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ANTARKTIS: HIER SOLLTE EIS SEIN!

King George Island ist mit 1260 Quadratkilometern Fläche die Größte der Südlichen Shetland Inseln. Auf ihr sind schon seit Jahrzehnten internationale Forschungsstationen angesiedelt. Deutsche Ökologen beobachten mittlerweile genau vierzig Jahre die Veränderungen in der Tier- und Pflanzenwelt als Folge des Klimawandels. Diese sind hier deutlich zu sehen:

Die Antarktis wird in dieser Region von Jahr zu Jahr grüner…“

…, beschreibt Christina Braun vom Institut für Ökologie und Evolution der Friedrich-Schiller-Universität Jena die Situation vor Ort. Gerade kam Sie mit einem vierköpfigen Forschungsteam und einer umfangreichen ökologischen Datensammlung aus der Antarktis zurück.

Die Wissenschaftler beobachteten, dass die heimische Grasart „Deschampsia antarctica“ durch den Rückzug von Gletschern und längere eisfreie Perioden immer größere Gebiete einnimmt. Sie scheint sich sogar rasant auszubreiten.

VERÄNDERUNG LÜCKENLOS DOKUMENTIERT

Unter Leitung von Dr. Hans-Ulrich Peter starteten Braun und zwei weitere Kollegen der Universität Jena im November 2018, also im antarktischen Sommer, für mehrere Wochen ihre Expedition auf die Forschungsinsel. Ihr Ziel war die Untersuchung der antarktischen Tier- und Pflanzenwelt rund um die russische Forschungsstation Bellingshausen. Denn Peter sowie einige seiner Kollegen dokumentieren seit 1979 nahezu lückenlos die klimabedingten Veränderungen des Ökosystems in der Region.

Langzeitmonitoring: In diesem Jahr dokumentierten Alina Kessel und Martin Senf von der Uni Jena die Anzahl der Brutpaare, die Verbreitung von Brutplätzen und den Bruterfolg von Pinguinen © Christina Braun/FSU

Die aktuellen Untersuchungen laufen im Rahmen eines vom Bundesumweltamt geförderten Forschungsprojekts. Sie erfassen neben den Veränderungen in der Vegetation der Antarktis vor allem auch Daten zu Seevögeln und Robben. Insbesondere Riesensturmvögel, Skuas und Pinguine, Weddellrobben und Seeelefanten stehen dabei in ihrem Fokus. „Wir dokumentieren in einem jeweils definierten Gebiet zum Beispiel die Anzahl von Brutpaaren, die Verbreitung von Brutplätzen und den Bruterfolg von Seevögeln“, erläutert Braun die Feldarbeit. „Aus diesen Datensätzen lassen sich über die Jahre Veränderungen ablesen und so der Zustand des Ökosystems beurteilen.“

Das über die Jahrzehnte gewachsene, umfassende Datenarchiv der Jenaer Forscher ist immens wichtig. Denn, so Braun:

Es gibt international kaum vergleichbare Monitorings für diese Region, die einen so langen Zeitraum abdecken.“

Auch wenn die Auswertung der von der diesjährigen Expedition mitgebrachten Daten erst jetzt beginnt, zeichnen sich einige Entwicklungen bereits ab. So nehmen nicht nur Gräser und andere Pflanzen die von Gletschereis freigegebenen Flächen in Besitz. Auch Tiere, wie Skuas, Möwen und Seeschwalben, besiedeln die neuen Gebiete sehr rasch.

MÜLLMONITORING ALS NEUEN FORSCHUNGSASPEKT

Zudem sticht den Wissenschaftlern noch ein weiteres Problem immer deutlicher ins Auge: Die vom Meer angespülten, jährlich wachsenden Müllberge. Und hier machen ihnen insbesondere die großen Mengen an Plastik beziehungsweise Kunststoff Sorge. So sammeln sich ausgediente Bojen und Netze, Flaschen, Folien und Styropor an den Stränden. Das Schlimme daran ist: Kleinere Plastikteile werden von Sturmschwalben und anderen Seevögeln gefressen. Auch geben sie diese an ihre Küken und Jungtiere weiter. Dem wachsenden Müllproblem nehmen sich die Jenaer Ökologen zunächst einmal auf ihre Weise an: Sie kartieren seit diesem Jahr nicht nur die Flora und Fauna, sondern auch Plastik-Strandgut und anderen Müll der Antarktis.

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Bild oben: King George Island ©Christina Braun/FSU

FAST VOLLSTÄNDIGE DEKARBONISIERUNG DES INDUSTRIESEKTORS MÖGLICH

Der Industriesektor ist für etwa 20 Prozent der EU-weiten Treibhausgasemissionen verantwortlich. Wenn er die Ziele aus dem Paris-Abkommen, die in der Langfriststrategie der EU-Kommission niedergeschrieben sind, erreichen möchte, sollten seine Emissionen bis 2050 nahezu vollständig reduziert werden. Dies ist tatsächlich möglich, wie eine aktuelle Studie des Fraunhofer Instituts für System- und Innovationsforschung (ISI) in Zusammenarbeit mit ICF Consulting Services Limitedzeigt. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler berechneten, dass bis zum Jahr 2050 eine Dekarbonisierung des Industriesektors von 95 Prozent machbar ist. Doch Voraussetzung für die fast vollständige Emissionsfreiheit sind innovative, CO2-neutrale Technologien sowie ein umfassender technischer Wandel.

Für ihre Arbeit untersuchten die Forschenden, welchen Beitrag einzelne Technologien für die Dekarbonisierung leisten können. Gleichzeitig schauten sie auch, wie diese Technologien gefördert werden könnten. Denn parallel zu ihrer Studie untersuchte das Fraunhofer ISI die Rolle eines Innovationsfonds. Dieser soll den Technologien mit Einnahmen aus dem EU-Emissionshandel zur Marktdiffusion verhelfen.

FOKUS AUF PRODUKTION VON GRUNDSTOFFEN

Ein besonderes Augenmerk der Studie Industrial Innovation: Pathways to deep decarbonisation of Industry galt der industriellen Produktion von Grundstoffen wie Stahl, Zement, Ethylen, Ammoniak und Glas: Denn sie ist für einen Großteil der Industrieemissionen verantwortlich. Zudem gilt sie in Bezug auf Dekarbonisierung als besonders schwierig.

Für ihre Forschungen setzten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler das vom Fraunhofer ISI entwickelte Simulationsmodell FORECAST mit hoher Technologieauflösung ein. Hiermit berechneten sie acht alternative Szenarien. Alle acht zeigten, dass eine ambitionierte Verbesserung der Energieeffizienz die Kosten der Dekarbonisierung senken würden. Sie könnten somit besonders in den kommenden 10 bis 20 Jahren substanzielle Beiträge zur CO2-Einsparung leisten. Demnach könnten die Treibhausgasemissionen des Industriesektors bis 2050 um 80 bis 95 Prozent gegenüber 1990 reduziert werden. Doch reicht das allein nicht aus, um die Emissionen ausreichend zu mindern.

ZENTRALER FAKTOR: ERNEUERBARE ENERGIEN

Ein entscheidender Faktor ist ein schneller Ausbau der Erneuerbaren Energien, um CO2-freien Strom zu gewinnen. Dies ist insbesondere deshalb wichtig, da sich der Stromverbrauch des Industriesektors bis 2050 stark erhöhen könnte. Je nach Szenario könnte er sich verdoppeln oder sogar verdreifachen. Dies würde vor allem dann geschehen, wenn Strom verstärkt für die Prozesswärmeerzeugung eingesetzt wird. Auch die Umstellung von wichtigen Prozessen der Chemie- und Stahlindustrie auf Elektrolyse-Wasserstoff gehen mit einem höheren Stromverbrauch einher.

Somit verlangt eine 95-prozentige Reduktion der Treibhausgase und damit eine nahezu CO2-neutrale industrielle Produktion bis 2050 grundlegende Änderungen entlang der Wertschöpfungskette. Dazu gehören die Verbreitung CO2-arm produzierter Zementsorten, ein effizienter Materialeinsatz und eine umfassende Kreislaufwirtschaft. Auch die Abscheidung und Speicherung von CO2 kann eine Rolle spielen, um beispielsweise verbleibende Emissionen bei der Herstellung von Zementklinker und Kalk zu mindern.

