Referat Der Treibhauseffekt - Klimawirksame Spurengase führen zur Erwärmung der Erdoberfläche, Methan, Lachgas, Ozon und FCKW verstärken ebenfalls den Treibhauseffekt, Folgen des Treibhauseffekts

Der Treibhauseffekt

Entstehung

Zusammensetzung der Luft

In chemischer Hinsicht setzt sich die Atmosphäre aus drei Komponenten zusammen: Erstens aus einem Gasgemisch, zu dessen wichtigsten Bestandteilen in trockener, nicht verunreinigter Luft der Stickstoff mit 78, der Sauerstoff mit 21, das Argon mit 0,9 und das Kohlendioxid mit 0,035 Prozent gehören. Zweitens aus festen und flüssigen Schwebeteilchen ('Aerosole') wie beispielsweise Staub, Ruß, Salze, Pflanzenpollen etc. sowie drittens aus Wassertropfen und Eispartikel ('Hydrometeore').

Klimawirksame Spurengase führen zur Erwärmung der Erdoberfläche

Der atmosphärische Wasserdampf ist auch als wichtigstes klimarelevantes Spurengas von Bedeutung. Spurengase kommen nur in sehr geringer Konzentration vor. Klimawirksame Spurengase besitzen zudem die Eigenschaft, die einfallende Sonnenstrahlung nahezu ungehindert passieren zu lassen, die von der Erdoberfläche ausgehende Infrarotstrahlung hingegen zu absorbieren, in Wärme umzuwandeln und teilweise wieder auf die Erde zurückzustrahlen. Durch diese 'Wärmerückführung' kommt es zwischen der Erdoberfläche und der unteren Atmosphäre, wie in einem Treibhaus zu einer Erwärmung von ca. 33 Grad Celsius.

Ohne Treibhauseffekt gäbe es auf der Erde nur Dauerfrost 

Ohne die  Mitwirkung der Treibhausgase wäre die Erde eine lebensfeindliche Eiswüste mit einer mittleren Temperatur von -18 Grad Celsius. Statt dessen garantiert der Treibhauseffekt angenehme + 15 Grad Celsius, woran allein der Wasserdampf mit 62 Prozent und das Kohlendioxid mit 22 Prozent beteiligt sind. Dennoch darf der Einfluß der übrigen Treibhausgase nicht unterschätzt werden. Sobald nämlich ihre Konzentration und damit die Lufttemperatur zunimmt, verdunstet auf der Erde mehr Wasser, was wiederum den atmosphärischen Wasserdampfgehalt erhöht und den Treibhauseffekt verstärkt.

Methan, Lachgas, Ozon und FCKW verstärken ebenfalls den Treibhauseffekt

Noch höhere Zuwachsraten werden bei den übrigen, bereits genannten Spurengasen, verzeichnet, die aber eine erheblich niedrigere atmosphärische Konzentration aufweisen als das Kohlendioxid. So hat sich das vorindustrielle Mischungsverhältnis von Methan (CH₄) bis heute mit einer jährlichen Steigerung von 0,75 Prozent von 0,8 auf 1,74 ppm mehr als verdoppelt. Die Ursache dafür liegt hauptsächlich im globalen Bevölkerungswachstum begründet und geht im einzelnen auf die Ausweitung des Reisanbaus und der Rinderhaltung, die Emissionen aus Mülldeponien sowie auf die Verluste bei der Erdgas- und Erdölgewinnung zurück. Ahnlich verhält es sich beim Distickoxid oder Lachgas (N₂O), dessen atmosphärische Anreicherung pro Jahr 0,25 Prozent beträgt.

Seine Zunahme beruht vor allem auf dem überhöhten Einsatz von stickstoffhaltigem Dünger und der Verbrennung von Biomasse.

