Definition: Was bedeutet Kohlendioxid?
Kohlendioxid ist eine chemische Verbindung aus einem Kohlenstoffatom und zwei Sauerstoffatomen. Die chemische Formel lautet CO2. Das farb- und geruchlose Gas kommt natürlicherweise in der Atmosphäre vor und ist ein wichtiger Bestandteil des Kohlenstoffkreislaufs.
Pflanzen, Algen und bestimmte Mikroorganismen nehmen Kohlendioxid bei der Photosynthese auf. Tiere, Pflanzen und Mikroorganismen geben es bei Atmung und Zersetzung wieder ab. Auch Vulkane und Meere tauschen Kohlendioxid mit der Atmosphäre aus.
Durch menschliche Aktivitäten ist die Konzentration des Gases deutlich gestiegen. Hauptursachen sind die Verbrennung fossiler Energieträger, Entwaldung, Zementherstellung und die Zerstörung kohlenstoffreicher Böden. Kohlendioxid ist deshalb das wichtigste langlebige Treibhausgas der gegenwärtigen globalen Erwärmung.
Eigenschaften von Kohlendioxid
Kohlendioxid ist bei üblichen Temperaturen und normalem Luftdruck gasförmig. Es ist schwerer als Luft und kann sich in schlecht belüfteten Senken, Kellern oder Behältern sammeln.
Das Gas ist nicht brennbar und unterstützt keine Verbrennung. In hoher Konzentration verdrängt es Sauerstoff und kann dadurch lebensgefährlich werden.
Löslichkeit in Wasser
Kohlendioxid löst sich in Wasser. Ein Teil reagiert dabei zu Kohlensäure und weiteren gelösten Kohlenstoffverbindungen.
Dieser Prozess ist für Gewässer, Meere, Böden und biologische Systeme von großer Bedeutung. Er beeinflusst pH-Wert und Verfügbarkeit bestimmter Mineralstoffe.
Festes Kohlendioxid
Unter bestimmten Bedingungen wird Kohlendioxid fest. Festes Kohlendioxid wird als Trockeneis bezeichnet.
Es geht bei normalem Luftdruck direkt vom festen in den gasförmigen Zustand über. Dieser Vorgang wird Sublimation genannt. Trockeneis wird unter anderem zur Kühlung und für technische Anwendungen eingesetzt.
Kohlendioxid im natürlichen Kohlenstoffkreislauf
Kohlendioxid wird ständig zwischen Atmosphäre, Pflanzen, Böden, Ozeanen und Gesteinen ausgetauscht. Diese Stoffströme bilden den Kohlenstoffkreislauf.
Natürliche Quellen und Senken waren über lange Zeiträume ungefähr im Gleichgewicht. Menschliche Emissionen fügen dem Kreislauf jedoch zusätzlichen fossilen Kohlenstoff hinzu.
Photosynthese
Bei der Photosynthese nutzen Pflanzen Lichtenergie, um Kohlendioxid und Wasser in energiereiche organische Stoffe umzuwandeln. Dabei wird Sauerstoff freigesetzt.
Der Kohlenstoff wird in Blättern, Holz, Wurzeln, Früchten und Böden gespeichert. Ein Teil gelangt über Nahrungsketten in Tiere und Mikroorganismen.
Atmung
Bei der Zellatmung werden organische Verbindungen abgebaut, um Energie bereitzustellen. Dabei entstehen Kohlendioxid und Wasser.
Pflanzen betreiben sowohl Photosynthese als auch Atmung. Tiere, Pilze und viele Mikroorganismen geben Kohlendioxid bei der Atmung ab.
Zersetzung
Abgestorbene Organismen werden von Bodenlebewesen und Mikroorganismen zersetzt. Der gespeicherte Kohlenstoff wird teilweise als Kohlendioxid freigesetzt.
Unter Sauerstoffmangel kann zusätzlich Methan entstehen. Temperatur, Feuchtigkeit und Sauerstoffgehalt bestimmen die Geschwindigkeit des Abbaus.