FÖRDERUNG CO2-NEUTRALER HERSTELLUNGSPROZESSE

Doch laut Studie ist mit den heute verfügbaren Technologien und dem bestehenden regulatorischen Rahmen die ambitionierte Transformation nicht möglich. „Bereits zwischen 2020 und 2030 müssen neue Technologien Marktreife erlangen, die Infrastruktur gebaut und der regulatorische Rahmen angepasst werden“, betont Dr. Tobias Fleiter, Projektleiter am Fraunhofer ISI. „Hierfür braucht es einen umfassenden Instrumentenmix, der unter anderem die Forschung und Entwicklung für CO2-neutrale Herstellungsprozesse sowie die Schaffung von Nischenmärkten für CO2-arme Grundstoffprodukte fördert. Zentral ist, nicht nur die Grundstoffindustrie selbst zu verändern, sondern die gesamte Wertschöpfungskette einzubeziehen…“

…Besonders die Bauwirtschaft sollte sich als größter Nachfrager von CO2-intensiven Produkten wie Stahl, Zement und Glas daran orientieren, wieviel Emissionen bei der Herstellung ausgestoßen werden. Deshalb müssten die Kosten der CO2-Emissionen in der Produktverwendung eingepreist werden.“

INNOVATIONSFONDS VON BEDEUTUNG

Ein wesentlicher Schritt zur Entwicklung CO2-neutraler Herstellungsprozesse ist der Innovationsfonds (IF), den die EU-Kommission derzeit vorbereitet: Ab 2021 soll er Einnahmen aus dem Emissionshandel unter anderem für die Forschung und Entwicklung zur Dekarbonisierung der Industrie bereitstellen.

Deshalb standen die Konzeption und Ausgestaltung des IF sowie dessen Auswirkungen auf Umwelt und Wirtschaft im Rahmen einer weiteren Studie im Fokus. Diese führte das Fraunhofer ISI in Kooperation mit Ecofys (heute: Navigant) ebenfalls im Auftrag der EU-Kommission durch. Für Projektleiter Prof. Dr. Wolfgang Eichhammer vom Fraunhofer ISI ist der IF „…ein wichtiger Schritt zur Förderung innovativer CO2-neutraler Industrieprozesse: Der CO2-Preis im Emissionshandel reicht trotz des kürzlichen starken Anstiegs in absehbarer Zeit allein nicht aus, um die Wirtschaftlichkeit dieser neuen Technologien zu erreichen. Daher scheuen sich Unternehmen, die im weltweiten Wettbewerb stehen, diese Technologien in großem Maßstab in die industrielle Anwendung zu bringen. Der weiter steigende CO2-Preis wird jedoch in den nächsten ein bis zwei Jahrzehnten die heutigen Standardtechnologien, die auf fossilen Energieträgern beruhen, zunehmend unwirtschaftlich machen. Der IF ist daher ein wichtiger Baustein, um in der Anfangsphase diese Technologien wirtschaftlich zu machen und das Risiko für die Unternehmen zu senken.“

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Forschungsprojekt: Digitalisierung von Abbrucharbeiten für sortenreinen Bauschutt

Abfälle mit Ausweis: Das Grundbuch der Materialien

Bild oben: Carbon-Footprint ©Pixabay

FORSCHUNGSPROJEKT: DIGITALISIERUNG VON ABBRUCHARBEITEN FÜR SORTENREINEN BAUSCHUTT

Die Baubranche boomt – und immer öfter muss Altes Neuem weichen. In alten Gebäuden stecken jedoch zum Teil wertvolle Ressourcen, die durchaus wiederverwertet werden könnten. Und – vor allem auch in Anbetracht von mangelndem Deponieraum – auch wiederverwendet werden sollten. Zudem gibt es Problemabfälle, die gesondert entsorgt werden müssen. Grund genug für Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der TH Köln gemeinsam mit zwei Partnern aus der Industrie an einem Verfahren zum optimierten Abbruch von baulichen Anlagen (VopAbA) zu forschen. Ihr Ziel ist es, sortenreinen Bauschutt, eine bessere Logistik sowie mehr Sicherheit bei Abbrucharbeiten zu fördern, um somit die Recyclingquote zu erhöhen.

VERBESSERUNG VON VORSORTIERUNG

„Bauabfälle sind ein bundesweites Problem. Alleine 2014 fielen rund 200 Millionen Tonnen an, wie der Bundesverband Baustoffe – Steine und Erden in einem Monitoring festgestellt hat. Darunter gut 55 Millionen Tonnen Bauschutt aus dem Abbruch von Gebäuden“, so Dirk Niederberghaus, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Kölner Labor für Baumaschinen der TH Köln. Der anfallende Bauschutt, der vor allem aus mineralischen Abfällen besteht, kann zurzeit zu etwa zwei Dritteln recycelt werden. Er findet vor allem als Fahrbahnunterbau Verwendung.

Doch es geht noch mehr: durch die Vorsortierung des Bauschuttes auf der Abbruchstelle könnte die Quote erheblich verbessert werden. Dazu macht es Sinn, schon im Vorfeld zu wissen, wo sich Materialien, die den Bauschutt kontaminieren würden, befinden. Um diese kritischen Abfälle zu ermitteln, möchten die Forschenden per stationärer Scan-Einrichtung das Gebäude schon vor dem Abbruch digital erfassen. Ein Verfahren, das übrigens aus der Vermessungsbranche bereits bekannt ist. Die Ergebnisse werden in einer Punktewolke zusammengetragen, aus der ein Gebäudeplan errechnet wird. Die problematischen Bereiche sind entsprechend gekennzeichnet. Mit diesem Wissen ließen sich die Arbeitsschritte sowie auch die Logistik auf der Baustelle optimieren.

Durch die Digitalisierung der Prozesse soll der Abbruch baulicher Anlagen optimiert werden ©TH Köln

„Während des Abbruchs tasten robuste 3D-Scanner an der Spitze des Hydraulikbaggers permanent das Gebäude ab. Die Ergebnisse werden dann mit den digitalen Plänen abgeglichen und es entsteht ein Modell, an dem man den Abbruch in Echtzeit verfolgen kann“, so Niederberghaus.

Per Display im Führerhaus wird der Maschinenführer angewiesen, in welcher Reihenfolge die einzelnen Teile abzureißen sind. So kommt ein möglichst sortenreiner Bauschutt zustande, der einer höchsten Güteklasse entsprechen soll.

Da das Gebäude im Vorfeld gescannt und erfasst wurde, können wir auch errechnen, wie viele Tonnen bestimmter Materialen anfallen und zu welchem Zeitpunkt sie voraussichtlich abtransportiert werden müssen…“

…, erläutert Niederberghaus. „Das erleichtert zusätzlich die Logistik und spart Kosten.“

MEHR SICHERHEIT AUF DER BAUSTELLE

Nicht zuletzt wird das geplante System auch die Sicherheit auf der Baustelle erhöhen. Denn in der Simulation des Gebäudes und seiner Umgebung, die der Baggerführer auf seinem Display sieht, kann auch der Trümmerschatten angezeigt werden. Er sieht also den von herabfallendem Material bedrohten Bereich. „Im Sinne einer Augmented Reality können wir auf dem Display den Bereich einzeichnen, in den der Bagger bedenkenlos fahren kann und verhindern so Unfälle“, erklärt Niederberghaus.

Das Kölner Labor für Baumaschinen (KLB) von Prof. Dr. Alfred Ulrich führt das Forschungs- und Entwicklungsprojekt VopAbA in Kooperation mit der MOBA Construction Solutions GmbH und die TPA GmbH Gesellschaft für Qualitätssicherung und Innovation (TPAQI) durch. Das Labor ist Teil des Instituts für Bau- und Landmaschinentechnik der TH Köln. Das Projekt wird über drei Jahre im Programm Leitmarktwettbewerb Produktion.NRW gefördert.

