CO2-Aufnahme im offenen Ozean

Aus Klimawandel
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Abb. 1: Ozeanbasierte Methoden der CO2-Entnahme aus der Atmosphäre

Meeresdüngung

Auch im offenen Ozean nehmen Pflanzen ähnlich wie in Küstenzonen und auf dem Land CO2 durch Photosynthese auf. Hier handelt es sich um Algen bzw. Phytoplankton. Zunächst gelangt das CO2 aus der Atmosphäre durch Lösung im Meereswasser in die obere Ozeanschicht, wo es von den Algen aufgenommen und in Biomasse verwandelt wird. Ein Problem ist in manchen Ozeanregionen der Nährstoffmangel, der das Wachstum begrenzt. Durch technische Eingriffe ließe sich dieser Nährstoffmangel reduzieren, so dass die CO2-Aufnahme erhöht werden kann. Dafür gibt es zwei Verfahren, von denen das eine, die sog. Eisendüngung, die Nährstoffe von außen zuführt, das andere sie aus der Tiefe des Ozeans durch technisch verstärkten Auftrieb nach oben befördert.

Eisendüngung

Düngung durch Auftrieb

Von der oberen Schicht des Ozeans aufgenommenes Kohlendioxid wird von Algen durch Photosynthese in Biomasse umgewandelt und sinkt nach deren Absterben in größere Wassertiefen oder es gelangt durch Zooplankton und Fische in die Nahrungskette des Meeres und so letztlich ebenfalls in größere Tiefen. Damit wird der Kohlenstoff über Jahrzehnte eventuell sogar Jahrhunderte dem Austausch mit der Atmosphäre entzogen. Diese Prozesse werden als Biologische Kohlenstoffpumpe bezeichnet. Die Leistungsfähigkeit dieser Kohlenstoffpumpe hängt stark von den Wachstumsbedingungen, vor allem dem Nährstoffangebot, der Algen in der Oberflächenschicht ab. In großen Teilen des tropischen und subtropischen Ozeans ist die obere Wasserschicht nährstoffarm und durch die Sonneneinstrahlung besonders warm und von geringer Dichte. Das trennt sie von dem nur wenige 100 m darunterliegenden kalten und nährstoffreichen Wasser. Nur in den wenigen und räumlich begrenzten natürlichen Auftriebsgebieten vor den Küsten Perus, Namibias, Kaliforniens und Mauretaniens gelangt das nährstoffreiche Tiefenwasser an die Oberfläche und sorgt u.a. für einen großen Fischreichtum.[1] Die treibende Kraft sind hier ablandige Winde, die das warme Oberflächenwasser auf den offenen Ozean hinaustreiben und so Wasser aus größeren Tiefen nachströmen lassen.

Das Prinzip der Auftriebsgebiete ließe sich grundsätzlich durch technische Anlagen nachahmen. So könnte neben der Meeresdüngung durch Eisen eine weitere Möglichkeit zur Anreicherung von Nährstoffen in der oberen Wasserschicht darin bestehen, nährstoffreiches Tiefenwasser durch künstliche Pumpen aus Tiefen von 200 bis 1000 m nach oben zu befördern. Die Pumpen könnten durch Wellenenergie angetrieben werden, um Energie zu sparen und nicht zusätzliche Emissionen zu erzeugen.[2] Das auf diese Weise nach oben beförderte nährstoffreiche Wasser verstärkt das Algenwachstum, wodurch die Algen mehr CO2 aus der oberen Wasserschicht aufnehmen können und mehr Photosynthese betreiben. Die Folge ist eine höhere CO2-Aufnahme aus der Atmosphäre. Wenn die Algen absterben, sinkt das biologische Material in die Tiefe und der darin enthaltene Kohlenstoff ist der Atmosphäre über Jahrzehnte oder gar Jahrhunderte der Atmosphäre entzogen.