In unmittelbarem Zusammenhang mit der anhaltenden Luftverschmutzung, insbesondere dem verkehrsbedingten 'Photosmog', steht dagegen das verstärkte Aufkommen des bodennahen und überaus treibhauswirksamen Ozons (O₃). Seine Konzentration steigt jährlich um 0,5 bis 1 Prozent - im Unterschied zum lebenswichtigen Ozon in der oberen Atmosphäre - und erreicht immer häufiger gesundheitsschädliche Spitzenwerte. Um ein absolut künstliches und ausschließlich vom Menschen geschaffenes Produkt handelt es sich bei den Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW). Sie dienten bisher als Treibgase für Spraydosen, zur Herstellung von Kunststoffschäumen sowie als Reinigungsmittel in der Elektronikindustrie. Trotz ihres äußerst geringen Volumenanteils und des eingeleiteten Produktionsverbots bis zum Jahr 2000 tragen die FCKW heute schon über 20 Prozent zum 'Zusatz'-Treibhauseffekt bei.

Im Wärmeabsorptionsvermögen liegt die Gefährlichkeit vieler Spurengase

Dies beweist jedoch auch, daß die Wirksamkeit eines Treibhausgases nicht allein von dessen atmosphärischem Mischungsverhältnis abhängt. Ein ebenso großer Einfluß kommt der Molekülstruktur eines Spurengases und dem sich daraus ergebenden Wärmeabsorptionsvermögen zu. Das heißt, die Fähigkeit die von der Erdoberfläche reflektierte Wärmestrahlung aufzunehmen und treibhauswirksam umzusetzen. Darüber hinaus spielt die atmosphärische Verweilzeit der Treibhausgase eine maßgebliche Rolle. Sie beschreibt die durchschnittliche atmosphärische Aufenthaltsdauer der Gasteilchen, bevor diese wieder durch chemische Reaktion oder durch den Übergang in die Biosphäre aus der Atmosphäre verschwinden. Deshalb werden die niedrigen Konzentrationen vieler Spurengase durch ihr hohes Wärmeabsorptionsvermögen und ihre lange atmosphärische Verweilzeit mehr als ausgeglichen. So ist etwa die Treibhaus-Wirksamkeit eines Methanmoleküls siebenundzwanzigmal, die eines Lachgasmoleküls zweihundertsechsmal und die von FCKW-Molekülen sechzehntausendmal höher als die eines Kohlendioxid-Moleküls. Das erklärt auch, warum bereits 50 Prozent des zusätzlichen Treibhauseffekts den 'Nicht-CO2-Spurengasen' zuzuschreiben sind. Dieser Prozentsatz dürfte sich, trotz Einstellung der FCKW-Produktion, auf absehbare Zeit kaum verringern, sondern aufgrund der langen atmosphärischen Verweilzeit der 'Nicht-CO2-Spurengase' eher noch vergrössern. Nichtsdestoweniger bleibt das Kohlendioxid mit seinem 50-Prozent-Anteil am zusätzlichen Treibhauseffekt das wichtigste Spurengas anthropogenen Ursprungs.

Folgen des Treibhauseffekts

Die Weltmitteltemperatur nimmt seit 1860 kontinuierlich zu

Inwieweit ein solcher Temperaturanstieg bereits eingetreten ist, läßt sich aus den bestehenden meteorologisch-klimatologischen Messungen ableiten. Hinreichend repräsentative Meßreihen liegen für die bodennahe Mitteltemperatur auf der Nord- und Südhalbkugel der Erde seit Mitte des letzten Jahrhunderts vor. Aus ihnen können wir, trotz starker jährlicher Schwankungen, einen eindeutigen Erwärmungstrend für den Zeitraum der letzten 130 Jahre in der Größenordnung von ca. 0,5 bis 0,7 Grad Celsius erkennen.

Der Erwärmungstrend fällt regional höchst unterschiedlich aus

Die Aussagekraft dieses weltweit gültigen Durchschnittswertes ist jedoch begrenzt, da hierbei die vielfältigen räumlichen und jahreszeitlichen Unterschiede unberücksichtigt bleiben. So fand beispielsweise in den tropischen Breiten nur eine geringe Temperaturzunahme statt, während in Nordamerika und Sibirien die Temperatur um bis zu fünf Grad Celsius anstieg. Gänzlich anders verhielt sich wiederum der europäische Sommer, wo es in einzelnen Regionen sogar zu Abkühlungseffekten kam. Dagegen brachte der Herbst durchgängig wärmere Temperaturen nach Europa.