Kohlendioxid in der Atmosphäre
Kohlendioxid macht nur einen kleinen Anteil der Luft aus, besitzt aber eine große Bedeutung für Klima und Leben. Es nimmt bestimmte Bereiche der von der Erde abgegebenen Wärmestrahlung auf.
Dadurch trägt es zum natürlichen Treibhauseffekt bei. Ohne diesen Effekt wäre die Erdoberfläche deutlich kälter.
Verstärkter Treibhauseffekt
Steigt die Kohlendioxidkonzentration, wird zunächst weniger Wärmestrahlung in den Weltraum abgegeben. Das Klimasystem nimmt zusätzliche Energie auf.
Atmosphäre, Ozeane und Landflächen erwärmen sich, bis sich bei höherer Temperatur ein neues Gleichgewicht einstellt.
Lange Wirkungsdauer
Kohlendioxid besitzt keine einfache feste Lebensdauer in der Atmosphäre. Ein Teil wird innerhalb von Jahrzehnten aufgenommen, während ein anderer Anteil sehr lange im Klimasystem verbleibt.
Deshalb hängt die Erwärmung stark von der gesamten Menge der über die Zeit verursachten Emissionen ab. Jede zusätzliche Emission erhöht die langfristige Belastung.
Menschliche Kohlendioxidquellen
Der Mensch setzt Kohlendioxid vor allem durch die Verbrennung kohlenstoffhaltiger Energieträger frei. Dazu gehören Kohle, Erdöl und Erdgas.
Weitere Quellen entstehen durch industrielle Prozesse, Entwaldung, Bodennutzung und Abfallverbrennung.
Strom- und Wärmeerzeugung
Fossile Kraftwerke verbrennen Kohle, Öl oder Gas zur Erzeugung von Strom und Wärme. Der enthaltene Kohlenstoff reagiert mit Sauerstoff zu Kohlendioxid.
Die Emissionsmenge hängt von Brennstoff und Wirkungsgrad ab. Kohle verursacht pro Energieeinheit meist höhere Emissionen als Erdgas.
Verkehr
Benzin, Diesel, Kerosin und Schweröl bestehen aus fossilen Kohlenwasserstoffen. Ihre Verbrennung in Fahrzeugen, Flugzeugen und Schiffen setzt Kohlendioxid frei.
Die Emissionen steigen mit Kraftstoffverbrauch und zurückgelegter Strecke. Auch Herstellung von Fahrzeugen und Infrastruktur verursacht zusätzliche Emissionen.
Gebäude
Öl- und Gasheizungen setzen beim Betrieb Kohlendioxid frei. Der Heizenergiebedarf hängt von Gebäudestandard, Wohnfläche, Witterung und Nutzung ab.
Wärmedämmung, effiziente Technik und erneuerbare Wärmequellen können die Emissionen stark verringern.
Industrie
Industrieanlagen benötigen hohe Temperaturen und große Energiemengen. Fossile Brennstoffe werden für Wärme, Strom und chemische Prozesse eingesetzt.
In einigen Branchen entsteht Kohlendioxid zusätzlich durch die Umwandlung von Rohstoffen. Besonders relevant ist die Herstellung von Zement.
Kohlendioxid aus der Zementherstellung
Zement wird überwiegend aus kalkhaltigen Rohstoffen hergestellt. Beim Erhitzen wird Calciumcarbonat chemisch in Calciumoxid und Kohlendioxid zerlegt.
Diese prozessbedingten Emissionen entstehen unabhängig davon, welcher Brennstoff den Ofen erhitzt. Sie lassen sich deshalb nicht allein durch erneuerbare Energie vermeiden.
Verringerung der Zementemissionen
Ein geringerer Klinkeranteil, alternative Bindemittel und materialeffizientes Bauen können die Emissionen reduzieren.
Für verbleibende prozessbedingte Emissionen werden Abscheidung und Speicherung von Kohlendioxid untersucht.
Entwaldung und Landnutzung
Wälder speichern Kohlenstoff in Bäumen, Totholz und Böden. Bei Rodung, Brand oder Zersetzung wird ein Teil als Kohlendioxid freigesetzt.