Abb. 2: Schematische Darstellung von künstlichem Auftrieb mit einer von Wellenenergie angetriebenen Pumpe

Ein Problem dieses Verfahrens wird darin gesehen, dass das nach oben beförderte Wasser durch die natürliche Kohlenstoffpumpe bereits in früheren Zeiten mit CO2 angereichert wurde und das künstlich angetriebene Algenwachstum, -absterben und -absinken nicht mehr oder sogar weniger CO2 in die Tiefe befördert als durch das Tiefenwasser wieder nach oben gepumpt wird. Die CO2-Anreicherung des Tiefenwassers ist eine Folge der in den höheren Breiten wirkenden physikalischen CO2-Pumpe, die kohlenstoffreiches Wasser nach unten befördert. In diesen Breiten kühlt das Oberflächenwasser vor allem im Winter stark aus, kann dadurch mehr Kohlendioxid aus der Luft aufnehmen und aufgrund seiner hohen Dichte nach unten befördern. Die Wirksamkeit einer technischen Nährstoffpumpe in den Tropen und Subtropen hängt von dem Mengenverhältnis des durch technische Pumpen im aufsteigenden Wasser befindlichen und des im absinkenden biologischen Material enthaltenen Kohlenstoffs ab. Jüngste Forschungsergebnisse zeigen, dass ein Netto-Kohlendioxid-Export aus der oberen Wasserschicht durch künstlichen Auftrieb möglich ist. Ein Grund ist, dass das Tiefenwasser zu einem großen Teil bereits vor der Industrialisierung mit einer geringeren Menge an Kohlendioxid angereichert wurde als das Oberflächenwasser in der Gegenwart.[2]

Der Einsatz einer durch Wellenenergie angetriebenen Auftriebspumpe, die in dem Projekt CDRmare entwickelt wurde, wird vor der Küste Gran Canarias getestet. Dabei soll nicht nur die technische Leistung verschiedener Pumpen geprüft werden, sondern auch die Folgen für die Ökosysteme sowohl im Oberflächen- als auch im Tiefenwasser bestimmt werden. U.a. wurde dabei festgestellt, dass zwar mehr Algenbiomasse gebildet, dieses aber kaum vermehrt vom Zooplankton gefressen wurde und damit eine Verstärkung des Tiefentransports weitgehend unterblieb. Möglicherweise ist das eine Folge der kurzen Beobachtungsdauer, während der das an den Nährstoffmangel gewöhnte Zooplankton sich noch nicht an den plötzlichen Futterüberschuss angepasst hatte.[2]

Alkalinisierung

Abb. 3: Chemische Verwitterung an Land und Eintrag der Produkte in den Ozean

Bei der Aufnahme von CO2 durch das Oberflächenwasser des Ozeans wird ein Großteil des Kohlendioxids in andere chemische Verbindungen umgewandelt und damit im Meerwasser gebunden. Dabei entsteht durch die Reaktion von CO2 mit Meerwasser Kohlensäure und es wird Karbonat verbraucht, mit der Folge einer Versauerung des Meerwassers. Das Karbonat, das durch die Verwitterung an Land über Flüsse ins Meer nachgeliefert wird, wird für die Bildung von Kalkschalen und -skeletten benötigt. Durch den zunehmenden Eintrag von Kohlendioxid, wie gegenwärtig durch die Erhöhung des CO2-Gehalts in der Atmosphäre, wird der Karbonat-Gehalt des Ozeans verringert. Eine künstliche Verstärkung der Verwitterung an Land könnte dazu führe, dass sowohl der Karbonatgehalt erhöht und die zunehmende Versauerung vermindert als auch die CO2-Aufnahme aus der Atmosphäre verstärkt wird. Dieses Verfahren wird als Alkalinisierung des Ozeans bezeichnet.[3]

