Prof. Dr. Martin Heimann

Prof. Dr. Martin Heimann: Kohlenstoffkreislauf und Klimawandel

Zusammenfassung des Energiegesprächs mit Prof. Dr. Martin Heimann. Er ist Director Emeritus am MPI Biogeochemie in Jena. Seine Forschung liegt im Bereich globaler Kohlenstoffkreislauf, Methan, Permafrost. 

Das ganze Gespräch mit Prof. Dr. Martin Heimann auf YouTube.

Einführung in den Kohlenstoffkreislauf

Der Kohlenstoffkreislauf ist ein zentrales Thema in der Klimaforschung, da er maßgeblich zur Regulierung der Erdatmosphäre beiträgt. Er umfasst die Aufnahme und Freisetzung von CO₂ durch Pflanzen, Ozeane und den Boden. Die natürliche Aufnahme von CO₂ durch Fotosynthese und die Speicherung in Wäldern und Böden stehen den menschlichen Emissionen gegenüber.

Auswirkungen von Wald- und Landnutzung

Die Landnutzung spielt eine entscheidende Rolle im Kohlenstoffkreislauf. Wälder fungieren als Kohlenstoffsenken, indem sie CO₂ aufnehmen und speichern. Aufforstungsprojekte können temporär zur Reduktion von atmosphärischem CO₂ beitragen, während Abholzung in den Tropen zu erhöhten Emissionen führt. Die Bewirtschaftung von Wäldern und die Nutzung von Holz als Baustoff oder Brennmaterial beeinflussen die Kohlenstoffbilanz erheblich.

Rolle der Ozeane

Ozeane sind die größten Kohlenstoffspeicher und nehmen CO₂ sowohl durch physikalische als auch durch biologische Prozesse auf. Die Dissoziation von CO₂ im salzhaltigen Meerwasser führt zu einer langfristigen Speicherung in Form von Bikarbonat und Carbonat. Die biologische Pumpe, durch die Plankton CO₂ aufnimmt und in tiefere Wasserschichten transportiert, spielt ebenfalls eine wichtige Rolle.

Modellierung des Kohlenstoffkreislaufs

Zur Vorhersage der CO₂-Konzentrationen in der Atmosphäre werden verschiedene Modelle verwendet. Das Berner Modell beispielsweise beschreibt die Verteilung von CO₂ zwischen Atmosphäre, Ozeanen und Landbiosphäre. Es berücksichtigt physikalische, chemische und biologische Prozesse und hilft, zukünftige CO₂-Konzentrationen unter verschiedenen Emissionsszenarien zu prognostizieren.

Unsicherheiten und Herausforderungen

Die größte Herausforderung in der Modellierung des Kohlenstoffkreislaufs liegt in der Komplexität der Prozesse und der Unsicherheit der Daten. Unterschiede in der regionalen Vegetation, Bodenbeschaffenheit und klimatischen Bedingungen führen zu variierenden Kohlenstoffflüssen. Besondere Unsicherheiten bestehen in den Permafrostregionen, wo tauender Boden Methan freisetzt, ein Treibhausgas, das viel stärker als CO₂ wirkt.

Zusammenfassung

Der Kohlenstoffkreislauf ist komplex und wird durch natürliche und menschliche Aktivitäten beeinflusst. Wälder und Ozeane spielen als Kohlenstoffsenken eine wichtige Rolle, während menschliche Aktivitäten wie Abholzung und Verbrennung fossiler Brennstoffe zu einer erhöhten CO₂-Konzentration führen. Modelle wie das Berner Modell helfen, diese Prozesse zu verstehen und zukünftige Entwicklungen vorherzusagen, obwohl Unsicherheiten bestehen bleiben, insbesondere in Bezug auf regionale Unterschiede und zukünftige Emissionen.