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Bild oben: Bauschutt @Pixabay

GRÜNER AMMONIAK – KRAFTSTOFF UND ENERGIESPEICHER FÜR EINE EMISSIONSFREIE SCHIFFFAHRT

Das Bündnis Campfire – es forscht an der dezentralen Herstellung grünen Ammoniaks aus erneuerbaren Energien – erhielt nun von einer Expertenjury positive Nachrichten: Es wird in den nächsten fünf Jahren durch das Bundesministerium für Forschung und Bildung (BMBF) mit acht Millionen Euro gefördert. Diese wird es nutzen, um ihre Vision von der emissionsfreien Schifffahrt voranzutreiben und eine grüne Ammoniak-Technologie zu etablieren. Elementarer Baustein des neuen Verfahrens sind keramische Dünnschichtmembranen, die eine hohe Effizienz und Lebensdauer aufweisen. Dank ihrer Eigenschaften ermöglichen sie ein effizientes Festkörper-Elektrolyseverfahren (SOEC) für die Wasserstoffsynthese aus Wasserdampf.

„Wir freuen uns, dass sich die Jury für unser Konzept entschieden hat, an dem wir mehr als sieben Monate intensiv gearbeitet haben und eine breite Wissensallianz schaffen konnten“, kommentiert Projektleiterin Dr. Angela Kruth vom Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie (INP) in Greifswald die Neuigkeiten nicht ohne Stolz. Das Know-how bezüglich innovativer Energietechnologien sowie aus dem maritimen und chemischen Bereich ist in der Region – sie erstreckt sich von Rostock bis ins polnische Stettin ‒, seit vielen Jahren vorhanden. Nun wird es erstmals im Bündnis Campfire zu einem neuen Technologiepfad zusammengeführt. Das Bündnis verfolgt das Ziel, durch die Entwicklung innovativer Energietechnologien und der Verflechtung der lokalen Energiebranche mit der maritimen und chemischen Industrie einen neuen, zukunftsträchtigen Wirtschaftszweig in der Projektregion Nord-Ost zu etablieren. Die Erarbeitung des Konzepts wurde vom Leibnizer INP sowie dem Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität (IKEM) und der Hochschule Stralsund (HOST)koordiniert. Wichtige Impulse setzten auch die externen Partner wie beispielsweise das Zentrum für Brennstoffzellentechnik (ZBT) sowie das Institut für Kompetenz in der Automobilität (IKAM).

Inzwischen zählen 31 Partner zu Campfire. Dazu gehören erfolgreiche Unternehmen im Spezialschiffbau und der Energieerzeugung. Zudem sind auch große Reedereien und Düngemittel-Produzenten vertreten. Die beteiligten wissenschaftlichen Einrichtungen machen etwa ein Drittel der Projektpartner aus. Sie erforschen unter anderem Nanotechnologien und Brennstoffzellen für den Energiesektor.

CO2-NEUTRALES AMMONIAK AUS LUFT UND WASSER

Schwerpunkt des Innovationskonzepts ist die dezentrale Herstellung von grünem – also CO2-neutralen – Ammoniak aus Luft und Wasser. Die dafür notwendige Energie soll ausschließlich aus Wind- und Solaranlagen stammen. Herzstück dieses neuen Verfahrens sind – da sie eine hohe Effizienz und Lebensdauer aufweisen –, keramische Dünnschichtmembranen mit kubischen Perowskitstrukturen. Perowskite überzeugen mit ihrem Vorteil in Bezug auf Betriebstemperaturen, mechanischer Belastbarkeit sowie der physikalisch-chemischen Eigenschaften und Temperaturbeständigkeit als Hochtemperatur-Elektrolytmaterialien. Zudem können sie Sauerstoffionen, Protonen und Elektronen leiten. Für die Nutzung von Ammoniak als Energieträger spricht, dass das Gas – bei Normaldruck bei -33°C –,  bar verflüssigbar ist. Von daher kann es leicht gespeichert und transportiert werden. Ammoniak ist wasserstoffreich und enthält Energiemengen, die mit Dieselkraftstoff vergleichbar sind. Zudem könnte das Gas auch in konventionellen Verbrennungsmotoren genutzt werden. Die Endprodukte sind nur Wasser und Stickstoff. Letzterer kann gefahrlos an die Luft zurückgegeben werden. Im Rahmen von Campfire sollen durch die hohe Prozesseffizienz und niedrigen Kosten für die Ammoniaksynthese aus regenerativem Strom die Produktionsprozesse erstmals wirtschaftlich darstellbar werden.

ENTWICKLUNGSARBEIT STEHT BEVOR

Allerdings steht die Entwicklung dieser Materialien als erstes Forschungsvorhaben von Campfire noch bevor. Parallel dazu erarbeiten die ostdeutschen Experten technologisch-ökonomische Studien für die nachhaltige Produktion von Ammoniak und dessen Nutzung als Kraftstoff. Ebenso müssen rechtliche Rahmenbedingungen angepasst und aufwändige Genehmigungsverfahren vorbereitet werden. Das Bündnis setzt sich auch für einen nachhaltigen Politikrahmen ein. Dieser soll die wirtschaftlichen Voraussetzungen für das Projekt schaffen. „Es braucht eine realistische CO2-Bepreisung, die auch langfristige Klimakosten widerspiegelt. Statt fossile Brennstoffe zu subventionieren müssen klimaneutrale Kraftstoffe wirtschaftlich werden. Da hilft ein angemessener CO2-Preis“, betont IKEM-Geschäftsführer Simon Schäfer-Stradowsky. Je höher dieser ausfalle, desto schneller vollziehe sich der Umstieg auf neue Technologien.

Die Erfahrungen in der Ammoniakproduktion – bis jetzt werden dafür große Mengen fossiler Energieträger benötigt –, reichen bereits 150 Jahre zurück. Die Verbindung von Stickstoff und Wasserstoff ist eine der meistproduzierten Chemikalien und Ausgangsstoff unter anderem für Düngemittel.

Grün gewonnenes Ammoniak könnte nicht nur wertvoll für den Einsatz in Zero-Emission-Antrieben, die in den kommenden Jahren für die Schifffahrt entwickelt werden, sein. Ebenso lässt sich daraus nachhaltiger Dünger herstellen, was zur Sicherung der globalen Nahrungsmittelproduktion beiträgt. CO2-neutrales Ammoniak auf Basis von elektrochemischen Verfahren könnte aber auch in stationäre Energieversorgungssysteme eingespeist werden. „Die neuen Ammoniak-Technologien sind ein Schlüssel für die Bewältigung der künftigen gesellschaftlichen Herausforderungen“, so Kruth. Ein weiteres Ziel sei, die in der Region entstehenden High-Tech-Lösungen weltweit zu exportieren.

HINTERGRUND ZUR FÖRDERUNG

Schon im Jahr 2017 startete das BMBF unter dem Namen „Wir! – Wandel durch Innovationen in der Region“ die ostdeutsche Innovationsinitiative. Ab dem 1. April 2019 werden insgesamt 20 ostdeutsche Bündnisse mit innovativen Ansätzen den Strukturwandel in ihren Regionen vorantreiben. Dafür entwarfen die Akteure der interdisziplinären Zusammenschlüsse im vergangenen Jahr verschiedene Innovationskonzepte für ihre Region. Die Innovationsfelder reichen dabei von der Bioökonomie über neue Materialien und Rohstoffeffizienz bis hin zur Gesundheitsversorgung in ländlichen Räumen. Von den 100 Initiativen wurden nun 20 von einer Expertenjury ausgewählt. Sie werden in den nächsten fünf Jahren mit insgesamt 200 Millionen Euro vom Bund unterstützt.

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Bild oben: Grüne Energie ©Pixabay

UMWANDLUNG VON ÖLPALMPLANTAGEN IN GESCHÜTZTEN REGENWALD

Günstiges Palm-Öl ist gefragt: Es steckt in der Tiefkühlpizza genauso wie in Lippenstiften und Waschmitteln. Doch zum Wachsen bevorzugt die Ölpalme tropisches Klima, also genau das Klima, welches auch Regenwälder benötigen. Kein Wunder also, dass Länder, die in diesen Breitengraden liegen, Regenwald abholzen, um durch den Anbau von Ölpalmplantagen den weltweiten Bedarf an dem neutralen Pflanzenfett zu decken. So gehören beispielsweise Indonesien und Malaysia mit knapp 90 Prozent des gehandelten Öls (Stand 2018) zu den größten Palmölherstellern der Welt – mit verheerenden Folgen für die Natur.

