CO2: Warum und wie Kohlendioxid und andere Treibhausgase das Klima verändern

CO2, auch als Kohlendioxid oder Kohlenstoffdioxid bezeichnet, ist ein in der Luft natürlich vorkommendes, unsichtbares und geruchloses Gas, das grundsätzlich durch natürliche Prozesse entsteht und als Spurengas in der Erdatmosphäre enthalten ist.

Kohlendioxid entsteht durch den Zusammenschluss eines Kohlenstoff-Atoms (C) mit zwei Sauerstoff-Atomen(O). In Maßen ist CO2 in der Atmosphäre nicht schädlich – ganz im Gegenteil. Ohne CO2 wäre es auf unserer Erde ungemütlich kalt. Außerdem benötigen Pflanzen CO2 für die Photosynthese.

Trotz des geringen Anteils in der Atmosphäre wirkt CO2 nämlich als eine Art Deckel, der die Erde warm hält. Die Erde wird ständig durch Strahlung von der Sonne getroffen. Ein Teil davon ist Wärmestrahlung. Diese trifft auf die Erde und den Ozean, wird teilweise absorbiert und zum größten Teil wieder in den Weltraum abgestrahlt. Das Kohlendioxid in der Atmosphäre absorbiert einen Teil dieser von der Erde ausgehenden Wärmestrahlung, sodass diese nicht in den Weltraum entweicht. So konnte sich im Lauf der Zeit auf der Erde ein stabiles Klima und Leben entwickeln.

Bis zur Industrialisierung im 19. Jahrhundert war der CO2-Gehalt in der Atmosphäre relativ stabil und der Einfluss des Menschen auf den Gehalt an Kohlenstoffdioxid sehr gering. Der CO2-Anteil in der Luft wird für die Zeit um 1890 mit ungefähr 280 ppm (Parts per Million) angenommen. Diese Schätzungen sind mittlerweile durch Eiskernbohrungen in der Antarktis bestätigt worden.

Seit der Industrialisierung wurden jedoch durch menschliche Aktivitäten und hauptsächlich durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe - Kohle, Erdöl und Erdgas - der Anteil und die Konzentration von CO2 und anderer Treibhausgase in der Atmosphäre stark erhöht.

Seit den 1950-er Jahren gibt es zuverlässige und genaue Messungen zum CO2-Gehalt in der Atmosphäre. Die zeitliche Entwicklung wird durch die „Keeling-Kurve“ wiedergegeben. Sie stellt die Entwicklung von 1700 bis heute dar. An ihr sieht man gut, dass es ab 1850 einen moderaten Anstieg des CO2-Gehalts gab. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts beschleunigte sich der Anstieg und stieg immer schneller. Im Jahr 2015 wurde die 400 ppm-Marke erreicht. Ende 2019 lag er bei 412 ppm. Im Jahr 2022 erreichte die Kurve den Wert von 420 ppm.

Die mittlerweile mehr als doppelt so hohe CO2-Konzentration gegenüber 1890 führt dazu, dass mehr Wärme absorbiert und auf der Erde zurückgehalten wird. Dadurch steigt die Temperatur der Atmosphäre. Es ist ein Treibhauseffekt entstanden, der den Klimawandel ausgelöst hat.

Problematisch wird Kohlendioxid daher erst durch eine zu hohe Konzentration. Je höher seine Konzentration und die anderer Treibhausgase ist, desto mehr Wärme wird zurückgehalten. Mittlerweile hat sich die Temperatur der Atmosphäre schon um ca. 1 °C erhöht. Sollte die Temperatur um mehr als 2 °C steigen, muss mit drastischen, nicht mehr umkehrbaren Folgen für das Klima und damit für die Lebensbedingungen auf der Erde gerechnet werden. Im Extremfall könnten weite Teile der Erde für Menschen unbewohnbar werden.

Die Temperaturerhöhung der Atmosphäre ist zwar das größte, durch die hohe CO2-Konzentration hervorgerufene Problem, aber nicht das einzige. So haben etwa die Ozeane haben schon immer CO2 aus der Luft gebunden. Durch dessen höhere Konzentration steigt auch der Anteil des CO2 im Meer. Das führt zu einer Versauerung der Ozeane, mit erheblichen Folgen für das maritime Leben.

Weitere Folgen der sich verändernden Temperatur sind die Zunahme von Wetterextremen, Starkregen, Unwettern, das fortschreitende Abschmelzen der Gletscher und viele weitere Phänomene.

Die vom Umweltbundesamt erstellte Treibhausgas-Bilanz - die letzten Berechnungen aus dem Jahr 2021 beruhen auf Daten aus dem Jahr 2019 - schlüsselt die Hauptemittenten von Treibhausgasen in Österreich auf. Demnach sind das der Reihe nach der Energie- und Industriesektor, gefolgt von Verkehr, Gebäude, Landwirtschaft, Abfallwirtschaft und Fluorierte Gase.

