Karl Wilhelm Böddeker

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Karl Wilhelm Böddeker
Kultur & Technik
WS 2009/2010
02.11.2009
Über Kohlenstoff in der Natur (Vortragsmanuskript/Entwurf)
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Gaia-Hypothese und Klimawandel
Gaia = unsere Vorsilbe Geo, griechisch "Erde". Name der griechischen
Erdgöttin, wesensverwandt mit Demeter und weiteren.
Gaia-Hypothese (James Lovelock, 1979): Die Erde wird betrachtet als ein
einziger "Organismus" mit selbstregulierenden Eigenschaften. Stabilisierung
durch Austauschvorgänge (Rückkopplungen) zwischen den Kohlenstoffspeichern, einzigartig vermittelt durch die Biosphäre, dem Speicher des
Lebens.
Das dynamische System Erde
Am Anfang waren Erde und Ozean wüst beziehungsweise leer. Der
Kreislauf des Wassers funktionierte, sobald die Kondensationstemperatur
unterschritten war: CO2 wurde aus der Uratmosphäre (die, abgesehen von
Wasserdampf, fast nur aus CO2 und N2 bestand) in das offenbar bereits
salzige Meer gewaschen. [Über die Herkunft des Meerwassers wird noch
spekuliert: vulkanisch ausgeschwitzt aus der Urmasse; Kometeneinfang; –
wahrscheinlich beides.] Während die Leuchtkraft der Sonne zunahm (das tut
sie noch immer), nahm zugleich der CO2-Anteil in der Uratmosphäre ab, so
dass die frühe Klimakatastrophe ausblieb. Dies ist der erste Hinweis auf eine
Art "Selbstregulierung" des Systems Erde, die der Kerngedanke der GaiaHypothese ist.
Sehr früh schon regte sich Leben unter der schützenden Wasseroberfläche
(noch kein Ozon, d.h. heftige UV-Bestrahlung). Gelösten Kohlenstoff (als
CO2/HCO3-) gab es reichlich, Energie (solar) und Wasser ebenfalls: Die
Zutaten für die Photosynthese, die nach 6CO2 + 6H2O  C6H12O6 + O2
Glucose und molekularen Sauerstoff liefert.
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Spekulationen über den "Beginn des Lebens" gehören nicht hierher, – es war
auch noch für mehrere Milliarden (!) Jahre wenig spektakulär, nämlich
beschränkt auf Mikroorganismen (Plankton). Bei aller anfänglichen
Bescheidenheit nimmt von nun an das "Leben" Einfluss auf die weitere
Entwicklung unseres Planeten, indem es einerseits Sauerstoff bereitstellt,
andererseits eine neue zusätzliche CO2-Senke in Form von (zunächst)
mariner Biomasse darstellt (DOM = dissolved organic matter). Seit es
Photosynthese gibt, ist unsere Erde darstellbar als ein interagierendes
System dreier "aktiver" Kohlenstoffspeicher,
• Atmosphäre (die Lufthülle, enthaltend Kohlenstoff als CO2)
• Hydrosphäre (die Ozeane, enthaltend CO2/HCO3- und DOM)
• Biosphäre (alles was "lebt", d.h. stoffwechselt)
Als "inaktiv" werden hier solche Speicher eingestuft, die am biologischen
Austausch-Geschehen keinen oder nur geologisch-langsamen Anteil haben,
– es sei denn, sie werden durch Nutzung "aktiviert" (Kohle und Öl sind in
diesem Sinn inaktive Kohlenstoffspeicher). Über die jeweiligen Mengen und
Austauschraten weiter unten.
Die "formative" Phase, also der Weg hin zu einer Art Gleichgewicht
zwischen den Sphären, endete erst vor 500 Millionen Jahren, als das Leben
(und damit die Photosynthese) sich zögernd vom Meer auf das Land
ausbreitete (inzwischen gab es eine schützende Ozonschicht). Nun wurden
die Organismen bald größer, und sie waren auch nicht länger auf rein
vegetarische Kost angewiesen, – mit anderen Worten, sie brauchten Schutz
(z.B. Kalkschalen) oder andere furchteinflößende Eigenschaften. [Wer weiß,
wann Angst und Misstrauen in die Welt gekommen sind.]