Doch immerhin: Schon 2015 unterzeichnete der malaysische Bundesstaat Sabah ein Abkommen mit dem Rhino and Forest Fund e.V. (RFF) zur Wiederaufforstung des Regenwaldes. Dies soll jetzt in die Tat umgesetzt werden. Borneos Forstbehörden planen unter Federführung des RFF und gemeinsam mit Wissenschaftlern des Leibniz-Instituts für Zoo- und Wildtierforschung (Leibniz-IZW) eine Fläche von etwa 15,5 Hektar Ölpalmplantage wieder in Regenwald umzuwandeln. So soll der dringend benötigte Wildtierkorridor für Borneos bedrohte Tierwelt wiedergeschaffen werden. Ein Forschungsteam des Leibniz Instituts und Umweltexperten aus Zürich werden diesen Prozess wissenschaftlich begleiten. Denn bisher mangelt es bezüglich der Aufforstung an wissenschaftlichen Forschungen aus der Praxis. Mit dem Modellprojekt möchte der RFF diese Wissenslücke schließen. Gleichzeitig sollen die gewonnenen Erkenntnisse als Blaupause für zukünftige Aufforstungsprojekte dienen.

KAUF VON LANDVERBINDUNGEN ZWISCHEN WILDTIERRESERVATEN

Der erste Schritt zur Verwirklichung der Ziele war der Kauf von Ölpalmplantagen zwischen den isolierten Wildtierreservaten Tabin und Kulamba im Osten des malaysischen Bundesstaates Sabah. Beide Schutzgebiete sind von zentraler Bedeutung für den Erhalt hochbedrohter und bedrohter Arten wie beispielsweise Haarnasenotter, Borneo-Orang-Utan, Sunda-Nebelparder, Borneo-Elefant und Borneo-Banteng. Dazu Robert Risch, Vorstandsmitglied des RFF und Mitarbeiter am Leibniz-IZW: „Mit der Unterzeichnung eines Kaufabkommens auf der aktuellen Heart-of-Borneo-Konferenz in Kota Kinabalu in Malaysia wird ein Durchbruch bei der Schaffung eines bedeutsamen Wildtierkorridors besiegelt.“ Risch ergänzt: „Um ein massives Artensterben zu verhindern, müssen isolierte Waldgebiete zeitnah wieder vernetzt werden. Dazu sind der kostspielige Erwerb bestimmter Ölpalmplantagenflächen und deren Umwandlung in Schutzgebiete unverzichtbar. Es ist sehr verwunderlich, dass dies zuvor noch niemand gemacht hat.“

FORSCHUNGEN ZU BODENBESCHAFFENHEIT UND WIEDERBESIEDLUNG

Die vom RFF durch Spendengelder erworbenen Flächen werden von der Regierung Sabahs zunächst in Schutzgebiete umgewandelt. Anschließend werden sie durch den RFF wieder mit naturnahem Regenwald aufgeforstet, so dass die zerstückelten Regenwaldgebiete wieder zusammengeführt werden. „Die Herausforderung besteht in der Erforschung der optimalen Umwandlung von Ölpalmplantagen und ihren degradierten Böden in naturnahen Regenwald“, erläutert Dr. Philippe Saner, Experte für Umweltstudien aus der Schweiz und Gründungsmitglied des RFF, „die hieraus gewonnenen Erkenntnisse, ermöglichen es uns, Aussagen über eine zukünftige optimale Flächenrückführung zu treffen.“

Doch auch andere Forschungsthemen, wie die Wiederbesiedlung der artenarmen Flächen durch Wildtiere, sollen unter die Lupe genommen werden. „Bisher wird hauptsächlich der Verlust der Biodiversität untersucht“, erklärt Dr. Petra Kretschmar, Ökologin am Leibniz-IZW und Vorstandsmitglied im RFF, „Wir möchten jedoch herausfinden, wie lange es dauert, bis artenarme Ölpalmplantagenflächen nach einer Renaturierung wieder ihre ursprüngliche Artenvielfalt erreicht haben.“ So soll die wissenschaftliche Begleitung des gesamten Umwandlungsprozesses genutzt werden, um Empfehlungen für eine zukünftige nachhaltige Umwandlung von Agrarlandflächen in naturnahen Regenwald geben zu können.

FÖRDERMITTEL UND SPONSOREN GESUCHT

Durch weitere Zukäufe – die sich ebenfalls aus Spendengeldern finanzieren – soll der Wildtierkorridor in den nächsten Jahren kontinuierlich ausgebaut werden. Derzeit sind die Wissenschaftler auf der Suche nach Fördermitteln aus staatlichen Quellen. Doch Steven Seet, Leiter der Wissenschaftskommunikation am Leibniz-IZW und Vorstandsmitglied des RFF betont: „Aber auch für Wirtschaftsunternehmen bietet sich hier eine große Gelegenheit, einen nachhaltigen Beitrag für die Natur zu leisten und für zukünftige Generationen die Weichen zu stellen.“

Das Pilotprojekt trägt übrigens mit seinen Aktivitäten zur Umsetzung der Aichi-Biodiversitätsziele des internationalen Umweltabkommens „Convention on Biological Diversity (CBD)“ bei. Zeitgleich erfüllt es auch die auf dem UN-Klimagipfel 2014 beschlossenen Klimaziele. Dort wurde vereinbart, bis zum Jahr 2030 350 Million Hektar Wald aufzuforsten und degradiertes Land zu renaturieren.

HINTERGRUND ZUM RFF

Der in Deutschland ansässige RFF ist seit 2010 auf Borneo aktiv. Er überführte gemeinsam mit dem Sabah Forestry Department und mit Unterstützung des Sabah Wildlife Departments bereits über 2.000 Hektar bedrohte Waldgebiete in streng geschütztes Habitat. Zudem forstete er bisher 24 Hektar zerstörte Regenwaldgebiete wieder auf. Für seine Leistungen im Habitatschutz erhielt der Verein heute von der malaysischen Regierung aus Sabah auf der Heart-of-Borneo-Konferenz eine Auszeichnung. „Wir sind [auch] sehr stolz darauf, dass die Regierung von Sabah den RFF heute offiziell für seine bisherigen Leistungen im Habitatschutz auszeichnet und bedanken uns für die großartige und langjährige Unterstützung durch die lokalen Behörden“, freute sich Risch. Der RFF ist übrigens eine Ausgründung des Leibniz-IZW und wird seit seiner Gründung im Jahr 2009 vom Zoo Leipzig gefördert.

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Bild oben: Tabin-Kulamba in Sabah ©Robert Risch, Rhino and Forest Fund e.V. (RFF)

KNOTENPUNKT HANDEL: REALES FORSCHUNGSPROJEKT INNOREDUX WILL PLASTIK IM EINKAUFSKORB REDUZIEREN

Ob Lebensmittel, Bekleidung oder Kosmetika – fast jedes Produkt ist in Plastik verpackt. Und noch viel schlimmer: Der Verpackungsmüll hat sich in den letzten zwei Jahrzehnten sogar verdoppelt. So wurden nach Daten des Umweltbundesamtes beispielsweise im Jahre 2015 von den in Deutschland verarbeiteten Kunststoffen 35 Prozent für die Herstellung von Verpackungen verwendet. Insgesamt landeten in Deutschland zuletzt jährlich rund drei Millionen Tonnen Kunststoffverpackungen im Müll. Und eher selten hat der Kunde die Möglichkeit, Ware unverpackt zu kaufen. Nun stellt sich natürlich zunächst die Frage, muss eine Verpackung überhaupt sein? Und wenn ja, gibt es eventuell alternative Verpackungslösungen?

Genau diesem Thema will das Forschungsprojekt Innoredux der gemeinnützigen Forschungsinstitute Institut für ökologische Wirtschaftsforschung (IÖW) und Institut für Energie- und Umweltforschung (ifeu) auf den Grund gehen. Ziel der Wissenschaftler unter Leitung von Dr. Frieder Rubik ist es, Wege aufzuzeigen, durch innovative Geschäftsmodelle im Handel den Plastikmüll entlang der Wertschöpfungskette zu reduzieren.

