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Kohlendioxid

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

Summenformel: CO2

Englisch: carbon dioxide

Kategorie: Umwelt und Ökologie

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 15.03.2010; letzte Änderung: 15.07.2016

Kohlendioxid (auch Kohlendioxyd 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

Wie können menschlich verursachte Kohlendioxidemissionen ein Problem sein, wo doch viel größere Mengen in biologischen Kreisläufen zirkulieren?

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 rund 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).

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.

Der Treibhauseffekt von CO2 ist erheblich schwächer als der von Wasserdampf. Er trägt jedoch zu einem erhöhten Wasserdampfgehalt der Atmosphäre bei, was seine Wirkung stark erhöht.

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.

Die Begrenzung der Klimaerwärmung auf erträgliche Werte erfordert massive Anstrengungen zur Reduktion der CO2-Emissionen.

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 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. Dies gilt für flüssige Agrokraftstoffe wie Biodiesel und Bioethanol wesentlich stärker als für Holz.

Pro-Kopf-Emissionen

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

Vergleiche von CO2-Emissionen sind sinnlos, wenn graue Energie nicht berücksichtigt wird – was aber leider üblich ist.

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, siehe die Webseite http://assets.wwf.ch/downloads/8_weitentfernt_dt.pdf. 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.

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.

Literatur

[1]Extra-Artikel: Alle Zeigefinger in Richtung China!?
[2]IPPC-Report 2007, “Zusammenfassung für politische Entscheidungsträger, Beitrag der Arbeitsgruppe III”, http://www.ipcc.ch/pdf/reports-nonUN-translations/deutch/IPCC2007-WG3.pdf
[3]Artikel zum 2-Grad-Ziel von PrimaKlima-weltweit-e.V., http://www.prima-klima-weltweit.de/grafiken/pdf/2_grad_ziel.pdf
[4]Kennzahlen der Energieträger und Energienutzung, Wirkungsgrade der Energienutzung, CO2-Emissionen von Energieträgern, Eigenschaften von Brennstoffen, Daten von der BMG Engineering AG, http://www.bmgeng.ch/downloads/produktion/Energiekennzahlen.pdf
[5]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/

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Brennstoff, Kraftstoff, fossile Energieträger, Kohle, Erdöl, Erdgas, Treibhauseffekt, Klimagefahren, Klimaschutz, Climate Engineering, Dekarbonisierung, CO2-neutral, CO2-Abscheidung und -Speicherung, Belüftung von Gebäuden, Kohlenmonoxid, Holz, Messverfahren für Kraftstoffverbrauch und Abgaswerte
sowie andere Artikel in der Kategorie Umwelt und Ökologie

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


Siehe auch unser Energie-Quiz!

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