaltene Wasserdampf. Den wärmespeichernden Effekt des Wasserdampfes kann man leicht beobachten: Während sternenklare Nächte zu einer starken Abkühlung führen, weil die Wärme in den Weltraum abgestrahlt wird, ist die Abkühlung bei wolkenbedecktem Himmel geringer, weil der Wasserdampf in den Wolken die Abstrahlung verhindert.

Der Wärmehaushalt der Erde ist bestimmt durch die Einstrahlung der Sonnenenergie und die Abstrahlung in den Weltraum. Letztlich muss die gesamte eingestrahlte Sonnenenergie wieder in den Weltraum abgestrahlt werden, sonst würde sich die Erde immer weiter aufheizen. Es besteht also ein Strahlungsgleichgewicht. Der Treibhauseffekt bewirkt nur eine Verzögerung der Wärmeabstrahlung, was sich in einer höheren Lufttemperatur niederschlägt. Alle weiteren Energieumsetzungen, wie etwa die des Menschen oder die Wärme aus dem Erdinneren, sind im Vergleich zu der von der Sonne eingestrahlten Energiemenge vernachlässigbar klein.

Im antarktischen Eis sind Lufteinschlüsse aus weit zurückliegenden Zeiten enthalten. Aus deren Analyse weiß man, dass die CO₂-Konzentration in der Luft Schwankungen unterworfen war. Es zeigt sich, dass bei Eiszeiten niedrigere CO₂-Gehalte vorhanden waren als in Warmzeiten. Das Klima der Erde hängt also in starkem Maße mit den Konzentrationen dieser Spurengase zusammen.

Der anthropogene Treibhauseffekt

Neben diesem natürlichen Treibhauseffekt sind es die Aktivitäten des Menschen, die klimarelevante Treibhausgase in die Erdatmosphäre emittieren. Dabei steuern die Emissionen der Energiewandlungssysteme mit 50% den größten Anteil zu dem vom Menschen gemachten Treibhauseffekt bei, in erster Linie durch Freisetzung von CO₂ bei der Verbrennung fossiler Energieträger. Mit 20% sind die Produktion und Anwendung chemischer Produkte am zusätzlichen Treibhauseffekt beteiligt, insbesondere die Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), die als Kühlmittel in Kältemaschinen und zum Aufschäumen von Kunststoffen verwendet werden. FCKW trägt zur Zerstörung der Ozonschicht der Atmosphäre bei und unterstützt den Treibhauseffekt. Mit immerhin 15% trägt der Raubbau an den Tropenwäldern zum Treibhauseffekt bei. Durch die Brandrodungen wird nicht nur CO₂ freigesetzt, die Erde verliert damit auch eine CO₂–Senke, da die Pflanzen CO₂ aufnehmen und speichern. Die restlichen 15% der anthropogenen Treibhausgase sind der Landwirtschaft u.a. zuzurechnen. Durch den Nassfeldreisanbau und durch die Rinderhaltung entsteht Methan, ebenso in Mülldeponien, und bei der Düngung wird Distickoxid, N₂O, freigesetzt.

Das CO₂-Problem

Das Verbrennen fossiler Energieträger setzt in großen Mengen Kohlendioxid frei, hinzu kommt noch das durch die Brandrodung in den tropischen Wäldern und durch das Verrotten von Biomasse freigesetzte Kohlendioxid. Dass sich seit der Industrialisierung der CO₂-Gehalt in der Luft erhöht hat, konnte durch Messungen bestätigt werden.

Aufgrund des steigenden Weltenergiebedarfs ist mit einer weiteren Zunahme der CO₂-Emissionen durch Verbrennen fossiler Energieträger vor allem in den Entwicklungsländern und demzufolge mit einer weiteren Erhöhung der CO₂-Konzentration in der Atmosphäre zu rechnen.

Wird in einem Verbrennungsprozess 1 mol C-Atome, das entspricht nach den Gesetzen der Chemie 12 g Kohlenstoff, oxidiert, so entstehen 44 g CO₂, wie folgende Rechnung zeigt:

C + O₂ → CO₂   als Masse   12 g + 2 · 16 g = 44 g

Weltweit werden jährlich auf diese Weise allein durch das Verbrennen fossiler Energieträger derzeit ca. 22 Gt, also 22 Milliarden Tonnen CO₂ erzeugt.

Dass technische Maßnahmen zur Verminderung des CO2-Ausstoßes großtechnisch kaum möglich sein werden, liegt u.a. an den enormen CO₂-Mengen, die bei der Verbrennung entstehen. Die herkömmlichen Luftschadstoffe, wie SO₂, NO_x usw., fallen rein mengenmäßig etwa um den Faktor 500 bis 1000 geringer an und können schon deshalb einfacher durch End-of-pipe-Technologien zurückgehalten und entsorgt werden.