PLASTIKREDUKTION ALS WETTBEWERBSVORTEIL

„Dringend sind innovative Maßnahmen gefragt, um Kunststoffeinträge in die Umwelt zu mindern. Damit diese sich in der Praxis durchsetzen, schauen wir in unserem Projekt insbesondere nach Ansätzen, die für die Unternehmen gleichzeitig Wettbewerbsvorteile schaffen“, so Projektleiter Dr. Frieder Rubik vom IÖW über die Herangehensweise des Projektes Innoredux. Hierfür arbeiten die Wissenschaftler in einem Reallabor, also gemeinsam mit realen Unternehmen aus dem Online- sowie dem stationären Handel, an innovativen Verpackungslösungen. Zunächst geht es um den Verzicht auf Umverpackungen, Einweg-Serviceverpackungen wie Obst- und Gemüsebeutel oder Verpackungsfolien an der Fleisch- und Käsetheke. Ist dies nicht machbar, wird eine mögliche Substitution durch ökologisch verträglichere Materialien erforscht.

Oberstes Ziel des Projektes ist es, Geschäftsmodelle zu erproben, um Produkte so in den Umlauf zu bringen, dass deutlich weniger Verpackungsabfälle entlang der gesamten Lieferkette entstehen oder noch besser, dass wo immer möglich ganz auf Einweg-Verpackungen verzichtet wird. Der Fokus liegt dabei vor allem im Einzelhandel. Denn dieser hat eine Schlüsselrolle zwischen der Produktion und dem Konsumenten inne. Das Forschungsprojekt nimmt für seine Untersuchungen mehrere Warengruppen unter die Lupe. Dazu gehören Lebensmittel, Büroartikel, Textilien sowie Kosmetika, Hygiene-, Wasch- und Reinigungsmittel.

Aus dem stationären Handel arbeiten zum Beispiel der Drogeriemarkt dm und der Biohändler Alnatura bei dem Forschungsprojekt mit. Aus dem Versandhandel sind Memo, Zalando und der Avocadostore dabei. Diese Unternehmen beschäftigten sich auch in der Vergangenheit schon mit der Entwicklung nachhaltigerer Verpackungslösungen. Beispielsweise hat dm Verpackungen mit einem möglichst hohen Rezyklatanteil, also wiederverwerteten Kunststoffen, bei flüssigen Produkten wie Spülmittel und Cremes im Einsatz. Alnatura erreichte mit der Verwendung eines sogenannten 3-Komponenten Jogurtbechers eine Reduktion des Kunststoffanteils von 8,2 auf 3 Gramm. Generell sind diesen Unternehmen nachhaltige Verpackungen wichtig. So heißt es zum Beispiel auf  der Webseite von Alnatura: „Wir verfolgen sehr aufmerksam aktuelle Entwicklungen im Bereich der Verpackungstechnologie. Wenn es hier neue Erkenntnisse gibt, berücksichtigen wir diese in der Produktentwicklung.“

Während des Projektes ist angedacht, auch die Konsumenten in die Forschung miteinzubeziehen. Dies könnte zum Beispiel über Fokusgruppen oder Befragungen geschehen. Möglicherweise erhalten die Kunden auch die Chance, Anregungen und Vorschläge über die Webseite des Projektes weiterzugeben.

UMSETZUNG DER PLASTIKREDUKTION WEITERDENKEN

Im Rahmen des Forschungsvorhabens sollen obengenannte Ansätze zur Plastikreduktion verfestigt und neue, weiterreichende Ideen entwickelt werden. Dazu wird zunächst untersucht, wie erfolgsversprechend diese Geschäftsmodelle unter Berücksichtigung sämtlicher am Prozess beteiligter Personen und Unternehmen sind. Dazu gehören unter anderem die Bedingungen zum Beispiel in der Verpackungsentwicklung oder Lieferlogistik bei Vorlieferanden sowie die Erfordernisse im Einzelhandel wie Produktschutz, Produkthaltbarkeit und rechtliche Vorgaben. Doch auch Verbraucherwünsche wie unterschiedliche Präferenzen, Bequemlichkeit versus Suffizienz werden unter die Lupe genommen. Alle diese Faktoren sollen im Reallabor erprobt und getestet werden.

Als nächsten Schritt soll dann ‒ basierend auf den Erfahrungen aus dem Reallabor des Raumes Heidelberg ‒, eine Strategie entwickelt werden, wie Kommunen und Unternehmen allgemein dazu beitragen können, Plastikmüll zu reduzieren. Ziel ist es, insgesamt die praktische Umsetzung von alternativen Verpackungslösungen zu erleichtern. Das Projekt wird vom Bund für Umwelt und Naturschutz Deutschland (BUND) begleitet. Auch bringen der Heidelberger Einzelhändler „Annas Unverpacktes“ und der Verband der Unverpackt-Läden ihre Erfahrungen im Handel mit nicht verpackten Lebensmitteln und Kosmetikartikeln in das Projekt mit ein.

Das Forschungsprojekt startete im Februar in Heidelberg und wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) innerhalb des Forschungsschwerpunkts „Plastik in der Umwelt – Quellen, Senken, Lösungsansätze“finanziert. In diesem gehen 20 Verbundprojekte mit rund 100 Partnern aus Wissenschaft, Wirtschaft, Verbänden, Kommunen und Praxis grundlegenden Fragen zur Produktion, Anwendung und Entsorgung von Kunststoffen nach. Der Forschungsschwerpunkt gehört zum BMBF-Rahmenprogramm „Forschung für Nachhaltige Entwicklung“ (FONA).

Bild oben: Verpackte Früchte ©pixabay

GRUNDWASSERENTNAHMEN UND TROCKENPERIODEN BEDROHEN EUROPÄISCHE AUENWÄLDER

Auch wenn man es sich in einem Schnee- bzw. regenreichen Winter wie diesen nicht vorstellen kann: Die europäischen Auenwälder sind langfristig aufgrund der durch den Klimawandel bedingten, langen Trockenperioden bedroht. Doch nicht nur das: Grundwasserentnahmen für Industrie und Haushalte verstärken diese Situation um einiges. Dieses alarmierende Forschungsergebnis wurde kürzlich von einem Team des Instituts für Forstwissenschaften der Universität Freiburg in der Fachzeitschrift Frontiers In Forests And Global Change veröffentlicht. Die Untersuchung zeigt sogar deutlich, dass die Grundwasserentnahmen die negativen Auswirkungen des Klimawandels auf die von Eichen dominierten Auenwälder noch verstärkt. Somit gehören diese zu den gefährdetsten Wäldern Europas.

Hinzu kommt, dass die Auenwälder durch Umwandlung zu Acker- und Grünland sowie als Siedlungsfläche schon lange einen Großteil ihres ursprünglichen Verbreitungsgebiets eingebüßt haben. Flussbegradigungen und Entwässerungen veränderten den natürlichen Wasserhaushalt ebenfalls. Nicht zuletzt dezimieren auch eingeschleppte Schädlinge sowie Krankheiten weitere natürliche Baumarten wie Ulmen und Eschen. Und das, obwohl unsere Wälder unter anderem in Bezug auf die Regulation von Hochwassern sowie den Schutz der Biodiversität eine wichtige Funktion innehaben.

ANALYSE VON JAHRRINGBREITEN UND KLIMADATEN

Ausgangspunkt der Freiburger Studie war die Beobachtung, dass die Vitalität alter Bäume in den Eichenwäldern des Rheintals deutlich abgenommen hatte. Parallel dazu schien die Mortalität deutlich zugenommen zu haben. Daraufhin untersuchte die Forschungsgruppe um den Waldökologen Prof. Dr. Jürgen Bauhus, ob diese Trends sich auch anhand der Wachstumsverläufe der Bäume erkennen ließen. Ebenfalls betrachteten sie, ob diese mit der vielerorts stattfindenden Grundwasserentnahme für Industrie und Haushalte zusammenhingen. Das Abpumpen von Wasser kann den Grundwasserspiegel so tief absenken, dass es selbst für tiefwurzelnde Eichen nicht mehr erreichbar ist.