Der Sektor Energie und Industrie war im Jahr 2019 mit circa 35 Mio. Tonnen CO2-Äquivalent der größte Emittent an Treibhausgasen in Österreich. Gegenüber dem Jahr 2018 sind die Emissionen um circa 3,1 % (1,0 Mio. Tonnen) gestiegen. Gegenüber dem Jahr 1990 sind die Emissionen in diesem Sektor jedoch um 1,4 Millionen Tonnen (3,9 %) zurückgegangen.

Aus dem Sektor Verkehr stammten im Jahr 2019 Treibhausgas-Emissionen im Ausmaß von rund 24 Mio. Tonnen CO2-Äquivalent auf. Im Vergleich zu 2018 sind die Emissionen um 0,4 % (plus 0,10 Mio. Tonnen CO2-Äquivalent) gestiegen. Die CO2-Emissionen aus dem nationalen Flugverkehr, die nicht der Emissionsmenge nach Klimaschutzgesetz (KSG) zugerechnet werden, betragen im Jahr 2019 circa 0,05 Mio. Tonnen CO2-Äquivalent. Die Entwicklung im Sektor Verkehr ist besonders problematisch, weil die Emissionen gegenüber 1990 um 74,4 % oder 10,2 Mio. Tonnen CO2-Äquivalent zugenommen haben. (siehe Grafik).

Der Sektor Gebäude verursachte im Jahr 2019 circa 8,1 Mio. Tonnen an Treibhausgas-Emissionen. Wobei die fortschreitende Nutzung von Umgebungswärme, Solar- und Geothermie langsam einen Effekt zeigt. Gegenüber 1990 hat sich der CO2-Ausstoß am Gebäudesektor um 36,8 % reduziert.

Auch im Sektor Landwirtschaft ist der CO2-Ausstoß weiter zurückgegangen. Hauptsächlich lag das an einem rückläufigen Viehbestand und dem sinkenden Einsatz von mineralischen Düngern. Gegenüber 1990 hat sich der CO2-Ausstoß aus der Landwirtschaft um 14,3 % reduziert.

Eine gegenüber dem Jahr 1990 besonders deutliche Reduktion des CO2-Ausstoßes von 44,9 % gab es im Sektor Abfallwirtschaft. Zurückzuführen ist das auf die verstärkte Abfalltrennung und die verpflichtende (Vor-)Behandlung von Abfällen gemäß Deponieverordnung. Im Gegenzug haben sich jedoch die Emissionen aus der Abfallverbrennung seit 1990 mehr als verdreifacht und lagen 2019 bei 1,1 Mio. Tonnen CO2-Äquivalent.

Eine sich umkehrende Tendenz zeigt sich bei den Flurorierten Gasen. Seit im Jahr 2014 die EU-Verordnung 517/2014 in Kraft getreten ist, die vorsieht bis 2030 die Herstellung und den Import von F-Gasen mit einem hohen Treibhausgaspotenzial deutlich zu reduzieren, gehen die Emissionen laufend zurück. Dennoch liegen sie immer noch um 35,2 % über dem Wert von 1990.

Über Millionen von Jahren waren die natürlichen Emissionen von Treibhausgasen so gering, dass Treibhausgase im Lauf der Zeit wieder abgebaut werden konnten, ohne Schaden anzurichten. Die seit der Industrialisierung zusätzlich emittierten Treibhausgase haben das ursprüngliche Gleichgewicht zerstört.

Durch die Zunahme der Treibhausgase - hauptsächlich von CO2 – wird so viel Wärmestrahlung zurückgehalten, dass nach und nach die Temperatur steigt. Dabei verstärkt sich der Treibhauseffekt selbst stetig: Durch die höhere Temperatur entstehen mehr Treibhausgase aus natürlichen Quellen, was wiederum zu einer weiteren Temperaturerhöhung führt.

Kohlenstoffdioxid ist ein hoch wirksames Treibhausgas und hat einen Anteil von ca. 72 % an den von Menschen verursachten Treibhausgas-Emissionen.

Neben CO2 sind die wichtigsten Treibhausgase Methan, Lachgas (Distickstoffmonoxid), Fluorkohlenwasserstoffe (FCKW), Schwefelhexafluorid, Stickstofftrifluorid, Ozon und Wasserdampf.

Diese Gase – mit Ausnahme des Wasserdampfs - sind in unterschiedlichen, sehr geringen Mengen in der Atmosphäre enthalten. Daher werden sie auch Spurengase genannt. Trotz ihres geringen Anteils an der Atmosphäre haben sie eine erhebliche, unterschiedlich starke Wirkung auf den Treibhauseffekt.

Das neben CO2 wichtigste Treibhausgas ist Wasserdampf, dessen Anteil in der Atmosphäre bei steigenden Temperaturen durch die höhere Verdunstung aus den Gewässern auch erhöht.

Obwohl Methan mit weniger als 2 ppm nur in geringen Mengen in der Atmosphäre vorhanden ist, hat es eine hohe Wirksamkeit in Bezug auf den Klimawandel. Es ist als Treibhausgas 25 Mal wirksamer als CO2. Allerdings bleibt es nur bis zu 15 Jahre in der Atmosphäre erhalten.