Zahlreiche Hinweise kündigen die Umstellung des Klimas an

Im Zuge der weltweiten Erwärmung ergaben sich eine Reihe weiterer klimawirksamer Veränderungen, die einen bereits eingetretenen Klimawandel wahrscheinlich erscheinen lassen: Die Alpengletscher zogen sich in den vergangenen 140 Jahren um mehr als ein Drittel zurück. Parallel dazu nahm die jährliche Schneebedeckung auf der nördlichen Erdhalbkugel seit 1973 um rund acht Prozent ab. Gleichzeitig erhöhten sich die Oberflächentemperaturen der tropischen Ozeane zwischen 1949 und 1989 um 0,5 Grad Celsius. Durch die damit verbundene Wärmeausdehnung des Meerwassers und das Abschmelzen der Festlandgletscher stieg wiederum der Meeresspiegel in den letzten hundert Jahren weltweit um durchschnittlich 10 bis 15 Zentimeter.

Kleine Ursachen zeigen eine große Wirkung

Diese Beobachtungen finden zwar ein öffentliches Interesse, geben im allgemeinen aber keinen Anlaß zur Besorgnis. Immerhin lagen die Durchschnittstemperaturen zwischen dem 9. und 13. Jahrhundert, während des 'mittelalterlichen Klimaoptimums', 0,5 bis 1,0 Grad Celsius höher als heute. Wenn die Temperaturen weiter steigen, kommt es mit Sicherheit zu großräumigen Klimaänderungen und somit zu tiefgreifenden sozioökonomischen Problemen, wie die Gefährdung der Land- und Wasserwirtschaft und die Bedrohung der küstennahen Siedlungen.

Der Klimawandel verheißt für die Erde eine ungewisse Zukunft

Die negativen Auswirkungen der beginnenden Klimaänderung zeigen sich seit einiger Zeit in der besonders anfälligen wechselfeuchten Klimazone der nordafrikanischen Sahel-Region. Hier führten bereits geringe Temperaturerhöhungen zu einer Ausweitung des Wüstengürtels und Austrocknung der Böden sowie zu verstärkten Erosionserscheinungen und einer Häufung von Dürreperioden im Wechsel mit Starkniederschlägen. Diese Entwicklung verschärfte zwangsläufig die ohnehin angespannte Ernährungssituation und machte die Sahel-Zone zu einem riesigen Hungergebiet.

Rauchgas-Emissionen verursachen einen zusätzlichen Treibhauseffekt

Hierbei geht es vor allem um die ständig zunehmende Nutzung von fossilen Primärenergieträgern, das heißt, um das Verbrennen von Kohle, Erdgas und Erdöl. So stieg die Nachfrage nach Primärenergie seit der Jahrhundertwende um den Faktor 10, während die Weltbevölkerung im gleichen Zeitraum 'nur' um das 2,5fache anwuchs. Dadurch gelangte immer mehr Kohlendioxid (CO₂) in die Atmosphäre, das sich dort fortlaufend ansammelte und den Treibhauseffekt zusätzlich verstärkte.

Jahr für Jahr setzt der Mensch 29 Gigatonnen Kohlendioxid frei

Ende des 19. Jahrhunderts fielen bei der Verbrennung fossiler Energieträger weltweit erst 1,1 Gigatonnen an. Inzwischen liegt dieser Anteil bei 22 Gigatonnen Kohlendioxid, die jährlich in die Atmosphäre entweichen. Hinzu kommt eine weitere, nicht weniger bedeutsame Emissionsquelle: die Brandrodung der ökologisch überaus wertvollen tropischen Regenwälder. Durch sie gehen jedes Jahr über 20 Millionen Hektar Tropenwald verloren, wobei 5,5 Gigatonnen Kohlendioxid freigesetzt werden. Zusätzlich wird dadurch die photosynthetische Umwandlung von CO₂ in O₂ verhindert.

