Rettet künstliche Photosynthese die Welt?

Klimawandel_künstliche_Photosythese

Künftig könnte es nötig werden, CO2 aus der Atmosphäre zu entfernen um die globale Erwärmung zu begrenzen, glauben Klimaforscher. Ein Weg wäre die Aufforstung der Biomasse, die CO2 bindet. Effizienter sind aber neue Technologien für künstliche Photosynthese. Forscher des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) und der Universität Heidelberg haben errechnet, wie deren Einsatz funktionieren könnte.

Das Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) hat unterschiedliche Szenarien für den Klimawandel durchgerechnet. In den pessimistischeren Szenarien muss die Weltgemeinschaft ab spätestens 2050 große Mengen an CO2 aus der Atmosphäre entnehmen. Das könnte beispielsweise durch Aufforstungen im großen Stil erfolgen. Wald bindet CO2 im Holz – solange das Holz nicht später als Brennstoff genutzt wird. Aber auch mit Systemen, die eine „künstliche Photosynthese“ ermöglichen, könnte CO2 aus der Atmosphäre entnommen und gebunden werden.

Fläche von der Größe Europas in Wald umwandeln

Wie beide Wege funktionieren könnten, haben Dr. Matthias May vom HZB-Institut für Solare Brennstoffe Dr. Kira Rehfeld von der Universität Heidelberg durchgerechnet.

Was brächten Aufforstungen? Um die Klimabilanz auszugleichen, müssten in einem mittleren Szenario ab etwa 2050 mindestens 10 Gigatonnen CO2 pro Jahr aus der Atmosphäre entnommen werden. Das Problem: Die natürliche Photosynthese ist kein besonders effizienter Prozess: Maximal 2 Prozent des Lichts können Blätter nutzen, um CO2 und Wasser in neue chemische Verbindungen umzuwandeln. Um 10 Gigatonnen CO2 pro Jahr im Wald zu binden, müssten etwa 10 Millionen Quadratkilometer der fruchtbaren Flächen auf der Erde mit neuem Wald bepflanzt werden, so May und Rehfeld. Dies entspricht der Fläche des Kontinents Europa bis zum Ural.

Künstliche Photosynthese als effizientere Alternative

Die Alternative: Materialsysteme, wie sie derzeit für die künstliche Photosynthese erforscht werden, könnten deutlich effizienter CO2 binden. Heute schon gibt es im Labormaßstab photoelektrochemische Systeme aus Halbleitermaterialien und Oxiden. Sie nutzen etwa 19 Prozent des Lichts, um zum Beispiel Wasser zu spalten und damit einen Teilprozess der Photosynthese zu realisieren.

Bei dem von May und Rehfeld anvisierten Materialsystem geht es allerdings nicht um die Erzeugung von Wasserstoff mit Sonnenlicht. Stattdessen sollen CO2-Moleküle gebunden und in stabile chemische Verbindungen umgewandelt werden. „Dies ist jedoch ein relativ ähnliches Problem aus Sicht der physikalischen Chemie“, sagt May.

Die Voraussetzung ist, dass Forscher bis 2050 großflächige und stabile Module entwickeln, die mit Sonnenenergie CO2 aus der Atmosphäre in andere Verbindungen umwandeln. Dann lässt sich der Flächenbedarf dieser Lösung berechnen. Bei einer angenommenen Effizienz von 19 Prozent und 50 Prozent Systemverlusten könnten Module von etwa 30 000 Quadratkilometern schon ausreichen, um jährlich 10 Gigatonnen CO2 aus der Atmosphäre zu entnehmen. Dies entspricht etwa der Fläche des Bundeslands Brandenburg. „Solche Module könnten in landwirtschaftlich nicht nutzbaren Regionen platziert werden, zum Beispiel in Wüsten“ erklärt May. „Denn sie benötigen im Gegensatz zu Pflanzen kaum Wasser, um zu funktionieren und die Effizienz leidet nicht unter intensiver Sonneneinstrahlung.“ Das entnommene CO2 könnte zu Ameisensäure, Alkohol oder Oxalat umgewandelt werden und mit weiteren Verbindungen zu festen Mineralien reagieren. Diese könnten gelagert oder sogar in Form von Kunststoff als Baumaterial genutzt werden.

650 Milliarden Euro jährliche Kosten

May und Rehfeld sind überzeugt, dass solche Lösungen näher ins Auge gefasst werden sollten. Das Duo warnt aber, sich auf technische Wunder zu verlassen: Noch funktionieren solche Systeme nur im kleinsten Maßstab, sie sind teuer und nicht langzeitstabil. Dies zu ändern, erfordert große Investitionen in Forschung- und Entwicklungsarbeit.

„Es könnte zwar möglich sein, solche Module zu entwickeln, aber selbst wenn wir sie dann bauen könnten, wird die Umwandlung nach unserer Schätzung mindestens 65 Euro pro Tonne CO2 kosten“, sagt May. „Damit verursacht die Entnahme von 10 Gigatonnen CO2 jedes Jahr erneut Kosten von 650 Milliarden Euro. Außerdem können negative Emissionen nur das letzte Mittel sein, um dramatische Klimaentwicklungen zu bremsen. Das Beste wäre, jetzt sofort die Emissionen drastisch zu reduzieren, das wäre sicherer und viel billiger.“

Bild © M.May/HZB