Noch wesentlich wirksamer in Hinblick auf den Klimawandel ist Lachgas, das ca. 114 Jahre in der Atmosphäre verbleibt. Es wird hauptsächlich durch die konventionelle Landwirtschaft freigesetzt.

Auf natürlichem Weg werden Treibhausgase, die in die Atmosphäre emittiert wurden, werden durch chemische Reaktionen mit anderen reaktiven Komponenten abgebaut oder, im Fall von Kohlendioxid (CO2), auch mit dem Ozean und dem Land ausgetauscht. Diese Prozesse beeinflussen die Lebensdauer des Gases in der Atmosphäre, die als die Zeit definiert wird, in der sich eine Anfangskonzentration um den Faktor e (2,71) verringert.

Die Verweildauer von Treibhausgasen und Aerosolen in der Atmosphäre variiert stark von Tagen bis zu Jahrtausenden. Aerosole zum Beispiel haben eine Lebensdauer von Wochen, Methan (CH4) von ungefähr zehn Jahren, Lachgas (N2O) von ungefähr 100 Jahren und Hexafluorethan (C2F6) von circa 10 000 Jahren.

Im Falle von CO2 ist es komplizierter, denn dabei wirken vielfache physikalische und biogeochemische Prozesse, die alle auf unterschiedlichen Zeitskalen ablaufen. Nach einer Pulsemission von etwa 1.000 PgC wird etwa die Hälfte innerhalb einiger Jahrzehnte entfernt, aber der übrige Teil verbleibt deutlich länger in der Atmosphäre. Das deutsche Bundesumweltamt geht davon aus, dass nach 1000 Jahren immer noch etwa 15 bis 40 Prozent des emittierten CO2 in der Atmosphäre übrig ist. Der gesamte Abbau würde jedoch mehrere hunderttausend Jahre andauern

Die wichtigste Maßnahme und einzige langfristig erfolgversprechende Möglichkeit zur Reduzierung des CO2 in der Atmosphäre besteht darin, den durch menschliche Aktivitäten verursachten CO2-Ausstoß möglichst schnell zu reduzieren.

Ein großer Schritt in diese Richtung ist aus europäischer Sicht der "Green Deal". Die EU, aus der dem Global Carbon Project zufolge rund 22 Prozent der weltweiten CO2-Emissionen stammen hat sich darin das Ziel gesetzt, bis 2050 Klimaneutralität zu erreichen.

Ähnliche Ziele gibt es auch in den USA, die für 25 % der globalen CO2-Emissionen verantwortet, und China (13 % der globalen Emissionen).

Die Abholzung der Tropenwälder und anderer Urwälder muss gestoppt werden. Außerdem sollte möglichst viel aufgeforstet werden. Neben anderen positiven Effekten „verbrauchen“ Bäume für ihr Wachstum und die Photosynthese CO2 in beachtlichen Mengen.

Noch mehr CO2 können intakte Moore binden. Daher sollten noch vorhandene Moore erhalten und trockengelegte Moore wieder vernässt werden.

Auch die Ozeane binden CO2, sind damit aber mittlerweile fast an ihre Kapazitätsgrenzen gekommen (Stichwort: Versauerung der Meere). Die Versauerung - das Abnehmen des pH-Werts des Meerwassers - wird durch die Aufnahme von CO2 aus der Atmosphäre verursacht. Auch sie hat dramatische Folgen auf die Meere und ihre Fauna. Fische, Algen und Korallen reagieren sehr empfindlich darauf.

Wissenschaftler forschen weltweit an Lösungen, um den CO2 auf technischem Weg aus der Atmosphäre zu entfernen. Mit den bisher erprobten Ansätzen ist das jedoch nur unzureichend und mit einem großen Aufwand möglich. In Norwegen wird etwa CO2 im Boden von Ölfeldern gespeichert.

Ein Team rund um die Forscher Jan Wurzbacher und Christoph Gebald hat an der ETH Zürich einen Kollektor entwickelt, der CO2 aus der Luft herausfiltern und sammeln kann. Daraus ist das Unternehmen Climeworks entstanden, das mit seinen Lösungen den Klimawandel umkehren will.

Verfahren wie jenes von Climeworks werden unter dem Begriff CDR = Carbon Dioxide Removal zusammengefasst. Sie werden auch als negative Emissionen bezeichnet. Nach heutigem Stand der Technik gibt es kein technisches Verfahren, dass in großem Maßstab angewendet werden kann, um so viel CO2 aus der Atmosphäre zu entfernen, dass es auf den Klimawandel einen nennenswerten Einfluss hätte.

Die wichtigste Maßnahme gegen den Klimawandel bleibt daher, den Einsatz aller möglichen Ressourcen zu reduzieren, vor allem wenn beim direkten Verbrauch oder der Produktion ein hoher Einsatz fossiler Energieträger erforderlich ist. Konsequentes nachhaltiges Denken und Handeln sollte in allen Lebensbereichen an der Tagesordnung sein.