Wissenswertes zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen

Während die ersten Klimaveränderungen für viele Jahrzehnte nur mit entsprechendem Hintergrundwissen analysierbar waren, zeigen sich Schadstoffemissionen und andere Umweltbelastungen heute teils unmittelbar in unserem Alltag. In Industriegebieten wurde schon im 19. Jahrhundert von saurem Regen berichtet. In den 1970ern sorgte dieser für ein weithin sichtbares Waldsterben.

Auch der Abbau von Kohle über und unter Tage hatte und hat sowohl sofort als auch langfristig sichtbare Veränderungen zur Folge: Die Schäden des Tagebaus in der Landschaft sind offensichtlich. Auch für die Menschen hat der Braunkohleabbau drastische Auswirkungen, zum Beispiel in der Form, dass ganze Siedlungen umgesetzt werden mussten. Allein für Garzweiler II mussten zwölf Dörfer mit 8.000 Einwohnern umgesiedelt werden. Außerdem kommt es in Förderregionen immer wieder zu Bodenabsenkungen und Erdstößen, wodurch Gebäude und auch Menschen ernsthaft gefährdet werden. So beschlossen unterdessen auch die Niederlande, aus der Gasförderung auszusteigen, als Beschädigungen von Immobilien dort überhandgenommen hatten. Hinzu kommen unter anderem großräumige Grundwasserabsenkungen, die die Trinkwassergewinnung erschweren.

Auch der Untertagebau verursacht immer wieder Bodenabsenkungen. Nichtsdestoweniger halten oft gerade die Menschen in Bergbauregionen an der Kohle fest. Über Generationen hinweg stand der fossile Energieträger nicht nur für ein sicheres Einkommen, sondern prägte vielmehr auch das Selbstverständnis der Regionen, eine unverzichtbare Säule im Wirtschaftssystem des ganzen Landes zu sein. Diese Faktoren müssen bei einem Umstieg auf erneuerbare Energien zwingend mitbedacht werden.

Die Emissionen von Luftschadstoffen haben sich in den letzten Jahrzehnten dank Fortschritten in der Filter- und Verbrennungstechnik deutlich reduziert. Ein besonders prominentes Beispiel sind die Entschwefelungsanlagen für Industrieabgase, die das Waldsterben so weit gebremst haben, dass es auch heute noch Wälder gibt, die vielen Laien grün und gesund erscheinen. Auch für andere Schadstoffe wurden die Grenzwerte mit fortschreitender Technik immer wieder gesenkt.

Das ist zwar ein großer Erfolg, gelöst sind die Probleme aber noch lange nicht. Der Zustand des Waldes hat sich über die Jahrzehnte nicht verbessert, sondern weiter verschlechtert. Zu den Schadstoffen ist vor allem Stress durch Trockenheit und Schädlinge hinzugekommen. Mitte der 1980er hatten immerhin noch rund 40 Prozent der Bäume eine intakte Krone, bei der letzten Erfassung 2019 waren es nur noch 22 Prozent. Und auch der menschlichen Gesundheit sind Luftschadstoffe nach wie vor alles andere als zuträglich.

Abb. 5: Riesige Bagger beackern riesige Braunkohlefelder

Braunkohlebagger-obs-Kabel-1.jpg

Quelle: obs/Kabel 1

Im Idealfall könnte ein Kohlenwasserstoff schadstofffrei verbrennen: Solange eine vollständige Verbrennung von Kohlenwasserstoffen stattfindet (s. Formel), werden theoretisch nur Reaktionsprodukte erzeugt, die für die direkte Umwelt unbedenklich sind: Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H₂O). Inwieweit Kohlendioxid als schädlich oder unschädlich bezeichnet werden kann, wird im nachfolgenden Kapitel behandelt.

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Emissionen sind Einflüsse auf die Umwelt, egal ob negativer oder positiver Natur. Dabei kann es sich um stoffliche Emissionen handeln, also um die Freisetzung bestimmter Substanzen, es können aber auch Geräuschemissionen (z. B. Lärm), Licht oder Wärme sein.

Schadstoffe hingegen sind per Definition negativ. Für die meisten Schadstoffe gibt der Gesetzgeber Grenzwerte an (limitiert sie), was Häufigkeit und Menge ihres Auftretens betrifft.

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C_nH_m + (n + m/4) O₂                      n CO₂ + m/2 H₂O

Weil in der Realität aber nicht nur die Kohlenwasserstoffe als Reaktionspartner für Sauerstoff (O₂) zur Verfügung stehen, sondern auch große Mengen Stickstoff (79 Prozent der Umgebungsluft ist N₂), bilden sich auch Stickoxide (NO_X). Noch problematischer wird es, wenn es zu einer unvollständigen Verbrennung infolge von Sauerstoffmangel kommt, wodurch Kohlenmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe (C_nH_m) und beim Dieselmotor auch Ruß entstehen. In der Regel stecken in den Brennstoffen auch noch weitere Stoffe, zum Beispiel Schwefel, die ebenfalls reagieren (vgl. Schwefeldioxid).

