Treibhauseffekt

Entstehung

Zusammensetzung der Luft

In chemischer Hinsicht setzt sich die Atmosph√§re 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 geh√∂ren. Zweitens aus festen und fl√ľssigen Schwebeteilchen ("Aerosole") wie beispielsweise Staub, Ru√ü, Salze, Pflanzenpollen etc. sowie drittens aus Wassertropfen und Eispartikel ("Hydrometeore").

Klimawirksame Spurengase f√ľhren zur Erw√§rmung der Erdoberfl√§che

Der atmosph√§rische 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 Erdoberfl√§che ausgehende Infrarotstrahlung hingegen zu absorbieren, in W√§rme umzuwandeln und teilweise wieder auf die Erde zur√ľckzustrahlen. Durch diese "W√§rmer√ľckf√ľhrung" kommt es zwischen der Erdoberfl√§che und der unteren Atmosph√§re, wie in einem Treibhaus zu einer Erw√§rmung von ca. 33 Grad Celsius.

Spurengase
Erwärmungseffekt
Wasserdampf
20,6 °C
Kohlendioxid
7,2 °C
Ozon, bodennah
2,4 °C
Distickoxid
1,4°C
Methan
0,8 °C
√ľbrige Spurengase
Ca. 0,6 °C
Summe
ca. 33 °C

Ohne Treibhauseffekt gäbe es auf der Erde nur Dauerfrost

Ohne die Mitwirkung der Treibhausgase w√§re die Erde eine lebensfeindliche Eisw√ľste 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 Einflu√ü der √ľbrigen Treibhausgase nicht untersch√§tzt werden. Sobald n√§mlich ihre Konzentration und damit die Lufttemperatur zunimmt, verdunstet auf der Erde mehr Wasser, was wiederum den atmosph√§rischen Wasserdampfgehalt erh√∂ht und den Treibhauseffekt verst√§rkt.

Methan, Lachgas, Ozon und FCKW verstärken ebenfalls den Treibhauseffekt

Noch h√∂here Zuwachsraten werden bei den √ľbrigen, bereits genannten Spurengasen, verzeichnet, die aber eine erheblich niedrigere atmosph√§rische Konzentration aufweisen als das Kohlendioxid. So hat sich das vorindustrielle Mischungsverh√§ltnis von Methan (CH4) bis heute mit einer j√§hrlichen Steigerung von 0,75 Prozent von 0,8 auf 1,74 ppm mehr als verdoppelt. Die Ursache daf√ľr liegt haupts√§chlich im globalen Bev√∂lkerungswachstum begr√ľndet und geht im einzelnen auf die Ausweitung des Reisanbaus und der Rinderhaltung, die Emissionen aus M√ľlldeponien sowie auf die Verluste bei der Erdgas- und Erd√∂lgewinnung zur√ľck. √Ąhnlich verh√§lt es sich beim Distickoxid oder Lachgas (N2O), dessen atmosph√§rische Anreicherung pro Jahr 0,25 Prozent betr√§gt.

Treibhausgase
Kon
zen-
Derzeitige
Atmosph.
Anteil am
Treibhaus-

tratio
n (ppm)
Zunahme
Verweilzeit
Zusätzlichen
Wirksamkeit

1750
1991
(%/a)
(a)
Treibhauseffekt (%)
pro Molek√ľl
CO2
280
355
0,5
50 - 200
50
1
CH4
0,8
1,74
0,75
10
15
27
N2O
0,28
0,31
0,25
130 - 150
5
206
O3
0,01
0,04
0,5
0,1 - 0,2
8
2000
alle FCKW
0
0,001
4,0 - 5,0
65 - 130
22
16000

