Die Geschichte der Entdeckung des Klimawandels

Auf http://www.aip.org/history/climate/co2.htm ist ein Abriss der Entwicklung des Wissens zu lesen, die zu unserem momentanen Verständnis des Klimawandels geführt hat. Es beginnt mit Arrhenius am Ende des 19. Jahrhunderts, der bekanntlich die atmosphärische Infrarotabsorption als verantwortlich für die Bewohnbarkeit der Erde erkannt hatte, und führt dann durch alle Aspekte der Temperaturberechnungen und auch des Kohlenstoffkreislaufs, schließlich der numerischen Modellierung, die zu dem Erkenntnisstand führen, der heute als schlüssig gilt.

Was mich faszinierte ist die Tatsache, dass die ersten Warnungen vor dem Klimawandel bereits in den 50er Jahren publiziert wurden, noch basierend auf Überschlagsrechnungen, und dass die Mechanismen in ihrer Komplexität bereits damals ein tieferes Verständnis sogar durch Fachleute behinderte, zu schweigen von normalen Menschen.

Zwei Beispiele, an denen diese Komplexität aufschien:

Das Absorptionsverhalten der beiden wichtigsten Spurengase Wasserdampf und Kohlendioxid ist nicht etwa in jeder Höhenschicht gleich. Nicht nur ändert sich die Wasserdampfkonzentration, auch die Breite der Absorptionslinien ändert sich mit dem Druck stark. Dies hat zur Folge, dass in der unteren Atmosphäre die Infrarotabsorption praktisch vollständig durch den Wasserdampf dominiert ist, in höheren Schichten aber, dadurch, dass dessen Absorptionslinien immer schmaler werden, das Kohlendioxid mehr und mehr Anteile übernimmt. Als Effekt davon musste man die Gesamtabsorption für jede Höhenschicht extra berechnen, was erst mit den ersten Computern überhaupt mit vertretbarem Aufwand realisierbar wurde.

Das zweite Beispiel ist die Aufnahmerate von Kohlendioxid im Meerwasser, die schlicht unbekannt war. Erste Berechnungen, die Meerwasser einfach als Salzwasser modellierten, lieferten Ergebnisse, die um den Faktor 10 zu günstig waren. Es dauerte Jahre, bis sich die Erkenntnis in der wissenschaftlichen Gemeinschaft durchsetzte, dass die übrigen Bestandteile des Meerwassers – obwohl in der Konzentration niedrig – die Kohlendioxid-Absorptionsrate im Meerwasser durch einen Puffereffekt massiv herabsetzen – und so bewirken, dass die Emissionen des Menschen überhaupt zu einem nennenswerten Anstieg der CO2-Konzentration in der Atmosphäre führten.

Eine Besonderheit der Klimadebatte ist, dass jeder Hinz und Kunz meint, dort mitreden zu können. Wenn man sich die entsprechenden Kommentare, die oft von selbstgefälliger Boshaftigkeit strotzen, durchliest, fällt auf, dass diese Leute immer wieder einzelne Teilaspekte des Gesamtbildes, die in einzelnen von tausenden von Veröffentlichungen problematisiert werden, herausgreifen und damit das ganze Gebäude der Erkenntnisse zum Einsturz zu bringen glauben. Was ihnen nicht auffällt ist, dass sie damit nichts weiter als elende Stümperei betreiben.

Der Impuls, der dahinter steht, ist durchaus menschlich und verständlich: man will sich von niemandem, auch nicht von den Eierköpfen (wie der Ami sagt) , seine Lebensweise diktieren lassen. Es ist schon eine verdrießliche Sache, das. Verantwortung und Verzicht drücken halt auf die Stimmung.

Noch etwas interessantes: Bereits die ersten Abschätzungen für die zu erwartende Temperaturerhöhung liefern Zahlenwerte, die nicht so sehr verschieden sind von den heutigen, die durch unvorstellbar komplexe Modelle errechnet wurden. Das finde ich bemerkenswert. Anscheinend gleichen sich alle in der Zwischenzeit hinzugenommenen Informationen sich in ihrer Wirkung etwa aus.