In der Praxis findet nie eine vollständige Verbrennung statt. Demzufolge entstehen tatsächlich bei jedem Verbrennungsprozess, an dem fossile Energieträger beteiligt sind, Schadstoffe. Art und Menge der Schadstoffe hängen von den eingesetzten Brennstoffen und Verbrennungsprozessen ab. Im Weiteren sind einige wichtige Schadstoffe, ihre Wirkung und Entstehung beschrieben:

Kohlenwasserstoffe (C_nH_m): Allgemeine Bezeichnung für organische Verbindungen, die aus verschiedenen Anteilen Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen. Treten Kohlenwasserstoffe im Abgas auf, ist dies ein Zeichen für eine unvollständige Verbrennung mit entsprechend geringerem Wirkungsgrad. Aromatischen Kohlenwasserstoffverbindungen werden krebserregende Eigenschaften zugeschrieben (s. unten). Benzin- und Dieselkraftstoffe besitzen einen relativ hohen C-Anteil und erzeugen dementsprechend viele gesundheitsschädliche Kohlenstoffverbindungen. Darüber hinaus verbrennen sie bei relativ hohen Temperaturen, so dass unerwünschte NO_X-Emissionen freigesetzt werden.

Kohlenmonoxid (CO): Reiz-, farb- und geruchloses Gas, das bei der unvollständigen Verbrennung von organischen Verbindungen entsteht. Es wirkt gesundheitsgefährdend, da es die Sauerstoffaufnahme des Blutes behindert.

Stickoxide (NO_X): NO_X umfasst Stickoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO₂). Stickoxide entstehen insbesondere bei hohen Verbrennungstemperaturen. NO greift die Schleimhäute der Atmungsorgane an und begünstigt Atemwegserkrankungen. In Luft reagieren die Oxide in Verbindung mit Wasser zu Salpetersäure (HNO₃) und sind für den sauren Regen mitverantwortlich. Stickoxide tragen außerdem zur Smogbildung bei.

Ruß (C): Reiner, unverbrannter Kohlenstoff. Er wird vornehmlich in Dieselaggregaten erzeugt. An den Kohlenstoffpartikeln können sogenannte polyzyklische, aromatische Kohlenwasserstoffe angelagert sein (s. u.). Die Rußpartikel heutiger Motoren sind zwar relativ klein, so dass man sie nicht mehr so deutlich sieht (keine Rußwolke), aber dadurch sind sie leichter lungengängig. Die kleinen Partikel können somit weiter in die Lunge eindringen und sich dort festsetzen.

Schwefeldioxid (SO₂): Farbloses, stechend riechendes Gas. Es entsteht überwiegend als unerwünschtes Nebenprodukt bei der Verbrennung schwefelhaltiger, fossiler Energieträger wie beispielsweise Kohle oder Öl. Reaktionsprodukte von Schwefeldioxid, vermischt mit Wasser und Salpetersäure, führen zur Bildung sauren Regens, der für das Waldsterben mitverantwortlich ist. Aufgrund strikter Grenzwerte sind die Schwefelemissionen gegenüber 1990 um etwa 95 Prozent zurückgegangen. Im maritimen Bereich, wo Schweröl immer noch nennenswerte Mengen Schwefel enthalten kann, sind sie weiterhin relevant.

Polyzyklische, aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK): Einige besitzen karzinogene und auch mutagene Eigenschaften (Krebs und Mutationen auslösend). Die Ringverbindungen aus Kohlenstoffen sind besonders langlebig. Da sie fettlöslich sind, können sie sich im Körper anreichern. Sie entstehen bei unvollständiger Verbrennung, besonders bei der Pyrolyse, also unter anderem bei der Gewinnung von Koks und Gas aus Kohle.

Benzol, Toluol, Xylol (BTX): Leicht flüchtige, aromatische Einzelkohlenwasserstoffe in ringförmiger chemischer Anordnung; Benzinbestandteile. Benzol gilt als krebserzeugend. Toluol kann in erhöhter Konzentration Schleimhautreizungen, Störungen des Nervensystems sowie Schädigungen an Leber, Niere und Gehirnzellen verursachen.

Formaldehyd (HCHO oder CH₂O): Wasserlösliches, sehr reaktionsfreudiges, säuerlich stechend riechendes, farbloses Gas, karzinogen. Es entsteht als Nebenprodukt bei fast allen Verbrennungsprozessen. Es gehört zur Gruppe der Aldehyde und kommt meist in 35-prozentiger wässriger Lösung als Formalin in den Handel.

Kohlendioxid (CO₂): Farbloses, nicht brennbares, geruchloses und ungiftiges Gas, das mit ca. 0,03 Prozent natürlicher Bestandteil der Erdatmosphäre ist (vgl. Seite 28, Gutes Treibhaus, schlechtes Treibhaus).

Neben der Entstehung von Schadstoffen bei der Verbrennung birgt auch der Umgang mit Kraftstoffen Gefahren, die im Alltag häufig vergessen werden: Dämpfe, die man zum Beispiel beim Tanken einatmet, sind gesundheitsschädlich. Große Mengen können sogar tödlich sein. Auch die Entzündlichkeit der Dämpfe, gerade in Bodennähe über Bezinlachen, wird teils unterschätzt.