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Kohlendioxid

Definition: ein klimaschädliches Gas, welches bei der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Kraft- und Brennstoffe entsteht

Alternative Begriffe: Kohlenstoffdioxid, Kohlendioxyd

Summenformel: CO2

Englisch: carbon dioxide

Kategorie: Ökologie und Umwelttechnik

Autor:

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 15.03.2010; letzte Änderung: 14.03.2020

Kohlendioxid (auch Kohlendioxyd oder Kohlenstoffdioxid genannt) (CO2) ist (bei Zimmertemperatur und Normaldruck) ein Gas, welches bei der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Kraftstoffe und Brennstoffe entsteht. In der Regel wird nahezu der gesamte Kohlenstoffgehalt von Brennstoffen und Kraftstoffen bei der Verbrennung in Kohlendioxid umgesetzt; allenfalls kleine Anteile werden zu Ruß oder zum sehr giftigen Kohlenmonoxid (CO).

Kohlendioxid wird auch von Menschen und Tieren ausgeatmet. Die von einem Menschen ausgeatmete Luft enthält eine CO2-Konzentration von ca. 4 % (40 000 ppm); pro Stunde ergeben sich ohne besondere körperliche Anstrengung insgesamt knapp 30 Liter CO2, die in rund 700 Litern ausgeatmeter Luft enthalten sind. In geringen Konzentrationen ist Kohlendioxid für Menschen und Tiere ungiftig, jedoch sollte die Konzentration in der Atemluft nicht dauerhaft ca. 0,1 % (1000 ppm) wesentlich überschreiten. (Andererseits ist es keineswegs nötig, dauerhaft weit unter 1000 ppm zu bleiben.) CO2-Konzentrationen von mehreren 1000 ppm werden z. B. in unbelüfteten Klassenzimmern oder Konferenzräumen schnell erreicht und führen zu vorzeitiger Ermüdung und Konzentrationsschwäche. Im Zweifelsfall sollte die CO2-Konzentration im Raum gemessen werden. Ideal sind Lüftungsanlagen, die automatisch so geregelt sind, dass die CO2-Konzentration nie zu hoch wird, andererseits aber bei geringer Belegung von Räumen nicht unnötig viel Luftaustausch erfolgt.

CO2-Messgerät
Abbildung 1: Ein Messgerät für die CO2-Konzentration in der Raumluft. Der CO2-Wert wird oben in ppm (parts per million) angezeigt. Das Gerät kann die CO2-Werte über 24 Stunden registrieren, so dass man z. B. feststellen kann, wie hoch der maximale Wert im Schlafzimmer nachts war.

Pflanzen nehmen Kohlendioxid auf, wenn sie unter Einfluss von Sonnenlicht Photosynthese betreiben, können jedoch nachts auch wieder gewisse Mengen von Kohlendioxid ausatmen. Die Netto-Aufnahme hängt eng mit dem Wachstum zusammen, da sie mit dem Aufbau biologischen Materials einhergeht. Ein aufwachsender Wald kann pro Jahr große Mengen von CO2 netto aufnehmen, während bei einem unbewirtschafteten Wald, der sich kaum mehr verändert, die CO2-Aufnahme und -abgabe im Jahresmittel recht ähnlich hoch sind.

Wenn CO2 bei Normaldruck abgekühlt wird, wird es nicht flüssig, sondern geht bei −78,5 °C direkt in die feste Phase (Trockeneis) über. Flüssiges CO2 erhält man nur unter hohem Druck.

Kohlensäure entsteht, wenn Kohlendioxid in Wasser gelöst wird, und zerfällt auch leicht wieder in Kohlendioxid und Wasser. Es handelt sich um eine relativ milde Säure. Trotzdem wird ein steigender CO2-Gehalt der Atmosphäre zu einer gewissen Versauerung der Weltmeere führen.

