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Methan

Methan ist ein brennbares Gas, bestehend aus CH₄-Molekülen. Es ist der einfachste Kohlenwasserstoff und der Hauptbestandteil von Erdgas, Grubengas und Biogas. Es entsteht insbesondere, wenn biologisches Material unter Luftabschluss zersetzt wird, z. B. in Biogas-Fermentern, aber auch in Mülldeponien (Deponiegas), Sümpfen (Sumpfgas), Nassreisfeldern und in den Mägen von Kühen und anderen Wiederkäuern. An gewissen Meeresböden und in Permafrostgebieten tritt in größeren Mengen Methanhydrat auf (auch Methaneis), also in erstarrtem Wasser eingelagertes Methan, welches bei Erwärmung gasförmiges Methan freisetzen kann.

Methan ist farb- und geruchlos und wird deswegen kaum erkannt, wenn es der Luft beigemischt ist. Beim Einatmen ist Methan ungiftig, außer in hohen Konzentrationen.

Mit Luft verbrennt Methan recht sauber (annähernd rußfrei) zu Kohlendioxid und Wasserdampf; bei Sauerstoffmangel kann allerdings Ruß und das giftige Kohlenmonoxid gebildet werden. Der Heizwert und der Brennwert können der Tabelle rechts entnommen werden; bezogen auf die Masse sind die Werte deutlich höher als flüssige Brennstoffe wie z. B. Heizöl.

Methan-Luft-Gemische sind bei einem Methan-Anteil zwischen 4,4 und 16,5 Volumen-Prozent explosiv. Methan ist ca. halb so schwer wie Luft und hat deswegen die Tendenz, im Freien nach oben zu steigen, was sicherheitstechnisch oft günstig ist.

Verwendung von Methan

Methan wird größtenteils zur Gewinnung von Wärme durch Verbrennung eingesetzt – z. B. in Gaskraftwerken und Heizkesseln, teils auch in Verbrennungsmotoren z. B. von Blockheizkraftwerken und Erdgasfahrzeugen. Es wird meist nicht in reiner Form verwendet, sondern als Hauptbestandteil von Erdgas oder Biogas.

Methan wird teils auch zur Herstellung von Wasserstoff verwendet, und zwar meist für Anwendungen in der Chemieindustrie mit dem Verfahren der Dampfreformierung.

Um die klimaschädliche Emission von Kohlendioxid (CO₂) bei der Verbrennung oder Dampfreformierung zu vermeiden, könnte man auch eine Methanpyrolyse durchführen, d. h. das Methan in Kohlenstoff und Wasserstoff zerlegen. Der Kohlenstoff lässt sich dann nicht-energetisch und nicht klimawirksam nutzen, etwa für die Herstellung von Stahl und Verbundwerkstoffen, während der Wasserstoff als CO₂-freier Energieträger oder ebenfalls als Chemierohstoff genutzt werden kann.

Treibhauswirkung von Methan

Da Methan Infrarotlicht (Wärmestrahlung) in gewissen Wellenlängen-Bereichen (v. a. um 2,3 μm und 3,3 μm) relativ effizient absorbieren kann, trägt es in der Atmosphäre zum Treibhauseffekt bei; es wird deswegen als ein Treibhausgas bezeichnet. Es ist nach Kohlendioxid das zweitwichtigste menschlich verursachte Treibhausgas.

Methan wird in der Atmosphäre im Laufe etlicher Jahre zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert (hauptsächlich durch Reaktion mit Hydroxyl-Radikalen); deswegen hat es nur eine begrenzte Halbwertszeit von ca. 15 Jahren. Deswegen kann seine Treibhauswirkung mit der von CO₂ (das viel länger in der Atmosphäre bleibt) nur verglichen werden, wenn ein gewisser Zeitraum zugrunde gelegt wird. Nimmt man beispielsweise 100 Jahre an, so ist die Klimaschädlichkeit von 1 kg Methan ca. 21 mal höher als die von 1 kg CO₂ (gemäß dem IPCC). (Also ist das relative Treibhauspotenzial von Methan 21; 1 kg Methan entspricht 21 kg CO₂-Äquivalenten.) Rechnet man für nur 20 Jahre, dann ist die Klimaschädlichkeit sogar ca. 86 mal höher. Es gibt Berichte, nach denen die Klimaschädlichkeit sogar noch höher wird durch die Wechselwirkung mit Aerosolen in der Atmosphäre; dies wird vom Weltklimarat (IPCC) noch näher untersucht. Da langfristig alles Methan in der Atmosphäre zu Kohlendioxid oxidiert wird, ist seine Klimaschädlichkeit pro Molekül langfristig gesehen (d. h. nach etlichen Jahrhunderten) gleich stark; pro Kilogramm bedeutet dies wegen der geringeren Masse von Methan-Molekülen eine 2,75 mal größere Klimawirkung.