Verbrennungsmotor der Zukunft 2

Es ist immer seltsam, wenn man daher kommt und schreit: hier, das ist das Ei des Kolumbus, also eine bestimmte technische Lösung missionarisch in den Himmel hebt.
Nichtsdestotrotz will ich hier auf eine solche Lösung aufmerksam machen: den Gegenkolbenmotor.

Er besteht aus einem Brennraum für zwei Kolben, die darin gegeneinander laufen. Er könnte ein Viertakter, wenn man in der Mitte Ventile unterbringen würde, aber als Zweitakter ist er viel eleganter. Dann nämlich öffnen die Kolben am äußeren Totpunkt den Zuluft und den Abgaskanal. Durch eine leichte Phasenversetzung kann man erreichen, dass sich erst der Abgas- und dann der Zuluftkanal öffnet. So wird ein Gasaustausch erzielt, der ebensogut wie beim Viertakter ist. Der Zweitakter braucht einen Lader, der während des offenen Zylinders die frische Luft hineindrückt.

Der Hauptvorteil ist folgender:

Die Oberfläche des Brennraums ist eine der Hauptverlustquellen beim Verbrennungsmotors. In erster Näherung sind die Wärmeverluste nicht von der Motorleistung, sondern nur von dieser Oberflächengröße und der Ladung abhängig. Man möchte also zwei Ziele erreichen: ein großes Hub-zu-Bohrungsverhältnis (langen Hub), um die Oberfläche des Brennraums gering zu halten, und eine hohe Drehzahl, um bei gegebener Oberfläche, also gegebenen Verlusten, möglichst viel Nutzleistung zu erzielen. Großer Hub bedeutet aber große Beschleunigung von Bauteilen – wegen der begrenzten Materialfestigkeit sind Hub und Drehzahl ungefähr umgekehrt proportional. Wenn der Hub auf zwei Kolben aufgeteilt wird, lässt sich also im Prinzip die doppelte Drehzahl erreichen, d.h. doppelte Leistung bei gleichen Verlusten. Der Wirkungsgrad steigt.

Dieser Effekt trifft besonders auf den Teillastbereich zu, weil hier die Oberflächenverluste relativ größer sind als bei Volllast. Dies ist von Bedeutung, da unsere Autos vielleicht 80 % ihrer Zeit im unteren Teillastbereich gefahren werden.

Die Komplexität das Motors ist etwas geringer als die des Standard-Viertakters. Keine Zylinderköpfe, keine Ventile und Ventiltriebe und Nockenwellen, weniger Masse, da weniger Hubraum umbaut werden muss – dafür zwei Kurbelwellen, die über Zahnräder synchronisiert werden müssen und der Lader.

Nachteile gibt es leider auch. Dadurch dass die Lauffläche für den Ein- und Auslass unterbrochen ist, gerät Öl in den Gasstrom, insbesondere ins Abgas. Ob sich das wegentwickeln lässt  ist die Frage. Es erfordert eben Risiko einzugehen.

Mehr aus der Welt der Algen

Was ich neulich im Focus über Treibstoff-aus-Algen las ist nur die Spitze eines Eisberges an Forschung, die auf diesem Gebiet geleistet wird. Die Idee dazu entstand bereits in den 50er Jahren, damals allerdings noch mit einer anderen Zielrichtung (Methanherstellung unter Nutzung von Abwässern). Von 1978 bis 1996 lief ein Forschungsprogramm des U.S. Department of Energy’s Office of Fuels Development, in dem bereits wesentliche Vorarbeiten wie die Suche geeigneten Arten, die Erforschung von Physiologie und Biochemie der Algen, Erstellung von Demonstrationsanlagen und  Kostenanalysen geleistet wurden. Dieses Programm ist in letzter Zeit wieder aufgenommen worden. Ein PDF-Dokument mit einem Überblick findet sich hier.

Der SPIEGEL könnte ein Beleg für die These sein, das hierzulande die Algentechnologie als exotisch und versponnen gilt. Nicht nur, dass er bei Stichwort “Algen” überhaupt keinen entsprechenden Treffer in seiner internen Suche liefert, einer der zwei Artikel über die neue Technologie ist ein herber Verriss des Hamburger Pilotprojekts zur Umwandlung von Kraftwerks-CO2 in Biomasse. In anderen Medien wird immerhin wohlwollend über den Algen-Ansatz berichtet, z.B. in der Welt. Der Gerechtigkeit halber muss man sagen, dass das besagte Pilotprojekt wirklich nicht mehr sein kann als ein Forschungsprojekt – es krankt an dem Problem aller regenerativen Energien in Deutschland: zu wenig Licht um billig werden zu können. Der andere Artikel im SPIEGEL ist wohlwollender .