Biologischer Kreislauf und technische Emissionen

Im biologischen Kreislauf zirkulieren enorme Mengen von Kohlendioxid, die weit größer sind als die durch menschliche Aktivitäten (technische Prozesse und Abholzung) in die Atmosphäre entlassenen Mengen. Trotzdem führen die menschlich verursachten Emissionen zu einer ständig wachsenden CO2-Konzentration der Atmosphäre, weil sie nicht von entsprechend hohen CO2-Entnahmen kompensiert werden. Die Biosphäre und die Ozeane nehmen nur einen gewissen Teil dieser zusätzlichen Emissionen auf, und dies nur mit zeitlicher Verzögerung; der Rest führt zu einer Erhöhung der CO2-Konzentration in der Atmosphäre. Während die Konzentration in 1960 noch bei 317 ppm (parts per million = Millionstel) lag, waren es 2013 schon fast 400 ppm (siehe Abbildung 2). So hohe Werte wurden seit hunderttausenden von Jahren nicht mehr erreicht. Die weltweiten CO2-Emissionen steigen immer noch erheblich und liegen inzwischen bei über 35 Gigatonnen (Milliarden Tonnen) pro Jahr. Ohne massive Anstrengungen zum Klimaschutz werden die Werte in den nächsten Jahrzehnten weiter stark ansteigen, womöglich auf mehr als 600 ppm.

Anstieg der CO2-Konzentration der Atmosphäre
Abbildung 2: Anstieg der CO2-Konzentration der Atmosphäre. Nachdem die Konzentration vor Aufnahme industrieller Tätigkeiten für lange Zeit bei ca. 280 ppm lag, hat er inzwischen deutlich über 400 ppm erreicht. Die Daten basieren auf Messungen des Mauna-Loa-Observatoriums, und ihre Verwendung wurde freundlich genehmigt von der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA).

Übrigens lässt sich mit Isotopenanalysen zusätzlich nachweisen, dass die Zunahme der atmosphärischen CO2-Konzentration von der Verbrennung fossiler Brennstoffe stammt und nicht etwa von einer Veränderung biologischer Kreisläufe. Man findet nämlich, dass der Anteil des radioaktiven C-14 am Kohlenstoff in der Atmosphäre sinkt – weil dieser Anteil in fossilem Kohlenstoff nahe Null liegt.

Beitrag des CO2 zu Treibhauseffekt und Klimaerwärmung

Da CO2-Moleküle in der Atmosphäre infrarotes Licht absorbieren können, tragen sie zum Treibhauseffekt bei: Sie behindern die Abstrahlung von Wärmestrahlung durch die Erde stärker als die Zufuhr von Sonnenenergie und führen deswegen zu erhöhten Temperaturen auf der Erde. Der natürliche Treibhauseffekt – verursacht durch natürliches CO2 und mehr noch von Wasserdampf – macht die Erde erst für uns bewohnbar. Dagegen ist der zusätzliche Treibhauseffekt durch menschliche Aktivitäten (v. a. CO2-Emissionen) problematisch, da er das eingespielte Klima relativ schnell verändern kann, so dass die Anpassung der Biosphäre daran schwierig ist.

Obwohl der Treibhauseffekt von CO2 erheblich schwächer ist als der von Wasserdampf, hat er eine wesentliche Bedeutung. Sein Anteil wird vom Menschen direkt erhöht, während der Wasserdampfgehalt der Atmosphäre im Wesentlichen durch die Temperaturen bestimmt ist. Wenn steigende CO2-Konzentrationen zu einer Erwärmung der Erde führen, hat dies einen steigenden Wasserdampfgehalt zur Folge, welcher den Treibhauseffekt zusätzlich beschleunigt. Dagegen führen direkte Wasserdampf-Emissionen z. B. über Kühltürme nicht zu einer generellen Erhöhung der Wasserdampfkonzentration in der Atmosphäre, da sie durch zusätzliche Niederschläge wieder vollständig entfernt werden.

Es besteht mittlerweile ein weit reichender Konsens darüber, dass die globale Erwärmung auf höchstens 2 Grad begrenzt werden sollte, da eine stärkere Klimaerwärmung womöglich nicht mehr beherrschbare Folgen hätte. Dieses 2-Grad-Ziel wurde beispielsweise vom Rat der Europäischen Union (EU) bereits 1996 gesetzt und seitdem mehrfach bestätigt. Sein Erreichen würde gemäß Berechnungen des Weltklimarats (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) eine Begrenzung der CO2-Konzentration auf deutlich unter 500 ppm voraussetzen. (Frühere Schätzungen führten zu einem etwas höheren Grenzwert von z. B. 550 ppm, jedoch wurden hier sekundäre Effekte zu wenig berücksichtigt.) Eine Begrenzung auf 500 ppm oder weniger würde allerdings massive globale Anstrengungen für den Klimaschutz voraussetzen, für die bislang kein ausreichender politischer Wille erkennbar ist. Somit erscheint es sehr fraglich, ob das 2-Grad-Ziel noch zu erreichen ist.