Seine Zunahme beruht vor allem auf dem √ľberh√∂hten Einsatz von stickstoffhaltigem D√ľnger und der Verbrennung von Biomasse.
In unmittelbarem Zusammenhang mit der anhaltenden Luftverschmutzung, insbesondere dem verkehrsbedingten "Photosmog", steht dagegen das verst√§rkte Aufkommen des bodennahen und √ľberaus treibhauswirksamen Ozons (O3). Seine Konzentration steigt j√§hrlich um 0,5 bis 1 Prozent - im Unterschied zum lebenswichtigen Ozon in der oberen Atmosph√§re - und erreicht immer h√§ufiger gesundheitssch√§dliche Spitzenwerte. Um ein absolut k√ľnstliches und ausschlie√ülich vom Menschen geschaffenes Produkt handelt es sich bei den Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW). Sie dienten bisher als Treibgase f√ľr Spraydosen, zur Herstellung von Kunststoffsch√§umen sowie als Reinigungsmittel in der Elektronikindustrie. Trotz ihres √§u√üerst geringen Volumenanteils und des eingeleiteten Produktionsverbots bis zum Jahr 2000 tragen die FCKW heute schon √ľber 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 atmosph√§rischem Mischungsverh√§ltnis abh√§ngt. Ein ebenso gro√üer Einflu√ü kommt der Molek√ľlstruktur eines Spurengases und dem sich daraus ergebenden W√§rmeabsorptionsverm√∂gen zu. Das hei√üt, die F√§higkeit die von der Erdoberfl√§che reflektierte W√§rmestrahlung aufzunehmen und treibhauswirksam umzusetzen. Dar√ľber hinaus spielt die atmosph√§rische Verweilzeit der Treibhausgase eine ma√ügebliche Rolle. Sie beschreibt die durchschnittliche atmosph√§rische Aufenthaltsdauer der Gasteilchen, bevor diese wieder durch chemische Reaktion oder durch den √úbergang in die Biosph√§re aus der Atmosph√§re verschwinden. Deshalb werden die niedrigen Konzentrationen vieler Spurengase durch ihr hohes W√§rmeabsorptionsverm√∂gen und ihre lange atmosph√§rische Verweilzeit mehr als ausgeglichen. So ist etwa die Treibhaus-Wirksamkeit eines Methanmolek√ľls siebenundzwanzigmal, die eines Lachgasmolek√ľls zweihundertsechsmal und die von FCKW-Molek√ľlen sechzehntausendmal h√∂her als die eines Kohlendioxid-Molek√ľls. Das erkl√§rt auch, warum bereits 50 Prozent des zus√§tzlichen Treibhauseffekts den "Nicht-CO2-Spurengasen" zuzuschreiben sind. Dieser Prozentsatz d√ľrfte sich, trotz Einstellung der FCKW-Produktion, auf absehbare Zeit kaum verringern, sondern aufgrund der langen atmosph√§rischen Verweilzeit der "Nicht-CO2-Spurengase" eher noch vergr√∂ssern. Nichtsdestoweniger bleibt das Kohlendioxid mit seinem 50-Prozent-Anteil am zus√§tzlichen Treibhauseffekt das wichtigste Spurengas anthropogenen Ursprungs.

Folgen des Treibhauseffekts

Die Weltmitteltemperatur nimmt seit 1860 kontinuierlich zu

Inwieweit ein solcher Temperaturanstieg bereits eingetreten ist, l√§sst sich aus den bestehenden meteorologisch-klimatologischen Messungen ableiten. Hinreichend repr√§sentative Me√üreihen liegen f√ľr die bodennahe Mitteltemperatur auf der Nord- und S√ľdhalbkugel der Erde seit Mitte des letzten Jahrhunderts vor. Aus ihnen k√∂nnen wir, trotz starker j√§hrlicher Schwankungen, einen eindeutigen Erw√§rmungstrend f√ľr den Zeitraum der letzten 130 Jahre in der Gr√∂√üenordnung von ca. 0,5 bis 0,7 Grad Celsius erkennen.

Der Erwärmungstrend fällt regional höchst unterschiedlich aus

Die Aussagekraft dieses weltweit g√ľltigen Durchschnittswertes ist jedoch begrenzt, da hierbei die vielf√§ltigen r√§umlichen und jahreszeitlichen Unterschiede unber√ľcksichtigt bleiben. So fand beispielsweise in den tropischen Breiten nur eine geringe Temperaturzunahme statt, w√§hrend in Nordamerika und Sibirien die Temperatur um bis zu f√ľnf Grad Celsius anstieg. G√§nzlich anders verhielt sich wiederum der europ√§ische Sommer, wo es in einzelnen Regionen sogar zu Abk√ľhlungseffekten kam. Dagegen brachte der Herbst durchg√§ngig w√§rmere Temperaturen nach Europa.

Zahlreiche Hinweise k√ľndigen die Umstellung des Klimas an

Im Zuge der weltweiten Erw√§rmung ergaben sich eine Reihe weiterer klimawirksamer Ver√§nderungen, die einen bereits eingetretenen Klimawandel wahrscheinlich erscheinen lassen: Die Alpengletscher zogen sich in den vergangenen 140 Jahren um mehr als ein Drittel zur√ľck. Parallel dazu nahm die j√§hrliche Schneebedeckung auf der n√∂rdlichen Erdhalbkugel seit 1973 um rund acht Prozent ab. Gleichzeitig erh√∂hten sich die Oberfl√§chentemperaturen der tropischen Ozeane zwischen 1949 und 1989 um 0,5 Grad Celsius. Durch die damit verbundene W√§rmeausdehnung 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 √∂ffentliches Interesse, geben im allgemeinen aber keinen Anlass zur Besorgnis. Immerhin lagen die Durchschnittstemperaturen zwischen dem 9. und 13. Jahrhundert, w√§hrend des "mittelalterlichen Klimaoptimums", 0,5 bis 1,0 Grad Celsius h√∂her als heute. Wenn die Temperaturen weiter steigen, kommt es mit Sicherheit zu gro√ür√§umigen Klima√§nderungen und somit zu tiefgreifenden sozio√∂konomischen Problemen, wie die Gef√§hrdung der Land- und Wasserwirtschaft und die Bedrohung der k√ľstennahen Siedlungen.