Die vollständige Liste aller Energiegespräche finden sich hier:

https://energiespeicher.blogspot.com/p/energiegesprache-mit-eduard-heindl.html

Dr. ir. André Wakker

Energiegespräch mit Dr. ir. André Wakker

Einführung und historischer Hintergrund

Dr. Ingenieur Andrej Wakker ist ein langjähriger Befürworter der Kernenergie und hat in verschiedenen Positionen, unter anderem bei ECN und Shell, gearbeitet. In den Jahren 2005 bis 2009 leitete er eine Gruppe, die die niederländische Regierung in Fragen der erneuerbaren Energiepolitik beriet. Bereits zu dieser Zeit warnte er vor den hohen Kosten und der Ineffizienz erneuerbarer Energien und setzte sich stattdessen für die Kernenergie ein. Er argumentiert, dass die Energiedichte und der Kapazitätsfaktor der Kernenergie überlegen sind und dass die Debatte über Kernenergie mehr ideologisch als technisch ist​​.

Dr. Ing. André Wakker im Energiegespräch auf YouTube.

Die Entwicklung der Energiequellen

Historisch gesehen begann die Menschheit mit der Nutzung von Holz als Energiequelle, das als CO₂-neutral gilt. Mit der industriellen Revolution stieg der Bedarf an Energie, und die Gesellschaft wechselte zu Kohle, da Holz nicht mehr ausreichte. Später wurde Öl bevorzugt, da es eine höhere Energiedichte und vielfältigere Anwendungsmöglichkeiten bietet. Seit den 1960er-Jahren ist die Kernenergie aufgrund ihrer hohen Energiedichte die bevorzugte Energiequelle. Die Umstellung auf verschiedene Energiequellen war stets durch das Prinzip der Energiedichte und Effizienz getrieben​​.

Sicherheitsfragen und Katastrophen

Die Sicherheit von Kernkraftwerken ist ein zentrales Thema in der Diskussion um Kernenergie. Es gab in der Geschichte drei große Unfälle: Tschernobyl, Three Mile Island und Fukushima. Tschernobyl war aufgrund eines fehlerhaften Designs und mangelnder Sicherheitsvorkehrungen katastrophal. Three Mile Island zeigte, dass die Sicherheitsmechanismen funktionierten, da trotz eines Kühlmittelausfalls keine radioaktive Freisetzung in die Umwelt stattfand. Fukushima war eine Folge eines Tsunamis, der die Notstromversorgung zerstörte, was zu einem Kernschmelzunfall führte. Trotz der Freisetzung von Radioaktivität waren die Auswirkungen auf die Umwelt relativ gering.

Klimawandel und die Rolle der Kernenergie

Dr. Wakker ist überzeugt, dass der Anstieg von CO₂ in der Atmosphäre real ist und zu einer globalen Erwärmung führt. Allerdings sieht er dies nicht als Katastrophe, sondern als Herausforderung, die durch Anpassung und technologische Lösungen gemeistert werden kann. Er kritisiert die Schließung von Kernkraftwerken in Anbetracht des Klimawandels als unlogisch und heuchlerisch. Die Kernenergie bietet eine emissionsarme Alternative, die wesentlich zur Reduktion von CO₂ beitragen kann. Anpassungsstrategien, wie sie in den Niederlanden bei der Wasserinfrastruktur angewendet werden, könnten weltweit helfen, den Herausforderungen des Klimawandels zu begegnen.

Zukunftsaussichten und technologische Innovation

In der Zukunft sieht Dr. Wakker eine verstärkte Nutzung der Kernenergie als Hauptquelle der Energieversorgung. Er glaubt, dass die Innovation in der Nukleartechnologie, einschließlich kleinerer Reaktoren und Thorium-Flüssigsalzreaktoren, weiter voranschreiten wird. Diese Technologien könnten nicht nur Elektrizität, sondern auch industrielle Prozesse effizienter gestalten. Zudem sieht er das Potenzial für eine verstärkte Nutzung von Wasserstoff aus Kernkraftwerken. Langfristig wird die Mehrheit der Energieversorgung durch Kernenergie gedeckt sein, unterstützt durch erneuerbare Energien in einigen Regionen. Der Fortschritt in der Kernfusion wird zwar weiter erforscht, jedoch wird er nicht als kurzfristige Lösung gesehen.