CO2-Emissionen von verschiedenen Brenn- und Kraftstoffen

Die folgende Tabelle zeigt die spezifischen CO2-Emissionen für diverse Brenn- und Kraftstoffe.

Stoff CO2-Emissionen bezogen auf eine Stoffmenge CO2-Emissionen bezogen auf eine Energiemenge
Kohle 2,63 kg pro kg 320 g/kWh
Heizöl EL oder Dieselkraftstoff 2,38 kg pro Liter 240 g/kWh
Benzin 2,40 kg pro Liter 275 g/kWh
Flüssiggas 2,88 kg pro kg 227 g/kWh
Erdgas 2,2 kg pro m3 215 g/kWh
Holz 1,85 kg pro kg 445 g/kWh

Tabelle 1: Spezifische CO2-Emissionen für diverse Brennstoffe.

Beispielsweise bedeutet dies, dass die Verbrennung von 1 kg Heizöl EL eine CO2-Menge von 2,38 kg freisetzt, und dass die Erzeugung von 1 kWh Wärme mit Heizöl 240 g CO2 erzeugt (ohne Berücksichtigung von Energieverlusten eines Heizkessels). Pro Kilogramm Brennstoff entsteht wesentlich mehr als 1 kg CO2, da der gebundene Sauerstoff zum Gewicht des CO2 beiträgt.

Man beachte, dass die Zahlenwerte je nach Qualität des Brennstoffs (vor allem bei Kohle) deutlich schwanken können.

Für die Interpretation der Zahlen ist es sehr wichtig, die im Folgenden erklärten Aspekte mit zu berücksichtigen, um Fehlschlüsse zu vermeiden.

Die Zahlen in g/kWh beziehen sich rein auf die Erzeugung von Wärme. Bezogen auf elektrische Energie als Endenergie ergeben sich oft viel höhere Werte (z. B. über 1000 g/kWh für Kohlekraftwerke), und die Verhältnisse für Werte verschiedener Brennstoffe können sich erheblich verschieben, da die typischen Wirkungsgrade der Nutzung recht unterschiedlich sind. Beispielsweise sind Gaskraftwerke meist deutlich effizienter als Kohlekraftwerke, so dass sie im Vergleich bei der Endenergie noch wesentlich günstiger sind, als es nach den obigen Zahlen erschiene.

Nachwachsende Rohstoffe wie Holz, Biogas, Bioethanol und Biodiesel werden teils als CO2-neutral bezeichnet, weil theoretisch bei der Herstellung so viel CO2 aufgenommen werden kann, wie bei der Verbrennung frei wird. Die Verbrennung z. B. von Holz statt Heizöl in einem Heizkessel setzt zwar sogar größere Mengen von CO2 pro erzeugter Kilowattstunde Wärme frei, jedoch führt die Verbrennung von Holz zumindest bei nachhaltiger Waldnutzung zum Nachwachsen von zusätzlichen Bäumen, oder es verhindert das Freiwerden der gleichen CO2-Mengen bei der Verrottung von ungenutztem Holz. Jedoch sind etliche nachwachsende Brenn- und Kraftstoffe nicht wirklich CO2-neutral, da bei Herstellung und Transport zusätzliche Emissionen von CO2 anfallen. Zudem stellen weitere klimaschädliche Emissionen z. B. durch Lachgas beim Anbau von Energiepflanzen die Klimaneutralität infrage. Dies gilt für flüssige Agrokraftstoffe wie Biodiesel und Bioethanol wesentlich stärker als für Holz.