Heute ist – laut Gaia-Hypothese – eine Art stationärer Zustand erreicht, den
Lovelock mit dem Funktionieren eines Organismus vergleicht: So wie die
Warmblüter ihre Körpertemperatur innerhalb sehr enger Grenzen konstant
halten, reguliert sich auch das Klima der Erde "wie von selbst". Kleine
Abweichungen wie die Warm- und Kaltzeiten der jüngeren Erdgeschichte
werden durch Austauschvorgänge zwischen den Kohlenstoffspeichern (den
drei Sphären) aufgefangen: Das Leben geht weiter. Dabei kommt der
Biosphäre eine Schlüsselrolle zu, indem sie mit ihren beiden Wirkmechanismen Photosynthese und Respiration (Atmung) für raschen
Austausch sorgt. Diese Sicht weist der Biosphäre eine ungewohnte Rolle zu:
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Es wird nicht unbedingt gefordert, dass Anpassung an gegebene Umstände
das Leben prägt (Stichwort ökologische Nischen), sondern umgekehrt
gestaltet das Leben auch die Lebensräume.
Es gibt Einwände grundsätzlicher Art:
• Es besteht die Versuchung, hinter der von der Gaia-Hypothese postulierten
Selbstregulierung außerirdisches Wirken (oder gar überirdische Absicht) zu
vermuten (zu erhoffen). In die etwas diffuse Gedankenwelt von New Age
Science passte die Hypothese nahtlos, weil ganzheitlich; Lovelock selbst
möchte, wie es heißt, nicht vereinnahmt werden.
• Ein anderer Einwand betrifft die Extrapolation natürlicher Abläufe auf
geologische (kosmologische) Zeiträume: So wie sie es seit 5 Milliarden
Jahren tut, wird die Sonne auch in Zukunft stetig heißer und heller werden,
bis zu ihrem vorhersehbaren Ende als Supernova. Lange bevor in ferner Zeit
unsere Ozeane endgültig verdampfen, wird die vermeintliche Selbstregulierung keine Wirkung mehr haben. Das Wahrnehmungsproblem hat mit
dem Zeitmaßstab zu tun: Versuchen Sie, einer Eintagsfliege die Jahreszeiten
zu erklären! ["Ewigkeit" ist in diesem Bezugssystem nicht vorgesehen.]
Der entscheidende Einwand ist jedoch dieser: Der Gaia-Mechanismus
scheint schon heute mit dem sich abzeichnenden, auf menschlichen Eingriff
zurückzuführenden Klimawandel nicht fertig zu werden. Besonders scheint
die Biosphäre (zu Land und zu Wasser) nicht rasch genug auf den Anstieg
des CO2-Gehaltes der Atmosphäre zu reagieren, so gering er auf den ersten
Blick erscheinen mag (alles im ppm-Bereich). In zulässiger Vereinfachung
besteht der menschliche Eingriff in der beschleunigten Verbrennung von
fossiler Biomasse (Kohle, Öl). Vielleicht nimmt Gaia den Ausverkauf ihrer
stillen Reserven übel, – und fürchtet sich überdies vor den vielen Menschen.
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Die Wirkungskette Energie, CO2-Ausstoß, Klimagefährdung
2.1
Schilderung der Lage
Als gesichert gilt:
• Es besteht ein Zusammenhang zwischen CO2-Gehalt der Atmosphäre und
der Temperatur der Erdoberfläche einschließlich der Meere, nachweisbar
mindestens über mehrere Zyklen der alle 100 000 Jahre regelmäßig
wiederkehrenden Eiszeiten der jüngsten Erdgeschichte.
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• Ein außerordentlicher CO2-Anstieg in der Atmosphäre wird seit Beginn
der Industriellen Revolution (d.h. seit 1750) beobachtet; dies sind die Werte,
angegeben in ppm CO2 (cm3/m3) bzw. in Gigatonnen Kohlenstoff:
– Würm-Eiszeit vor 18000 Jahren
190 ppm CO2 = 415 Gt C
– Beginn der Industriellen Revolution
280 ppm
= 610 Gt
– Aktueller Wert (2008)
385 ppm
= 800 Gt
• Der CO2-Anstieg ist eine direkte Folge des zunehmenden Energiebedarfs
der Menschheit in den Kategorien Strom, Kraftstoff (Transport), Wärme
(einschließlich Prozesswärme). Der Energiebedarf wird auf absehbare Zeit
nahezu linear steigen (als absehbar gilt der Zeitraum bis 2100), als Folge von
Bevölkerungswachstum und Entwicklungsanspruch. Die globalen Werte
sind (Primärenergie in Exajoule pro Jahr, EJ/a):
– 2005: 500 EJ/a (entsprechend 130 Billionen kWh/a)
– 2100: 1600 EJ/a
• Bei heutiger Wirtschaftsweise (ungehemmter Verbrauch der fossilen
Energieträger) würden die Reserven an Erdöl, Erdgas (und Uran) noch
innerhalb des "absehbaren Zeitraums" erschöpft sein; Steinkohle und
Braunkohle haben eine etwas größere Reichweite. Würden diese Reserven
tatsächlich "verbrannt", wäre eine Klimakatastrophe unausweichlich.