Ozonloch und Treibhauseffekt

Die Wissenschaftler haben lange Zeit angenommen, daß Ozonloch und Treibhauseffekt zwei Phänomene sind, die sich völlig unabhängig voneinander entwickeln. Die Prozesse, die zu ihrer Entstehung führen, spielen sich ja in unterschiedlichen Stockwerken der Atmosphäre ab. Inzwischen gibt es aber Vermutungen über einen Zusammenhang beider Vorgänge. Eine aktuelle wissenschaftliche Hypothese sieht folgenden Zusammenhang von Ursachen und Wirkungen. Der Mensch produziert Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) und zerstört dadurch die Ozonschicht. Das so entstehende Ozonloch läßt die gefährliche UV-B-Strahlung hindurch, die das Plankton in den Weltmeeren schädigt. Dadurch können diese Einzeller weniger Kohlendioxid aufnehmen. Das wäre aber dringend notwendig, weil durch die Verbrennung fossiler Energieträger immer mehr CO2 in die Atmosphäre gelangt. Der Treibhauseffekt wird verstärkt, die globale Oberflächentemperatur steigt schneller.

Was kann man dagegen tun?

In der Kraftwerkstechnik geht es stets um eine Steigerung der Wirkungsgrade

Am erfolgreichsten verliefen die Bemühungen um eine rationellere Energieanwendung bisher allerdings bei der Verbesserung der Wirkungs- und Nutzungsgrade. Das gilt sowohl für die Umwandlung der Primärenergieträger in den Kraftwerken, als auch für die Umwandlung der Endenergie beim Verbraucher. So stiegen die Wirkungsgrade bei der Stromerzeugung durch die Fortschritte in der Kraftwerkstechnik von circa vier Prozent um die Jahrhundertwende auf mittlerweile 40 Prozent. Und die Entwicklung bleibt nicht stehen: Neue Kraftwerkstypen, wie die Gas- und Dampfturbinen-Kombikraftwerke (GUD-Kraftwerke), arbeiten heute mit Wirkungsgraden von über 50 Prozent. Daneben befinden sich Kombikraftwerke mit druckaufgeladener Wirbelschichtfeuerung und integrierter Kohlevergasung in der Erprobung, die ebenfalls eine effektivere Umwandlung der eingesetzten Primärenergie erlauben.

Im Kraftwerksbetrieb kommt es aber nicht nur auf den Wirkungsgrad, sondern noch mehr auf die Nutzungsgrad einer Anlage an. Sie besagen, in welchem Umfang der eingesetzte Brennstoff während eines bestimmten Zeitraums tatsächlich genutzt wurde. Einen maßgeblichen Beitrag leistet dabei seit langem die gekoppelte Erzeugung von Strom und Wärme ('Kraft-Wärme-Kopplung') in Heizkraftwerken. Ihr Nutzungsgrad liegt bis zu 50 Prozent über dem der getrennten Strom- und Wärmegewinnung, sofern für beide Kopplungsprodukte - elektrische Energie und Wärme - eine sinnvolle Verwendungsmöglichkeit besteht. Angesichts des rückläufigen industriellen Wärmebedarfs dürften künftig vor allem kleinere Anlagen mit höherer Stromkennzahl (Verhältnis Strom- zur Wärmeerzeugung) gefragt sein, wobei Energieeinsparungen bis zu 20 Prozent als realisierbar erscheinen.