Die Forstwissenschaftlerinnen und -wissenschaftler untersuchten zu diesem Zweck die Jahrringe von jungen und alten Bäumen auf Standorten ohne sowie auch mit deutlicher Grundwasserentnahme. Das Untersuchungsgebiet reichte von drei Stieleichenwäldern des Rheintals vom Freiburger Mooswald bis hin zum Hessischen Ried bei Lampertheim. Anhand der Analyse von statistischen Zusammenhängen zwischen Jahrringbreiten und Klimadaten zeigte sich, dass das jährliche Stammwachstum der Eichen negativ von der Sommertrockenheit beeinflusst wurde. Bei allen untersuchten Standorten liegt der Beginn der Grundwassergewinnung übrigens schon mindestens 49 Jahre zurück. Entsprechend stellte sich heraus, dass diese Eichen in ihrem Wachstum deutlich gegenüber der Sommertrockenheit empfindlicher waren. Im Gegensatz dazu blieb die Empfindlichkeit des Jahrringwachstums bei Eichen auf nicht beeinträchtigten Standorten im Laufe der Zeit relativ stabil. Einen weiteren Unterschied zwischen Standorten mit und ohne Grundwasserentnahme benennt Georgios Skiadaresis, Doktorand und Hauptautor der Studie: „Eichen mit Grundwasserkontakt können sich in Phasen mit günstiger Witterung besser erholen, wie man an einem erhöhten Jahrringwachstum erkennen kann. Bei Eichen ohne Grundwasseranschluss ist das deutlich weniger der Fall.“ Das heißt also, unsere nassen Winter unterstützen zwar die Eichen, die nicht in der Nähe von Grundwasserentnahmen stehen im Wachstum. Doch da es sich eher um kurzfristige nasse Witterungen handelt, können diese das Grundwasser in Verbindung mit dem Trend zu längeren Tockenperioden bei gleichzeitiger Grundwasserentnahme nicht auf den Normalspiegel bringen.

Eine weitere Vermutung der Forschenden, dass junge Eichen weniger von Grundwasserabsenkungen betroffen sind, weil ihr Wurzelsystem möglicherweise anpassungsfähiger als das von alten Eichen ist, bestätigte sich in der Studie nicht.

GRUNDWASSERENTNAHME SOLLTE REDUZIERT WERDEN

Angesichts ihrer Ergebnisse empfehlen die Autorinnen und Autoren in Trockenperioden die Grundwasserentnahme aus Auenwäldern zu reduzieren, statt zu erhöhen. Nur so kann die Vitalität der Bäume in diesen Ökosystemen langfristig erhalten bleiben. Besser wäre es die Anpassungsstrategien in anderen Sektoren, etwa die Bewässerung in der Landwirtschaft, nicht auf Kosten der Gesundheit dieser Wälder vorzunehmen.

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Bild oben: Auenwälder in Europa sind meist Eichenwälder
©Albert Reif

CO2-AUFNAHME DER OZEANE BESTIMMT

Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Dr. Nicolas Gruber, Professor für Umweltphysik der ETH-Zürich, war über ein Jahrzehnt (von 2003 bis 2013) in den Weltmeeren zur Erforschung der maritimen CO2-Aufnahme unterwegs. Mitte März 2019 veröffentlichte es nun seine Ergebnisse: Die Ozeane nahmen in der Zeit zwischen 1994 bis 2007 etwa 31 Prozent der menschengemachten Treibhausgase auf. Im ersten Moment mag der Zeitraum den Laien erstaunen: Warum gibt es keine aktuelleren Ergebnisse? Dazu der Leiter der Forschung: „Der Grund warum wir die Senke nur bis 2007 bestimmen können liegt daran, dass wir pro Jahr nur wenige Fahrten machen können, d.h. wir müssen alle Daten auf das mittlere Jahr der Messkampagne zurückführen, und das ist das Jahr 2007.“ Nichtsdestotrotz gibt es zumindest Abschätzungen der maritimen Kohlenstoffsenke auf der Basis von Oberflächendaten bis 2017. Doch um gehaltvolle Informationen zu liefern, werden die Daten von Konzentrationsmessungen im Innern mit einer früheren Studie, die ungefähr zwischen 1985 und 1997 durchgeführt wurde, verglichen.

KOHLENSTOFFSENKE IN ZWEI SCHRITTEN

Meere nehmen CO2 übrigens in zwei Schritten auf: Zuerst löst sich das CO2 im Oberflächenwasser. Dann wird es von sogenannten maritimen Umwälzpumpen verteilt. Denn Meeresströmungen und Mischungsprozesse verfrachten das gelöste CO2 von der Oberfläche bis tief in die Ozeanbecken, wo es sich über die Zeit anreichert. Die maritimen Umwälzpumpen sind also die treibende Kraft hinter der Kohlenstoffsenke im Ozean.

Die Karte zeigt die Zunahme des menschengemachten CO2 (Säule bis 3000 Meter Tiefe) in den Weltmeeren zwischen 1994 und 2007. Gebiete mit einer hohen Zunahme sind gelb eingefärbt. ©Grafik: aus Gruber et al., Science, 2019

Und genau deshalb sind auch die Weltenmeere für den atmosphärischen CO2-Haushalt nicht unbedeutend. Immerhin nahmen sie zwischen 1994 und 2007 rund 31 Prozent, also insgesamt etwa 34 Giga-Tonnen, menschengemachten Kohlenstoff aus der Atmosphäre auf.

Interessant bei diesem Ergebnis ist, dass sich der prozentuale Anteil der CO2-Aufnahme nicht von den vorherigen rund 200 Jahren seit der Industrialisierung unterscheidet. Die absolute Menge aber schon: Denn solange die atmosphärische Konzentration von CO2 ansteigt, entwickelt sich die Senkenleistung der Meere ungefähr proportional dazu. Das heißt also, je höher der CO2-Gehalt in der Luft ist, desto mehr wird er vom Meer absorbiert.

Doch das geht nicht ewig so weiter: Irgendwann wird das Meer gesättigt sein.

Noch scheint dies aber nicht der Fall: „Der globale Ozean hat im untersuchten Zeitraum weiterhin menschengemachtes CO2 aufgenommen, und zwar mit einer Rate, wie sie aufgrund des Anstiegs des atmosphärischen CO2 zu erwarten ist“, so Gruber.

Die neuen datengestützten Befunde unterstützen übrigens verschiedene frühere Schätzungen der marinen Senkenleistung anhand von Modellen. „Das ist eine wichtige Erkenntnis, die uns nun Gewissheit gibt, dass die unterschiedlichen Ansätze stimmen“, bestätigt Gruber. Die Resultate erlaubten zudem Rückschlüsse auf die CO2-Senkenleistung der Land-Ökosysteme, die generell schwieriger zu erfassen sei.

REGIONAL UNTERSCHIEDLICHE AUFNAHMERATE

Doch während die Resultate insgesamt auf eine anhaltend starke Speicherfunktion der Meere im globalen Kohlenstoffhaushalt hindeuten, stellten die Forschenden erhebliche Unterschiede in der Speicherrate verschiedener Meeresregionen fest. So nahm der Nordatlantik zwischen 1994 und 2007 rund 20 Prozent weniger CO2 auf, als er eigentlich sollte. Gruber erklärt:

„Das liegt wahrscheinlich an der schwächelnden nordatlantischen Umwälzpumpe Ende der 90er Jahre, die ihrerseits durch Klimaschwankungen verursacht wurde.“

Die niedrigere Senkenleistung im Nordatlantik ging derweil mit einer deutlich höheren Aufnahme im Südatlantik einher, so dass sich die gesamtatlantische Zunahme von menschgemachten CO2 insgesamt wie erwartet entwickelte.

Ähnliche Schwankungen dokumentierten die Forschenden auch im Südpolarmeer, im Pazifik und im Indischen Ozean. „Die Ozeansenke reagiert somit keineswegs nur auf die Zunahme des atmosphärischen CO2 – die Sensitivität bezüglich klimatischen Schwankungen zeigt uns, dass hier auch größere Rückkoppelungen mit dem Klimasystem möglich sind“, betont der Umweltwissenschaftler.

BILANZ DANK ZWEIER BESTANDSAUFNAHMEN

Voraussetzung für diese Forschungsarbeit waren aufwändige Messungen der CO2-Konzentration und anderer chemischer und physikalischer Größen in den verschiedenen Meeren. Dabei wurde nicht nur die Oberfläche, sondern auch der Meeresboden in teils bis zu sechs Kilometer Tiefe untersucht. An diesem international koordinierten Programm waren ab 2003 für mehr als ein Jahrzehnt Wissenschaftler aus sieben Nationen beteiligt. Während dieser Zeit tätigten sie über 50 Forschungsfahrten durch die Weltmeere.

