Was ist die Geheimwaffe zur Reduzierung des atmosphärischen CO2? Dieser Artikel hilft Ihnen zu verstehen

In den letzten Jahren scheinen sich die Menschen an die globale Erwärmung gewöhnt zu haben und Wissenschaftler warnen immer wieder vor dem „globalen Treibhauseffekt“. Aufgrund des Einflusses menschlicher Aktivitäten hat der Kohlendioxidgehalt (CO2) in der Atmosphäre die Grenze natürlicher Veränderungen überschritten. Analysen von Eisbohrkernen aus dem Wostok-Gletscher in der Antarktis zeigen, dass die derzeitige Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre auf ein in der Erdgeschichte noch nie dagewesenes Niveau gestiegen ist, was eine Reihe von Umweltproblemen auslösen wird.

Wissenschaftler und Techniker aus aller Welt haben auf verschiedene Weise versucht, Kohlendioxid zu binden, um seine negativen Auswirkungen auf die Klimaerwärmung zu minimieren. Die Methoden der Waldfixierung werden durch Veränderungen der Landnutzung und ihrer eigenen Absorptionskapazität beeinflusst, wie etwa durch die Variabilität der Holzproduktion, Wetter, Klima, die Auswirkung von Kohlendioxid als Düngemittel und konzentrierte Aufforstungsmethoden, die die Holzproduktion mit Unsicherheiten behaftet machen. Nach Versuchen stellte sich heraus, dass die Kohlendioxid-Speicherkapazität stillgelegter Erdgaslagerstätten nur geringer ist als die Speicherkapazität des Ozeans. Die Speicherung von Kohlendioxid im Meer kann Auswirkungen auf die Meeresökologie haben. Für Länder und Regionen mit hoher Kohlendioxidproduktion, die jedoch weit vom Meer entfernt sind, ist die Speicherung von Kohlendioxid im Meer nicht geeignet. Wissenschaftler gehen davon aus, dass durch die Speicherung von Kohlendioxid in biogenen Erdgasfeldern die in den Gasfeldern vorkommenden anaeroben Archaeen, Methanogene (Methanogenus) (Abbildung 1), zur Umwandlung von Kohlendioxid in Methan genutzt werden können und so gleichzeitig eine Energierückgewinnung erreicht werden kann.

Anwendungsforschung zur Kohlendioxidfixierung durch Methanogene

Im Jahr 1999 schlugen japanische Wissenschaftler vor, Kohlendioxid unter die Gashydratschicht oder unter die Permafrostschicht zu injizieren. Die tiefen und niedrig temperierten Grundwasserleiter versiegeln das Kohlendioxid automatisch und erfüllen so den Zweck der unterirdischen Speicherung von Kohlendioxid. Autotrophe Bakterien fixieren Kohlendioxid in tiefen, sonnenlichtfreien Umgebungen. Methanogene können unter anaeroben Bedingungen in tiefem Wasser Kohlendioxid in Methan umwandeln. Nach Jahrzehnten oder Jahrhunderten der unterirdischen Injektion von CO2 ist damit zu rechnen, dass sich unterirdische Kohlenwasserstoffschichten bilden.

Gashydrate kommen häufig unter der tiefen Ozeankruste bei hohem Druck und niedriger Temperatur vor. Erdgas kann sich unter der Gashydratschicht oder unter der Permafrostschicht ansammeln, die als Erdgasisolatoren fungieren. Es besteht die Sorge, dass die globale Erwärmung zum Schmelzen des Permafrosts und zur Erwärmung der Hydrate führen könnte, wodurch die Freisetzung des dort angesammelten Methans beschleunigt würde. Durch die Injektion von Kohlendioxid in Permafrostböden und Methanhydratkappen kann angesammeltes Methan extrahiert und eine beschleunigte globale Erwärmung verhindert werden, da das injizierte Kohlendioxid den Permafrostboden und die Methanhydratkappen stärkt. Kohlendioxidhydrate sind bei hohen Temperaturen stabiler als Eis und bei hohem Druck stabiler als Methanhydrate. Theoretisch ist dies also ein gültiger Ansatz.

Unterirdische Speicherung von Kohlendioxid

Wenn CO2 in einen Grundwasserleiter injiziert und im Grundwasser gelöst wird, in dem aktive Methanogene vorhanden sind, wandeln die Methanogene das CO2 in Methan um, sofern Wasserstoff vorhanden ist. Darüber hinaus neigt Methan dazu, sich vom Wasser zu trennen und nach oben zu wandern. Daher sammelt sich Methan häufig oben im Reservoir. Aufgrund der Vielfalt unterirdischer Mikroorganismen und Umgebungen sind umfangreiche und sorgfältige Untersuchungen zu geeigneten Bakterienarten und ökologischen Umgebungen erforderlich, wenn Kohlendioxid mikrobiell fixiert und recycelt werden soll.