Erneuerbare Energien reduzieren den Verbrauch an fossilen Brennstoffen

Wärmepumpen erlauben natürlich nicht nur die Nutzung anfallender Wärmeverluste, sondern auch die Gewinnung der in der Luft, im Erdreich und im Wasser gespeicherten Sonnenenergie. Sie geben damit ein gutes Beispiel, wie durch den Einsatz erneuerbarer Energien endliche, also fossile und nukleare Energieträger eingespart werden können. Immerhin eignen sich drei Viertel aller Ein- und Zweifamilienhäuser für eine nachträgliche Installation von Wärmepumpen, die bei Neubauten ohnehin keine Probleme bereitet. Demnach ließen sich, bei einem langfristigen Sättigungswert von 20 bis 30 Prozent aller Wohnungen und der heute gebräuchlichen Wärmedämmung, pro Jahr etwa 14 Millionen Liter Heizöl mit Raumheiz-Wärmepumpen-Anlagen einsparen. Dies bedingt allerdings massive preispolitische Unterstützungsmaßnahmen, ohne die es den erneuerbaren Energiequellen an Konkurrenzfähigkeit fehlt.

In diesem Zusammenhang sollten wir aber nicht übersehen, daß der Einsatz regenerativer Energiequellen oftmals nicht zu einer rationelleren Energieanwendung führt. Es handelt sich dabei vielmehr um einen reinen Substitutionsvorgang, um den Austausch von nicht-emeuerbaren mit erneuerbaren Energieträgern, der in der Summe eher eine Steigerung als eine Minderung des Verbrauchs bewirkt. Streng genommen bringt nur die passive Solarenergienutzung eine echte Energieeinsparung, nicht jedoch all die anderen aktiven Systeme zur Nutzung der Sonnen- und Windenergie beziehungsweise der Wasserkraft und Biomasse. Gleichwohl ist der Einbezug regenerativer Energiequellen in die Bedarfsdeckung aus ökologischen Gründen zur Schonung unserer Vorräte an Kohle und Kohlenwasserstoffen sowie zur Minderung der Umwelt- und Immissionsbelastungen dringend geboten.

Haushalt und Verkehr verfügen heute über die größten Energiespar-Reserven

Genau umgekehrt verhält es sich beim Verkehrssektor, dessen Anteil am Endenergieverbrauch seit 1960 um über 70 Prozent zunahm. Er übertraf damit in den letzten Jahren sogar die Anteile der Privathaushalte sowie der Industrie und stellt inzwischen den mengenmässig bedeutensten Endenergiebereich dar. Die Verantwortung hierfür trägt ausschließlich der Straßenverkehr, der 1960 erst 56 Prozent, 30 Jahre später aber bereits 87 Prozent der für den Verkehrssektor erforderlichen Endenergie in Anspruch nahm. Demgegenüber spielt der Schienenverkehr heute mit einem Anteil von drei Prozent hinsichtlich des Energieverbrauchs nur eine untergeordnete Rolle. Der Luftverkehr bringt es immerhin auf einen Anteil von neun Prozent und die Binnenschifffahrt gerade noch auf ein Prozent. Insofern liegt das Energiesparpotential des Verkehrssektors vor allem im Straßenverkehr und dies gilt es mit Nachdruck zu erschließen.

Eine differenziertere Betrachtung empfiehlt sich auch beim energieintensiven Sektor der Haushalte und Kleinverbraucher. In ihrem Bereich entfällt der überwiegende Teil des Endenergiebedarfs gemäß der gesamtdeutschen Verbrauchsbilanz auf die Raumheizung. Im einzelnen benötigen die Haushalte 62 Prozent und die Kleinverbraucher 29 Prozent, zusammen also 91 Prozent, des gesamten Heizwärme-Bedarfs. Wenn wir dem Haushalt und Kleinverbrauch somit sektoral gesehen die größte Bedeutung in bezug auf Energiesparmaßnahmen beimessen, dann trifft dies in erster Linie auf die Raumheizwärme zu. Die privaten Haushalte bezogen dabei ihre Heizenergie zu 41 Prozent aus Erdöl, zu 39 Prozent aus Erdgas, zu 8 Prozent aus Fernwärme, zu 5 Prozent aus Strom sowie zu 7 Prozent aus Kohle und erreichten insgesamt einen Nutzungsgrad von 72 Prozent der eingesetzten Heizungs-Endenergie.