Soweit besteht Konsens. Wenn es um Maßnahmen geht (Abschnitt 2.3), ist
von Konsens keine Rede mehr, es wetteifern politische, weltanschauliche
und lobbyistische Interessen, wie sie das Dilemma zwischen technischer
Machbarkeit (im Prinzip unbegrenzt) und menschlicher Einsichtsfähigkeit
(prinzipiell begrenzt) hervorbringt. Vergleichsweise ernsthaft betrieben wird
dagegen das Instrument der Bestandsaufnahme, Klimamodellierung und
Verbrauchsanalyse.
2.2
Klimamodelle (wieviel Energie braucht der Mensch?)
Das Entwicklungsprogramm der Vereinten Nationen (UNDP) vergibt
jährlich Noten über den Entwicklungsstand der Länder der Welt, den Human
Development Index (HDI). Er wird mit Werten zwischen 0 und 1 aus vier
Teilindices errechnet
– Lebenserwartung bei der Geburt
– Alphabetenquote der Erwachsenen
– Brutto-Schuleinschreibungsrate
– reale Kaufkraft je Einwohner
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Ein HDI > 0.8 gilt als hochentwickelt (Deutschland mit 0.935 auf Platz 22);
HDI zwischen 0.5 und 0.8 liegen die "Schwellenländer"; HDI < 0.5 sind
gering entwickelt (Sierra Leone, 0.336).
Im folgenden Diagramm sind für eine Anzahl von Ländern die HDI-Werte
mit dem Jahresverbrauch an Primärenergie ihrer Einwohner korreliert
(dieser Wert liegt für Deutschland (2005/2007) bei 5527 W/cap gegenüber
einem Welt-durchschnitt von 2283 W/cap). Die ablesbare Information ist
diese: An der Linie "2000 Watt pro Person" scheidet sich die Welt in die
beiden Lager entwickelt und unterentwickelt; bis zu dieser Linie steigt der
HDI-Wert steil an; für die Industrieländer des Nordens hat dagegen der
Energieverbrauch kaum mehr Einfluß auf deren Lebenssituation, soweit
diese durch den HDI-Wert beschrieben wird. Was folgt daraus?
Entwicklungsländer erhöhen ihr HDI-ranking, indem sie Energie verfügbar
machen; Industrieländer neigen eher dazu, den Energieverbrauch durch
höhere Effizienz zu drosseln, ihre "Lebensqualität" ist durch höheren
Verbrauch kaum mehr zu steigern. [Leider verstehen Industriemenschen
unter Effizienz nur die der Energieerzeugung (genauer Umwandlung), nicht
die des individuellen Verbrauchs.]
Das "Shell-Szenario für den globalen Energieverbrauch" (eines von vielen
derartigen Szenarien) [Bild] benutzt die Idee der "2000 Watt-Gesellschaft"
spekulativ wie folgt: Bei 2000 W pro Person und dann 10 Milliarden
Menschen kommt man für 2050 rechnerisch auf einen Gesamtverbrauch von
630 EJ/a, – wenig mehr als heute der Energieverbrauch von 6.8 Milliarden
Menschen beträgt. Wenn zugleich alternative Energiequellen zur Verfügung
stehen, könnte die 2000 Watt-Menschheit dann glatt auf Öl, Gas und Kohle
verzichten. Dies als Beispiel für das dem Thema eigene Wunschdenken.
Ein anderes Beispiel für Wunschdenken ist das Szenario ("Energiemix") des
Wissenschaftlichen Beirates der Bundesregierung (2008), welches das
zukünftige Heil in der Direktnutzung der Solarenergie sieht [Bild].
Ein realistischer Ansatz geht von der – allgemein akzeptierten – Annahme
aus, dass unser Planet eine Erwärmung von 2 Grad (über das vorindustrielle
Niveau) aushält und fragt folglich: Wieviel CO2 darf es denn noch sein?