Schlussfolgerung

Die Diskussion um die Zukunft der Energieversorgung ist stark von ideologischen und politischen Überzeugungen geprägt. Dr. Wakker plädiert für eine pragmatische Herangehensweise, die auf wissenschaftlichen Fakten und technologischen Innovationen basiert. Er fordert mehr sachliche Diskussionen und weniger ideologisch getriebene Entscheidungen, um die Herausforderungen des Klimawandels und der Energieversorgung nachhaltig zu bewältigen.

Eine Liste aller Beiträge finden Sie hier:

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2. VDI-Speicherkonferenz

Am 20 und 21. Juni 2012 fand in Karlsruhe die 2. deutsche VDI Speicherkonferenz statt. Geleitet wurde sie von Professor Dr.  Michael Sterner aus Regensburg. Die zentralen Themen waren Power to Gas (P2G), wie unter dem Vorsitzenden kaum anders zu erwarten, da er beim Fraunhoferinstitut IWES die entsprechenden Technologien angestoßen hat. Daneben ging es um andere neue physikalische Speichersysteme und dabei natürlich um den Lageenergiespeicher (PDF, Folien mit Soundtrack, MP3) der auf großes Interesse gestoßen ist, mein Vortrag wurde von Sterner in der Abschlussrede als erfrischend, querdenkerisch aber auch als sehr wichtige Innovation eingestuft.  

Power to Gas

Power to Gas  ist das Verfahren, bei dem man mit überschüssigen Solarstrom oder Windstrom Wasserstoff erzeugt wird und danach mit CO2 dieser Wasserstoff in einer chemischen (oder auch biologischen!) Reaktion in Methan umgewandelt wird. Methan kann man natürlich hervorragend in das Erdgasnetz einspeisen. Leider ist der Wirkungsgrad nur 60%, so dass es keinerlei wirtschaftlichen Vorteil gegenüber natürlichem Methan gibt. Dieses Verfahren ist also als Stromspeicherverfahren nicht sinnvoll, allerdings ist es für die Autoindustrie von Interesse. So wurde von Audi das Thema aufgenommen und eine erste Produktionsanlage wird in Norddeutschland direkt neben einer Biogasanlage aufgestellt, da dort das notwendige (ökologische) CO2 anfällt. Methan kann bekanntlich auch als Autogas verwendet werden und gibt er Automobilindustrie mit Verbrennungsmotor eine interessante Alternative nach dem Ölzeitalter. Bemerkenswerterweise ist die CO2 Bilanz exakt gleich wie beim Elektroauto, so dass es wirklich sinnvoll sein kann Methan zu tanken, da die Reichweite heute schon viel besser ist.

Synthetisches Öl aus Solarenergie

Interessanterweise ist auch die vollständig synthetische Herstellung von Benzin oder Diesel aus Solarenergie wirtschaftlich. Die Herstellungskosten pro Liter liegen bei einer Vollkostenrechnung unter einem Euro und ab einem Ölpreis von etwa 120€ pro Barrel werden wir synthetisches Öl sehen. Insbesondere für die Luftfahrt ein zentraler Punkt, da ein A380 als Batterieflugzeug wohl nie kommen wird.

Druckluftspeicher

Das seit über vierzig Jahren bekannte Verfahren, Strom in Form von Druckluft in Salzkavernen zu speichern ist kaum verbessert worden und leidet weiterhin unter dem schlechten Wirkungsgrad von 40-50%. Weltweit gibt es zwei Anlagen, in den letzten zwanzig Jahren wurde keine neue gebaut.

Batterien

Als spezielle Speicherform wurde die Vanadium-Redox-Flow Batterie dargestellt. Dabei werden zwei Ionisierungsstufen von Vanadium in zwei Tanks gespeichert. Bei Strombedarf werden die elektrolytischen Flüssigkeiten in eine Kammer gepumpt in der sie durch eine Membrane getrennt sind. Es entsteht ein elektrisches Potential und dieses kann genutzt werden. Dabei wurde ein fertiges System gezeigt, das in zwei Containern, ein Tankcontainer, ein Reaktionscontainer, 400kWh speichern kann. Es wird von Gildemeister wohl gut nach Indien verkauft, wo lokal Solarenergie erzeugt wird und bei dem notorisch schwachen Stromnetz eine zuverlässige Energieversorgung möglich wird.