Die Alkalinisierung des Ozeans besteht aus zwei Schritten, 1. einer Beschleunigung der natürlichen Verwitterung und 2. dem Eintrag des Produkts in den Ozean. Bei der natürlichen Verwitterung wird ebenfalls CO2 aus der Atmosphäre gebunden. Die Prozesse laufen jedoch sehr langsam ab und entfernen jährlich ca. 1 Mrd. t CO2 aus der Atmosphäre, eine Menge, die durch vulkanische Aktivitäten der Atmosphäre wieder zugeführt wird. Für eine beschleunigte Verwitterung eignen sich neben Kalkstein und Kreide auch Silikatgesteine wie Basalt und Olivin. Die Gesteine müssten an Land abgebaut und zerkleinert werden. Damit würde sich die Oberfläche, an der die chemische Reaktion stattfindet, durch die Kohlendioxid aus der Luft gebunden wird, deutlich vergrößern, was eine verstärkte CO2-Bindung bewirkt. Das Verwitterungsmaterial müsste anschließend in das Meer eingeleitet werden, entweder küstennah oder auf dem offenen Ozean.[3]

Beide Verfahrensstufen sind mit vielfältigen Problemen verbunden, die noch kaum erforscht sind, weil aussagekräftige Feldversuche fehlen. Die bisherigen Kenntnisse beruhen zu einem großen Teil auf Modellexperimenten. Für die beschleunigte Verwitterung würden durch bergbauliche Aktivitäten große Steinbrüche entstehen, die etwa dem globalen Bedarf der Zementindustrie entsprächen. Der Landverbrauch könnte lokale Ökosysteme zerstören.[4] Die bergbaulichen Aktivitäten würden erhebliche Mengen an Energie benötigen und vor Ort den Verkehr mit z.B. Lastkraftwagen verstärken. Die abgebauten Silikatgesteine enthalten giftige Schwermetalle, die sich schädlich auf die Ökosysteme des Ozeans auswirken würden.[3] Auf Schwierigkeiten stößt auch die Einleitung der Verwitterungsprodukte von Karbonatgestein. Der größte Teil des Ozeans ist mit Karbonaten übersättigt, weshalb sich Kalkgestein darin nicht auflösen würde. Ausnahmen sind die Auftriebsgebiete vor der Westküste Südamerikas und Westafrikas.[5] Silikate lösen sich dagegen im Meerwasser überall auf, weil das Wasser durchgehend mit Silikaten untersättigt ist.[6]

Geologische Speicherung

Einzelnachweise

  1. Riebesell, U. (2023): Künstlicher Auftrieb: Anschub für marine Ökosysteme. In: Lozán J. L., H. Graßl, S.-Breckle, D. Kasang & M. Quante (Hrsg.): Warnsignal Klima. S. 149-154, DOI:10.25592
  2. 2,0 2,1 2,2 CDRmare (2023): Künstlicher Auftrieb: Mehr Power für die biologische Kohlenstoffpumpe des Meeres
  3. 3,0 3,1 3,2 CDRmare (2022): Minerale für eine verstärkte Kohlendioxid-Aufnahme des Ozeans, DOI 10.3289/CDRmare.12
  4. Bach, L.T., S.J. Gill, R.E.M. Rickaby, S. Gore and P. Renforth (2019): CO2 Removal with Enhanced Weathering and Ocean Alkalinity Enhancement: Potential Risks and Co-benefits for Marine Pelagic Ecosystems. Front. Clim. 1:7. doi: 10.3389/fclim.2019.00007
  5. Wolf-Gladrow, D. A., S. Geilert, M. Fuhr & J. Hartmann (2023): Ozean Alkalinisierung. In: Lozán J. L., H. Graßl, S.-Breckle, D. Kasang & M. Quante (Hrsg.). Warnsignal Klima., S. 167-172, DOI:10.25592
  6. Amann, T. & J. Hartmann (2023): Beschleunigte Verwitterung an Land. In: Lozán J. L., H. Graßl, S.-Breckle, D. Kasang & M. Quante (Hrsg.). Warnsignal Klima. 161-166, DOI:10.25592


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