Gleichzeitig entfällt die zukünftige Aufnahme durch die entfernte Vegetation. Entwaldung wirkt daher sowohl als Emissionsquelle als auch durch den Verlust einer Senke.
Entwässerte Moore
Moore speichern große Mengen Kohlenstoff in Torfböden. Solange der Boden wassergesättigt ist, wird abgestorbenes Pflanzenmaterial nur langsam abgebaut.
Nach einer Entwässerung dringt Sauerstoff ein. Der Torf wird zersetzt und setzt über Jahre oder Jahrzehnte Kohlendioxid frei.
Kohlendioxidsenken
Senken nehmen Kohlendioxid aus der Atmosphäre auf. Die wichtigsten natürlichen Senken sind Ozeane, Wälder und Böden.
Sie nehmen einen erheblichen Teil der menschlichen Emissionen auf. Der verbleibende Anteil erhöht die atmosphärische Konzentration.
Wälder
Wachsende Wälder binden Kohlendioxid durch Photosynthese. Der Kohlenstoff wird in Biomasse und Boden gespeichert.
Alter, Baumarten, Klima, Störungen und Bewirtschaftung bestimmen die Aufnahme. Brände, Trockenheit oder Abholzung können Wälder von Senken zu Quellen machen.
Böden
Böden speichern organischen Kohlenstoff in Humus, Wurzeln und Bodenlebewesen. Landwirtschaftliche Nutzung kann diese Vorräte erhöhen oder verringern.
Dauerhafte Bodenbedeckung, Zwischenfrüchte und angepasste Bearbeitung fördern den Erhalt. Zusätzliche Speicherung ist jedoch begrenzt und teilweise umkehrbar.
Ozeane
Ozeane nehmen Kohlendioxid direkt aus der Atmosphäre auf. Meeresströmungen transportieren gelösten Kohlenstoff in tiefere Wasserschichten.
Plankton bindet Kohlendioxid biologisch. Ein Teil sinkt nach dem Absterben in größere Tiefen und bleibt dort länger gespeichert.
Ozeanversauerung
Die Aufnahme von Kohlendioxid verändert die Chemie des Meerwassers. Es entstehen Wasserstoffionen, wodurch der pH-Wert sinkt.
Gleichzeitig nimmt die Verfügbarkeit von Carbonat ab. Viele Organismen benötigen Carbonat für den Aufbau von Kalkschalen und Skeletten.
Auswirkungen auf Meeresorganismen
Korallen, Muscheln, Schnecken und bestimmte Planktonarten können durch die veränderte Chemie beeinträchtigt werden.
Die Reaktion unterscheidet sich zwischen Arten und Lebensphasen. Erwärmung, Sauerstoffmangel und Verschmutzung wirken zusätzlich.
Kohlendioxid und Pflanzenwachstum
Pflanzen benötigen Kohlendioxid für die Photosynthese. Eine höhere Konzentration kann unter bestimmten Bedingungen das Wachstum fördern.
Dieser Effekt ist jedoch durch Wasser, Nährstoffe, Temperatur und Licht begrenzt. Hitze, Trockenheit und Schädlinge können mögliche Wachstumsgewinne aufheben.
CO2-Düngung
Der Begriff CO2-Düngung beschreibt die mögliche Zunahme der Photosynthese bei höherer Kohlendioxidkonzentration.
Die Wirkung unterscheidet sich zwischen Pflanzenarten. Auch die Nährstoffqualität bestimmter Pflanzen kann sich verändern, wenn mehr Kohlenstoff, aber nicht entsprechend mehr Mineralstoffe eingelagert werden.
Kohlendioxid in Innenräumen
Menschen geben beim Atmen Kohlendioxid ab. In schlecht belüfteten Räumen steigt die Konzentration.
Erhöhte Werte sind ein Hinweis auf unzureichenden Luftaustausch. Müdigkeit, Kopfschmerzen und Konzentrationsprobleme können auftreten.