Die Tagung hat viele interessante Vorträge geliefert, allerdings haben alle Teilnehmer unter dem überfüllten Raum und der schlechten Klimatisierung gelitten. Mit Sicherheit war das nicht die letzte Speicherkonferenz des VDI, da das Thema zunehmend wichtiger wird.

Weitere Berichte von Energiespeicher Konferenzen:

http://energiespeicher.blogspot.de/2013/11/konferenzberichte.html

Gibt es einen Klimawandel?

In der Diskussion um den Wechsel zu erneuerbaren Energien spielt die Frage des Klimawandels eine entscheidende Rolle. Doch gibt es überhaupt einen Klimawandel?

Hier will ich als Physiker einige Aspekte der Argumentation aufgreifen, das Urteil überlasse ich den Leser.

Was ist Klima?

Klima ist die langfristige Änderung etwa der Temperaturen, unter langfristig versteht man mindestens Jahrzehnte, oft auch Jahrhunderte. Die Tatsache, dass gerade Sibirische Kaltluft nach Deutschland eingeflossen ist hat also überhaupt nichts mit Klima sondern mit Wetter zu tun. In der Presse, die jeden Tag (und nicht jedes Jahrzehnt) eine neue Wettermeldung braucht, wird das gerne vermischt.

Historisch, in den letzten tausend Jahren, hat sich das Klima immer gewandelt, allerdings muss der Unterschied nicht all zu groß gewesen sein, in Deutschland gab es immer Frost aber es reichte zum Weinbau in einigen Gegenden. Aus den Ringen der alten Bäume kann man auch sehen, dass diese im Wesentlichen gleichmäßig gewachsen sind.

Temperatur im Kohlezeitalter

Das Kohlezeitalter    

Vor gut hundert Jahren haben wir begonnen, Kohle zu verbrennen, aber in wirklich großen Mengen geschieht das erst seit wenigen Jahrzehnten. Der Zeitraum von 1960-1990 gilt in der Klimatologie immer noch als ein „normaler“ Zeitraum, obwohl die CO2 Konzentration schon ein wenig gestiegen ist. In den letzten 20 Jahren scheint aber die Temperatur etwas anzusteigen, vielleicht um 0,5°C.

Das ist nicht besorgniserregend, da eine derartige Temperaturveränderung historisch vermutlich auch aufgetreten ist. Wenn auch sehr selten.

Jetzt wird es unübersichtlich, da viele damit argumentieren, dass dieser Anstieg völlig eindeutig durch das CO2 kommt. Wie kann man dies belegen? Ein eindeutiger Beleg wäre, die Situation zu wiederholen. Zurück nach 1950, keine Kohle und Öl verbrennen und nach 60 Jahren die Veränderung überprüfen. Genau das ist aber nicht möglich. Damit haben die Wissenschaftler zunächst ein Beweisproblem.

Beweisführung

Wie kann man den Beweis noch führen? Eine Ursachenanalyse ist hilfreich. Was kann die Temperatur erhöhen? Seit 1890 ist bekannt, dass CO2 ein Treibhausgas ist, oder besser gesagt, ein Gas, das mit der Infrarotstrahlung wechselwirkt. Das macht auch Wasserdampf und einige andere Gase wie Methan, jedoch nicht Stickstoff und Sauerstoff, die Hauptbestandeile der Luft.

Eine relativ einfache Rechnung zeigt, dass damit die Temperatur eines Planeten erhöht wird, und das geht so: Sonnenstrahlung fällt auf den Boden und wird in Wärme umgewandelt. Wo geht diese Wärme hin? Diese wird als Infrarotstrahlung in das Weltall abgestrahlt. Wäre das nicht so, hätten wir bald 6000°C auf der Erde! CO2 behindert diese Abstrahlung etwas, die Oberfläche des Planeten wird etwas wärmer. Bei der Venus, die sehr viel CO2 in der Atmosphäre hat, führt das zu einer Bodentemperatur, die Blei schmelzen lässt.

Führt man die Rechnung zu Ende, erhält man einen Temperaturanstieg, der gut mit der gemessenen Veränderung übereinstimmt. Für die Zukunft gibt es zwei Probleme, wie wird sich der CO2 Anstieg weiterentwickeln und gibt es Rückkopplungen.