Für die Analyse der Daten verwendeten die Forschenden eine statistische Methode, die Gruber und sein ehemaliger Doktorand Dominic Clement eigens entwickelt hatten. Sie erlaubt es, in der Gesamtkonzentration an gelöstem CO2 den gesuchten menschengemachten Anteil vom natürlichen CO2 zu unterscheiden. Als natürliches CO2 wird der Kohlenstoffanteil bezeichnet, der im Ozeansystem schon zu vorindustriellen Zeiten existierte.

Bereits um die Jahrtausendwende war Gruber an einer ähnlichen Studie beteiligt. Diese schätzte anhand früherer CO2-Messungen in den Meeren deren Aufnahme von menschengemachtem CO2 seit Beginn der Industrialisierung um 1800 bis 1994 auf 118 Giga-Tonnen Kohlenstoff. Diese Analyse bis 1994 wurde nun durch die aktuellen Forschungsergebnisse bis zum Jahr 2007 erweitert. Die beiden Bestandsaufnahmen von 1994 und 2007 machten es erstmals möglich, die Zunahme der ozeanischen Konzentration von menschengemachtem CO2 in dieser Periode zu bestimmen und die Senkenleistung zu überprüfen.

STEIGENDER CO2-GEHALT VERSAUERT MEERESHABITATE

Einen wesentlicher Punkt in Bezug auf die Leistung als ozeanische Kohlenstoffsenke gilt es stets im Auge zu behalten: Das im Meer gelöste CO2 macht das Wasser saurer.

„Unsere Daten zeigen, dass die Versauerung teils bis über 3000 Meter tief ins Innere der Weltmeere reicht“, gibt Gruber zu bedenken.

Das kann schwere Folgen für viele Meereslebewesen haben: So löst sich Kalk im angesäuerten Milieu spontan auf. Das wiederum gefährdet Muscheln oder Korallen, die Schalen oder Skelette aus Kalziumkarbonat bilden. Andererseits kann die veränderte Ozeanchemie physiologische Prozesse wie die Atmung von Fischen beeinträchtigen. „Nicht zuletzt um solche Vorgänge zu verstehen, ist eine genaue Dokumentation des menschlichen Einflusses in den Meeren so wichtig“, ist Gruber überzeugt. Die gesamte Studie ist im Magazin Science (vom 15. März 2019) nachzulesen.

Bild oben: Messrosette mit Probenflaschen zur Bestimmung der CO2-Konzentration im Meer ©Nicolas Gruber / ETH Zürich

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AMAZONASWALD KANN RESILIENZ TRAINIEREN – DOCH KLIMAWANDEL UND RODUNG ALS GEFAHR

Keine Frage: beim globalen Klimaschutz hat der Amazonaswald als größter zusammenhängender Regenwald eine bedeutende Rolle inne. Mit einer derzeitigen Fläche von etwa 7.500.000 km² bedeckt er etwa zwei Drittel Südamerikas. Dank seiner Größe gilt das Amazonas-Becken als größte Kohlenstoffsenke der Welt. Denn hier wird ungefähr so viel Kohlenstoff gespeichert, wie in rund zehn Jahren auf der ganzen Erde freigesetzt wird. Wissenschaftler des Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK) sowie der Federal University of Santa Catarina (UFSC) haben nun noch eine weitere erstaunliche Eigenschaft entdeckt: Der Amazonaswald kann sozusagen durch wechselhafte Regenfälle trainiert werden. Das heißt, die Regionen des Waldes, in denen die Regenmengen stärker schwanken, sind widerstandsfähiger gegen heutige und zukünftige Klimastörungen.

KOMBINATION AUS ANALYSE UND BEOBACHTUNGSDATEN

„Angesichts der enormen Bedeutung des Amazonas-Regenwaldes für unser Klima und die Artenvielfalt ist es erstaunlich, wie wenig wir immer noch über seine Fähigkeit wissen, sich im Laufe der Zeit an veränderte Umweltbedingungen anzupassen“, stellt Leitautorin Catrin Ciemer vom PIK fest und ergänzt: „Wir haben einen Mechanismus entdeckt, der die Widerstandsfähigkeit des Ökosystems mitbestimmt. Dabei haben wir herausgefunden, dass Regionen des Amazonas-Regenwaldes, die stärker wechselnden Regenmengen ausgesetzt waren, offenbar mehr Widerstandskraft haben gegen Klimastörungen.“

Basierend auf Daten zum Niederschlag und zur Baumbedeckung im brasilianischen Amazonasbecken ermittelten die Wissenschaftler die Stabilität verschiedener Vegetationstypen in Abhängigkeit der Regenmengen und identifizierten auf diesem Weg kritische Schwellenwerte, jenseits derer die Vegetation von einem Wald zu einer Savanne, also einem tropischen Grasland, wechseln kann. In diesem Kontext entdeckten die Forscher nun den oben erwähnten Trainingseffekt.

„Wir konnten dieses bislang unbekannte dynamische Stabilitätsverhalten quantifizieren, indem wir moderne Techniken [mathematische Methoden] der Analyse nicht-linearer Systeme kombiniert haben mit modernsten Beobachtungsdaten [Satellitendaten]“, erklärt Jürgen Kurths, Leiter des PIK-Forschungsbereichs Komplexitätsforschung und Ko-Autor der Studie. Marina Hirota von der UFSC, ebenfalls Ko-Autorin der Untersuchung, ergänzt: „Wir entwickeln und nutzen innovative mathematische Methoden, um reale Probleme zu untersuchen, die enorme Auswirkungen auf Menschen auf dem ganzen Planeten haben. Denn klar ist: der Amazonas-Regenwald ist von großer Bedeutung für globale CO2- und Wasserkreisläufe und steht in Wechselwirkung mit einer Reihe anderer kritischer Elemente [denkbar ist z.B. das südamerikanische Monsunsystem] des Erdsystems.“

GRAVIERENDE ÄNDERUNGEN ERWARTET

So erlaube es der Ansatz zu erkennen, welche Regionen anfälliger für zukünftige Veränderungen des Niederschlags sein könnten, unterstreicht Ricarda Winkelmann, Leiterin des PIK FutureLab ‚Earth Resilience in the Anthropocene‘ und ebenfalls Ko-Autorin der Studie. Weniger ‚trainierte‘ Regionen, die nicht an häufige Änderungen der Niederschläge gewöhnt sind, werden dabei besonders betroffen sein. Die Analyse zeigt, dass in einem Business-as-usual-Szenario in Bezug auf den Ausstoß von Treibhausgasen eine große zusammenhängende Region im südlichen Amazonasgebiet Gefahr laufen könnte, vom Wald zur Savanne zu werden.

Noch ist unklar, wie viel Veränderung die Amazonasregion verkraften kann. So ist der Amazonaswald einerseits ein sehr altes Ökosystem, das sich über Millionen von Jahren entwickelte und sogar Eiszeiten überlebte. Es konnte sich also über lange Zeiträume anpassen. Aber heute ist es fraglich, ob es dem Tempo des fortschreitenden Klimawandels gewachsen ist.

Deshalb sind die Forschenden trotz der positiven Erkenntnis zur Anpassungsfähigkeit in großer Sorge um die Zukunft des Waldes. Denn dem einzigartigen System droht nun durch menschlichen Einfluss und durch den weltweiten Klimawandel ein großflächiges Absterben ‒ mit weitreichenden Folgen für seine Funktion als globale CO2-Senke. Zwar speichert eine wärmere Atmosphäre grundsätzlich mehr Feuchtigkeit, doch wird es im Amazonasbecken wahrscheinlich vermehrt Dürren geben, die die Baumsterblichkeit und das Brandrisiko erhöhen könnten.

Niklas Boers, Koautor der PIK-Studie fügt noch ein weiteres großes Problem, das der Erhaltung des Amazonas Regenwaldes entgegenwirkt, hinzu: So stellen die großflächigen Rodungen, die zur Umwandlung der Naturlandschaft in Weidelandschaft für Rinder zur Fleischerzeugung geschehen, eine ernsthafte Bedrohung für den Regenwald dar. Das bedeutet, dass die aktuelle Forstpolitik Brasiliens und anderer Länder die Frage der Widerstandsfähigkeit des Regenwaldes bedeutungslos machen könnte. „Mit oder ohne Widerstandsfähigkeit gegen Klimastörungen: Es gibt keine Möglichkeit, sich an Motorsägen anzupassen,“ fasst er die aktuelle Situation zusammen.