Lüftung
Regelmäßige Lüftung führt verbrauchte Luft ab und bringt frische Außenluft in den Raum. Lüftungsanlagen können den Luftwechsel automatisch steuern.
Wärmerückgewinnung reduziert dabei Energieverluste, indem ein Teil der Wärme auf die einströmende Luft übertragen wird.
Gesundheitsgefahren hoher Konzentrationen
Kohlendioxid ist in üblichen Außenluftkonzentrationen nicht giftig. In hohen Konzentrationen verdrängt es jedoch Sauerstoff und beeinflusst Atmung und Blutchemie.
Besonders gefährlich sind geschlossene Behälter, Gärkeller, Silos, Schächte und schlecht belüftete Räume.
Erstickungsgefahr
Da Kohlendioxid schwerer als Luft ist, kann es sich in tiefer liegenden Bereichen sammeln. Betroffene Personen bemerken die Gefahr möglicherweise nicht, da das Gas farb- und geruchlos ist.
Messgeräte, Belüftung und klare Sicherheitsregeln sind in gefährdeten Arbeitsbereichen notwendig.
Technische Nutzung von Kohlendioxid
Kohlendioxid wird in Getränkeindustrie, Lebensmittelkühlung, Brandschutz, Gewächshäusern und chemischer Produktion eingesetzt.
Ein Teil stammt aus industriellen Abgasen oder natürlichen Quellen. Die Nutzung verhindert jedoch nur dann Emissionen dauerhaft, wenn das Gas langfristig gebunden bleibt.
Carbon Capture and Utilization
Bei der Nutzung abgeschiedenen Kohlendioxids wird das Gas als Rohstoff verwendet. Daraus können Chemikalien, Kraftstoffe oder Baustoffe entstehen.
Wird ein Kraftstoff später verbrannt, gelangt das Kohlendioxid wieder in die Atmosphäre. Die Nutzung ist dann keine dauerhafte Senke, kann aber fossilen Rohstoffbedarf verringern.
Kohlendioxidabscheidung und Speicherung
Kohlendioxid kann aus Abgasen oder direkt aus der Luft abgeschieden werden. Anschließend wird es verdichtet und zu einer Speicherstätte transportiert.
Geeignete tiefe Gesteinsschichten sollen das Gas dauerhaft einschließen. Das Verfahren benötigt Energie und eine langfristige Überwachung.
Direkte Luftabscheidung
Bei der direkten Luftabscheidung wird Kohlendioxid aus der Umgebungsluft gefiltert. Da die Konzentration gering ist, ist der Prozess technisch und energetisch aufwendig.
Die Methode kann schwer vermeidbare Restemissionen ausgleichen, steht aber nicht in unbegrenztem Umfang zur Verfügung.
Reduzierung der Kohlendioxidemissionen
Die wichtigste Maßnahme ist der schrittweise Ausstieg aus fossilen Energieträgern. Erneuerbare Energien, Energieeffizienz und ein geringerer Verbrauch reduzieren Emissionen.
Weitere Maßnahmen betreffen Gebäude, Verkehr, Industrie, Landwirtschaft und den Schutz natürlicher Kohlenstoffspeicher.
Vermeidung vor Entnahme
Die Vermeidung einer Emission ist meist sicherer und effizienter als die spätere Entfernung aus der Atmosphäre.
Technische und natürliche Senken sind begrenzt. Sie sollten vor allem für schwer vermeidbare Restemissionen genutzt werden.
Zusammenfassung
Kohlendioxid ist ein natürlich vorkommendes Gas und ein zentraler Bestandteil des Kohlenstoffkreislaufs. Es wird von Pflanzen aufgenommen und bei Atmung, Zersetzung und Verbrennung freigesetzt.
Menschliche Aktivitäten haben die Konzentration in der Atmosphäre stark erhöht. Dadurch wird der Treibhauseffekt verstärkt und das Klima erwärmt. Gleichzeitig führt die Aufnahme durch die Meere zur Ozeanversauerung. Die Begrenzung der Kohlendioxidkonzentration erfordert vor allem eine schnelle Verringerung fossiler Emissionen und den Schutz natürlicher Senken.