Die billigste Energiequelle gewinnt 

Solange Kohle der billigste Brennstoff ist, um Strom zu erzeugen, wird Kohle verbrannt werden, da kaum ein Land bereit ist, günstige Energie nicht zu nutzen. Daher kann man vermuten, dass noch viel weiteres CO2 in die Atmosphäre kommt. (So billig kann Solarenergie werden!)

Das Rückkopplungsproblem

Wesentlich kritischer ist die Frage der Rückkopplung. Das Klima wird durch weitere Faktoren bestimmt, insbesondere Wasserdampf, der noch besser als CO2 die Infrarotstrahlung absorbiert. Wird es wärmer, verdampft mehr Wasser, wie jeder am Herd selbst feststellen kann. Damit kommt eine sogenannte Rückkopplung zustande, etwas wärmer, mehr Wasserdampf, noch wärmer usw. Dies wäre ein Teufelskreis, der uns in wenigen Jahren einen unbewohnbaren Planeten bescheren würde.

Wenn da nicht auch noch die Wolken wären. Wolken reflektieren das Sonnenlicht sehr gut, und daher ist es an einem bewölkten Tag auch kühler. Leider ist es sehr schwierig dies quantitativ zu untersuchen. Die Wissenschaftler versuchen daher das Klima in Wettermodellen zu analysieren. Aber Wetter ist schwierig zu analysieren und damit sind wir wieder am Anfang der Geschichte. Wer das Klima verstehen will muss auch das Wetter verstehen und das ist schwierig.

Interessanterweise führen aber praktisch alle Annahmen die man in die Modelle steckt immer zu einer deutlichen Erhöhung, oder genauer gesagt zu einem gewissen Rückkopplungseffekt, der höher ist, als der reine CO2 Effekt.

Ist ein warmes Klima ein Problem?

Ist warmes Klima ein Problem? Im Prinzip gab es auf der Erde schon sehr warme Zeiten, etwa als all die Kohle entstand, die wir jetzt verbrennen. Das Problem ist zum einem, dass der Wandel, wenn er sehr schnell kommt, und erdgeschichtlich sind tausend Jahre bereits sehr schnell, für die Natur bereitet das Schwierigkeiten. Aber man kann sagen, das ist deren Problem. Die aktuelle menschliche Zivilisation ist, nebenbei bemerkt, für den Artenreichtum vermutlich ein viel größeres Problem.
(Offensichtlich nimmt die Begrünung der Erde aktuell zu, Nature Climat Change Letter)

Für uns Menschen dürfte die Änderung des Meeresspiegels, der in erster Linie durch die Erwärmung und damit Ausdehnung des Wassers verursacht wird, das größte Problem sein. Sehr viele Städte sind an den Küsten und auf geringer Meereshöhe gebaut. Ein weiteres akutes Problem könnte in der Landwirtschaft entstehen, wenn sich Wüsten ausdehnen. Aber bereits hier sind genaue Prognosen sehr schwierig. Hier gilt es also Kosten abzuwägen.

Billige Solarzellen sind wichtiger als CO2 Zertifikate

Letztendlich ist man auf der sicheren Seite, wenn man nicht zu sehr in die Zusammensetzung der Atmosphäre eingreift. Daher sollte der CO2 Ausstoß verringert werden. Dies wird aber nur gelingen, wenn die erneuerbaren Energien preiswerter sind als die Verbrennung von Kohl und Öl. Vermutlich sehen wir gerade diese Wende. An vielen günstigen Standorten ist Wind günstiger als Kohlekraftwerke, im Süden wird das bald flächendeckend für Solarenergie gelten. (Untere Preisgrenze für Solarenergie)

Nur mit Energiespeicher wird das Klima so erhalten

Bleibt noch das Speicherproblem, wenn dieses gelöst ist, ist auch das Klimaproblem gelöst. Daher ist die Erforschung günstiger Energiespeicher von globaler Bedeutung!

Weitere Betrachtung:

Wie sich die CO2 Konzentration entwickelt