Das Ergebnis dieser Studie, die es sogar bis zur aktuellen Veröffentlichung
in Nature gebracht hat, ist ernüchternd [Bild]: "Wenn das Risiko, das 2-Grad
Ziel zu überschreiten, unter 25 % bleiben soll, dann darf die Welt zwischen
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2000 und 2050 nicht mehr als 1000 Gt CO2 ausstoßen" (M. Meinshausen,
Potsdam-Institut für Klimaforschung). Mehr noch: nach 2050 müsste der
Ausstoß auf fast Null begrenzt werden. – Politiker denken kurzfristig,
nämlich in jährlicher CO2-Emission bzw. jährlicher Vermeidung (so wird es
auch bei der in Kürze stattfindenden Klima-Konferenz in Kopenhagen sein).
< muss ergänzt werden >
2.3
Zur Einschätzung der möglichen Maßnahmen
Allgemeine Vorbemerkungen
– Das Fernziel ist CO2- (Klimagas-)Vermeidung. Dieses Ziel ist für die
Stromversorgung leichter und vielfältiger erreichbar als für den Transportsektor (die sogenannten Kraftstoffe).
– Die Frage "was kommt nach dem Öl" ist irreführend. Keinesfalls dürfen
die bekannten fossilen Kohlenstoff-Reserven bis zur Erschöpfung verbraucht
(d.h. in CO2 überführt) werden, vielmehr müssen wir uns an den Gedanken
gewöhnen, dass zugängliche Ressourcen unangetastet bleiben müssen. [Die
Überforderung liegt auf der Hand: Habe Kuchen, habe Hunger, darf nicht
essen.]
Nun die drei Maßnahmen-Pakete
• Erstens: Nach Möglichkeiten suchen, CO2 irgendwie "los" zu werden.
Hier soll noch einmal Gaia bemüht werden: was leistet die Biosphäre?
Bestand an Biomasse auf der Erde (ohne die fossile "inaktive" Biomasse),
hier angegeben in Gigatonnen Trockensubstanz:
– auf dem Land
1840 Gt
– im Meer
4 Gt
Jährlicher Zuwachs (Neubildung)
– auf dem Land
107 Gt
– im Meer
55 Gt
Anmerkungen: Das stationäre Bio-Inventar der Meere ist vergleichsweise
gering, allerdings ist der Zuwachs ("Stoffwechsel") hoch; da das
Meeresleben überwiegend in den Schelfbereichen stattfindet, erscheinen die
offenen Ozeane praktisch als "Wasserwüsten".
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Die Biomasse an Land – auf Masse bezogen ganz überwiegend Lignocellulose – liefert trotz des sehr viel höheren Inventars nur etwa doppelt
soviel Zuwachs wie das Meer (entsprechend aufgeteilt ist die photosynthetische Sauerstoffproduktion zu 2/3 an Land, 1/3 im Meer).
Wie kann man Gaia unterstützen?
– Die naive Lösung: Bäume pflanzen; würde das Bio-Inventar erhöhen und
damit zumindest vorübergehend Erleichterung verschaffen. [In der dem
Verkehr gewidmeten Infrastruktur unserer Länder könnten ganze Wälder
angesiedelt werden.]
– Die intelligente Lösung: CO2 am Ort der Entstehung durch Photosynthese
in Algenreaktoren abfangen (und als Würfelzucker auf Halde kippen [Bild].)
Falls zu Kraftstoff weiterverarbeitet, gelangt das CO2 nach kurzem
Aufenthalt hienieden dennoch in die Atmosphäre.
– Die dümmste Lösung: "Endlagerung" unterirdisch oder im Meer [Bild],
vornehm als sequestrieren (aus dem Verkehr ziehen) apostrophiert.
• • Zweitens: Nach Möglichkeiten suchen, Energie (insbesondere, aber
nicht nur, Kraftstoffe) ohne erhebliche CO2-Emission bereitzustellen. Dies
ist die farbenprächtige Domäne der alternativen oder erneuerbaren Energien.
<ergänzen>
<erwähnen TUHH Forschungsschwerpunkt Energie- und Umwelttechnik,
Prof. Kaltschmitt u.a.>
• • • Drittens: Nach Möglichkeiten suchen, den Energieverbrauch
verträglich einzuschränken.
<ergänzen>
Als Entwurf beendet am 11.11.2009