Der Klimawandel verhei√üt f√ľr die Erde eine ungewisse Zukunft

Die negativen Auswirkungen der beginnenden Klima√§nderung zeigen sich seit einiger Zeit in der besonders anf√§lligen wechselfeuchten Klimazone der nordafrikanischen Sahel-Region. Hier f√ľhrten bereits geringe Temperaturerh√∂hungen zu einer Ausweitung des W√ľsteng√ľrtels und Austrocknung der B√∂den sowie zu verst√§rkten Erosionserscheinungen und einer H√§ufung von D√ľrreperioden im Wechsel mit Starkniederschl√§gen. Diese Entwicklung versch√§rfte zwangsl√§ufig die ohnehin angespannte Ern√§hrungssituation 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 f√ľr Jahr setzt der Mensch 29 Gigatonnen Kohlendioxid frei

Ende des 19. Jahrhunderts fielen bei der Verbrennung fossiler Energietr√§ger weltweit erst 1,1 Gigatonnen an. Inzwischen liegt dieser Anteil bei 22 Gigatonnen Kohlendioxid, die j√§hrlich in die Atmosph√§re entweichen. Hinzu kommt eine weitere, nicht weniger bedeutsame Emissionsquelle: die Brandrodung der √∂kologisch √ľberaus wertvollen tropischen Regenw√§lder. Durch sie gehen jedes Jahr √ľber 20 Millionen Hektar Tropenwald verloren, wobei 5,5 Gigatonnen Kohlendioxid freigesetzt werden. Zus√§tzlich wird dadurch die photosynthetische Umwandlung von CO2 in O2 verhindert.

Spuren-
Emissions-
Emissionen
gase
Quellen
22 Gt CO2
Kohlen-
fossile Energie
22 Gt CO2
dioxid
Waldrodungen


Bodenerosion
5,5 Gt CO2

Holzverbrennung
1,5 Gt CO2
Methan
fossile Energie
100 Mt CH4

Viehhaltung
80 Mt CH4

Reisanbau
60 Mt CH4

Biomassen-Verbr.
40 Mt CH4

M√ľlldeponien


Landnutzung u.a.
100 Mt CH4
Distick-
D√ľngung

oxid
Bodenbearb.
1,6 Mt N2O

Nylonproduktion
0,5 Mt N2O

Biomassen-Verbr.
0,4 Mt N2O

Verkehr (indirekt)
0,3 Mt N2O

fossile Energie
0,2 Mt N2O
Ozon
Verkehr
0,5 -1 Gt O3

Industrie etc.

FCKW
Spr√ľhdosen
1,1 Mt FCKW

Kältetechnik


Schaumstoffe


Reinigung

Ozonloch und Treibhauseffekt

Die Wissenschaftler haben lange Zeit angenommen, dass Ozonloch und Treibhauseffekt zwei Ph√§nomene sind, die sich v√∂llig unabh√§ngig voneinander entwickeln. Die Prozesse, die zu ihrer Entstehung f√ľhren, spielen sich ja in unterschiedlichen Stockwerken der Atmosph√§re ab. Inzwischen gibt es aber Vermutungen √ľber einen Zusammenhang beider Vorg√§nge. Eine aktuelle wissenschaftliche Hypothese sieht folgenden Zusammenhang von Ursachen und Wirkungen. Der Mensch produziert Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) und zerst√∂rt dadurch die Ozonschicht. Das so entstehende Ozonloch l√§sst die gef√§hrliche UV-B-Strahlung hindurch, die das Plankton in den Weltmeeren sch√§digt. Dadurch k√∂nnen diese Einzeller weniger Kohlendioxid aufnehmen. Das w√§re aber dringend notwendig, weil durch die Verbrennung fossiler Energietr√§ger immer mehr CO2 in die Atmosph√§re gelangt. Der Treibhauseffekt wird verst√§rkt, die globale Oberfl√§chentemperatur steigt schneller.

Was kann man dagegen tun?