Zusätzliche Beiträge zur Klimawirkung

Während beispielsweise die Klimaschädlichkeit einer Ölheizung praktisch vollständig durch deren CO2-Emissionen bestimmt wird, kann es in anderen Fällen erhebliche zusätzliche Klimawirkungen geben:

  • Wenn beim Umgang mit Methan-haltigen Brennstoffen ein Teil des Methans unverbrannt entweicht (→ Methanschlupf), kann dies erheblich zur Klimaschädlichkeit beitragen. Deswegen ist beispielsweise Erdgas aus Fracking häufig effektiv sehr viel klimaschädlicher, als es allein durch das bei der Verbrennung entstehende CO2 wäre.
  • Flugzeuge emittieren in großen Höhen, was die Effekte der Abgase deutlich verändern kann. Insbesondere führt der Wasserdampf im Abgas zu Kondensstreifen, die zur Klimaerwärmung beitragen – zwar nur kurzfristig, dafür aber ziemlich stark; ein wesentlicher Teil der bisherigen Klimawirkung des Flugverkehrs kommt so zustande. Zudem wirkt auch aus den Stickoxiden gebildetes Ozon als Treibhausgas, und es gibt noch diverse weitere, zum Teil auch kühlende Effekte (v. a. durch den Abbau von Methan). Bisherige Resultate der Forschung ergeben, dass die derzeitige Klimawirkung des Flugverkehrs (mit Berücksichtigung der CO2-Emissionen seit 1950) insgesamt ca. 3 bis 5 mal stärker ist, als es durch das CO2 allein wäre [5].

In solchen Fällen ist es angemessen, nicht nur das emittierte CO2 zu berücksichtigen, sondern auch die anderen Klimawirkungen – am einfachsten durch Umrechnung auf CO2-Äquivalente und Addition aller solcher Beiträge.

Eine seriöse CO2-Kompensation z. B. für Flugreisen berücksichtigt solche Effekte, indem entsprechend mehr CO2 kompensiert wird.

Pro-Kopf-Emissionen

Aufschlussreich ist der Vergleich der Pro-Kopf-Emissionen an CO2 zwischen verschiedenen Ländern (siehe Abbildung 3):

  • Viele Industrieländer liegen in der Größenordnung von 10 Tonnen CO2 pro Kopf und Jahr. Einige jedoch, vor allem die USA, Kanada und Australien liegen noch weit darüber.
  • Die Schweiz erscheint in vielen Statistiken erheblich besser als Deutschland, nicht aber wenn wie hier die graue Energie mit berücksichtigt wird: Hier werden z. B. Emissionen, die bei der Herstellung von Autos in Deutschland für die Schweiz anfallen, der Schweiz angerechnet.
  • Schwellenländer wie China und Indien weisen zwar stark steigende Emissionen auf, liegen aber immer noch weit tiefer als alle Industrieländer. Es hätte wohl katastrophale Folgen, wenn sie das heutige Emissionsniveau der Industrieländer je erreichen würden. Dies wird jedoch kaum vermieden werden können, wenn die Industrieländer nicht ihrerseits ihre Emissionen massiv absenken.
Pro-Kopf-Emissionen an CO2 in verschiedenen Ländern
Abbildung 3: CO2-Emissionen in Tonnen pro Kopf und Jahr in einigen Ländern und im weltweiten Durchschnitt. Zahlen von OECD und dem schweizerischen BUWAL, mit Berücksichtigung grauer Energie in importierten und exportierten Produkten. Die Zahlen sind leider ziemlich alt (2003) und deswegen vor allem für China nicht mehr aktuell. Man beachte aber, dass graue Energie für sinnvolle Vergleiche berücksichtigt werden muss, die meisten vagabundierenden Zahlen dies jedoch nicht tun.

Wie starke CO2-Reduktionen sind notwendig?

Das beste Maß für die Stärke der notwendigen Reduktion der globalen CO2-Emissionen sind CO2-Budgets, die auf wissenschaftlicher Grundlage berechnet werden können. Sie sind abhängig davon, welche Stärke der Klimaveränderung, quantifiziert als der Anstieg der globalen Mitteltemperatur, als gerade noch akzeptabel angesehen werden.