Die Studie wurde Ende Februar in Nature Geoscience veröffentlicht.

Bild oben: Der Amazonaswald ist resilienter als gedacht ©Pixabay

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FORSCHUNGSPROJEKT: ERNEUERBARE ENERGIE CHEMISCH SPEICHERN

Im Jahre 2050 sollen 80 Prozent des Stroms in Deutschland aus erneuerbaren Energiequellen stammen. Wobei hier Sonne, Wind und Biomasse als die wichtigsten Energielieferanten gelten. Doch sie stehen nicht gleichmäßig zur Verfügung. Denn an wind- und sonnenreichen Tagen fällt mehr Strom an, als in die Netze eingespeist werden kann. Diese fluktuierende Verfügbarkeit ist im Rahmen der Energiewende eine der größten Herausforderungen. Doch lässt sich die Überproduktion aus Windkraft- und Photovoltaikanlagen in Energieträgern wie Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffen chemisch speichern. So könnte die elektrische Energie zu einem späteren Zeitpunkt wieder zur Verfügung stehen. Für die Umwandlung der Energieträger in Speichermoleküle wie Methan, Kohlenwasserstoffe oder Alkohole sind Katalysatoren, elektrochemische Zellen und Reaktoren notwendig. Diese müssten in dynamischen Reaktionsbedingungen eingesetzt werden. Wie sich der Einfluss wechselhafter Gegebenheiten von außen – eben durch das Schwanken von Windstärke und Sonneneinstrahlung – auf die katalytischen Reaktionssysteme auswirkt, wurde bislang kaum betrachtet. Denn die chemischen Reaktoren wurden bis jetzt meist stationär betrieben.

„Man weiß jedoch, dass sich die Struktur fester Katalysatoren und damit ihre katalytische Wirkung mit den Reaktionsbedingungen stark ändern kann. Dies ist wissenschaftlich hochspannend“, erklärt Professor Jan-Dierk Grunwaldt von den Instituten für Technische Chemie und Polymerchemie (ITCP) sowie für Katalyseforschung und -technologie (IKFT) des KIT.

RENOMMIERTE FORSCHUNGSEINRICHTUNGEN AUS GANZ DEUTSCHLAND

Mit dem Namen „Schwerpunktprogramm 2080 – Katalysatoren und Reaktoren unter dynamischen Betriebsbedingungen für die Energiespeicherung und -wandlung (SPP 2080, DynaKat)“ ist im Februar 2019 das deutschlandweite, interdisziplinäre Forschungsprogramm der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gestartet. Die DFG fördert das auf insgesamt sechs Jahre angelegte Schwerpunktprogramm DynaKat zunächst für drei Jahre mit 8,5 Millionen Euro.

Die Koordination obliegt als projektstärkstem Partner dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Zudem sind zahlreiche weitere renommierte Forschungseinrichtungen in ganz Deutschland beteiligt. Darunter das Forschungszentrum Jülich, die TU München und mehrere Max-Planck-Institute wie das Berliner Fritz-Haber-Institut. Insgesamt zwölf große Forschungskonsortien untersuchen in interdisziplinären Verbünden grundlegende und methodische Herausforderungen des dynamischen Betriebs. Die überregionalen Forschungsprojekte untergliedern sich wiederum in 34 Teilprojekte.

DYNAMISCHE BEDINGUNGEN GRUNDLEGEND VERSTEHEN UND VERBESSERN

Die rasante Entwicklung bei spektroskopischen Methoden und im Bereich der Modellierung kombiniert mit neuen Ansätzen im Material- und Reaktordesign bieten für die Forschung exzellente Voraussetzungen. Neuere Untersuchungen belegen zudem, dass sich die Struktur fester Katalysatoren – und damit auch die katalytische Wirkung mit den Reaktionsbedingungen -, stark ändern kann. Dabei besteht zum einen das Potenzial, durch dynamischen Betrieb die Ausbeute der erwünschten Reaktionsprodukte zu erhöhen und Katalysatoren in Ruhephasen zu reaktivieren. Zum anderen müssen die nanostrukturierten Katalysatoren stabilisiert werden. Für eine effiziente Nutzbarmachung dynamischer Reaktionsbedingungen bedarf es daher eines grundlegenden Verständnisses aller beteiligten Prozesse – von der atomaren Skala des Katalysators bis hin zu dreidimensionalen Konzentrations- und Temperaturverteilungen im technischen Reaktor.

„Wir wollen Veränderungen des Materials der Katalysatoren unter dynamischen Bedingungen grundlegend verstehen und verbessern“, beschreibt Dr. Erisa Saraçi, wissenschaftliche Mitarbeiterin am IKFT das Projekt. Dafür werden alle beteiligten Prozesse untersucht, von den Vorgängen auf der atomaren Ebene des Katalysators bis zur räumlichen Verteilung der Stoffkonzentrationen und Temperaturen auf Reaktorebene. Für ein grundlegendes Verständnis der Prozesse und um neue Ansätze im Material- und Reaktordesign zu entwickeln, kommen klassische etablierte Experimente ebenso zum Einsatz wie neueste spektroskopische Methoden und Möglichkeiten der Modellierung.

Der zu erwartende Erkenntnisgewinn soll künftig den effizienten Betrieb katalytischer Systeme unter dynamischen Bedingungen ermöglichen. Das grundlegende Verständnis hierfür wird am Beispiel von Reaktionen zur Energiespeicherung und -wandlung erarbeitet und schafft die Basis für zukünftige technische Anwendungen.

Schematische Darstellung und Überblick über die wissenschaftliche Arbeit im SPP 2080: Mit erneuerbaren Energien werden aus Kohlendioxid und Wasser durch Elektrolyse und katalytische Umsetzung Chemikalien und Kraftstoffe hergestellt. Grafik und ©: Arbeitsgruppe Grunwaldt, KIT

Charakteristisch für alle untersuchten Systeme ist, dass die Dynamik systematisch im Zeitbereich zwischen Sekunden und Tagen von außen aufgeprägt wird. Entweder weil die aufgeprägte Dynamik nur mit großem Aufwand vermieden werden kann (z. B. schwankendes Angebot an elektrischer Energie), oder weil durch den dynamischen Betrieb begründete Vorteile für die Raum-Zeit-Ausbeuten oder Selektivitäten der katalytischen Reaktionen erwartet werden.

OFFEN FÜR NACHWUCHSWISSENSCHAFTLER UND WEITERE FORSCHUNGEN

Die Ergebnisse sind aber auch interessant für andere Bereiche wie Abgaskatalyse,  Selektivoxidationen, Brennstoffzellen, Batterien oder Photokatalyse. Diese Anwendungen sind jedoch ebenso wie rein physikalisch-chemische Studien nicht Gegenstand des Forschungsprojekts. Denn das interdisziplinäre Forschungsvorhaben ist in der Technischen Chemie bzw. der Chemischen Reaktionstechnik lokalisiert und explizit offen für weitere Gebiete der Chemie, Physik oder Materialwissenschaften, die zur Thematik beitragen.

Das Einbeziehen des wissenschaftlichen Nachwuchses spielt im DFG-Schwerpunktprogramm DynaKat ebenfalls eine wichtige Rolle. So steht interessierten Studierenden und Promovierenden ein Blockkurs am KIT zum Thema „Technologien und Ressourcen für Erneuerbare Energien: Von Wind und Solar zu Chemischen Energieträgern“ offen.

„In der Forschung kommt man ohne Netzwerke und Teamarbeit nicht voran, da die einzelnen Teildisziplinen sehr komplex sind“, so Sebastian Weber, Doktorand am IKFT/ITCP. Gerade für den wissenschaftlichen Nachwuchs seien der Austausch und das Zusammenbringen unterschiedlicher Expertisen wertvoll, betonen Saraçi und Weber. „Es geht darum, Kompetenzen zu bündeln und das Themengebiet deutschlandweit voranzutreiben, um darin international führend zu werden“, so Programmkoordinator Grunwaldt.

Bild oben: Energie aus erneuerbaren Quellen speichern – das ist eine der Herausforderungen der Energiewende. ©Pascal Armbruster, KIT

Dieser Artikel erschien am 1.3.2019 in der Innovation Origins.