Im Jahr 2000 schlug das US-Energieministerium vor, dass es in der Natur viele Methanogene gibt, die Kohlendioxid in Methan umwandeln können. Einige Methanogene überleben in extremen Umgebungen mit hohen Temperaturen und hohem Druck. Daher sollten nützliche methanogene Bakterien kultiviert und ausgewählt und durch die Schnittstelle von Biologie, Chemie, Geophysik und anderen Disziplinen mikrobielle Design- oder Biomimetiksysteme entwickelt werden. In diesem System kann Kohlendioxid in Methan umgewandelt werden.

Vieles deutet darauf hin, dass biogenes Erdgas zum Hauptbestandteil eines Gasfeldes werden kann, wie etwa das Terang-Sirusan-Gasfeld in der Ostjavasee, das Qaidam-Becken-Biogasfeld in meinem Land und das Luliang-Becken-Biogasfeld in Yunnan. Laut Statistik werden 20 % des Erdgases auf der Erde durch Methanogene produziert, davon zwei Drittel durch Acetatfermentation und ein Drittel durch Kohlendioxidfixierung.

Die Entwicklung genetischer Entschlüsselung, Gensequenzierung, Identifizierung neuer Enzyme und Auswahl guter Methanogene werden eine große Rolle bei der Beschleunigung der Umwandlung von Kohlendioxid in Methan spielen. Wissenschaftler haben einige Organismen, die in extremen Umgebungen mit hohen Temperaturen und hohem Druck leben, aus Tiefseeschloten isoliert und sie dann in Schichten gesetzt, die sich für die Öl- und Erdgasproduktion eignen. Damit wollen sie erreichen, dass sie weiter zur Erdgasproduktion beitragen.

In Kanada haben Wissenschaftler bereits Technologien entwickelt, mit denen sich Kohlendioxid zur Verbesserung der Ölförderung einsetzen lässt, Kohlendioxid in tiefe Grundwasserleiter einleitet oder Kohlendioxid in stillgelegte Öl- und Gasquellen einleitet. Zwar ist die Menge des auf diese Weise freigesetzten Kohlendioxids sehr groß, doch wurden dadurch keine wirtschaftlichen Vorteile erzielt.

Durch die Injektion von Kohlendioxid in tiefe Kohleflöze kann die Methangewinnungsrate in Kohleflözen erhöht und gleichzeitig Kohlendioxid abgelagert werden. Das Kohlendioxid-Abgas, das von Kraftwerken erzeugt wird, die Kohleflözmethan als Rohstoff verwenden, kann recycelt und in die Kohleflöze injiziert werden. Dadurch entsteht mehr Kohleflözmethan zur Versorgung der Kraftwerke, was den industriellen Mehrwert von Kohlendioxid erheblich steigern kann.

Die Rolle der Methanogene

Methanogene sind eine Art streng anaerober Archaeen, die unter Bedingungen hoher Temperaturen, hoher Salzkonzentrationen und hohen Drucks überleben können. Sie haben die Eigenschaft, Methan unter Verwendung von Kohlendioxid als Substrat zu produzieren. Sie stehen am Ende der anaeroben Nahrungskette des Kohlenstoffkreislaufs in der Natur und spielen eine wichtige Rolle im Stoffkreislauf der Natur. Sie unterscheiden sich von verschiedenen makroskopischen und mikroskopischen Organismen und wurden in der biologischen Gemeinschaft früher als „dritte Organismen“ bezeichnet. Die meisten Methanogene können Wasserstoff als Reduktionsmittel für Kohlendioxid verwenden, um organische Stoffe zu synthetisieren. Gleichzeitig nutzen sie auch spezielle anaerobe Atmung, Methanfermentation und Karbonatatmung, um die für Lebensaktivitäten benötigte Energie zu gewinnen.