Auf der Klimakonferenz von Paris in 2015 wurde beschlossen, dass die Klimaerwärmung unbedingt auf einen Wert unterhalb von 2 Grad begrenzt werden soll, weil eine stärkere Erwärmung als zu riskant angesehen wird. Der Weltklimarat (IPCC) hat berechnet, dass für die Begrenzung der Erwärmung auf 1,75 Grad (mit einer Wahrscheinlichkeit von 67 %) ein globales Emissionsbudget von ca. 800 Gigatonnen ab Anfang 2018 zur Verfügung steht [9]. Das würde beispielsweise für Deutschland ein Budget von ca. 8,8 Gt bedeuten, wenn trotz der hohen historischen Emissionen ein gleicher Anteil am verbleibenden Pro-Kopf-Budget beansprucht werden kann. Die deutschen Klimaschutzziele reichen bislang (Stand 2020) bei weitem nicht aus, um dieses Emissionsbudget einhalten zu können.

Maßnahmen für die Reduktion von CO2-Emissionen

Im Energiebereich gibt es eine breite Palette von Möglichkeiten für die Reduktion von CO2-Emissionen, die alle auf eine Reduktion des Verbrauchs fossiler Energieträger hinauslaufen:

Der Artikel zum Klimaschutz bietet eine detailliertere Liste von Möglichkeiten.

Wenn bei bestimmten Anwendungen eine wesentliche CO2-Reduktion technisch oder wirtschaftlich nicht möglich ist (z. B. beim Flugverkehr), kann unter Umständen eine CO2-Kompensation sinnvoll sein: Man reduziert CO2-Emissionen an anderer Stelle, wo es leichter möglich ist.

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Literatur

[1]Blog-Artikel: Wider den CO2-Verbrauch: Unklare Begriffe fördern unklares Denken!
[2]Extra-Artikel: Alle Zeigefinger in Richtung China!?
[3]Berichte des Weltklimarats (IPCC), https://www.ipcc.ch/reports/
[4]Artikel zum 2-Grad-Ziel von PrimaKlima-weltweit-e.V., http://www.prima-klima-weltweit.de/grafiken/pdf/2_grad_ziel.pdf
[5]Klimawirksamkeit des Flugverkehrs, ein Hintergrundpapier des deutschen Umweltbundesamts von 2012, https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/377/dokumente/klimawirksamkeit_des_flugverkehrs.pdf
[6]Carbon Footprint of Nations, eine Website der Norvegian University of Science and Technology: Berechnung der CO2-Emissionen von Ländern unter Berücksichtigung grauer Energie, http://www.carbonfootprintofnations.com/
[7]Life CO2 emissions of the European electricity consumption, http://electricitymap.tmrow.co/
[8]S. Rahmstorf, “Wie viel CO2 kann Deutschland noch ausstoßen?”, Spektrum.de SciLogs 28.03.2019, https://scilogs.spektrum.de/klimalounge/wie-viel-co2-kann-deutschland-noch-ausstossen/
[9]Special Report “Global Warming of 1.5 ºC” des IPCC, https://www.ipcc.ch/sr15/

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Brennstoff, Kraftstoff, fossile Energieträger, Kohle, Erdöl, Erdgas, Treibhauseffekt, Klimagefahren, Klimaschutz, Climate Engineering, Dekarbonisierung, Belüftung von Gebäuden, Kohlenmonoxid, Holz, Messverfahren für Kraftstoffverbrauch und Abgaswerte
sowie andere Artikel in der Kategorie Ökologie und Umwelttechnik

Alles verstanden?


Frage: Welche der folgenden Aussagen über Kohlendioxid sind korrekt?

(a) Kohlendioxid entsteht bei Verbrennungsprozessen, wenn diese nicht völlig “sauber” ablaufen.

(b) Natürliche Quellen emittieren weltweit weitaus mehr Kohlendioxid, als durch menschliche Aktivitäten frei wird.

(c) Der Treibhauseffekt von CO2 ist viel stärker als der von Wasserdampf.

(d) Durch menschliche Aktivitäten freigesetztes Kohlendioxid verstärkt den Treibhauseffekt erheblich.


Frage: Wie viel Kohlendioxid emittiert ein gewöhnliches Auto ungefähr pro 100 km Fahrt?

(a) 1,5 kg

(b) 8 kg

(c) 15 kg


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