Präsentation Ingenieurhydrologie C. Förster / F. Kerkhoff Präsentation Ingenieurhydrologie CO2- Speicher Ozean Sommersemester 2012

CO2-Speicher Ozean C. Förster / F. Kerkhoff Gliederung Einleitung und Motivation Einblick in den Kohlenstoffkreislauf Biologische Sequestrierung Physikalisch- chemische Bindung Fazit

CO2-Speicher Ozean C. Förster / F. Kerkhoff Einleitung und Motivation Trotz Weltklimakonferenz und Kyoto-Protokoll steigt der jährliche globale CO2- Ausstoß. Die Suche nach neuen CO2- Senken bzw. die Intensivierung von bereits vorhandenen, gewinnt immer mehr an Bedeutung. Welche Bedeutung haben die Ozeane als weltweit größte CO2- Senke? Abbildung 1: Globaler CO2- Ausstoß

CO2-Speicher Ozean C. Förster / F. Kerkhoff Einblick in den Kohlenstoffkreislauf Man geht davon aus, dass bis jetzt die Hälfte des anthropogenen CO2 durch die natürlichen Senken aufgenommen worden sind. Wiederum die Hälfte dieser Menge ist im Ozean gespeichert. Welche physikalischen, chemischen und biologischen Vorgänge lassen den Ozean soviel Kohlenstoffdioxid aufnehmen? Abbildung 2: Skizze Kohlenstoffkreislauf

CO2-Speicher Ozean C. Förster / F. Kerkhoff Biologische Sequestrierung Grundlage ist der natürliche Prozess der oxygenen Photosynthese, also die Umsetzung von Kohlenstoffdioxid und Wasser zu Glucose und Sauerstoff mit Hilfe von Sonnenlicht. Die in den Weltmeeren beheimatete Biomasse macht zwar nur 0,2 % in der globalen Betrachtung aus, ist aber für ca. 30% der entstehenden Trockenmasse verantwortlich. Dies ist vor allem auf den 700-mal schnelleren Umsatz von marinen Primärproduzenten im Vergleich zu terrestrischen Pflanzen zurückzuführen. Sonnenlicht 6 𝐶𝑂 2 + 12 𝐻 2 O −−−−→ 𝐶 6 𝐻 12 𝑂 6 + 6 𝑂 2 + 6 𝐻 2 𝑂 Kohlendioxid Wasser Glucose Sauerstoff Wasser

CO2-Speicher Ozean C. Förster / F. Kerkhoff Intensivierung des natürlichen Prozesses Die Idee zur aktiven Nutzung des Prozesses wurde bereits Ende der 80er Jahre in der „Eisenhypothese“ vom Ozeanografen John Martin formuliert. „Gebt mir einen Frachter voll Eisen, und ich mache euch eine Eiszeit“ Es gibt Regionen, in denen Eisen der limitierender Faktor für das Algenwachstum ist. So gelten zum Beispiel der subarktische und äquatoriale Pazifik und der Antarktische Ozean als, HNLC- Gebiete (high nutrient low chlorophyll) Der natürliche Eintrag von Eisen in den Ozean, stammt aus Flüssen oder durch eisenhaltigen Staub vom Land. Somit ist der Eisengehalt in küstennahen Gebieten kein Problem. Abbildung 3: Übersicht über HNCL-Gebiete

CO2-Speicher Ozean C. Förster / F. Kerkhoff Experimente EisenEx (2000) / LOHAFEX (2009) Mit Hilfe des deutschen Forschungsschiffes Polarstern wurden in den jeweiligen Experimenten 6 bzw. 10 t Eisensulfat in einem 50 bzw. 300 km² Versuchsgebiet (HNLC) ausgebracht. Ziel war es, durch die Düngung mit Eisen die Algenblüte massiv anzuregen und so einen großen Teil des in Wasser gelösten Kohlendioxids in aufgebauter Biomasse zu binden. Innerhalb des EisenEx- Experimentes wurde sogar beobachtet, dass ein großer Teil der Blüte abstarb und auf den Meeresgrund absank. Der so gebundene Kohlenstoff ist also dauerhaft der Atmosphäre entzogen. Im Rahmen des LOHAFEX- Experimentes sind die zuvor beobachten Ergebnisse nicht eingetreten. Die Algenblüte sank nicht ab, sondern wurde von Krebsen gefressen. Das in der Biomasse gespeicherte Kohlendioxid wurde in die Nahrungskette aufgenommen und durch die Atmung der Tiere wieder in die Atmosphäre abgegeben.