Im Jahr 1997 ging das Key Open Laboratory of Anaerobic Microorganisms des chinesischen Ministeriums für Landwirtschaft und ländliche Angelegenheiten davon aus, dass sich das ökologische Umfeld von Methanogenen grob in drei Kategorien unterteilen lässt: (1) ländliche Biogasanlagen und anaerobe Abwasserbehandlungssysteme, die alle vier Stufen der Hydrolyse und Fermentation komplexer organischer Stoffe, Wasserstoff- und Acetogenese, Methanogenese und Homoacetogenese durchlaufen. (2) Der Pansen von Wiederkäuern durchläuft nur zwei Stadien: Hydrolyse und Fermentation sowie Methanogenese. Durch Fermentation im Pansen werden verschiedene Fettsäuren produziert, die eine schnelle Aufnahme durch die Schleimhaut des Magen-Darm-Trakts fördern und denen die Stufen der Wasserstoff- und Essigsäureproduktion fehlen. (3) Sie bestehen aus heißen Quellen und hydrothermalen Unterwasservulkanen und produzieren durch geochemische Prozesse hauptsächlich Wasserstoff und Kohlendioxid. Die Methanproduktion umfasst mindestens eine methanogene Phase und eine homoacetogene Phase.

Die Forschung zur geologischen Fixierung von Kohlendioxid mithilfe von Methanogenen kann unter zwei Gesichtspunkten durchgeführt werden: erstens durch Ausnutzung der Eigenschaften und der Vielfalt von Methanogenen, durch Auswahl geeigneter Stämme für den Anbau und durch Entwicklung anwendungsgerechter Eigenschaften; Zweitens, Bereitstellung geeigneter Bedingungen für vorhandene Belastungen im unterirdischen ökologischen Umfeld und Erhaltung des ursprünglichen ökologischen Umfelds. Die zweite Methode hat die Aufmerksamkeit von Ländern auf der ganzen Welt auf sich gezogen und entwickelt sich allmählich zu einer neuen Wissenschaft. Geowissenschaftler der Peking-Universität führten vorläufige experimentelle Untersuchungen im Qaidam-Becken durch und erzielten recht zufriedenstellende Ergebnisse, was eine gute Grundlage für die industrielle Förderung dieser Methode legte.

Ein Erfolgsmodell

Um die Anforderungen des Kyoto-Protokolls zu erfüllen, plante die Europäische Union im Jahr 2002, die Treibhausgasemissionen Europas zwischen 2008 und 2012 um 8 % zu senken. Dies würde eine durchschnittliche jährliche Reduzierung der CO2-Emissionen um 6 Millionen Tonnen erfordern. Zu den kurzfristigen Maßnahmen zählen die Verbesserung der Energieeffizienz und die Umstellung von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Brennstoffe. Das langfristige Ziel der Vereinten Nationen, die Treibhausgaskonzentrationen in der Atmosphäre zu stabilisieren, erfordert jedoch eine weitere Reduzierung der Kohlendioxidemissionen.

Im Januar 2003 wurde in Europa eine Organisation gegründet, deren Aufgabe es ist, die gemeinsamen Anstrengungen verschiedener Unternehmen und wissenschaftlicher Forschungseinrichtungen zur Reduzierung der Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre zu koordinieren. Zu dieser Organisation gehören Ölkonzerne, Bauunternehmen, Geowissenschaften und andere Berufs- und Fachhochschulen in europäischen Ländern.

Die Ziele des Programms sind: (1) die Förderung gemeinsamer Forschung und die Unterstützung der Umsetzung von Plänen zur Speicherung, Abscheidung und Reduzierung von CO2 auf dem europäischen Kontinent; (2) Strategien für die Ölexploration und -erschließung zu bewerten und zu überarbeiten; (3) Bereitstellung relevanter Informationen für die Politikgestaltung in Europa und in den einzelnen Ländern; (4) die öffentliche Bekanntheit und Anerkennung verschiedener Technologien zur CO2-Abscheidung und -Speicherung durch Fachveranstaltungen, Konferenzen und Veröffentlichungen auf Websites zu erhöhen.

Im Rahmen des Fünften Rahmenprogramms der Europäischen Kommission werden in Kürze sechs Programme gestartet, um die Sicherheit und die Umweltauswirkungen der Kohlendioxid-Speicherung zu bewerten. Dazu gehört die Injektion von Kohlendioxid in unterirdische Salzformationen, Kohleflözspalten, verlassene Ölfelder und geologische Reservoirs über der Meeresoberfläche sowie die Analyse der Ursachen der natürlichen Ansammlung von Kohlendioxid in diesen Formationen. Darüber hinaus unterstützt das Programm die Untersuchung der Kohlendioxid-Injektion in das Weyburn-Ölfeld in Saskatchewan, Kanada. Wissenschaftler arbeiten an geochemischen Analysen und Modellierungen, um die Ergebnisse und die Bedeutung dieser Studie besser zu verstehen.

Autor: Aufgeregt