Eigentlich sinnvoller wäre ein Vergleich nach Mol-Verhältnissen, also effektiv nach der Anzahl der Moleküle und nicht nach der Masse, da man so beispielsweise direkt vergleichen kann, wie klimaschädlich einerseits das Methan und andererseits das durch seine Verbrennung entstehende CO₂ ist. Da ein Methan-Molekül ca. 2,75 mal leichter ist als ein CO₂-Molekül, werden die oben genannten Faktoren entsprechend verkleinert. Beispielsweise ist ein Mol Methan für einen Horizont von 20 Jahren ca. 86 / 2,75 = 31 mal klimaschädlicher als ein Mol CO₂. Somit wird die Klimaschädlichkeit durch die Verbrennung des Methans drastisch reduziert. Es sollte also unbedingt vermieden werden, Methan unverbrannt entweichen zu lassen (z. B. durch Methanschlupf von Gasmotoren) – nicht nur wegen des Energieverlusts.

Wichtiger ist aber der angenommene Betrachtungszeitraum. Oft wird für die Bewertung der Klimaschädlichkeit von Methan ein Betrachtungszeitraum von 100 Jahren gewählt. Dies ist sinnvoll, wenn man langfristige Effekte betrachten möchte. Dagegen kann ein viel kürzerer Betrachtungszeitraum (20 Jahre oder sogar 1 Jahr) angemessen sein, wenn man Effekte auf die heute lebenden Generationen von Menschen untersuchen möchte. Ebenfalls ist das wichtig für die Frage, ob bei einem Versagen des Klimaschutzes gefährliche Kipppunkte des Klimasystems innerhalb der nächsten Jahrzehnte erreicht werden könnten. Damit kommt man auf eine relativ zum Kohlendioxid noch viel größere klimaschädliche Wirkung des Methans. Auch das IPCC bevorzugt aus den genannten Gründen inzwischen die Verwendung des 20-Jahres-Zeitraums.

Diverse menschlich verursachte Methan-Emissionen, insbesondere durch Erdgas-Leckagen und durch Viehhaltung ist die Methan-Konzentration der Atmosphäre heute mehr als zweimal höher als im Jahre 1750 und steigen weiterhin an (siehe Abbildung 1). Damit trägt Methan wesentlich zum menschlich verursachten Treibhauseffekt bei, an zweiter Stelle nach dem Kohlendioxid und vor dem Lachgas.

In den letzten Jahren sind die Methanemissionen offenbar erheblich angestiegen; die genaue Ursache ist nicht bekannt, aber es werden Quellen in der Landwirtschaft vermutet [1]. Andererseits könnten Emissionen im Zusammenhang mit Erdgas-Fracking, die wegen der Vielzahl der Anlagen schwer überwachbar sind, auch eine wesentliche Rolle spielen. Diese Problematik muss unbedingt aufgeklärt und angegangen werden, weil sonst die Erreichung der internationalen Klimaziele noch erheblich zusätzlich gefährdet würde.

Auch Biogasanlagen können Methan durch Leckagen und durch Methanschlupf von Gasmotoren und Gasreinigungsanlagen verlieren. Bereits ein geringer Methanschlupf kann die ökologischen Vorteile von Erdgas oder Biogas ins Gegenteil verkehren. Allerdings ist der Beitrag des Biogases klein im Vergleich zu anderen Quellen.

Bildung von Ozon

Methan selbst ist zwar gesundheitlich unbedenklich. In der Atmosphäre trägt es aber zur Bildung bodennahen Ozons bei. Dieses Reizgas ist ein Luftschadstoff von wesentlicher Bedeutung; es ist schädlich für die menschliche Gesundheit und schädigt außerdem Pflanzen mit land- und forstwirtschaftlicher Bedeutung. Auch deswegen sollten Methanemissionen so weit wie möglich reduziert werden.

Quellen von Methanemissionen in Deutschland

In Deutschland wird über die Hälfte der gesamten Methanemissionen (die bei über 2,2 Millionen Tonnen pro Jahr liegen) durch landwirtschaftliche Fermentation (Gärungsprozesse in den Mägen von Wiederkäuern) und Wirtschaftsdüngermanagement (Mist und Gülle) verursacht. Ein wichtiger Faktor ist außerdem die Landnutzung, insbesondere auch Landnutzungsänderungen, und die Forstwirtschaft. Der Anteil von Abfalldeponien ist rückläufig, aber immer noch erheblich.

Biogasanlagen verursachen dagegen relativ geringe Emissionen. Sie können zudem die Gesamtemissionen sogar reduzieren, wenn tierische Exkremente in solchen Anlagen vergoren werden, anstatt dass sie frei herumliegend Methan in die Atmosphäre abgeben. Dafür müssen sie aber sorgfältig ausgeführt sein, beispielsweise mit einem gasdichten Gärrestlager – was in Deutschland für neue Anlagen schon seit Jahren gesetzliche Pflicht ist.

Konsumenten können zur Reduktion von Methanemissionen vor allem beitragen, indem sie ihren Konsum von Rindfleisch reduzieren.

Siehe auch: Erdgas, Methanhydrat, Biogas, Deponiegas, Klimagefahren, Treibhauseffekt, Methanschlupf, Kohlenwasserstoffe, Methanpyrolyse