Mögliche Folgen des Treibhauseffektes

In den letzten Jahren ist die Klimaforschung erheblich verstärkt worden, um die Auswirkungen der von der Menschheit verursachten Veränderungen der Erdatmosphäre zu verstehen. Die Klimaforscher gehen davon aus, dass der anthropogene Treibhauseffekt zu einer Erhöhung der mittleren globalen Temperatur um führen wird:

T = 3 K  ±1,5 K

Das klingt harmlos – ist es aber nicht. Welche Brisanz in dieser Temperaturänderung der Erde steckt, erkennt man bereits daran, dass in der Vergangenheit ein Wechsel zwischen Eis- und Warmzeit eine Veränderung der mittleren globalen Temperatur von 4 bis 5°C bedeutete. Diese Schwankungen vollzogen sich aber allmählich, in vielen Jahrtausenden – und nicht, wie prognostiziert, in einem Jahrhundert. Außerdem sagt die globale, gemittelte Temperaturänderung noch nichts über regionale Schwankungen aus, die wesentlich höher (und auch in entgegengesetzte Richtung) ausfallen können.

Folgende Auswirkungen werden erwartet:

Zusammenbruch von Ökosystemen, die aufgrund der Veränderungsgeschwindigkeit überfordert sind

Verschiebung der Vegetationszonen: Aus fruchtbaren Gebieten werden Trockenwüsten, aus Steppen werden Feuchtgebiete.

Zunahme der Niederschlagsmengen aufgrund der höheren Verdunstungsraten bei höherer Temperatur, als Folge davon vermehrte Überschwemmungen

Zunahme von Stürmen, Wirbelstürmen, Sturmfluten und Unwettern aufgrund der höheren Energie in der Atmosphäre

Änderungen von Meeresströmungen (z.B. Golfstrom), sodass sich regional völlig andere (auch tiefere) Temperaturen ergeben können

Ansteigen der Meeresspiegel durch Volumenausdehnung des erwärmten Wassers und durch allmähliches Abschmelzen der Polkappen. Als Folge davon Überschwemmungen der Küstenregionen

„Klimaflüchtlinge“, die in ihren angestammten Gebieten keine Nahrung mehr finden oder deren Land durch Überschwemmungen verloren gegangen ist

Die dargestellten Wirkungen sind Ergebnisse aufwendiger Modellrechnungen. Während an der zu erwartenden Temperaturerhöhung kaum mehr Zweifel besteht, haben die dargestellten Auswirkungen auch spekulativen Charakter, weil die Reaktion der Atmosphäre als komplexes System mit vielen Parametern nicht ausreichend genau erfasst werden kann. Trotzdem halten viele Wissenschaftler die Klimaänderung neben einem Nuklearkrieg für die derzeit größte Bedrohung der Menschheit.

Gegenmaßnahmen

Da die zu erwartenden Auswirkungen des Treibhauseffektes mit einer Verzögerung von 30 bis 50 Jahren eintreten und die emittierten Treibhausgase Jahrzehnte, oft Jahrhunderte in der Atmosphäre verbleiben, kann mit Gegenmaßnahmen nicht gewartet werden, bis alle Auswirkungen wissenschaftlich eindeutig geklärt sind. Das hat auch die Politik erkannt. So rief 1987 der Deutsche Bundestag die Enquetekommission „Vorsorge zum Schutz der Erdatmosphäre“ ins Leben, die eine Vielzahl wissenschaftlicher Erkenntnisse zusammenfasste und eine solide Datenbasis schuf und dokumentierte. Da kein Staat der Welt alleine den globalen Treibhauseffekt bekämpfen kann, fand 1992 in Brasilien ein Umweltgipfel statt, bei dem erstmals mehr als 150 Staaten die Klimakonvention unterzeichneten. Ziel dieser Konvention ist die weltweite Absenkung des CO₂-Ausstoßes. Deutschland will seine CO₂-Emissionen bis zum Jahre 2005 um 25 bis 30% gegenüber dem Jahr 1987 senken. Weitere Klimagipfel folgten, wobei es sich als schwierig heraus stellte, die Interessen der verschiedenen Regierungen zur Deckung zu bringen. Oft mussten Zugeständnisse gemacht und Kompromisse eingegangen werden, um den wirtschaftlichen Interessen einzelner Staaten entgegen zu kommen.

Um den CO₂-Ausstoß wirksam zu reduzieren, kann eine Vielzahl von Maßnahmen ergriffen werden:

a) Verstärkte Verwendung C-armer Brennstoffe, d.h. weniger Braunkohle bzw. mehr Erdgas
b) Nutzung C-freier Energieträger, großtechnisch bisher nur die Kernenergie und die Wasserkraft
c) Die Energieumwandlung muss mit höheren Wirkungsgraden erfolgen
d) Verstärkte dezentrale Nutzung regenerativer Energieträger, z.B. Sonnenwärme oder Windkraft
e) Rationelle Energieverwendung, z.B. durch bessere Wärmeisolierung von Wohnräumen
f ) Energieeinsparung