Währenddessen haben sich in den USA bereits zwei Organisationen zur Koordination und Interessenvertretung von Sprit-aus-Algen-Unternehmen gegründet, die Algal Biomass Organisation (ABO) und die National Algae Association, von denen die erstere so klangvolle Namen wie Boeing, Airbus, KLM, FedEx und IATA in ihrer Mitgliederliste führt. Die Fliegerei ist harscher Kritik der Umweltschützer ausgesetzt und will nicht nur ihr Image polieren, sondern sich auch langfristig ihre Treibstoffbasis sichern. Auch die Firma Sapphire Energy findet sich in der ABO – sie hat jüngst 100 Mio. Dollar von Bill Gates erhalten.

Doch nicht nur die Großen sind drüben rege – es scheint eine kleine Gemeinde von Hobby-Biodieselern zu geben. Zumindest gibt es Anleitungen im Netz zu kaufen, wie man einer wird, die als Lehrbeispiel für sales hype gelten können. Hier ein Bericht über ein Garagentreffen solcher Algen-Geeks. Amerika ist halt das Land des “can do”!

Leider muss ich meine frühere Darstellung der Wunder der Algen etwas zurückstutzen, nämlich was den maximalen Umwandlungswirkungsgrad betrifft. Nach besagtem “Welt”-Artikel und anderen Quellen beträgt er nicht 30, sondern nur 10 %. Aber immerhin kann ich den geneigten Leser aus dieser Quelle mit einer offiziellen Schätzung des Zeitrahmens versorgen, bis die Sache zum Durchbruch kommt: kommerziell lohnende Produktion 2015, 2022 dann 36 Mrd. Gallonen (= 137 Mrd. Liter, = 98 Mrd. kg, = 98 Mio. t, = etwa der momentane deutsche Verbrauch an Benzin).

Der wahre Trend in solarer Energie

Manchmal tauchen kleine Meldungen auf, die abseitig wirken. Bei näherem Hinsehen wird einem aber dann klar, dass hier ein echter Durchbruch zu sehen ist.

Focus hat einen Klima-Newsletter, in dem auf verschiedene klimawandelbezogene Artikel hingewiesen wird. Es gibt viele Entwicklungslinien in der Reaktion auf den Klimawandel. Einige werden überbetont (Solarstrom), andere bekommen nicht die Aufmerksamkeit, die ihrer Relevanz entspricht (Wärmedämmung), andere entpuppen sich als Irrläufer (Agrofuel).  Manchmal kommt etwas neues, das aufhorchen lässt, und das ist die Biomassegewinnung aus Algen.

Sie hat mehrere Vorteile gegenüber der Verwertung von Landpflanzen:

  1. Der Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Licht in Biomasse liegt im Bereich von 30 %. (Quelle) Damit ist er ein Vielfaches höher als bei Landpflanzen, d.h. der Flächenverbrauch für dieselbe Menge an Brennstoff ist  geringer – oder aus derselben Fläche lässt sich eine viel höhere Exergie gewinnen.
  2. Da Wasserflächen genutzt werden könnten, wird keine wertvolle landwirtschaftliche Nutzfläche für Kraftstoffgewinnung verbraucht.
  3. Energiefarmen können CO2 durch die in den Algen erfolgende biologische Hydrierung wieder nutzbar machen – ein geschlossener CO2-Kreislauf wird realisierbar.
  4. Die entstehenden Öle können mit heutiger Raffinerietechnik in Kraftstoffe umgewandelt werden. Damit können existierende Autos und andere Anlagen weiter verwendet werden.

Diese Technik ist mit 10 – 15 % Umwandlungswirkungsgrad * ) in mechanische oder elektrische Energie so flächeneffizient wie Photovoltaik, aber mit potentiell einem Bruchteil der Kosten.

 * ) Auf diesen Wert kommt man, wenn man die gewonnene Biomasse per Wärmekraftmaschine nutzt, die ihrerseits einen Wirkungsgrad von 30 – 50 % hat.

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