In der Kraftwerkstechnik geht es stets um eine Steigerung der Wirkungsgrade

Am erfolgreichsten verliefen die Bem√ľhungen um eine rationellere Energieanwendung bisher allerdings bei der Verbesserung der Wirkungs- und Nutzungsgrade. Das gilt sowohl f√ľr die Umwandlung der Prim√§renergietr√§ger in den Kraftwerken, als auch f√ľr 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 √ľber 50 Prozent. Daneben befinden sich Kombikraftwerke mit druckaufgeladener Wirbelschichtfeuerung und integrierter Kohlevergasung in der Erprobung, die ebenfalls eine effektivere Umwandlung der eingesetzten Prim√§renergie 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 w√§hrend eines bestimmten Zeitraums tats√§chlich genutzt wurde. Einen ma√ügeblichen Beitrag leistet dabei seit langem die gekoppelte Erzeugung von Strom und W√§rme ("Kraft-W√§rme-Kopplung") in Heizkraftwerken. Ihr Nutzungsgrad liegt bis zu 50 Prozent √ľber dem der getrennten Strom- und W√§rmegewinnung, sofern f√ľr beide Kopplungsprodukte - elektrische Energie und W√§rme - eine sinnvolle Verwendungsm√∂glichkeit besteht. Angesichts des r√ľckl√§ufigen industriellen W√§rmebedarfs d√ľrften k√ľnftig vor allem kleinere Anlagen mit h√∂herer Stromkennzahl (Verh√§ltnis Strom- zur W√§rmeerzeugung) gefragt sein, wobei Energieeinsparungen bis zu 20 Prozent als realisierbar erscheinen.

Erneuerbare Energien reduzieren den Verbrauch an fossilen Brennstoffen

W√§rmepumpen erlauben nat√ľrlich nicht nur die Nutzung anfallender W√§rmeverluste, 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 Energietr√§ger eingespart werden k√∂nnen. Immerhin eignen sich drei Viertel aller Ein- und Zweifamilienh√§user f√ľr eine nachtr√§gliche Installation von W√§rmepumpen, die bei Neubauten ohnehin keine Probleme bereitet. Demnach lie√üen sich, bei einem langfristigen S√§ttigungswert von 20 bis 30 Prozent aller Wohnungen und der heute gebr√§uchlichen W√§rmed√§mmung, pro Jahr etwa 14 Millionen Liter Heiz√∂l mit Raumheiz-W√§rmepumpen-Anlagen einsparen. Dies bedingt allerdings massive preispolitische Unterst√ľtzungsma√ünahmen, ohne die es den erneuerbaren Energiequellen an Konkurrenzf√§higkeit fehlt.

In diesem Zusammenhang sollten wir aber nicht √ľbersehen, dass der Einsatz regenerativer Energiequellen oftmals nicht zu einer rationelleren Energieanwendung f√ľhrt. Es handelt sich dabei vielmehr um einen reinen Substitutionsvorgang, um den Austausch von nicht-emeuerbaren mit erneuerbaren Energietr√§gern, 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 √∂kologischen Gr√ľnden zur Schonung unserer Vorr√§te an Kohle und Kohlenwasserstoffen sowie zur Minderung der Umwelt- und Immissionsbelastungen dringend geboten.

Haushalt und Verkehr verf√ľgen heute √ľber die gr√∂√üten Energiespar-Reserven

Genau umgekehrt verh√§lt es sich beim Verkehrssektor, dessen Anteil am Endenergieverbrauch seit 1960 um √ľber 70 Prozent zunahm. Er √ľbertraf damit in den letzten Jahren sogar die Anteile der Privathaushalte sowie der Industrie und stellt inzwischen den mengenm√§√üig bedeutensten Endenergiebereich dar. Die Verantwortung hierf√ľr tr√§gt ausschlie√ülich der Stra√üenverkehr, der 1960 erst 56 Prozent, 30 Jahre sp√§ter aber bereits 87 Prozent der f√ľr den Verkehrssektor erforderlichen Endenergie in Anspruch nahm. Demgegen√ľber 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 Stra√üenverkehr und dies gilt es mit Nachdruck zu erschlie√üen.

Eine differenziertere Betrachtung empfiehlt sich auch beim energieintensiven Sektor der Haushalte und Kleinverbraucher. In ihrem Bereich entf√§llt der √ľberwiegende Teil des Endenergiebedarfs gem√§√ü der gesamtdeutschen Verbrauchsbilanz auf die Raumheizung. Im einzelnen ben√∂tigen die Haushalte 62 Prozent und die Kleinverbraucher 29 Prozent, zusammen also 91 Prozent, des gesamten Heizw√§rme-Bedarfs. Wenn wir dem Haushalt und Kleinverbrauch somit sektoral gesehen die gr√∂√üte Bedeutung in bezug auf Energiesparma√ünahmen beimessen, dann trifft dies in erster Linie auf die Raumheizw√§rme zu. Die privaten Haushalte bezogen dabei ihre Heizenergie zu 41 Prozent aus Erd√∂l, zu 39 Prozent aus Erdgas, zu 8 Prozent aus Fernw√§rme, zu 5 Prozent aus Strom sowie zu 7 Prozent aus Kohle und erreichten insgesamt einen Nutzungsgrad von 72 Prozent der eingesetzten Heizungs-Endenergie.

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