CO2-Speicher Ozean C. Förster / F. Kerkhoff Gründe für die unterschiedlichen Verläufe Bis zur Algenblüte sind die Ergebnisse der Versuche, dank der ähnlichen Randbedingungen gleich. Die natürliche Blüte der im EisenEx- Experiments angeregten Kieselalge war zum Zeitpunkt des zweiten Versuchs bereits vorüber. Die Kieselalge ist bezüglich der CO2- Aufnahme die effektivste. Das Ökosystem der Antarktis ist viel komplexer als gedacht, vor allem der Zeitpunkt der Düngung und die vorherrschende Biozönose ist entscheidend für die Ergebnisse. Auch die Art und Weise der Düngung hat großen Einfluss. Da in der Natur durch Wind kontinuierlich eisenhaltiger Staub in die Ozeane eingetragen wird, müsste man bei geplanten Projekten ebenfalls eine kontinuierliche Düngung berücksichtigen. Weitere Einschränkungen machen die Algen selber, sie können das Eisen nur umsetzen, wenn dies dem Sonnenlicht ausgesetzt ist.

CO2-Speicher Ozean C. Förster / F. Kerkhoff Resümee Der Vergleich von EisenEx und LOHAFEX zeigt, dass durch kleinste Änderungen und Abweichungen in den Ausgangsgrößen völlig unterschiedliche Ergebnisse ausgebildet werden können. Durch die Meeresströmung ist die Überwachung eines Versuchsbereichs schlecht realisierbar. So hat sich der Düngeteppich (EisenEx) innerhalb von 3 Wochen von 50 km² auf 1000 km² verzwanzigfacht. Abschätzung der Wechselwirkungen und Nebenwirkungen eines solch drastischen Eingriffs, wie durch die anthropogene Düngung sind schlecht vorauszusagen bzw. zu kontrollieren und im schlimmsten Fall wieder einzudämmen.

CO2-Speicher Ozean C. Förster / F. Kerkhoff Physikalisch- chemische Bindung Kohlenstoffdioxid wird im Wasser gelöst und wird in anorganischer Form in die Tiefsee transportiert Kohlenstoff wird in Form von Kohlensäure gespeichert: Abhängigkeiten: - Löslichkeit von Kohlenstoffdioxid hängt von Temperatur, Dichte und Partialdruck ab - Tiefenwasserbildung häng von der thermohalinen Zirkulation der Ozeane ab  Henry- Gesetz 𝐶𝑂 2 + 𝐻 2 O ←−→ 𝐻 2 𝐶 𝑂 3 Kohlendioxid Wasser Kohlensäure

CO2-Speicher Ozean C. Förster / F. Kerkhoff Henry- Gesetz Beschreibt das Löslichkeitsverhalten von flüchtigen Substanzen in Flüssigkeiten Mit C i = Konzentration des Gases i im Wasser P = Druck des Gases 𝐾 𝐻,𝑐𝑝 = 𝐶 𝑖 𝑝 𝑔𝑎𝑠 𝑜𝑑𝑒𝑟 𝐶 𝑖 = 𝐾 𝐻,𝑐𝑝 ∗ 𝑝 𝑔𝑎𝑠 𝐾 𝐻,𝑐𝑝 = 𝐾 𝐻,𝑐𝑝 (𝑏𝑒𝑖 298,15 𝐾) ∗ exp ( 𝐶 ( 1 𝑇 𝑡𝑎𝑡𝑠ä𝑐ℎ𝑙𝑖𝑐ℎ − 1 298,15 𝐾 ) ) K H,cp = Henry Konstante

CO2-Speicher Ozean C. Förster / F. Kerkhoff Beispielrechnung Aufgabe: Die Löslichkeit von Sauerstoff , Stickstoff und Kohlenstoffdioxid soll in einem Gewässer berechnet werden. Der gesamte Atmosphärendruck beträgt 1,01325 bar. Oberhalb der Flüssigkeit herrscht der Dampfdruck des Wassers. Das Mischungsverhältnis der Luft beträgt 78,1 % Stickstoff und 20,95% Sauerstoff sowie 0,04% Kohlenstoffdioxid. Geg.: Beschreibung N2 O2 CO2 C in [K] 1300 1700 2400 K in [mol*l/bar] 6,1*10^-4 1,3*10^-3 3,4*10^-2 M in [g/mol] 28,014 31,998 44,008

CO2-Speicher Ozean C. Förster / F. Kerkhoff Intensivierung des natürlichen Prozesses Eintrag von Kalkmineralien in Form von Staub Direkter Eintrag in das Meer Direkter Eintrag in die Tiefsee (>3000m)  Führt alles zur langfristigen Ausgasung, aufgrund der Gleichgewichtsreaktion und der thermohalinen Zirkulation

CO2-Speicher Ozean C. Förster / F. Kerkhoff Fazit Bisherige Intensivierungsmaßnahmen führen nur zu einer zeitlich Problemverschiebung Versauerung der Ozeane Neue Technologien ( CCS ) CO2- Vermeidung sollte der Ansatz sein

CO2-Speicher Ozean C. Förster / F. Kerkhoff Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

CO2-Speicher Ozean C. Förster / F. Kerkhoff Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: (16.07.2012) www.cerina.org/de/cerina_plan Abbildung 2: (18.07.2012) www.geomar.de/service/kommunikation/singlepm/article/ozeanversauerung-fuer-schueler-erklaert/ Abbildung3: (18.07.2012) de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:AYool_WOA_surf_PO4.png&filetimestamp=20061201063013