Methan - gut argumentieren

Methan (CH₄) ist in der Atmosphäre das zweithäufigste Treibhausgas. Meist ist von Kohlendioxid die Rede, das von der Menge her am wichtigsten ist und daher die Aufmerksamkeit auf sich zieht. Methan ist jedoch noch klimaschädlicher als Kohlendioxid, wird allerdings in der Atmosphäre schneller abgebaut.

Methan bildet sich insbesondere dann, wenn organisches Material (zum Beispiel Pflanzen) unter Luftausschluss abgebaut wird. Permafrostböden und Methanhydrat stellen „schlummernde“ Methan-Quellen dar. Tauen die Permafrostböden und Methanhydrate aufgrund der Klimaerwärmung auf, können sie zu „Brandbeschleunigern“ werden.

Darüber hinaus ist zu beachten, dass Feuchtgebiete zwar Kohlendioxid speichern können, zugleich aber Methan freisetzen. Maßnahmen zum Klimaschutz müssen möglichst alle Wirkungen auf das Klima berücksichtigen, auch die komplexen Wechselwirkungen. Nur dann können kontraproduktive Maßnahmen vermieden werden.

Der Anteil von Methan am Gasgemisch der Atmosphäre

Im Jahr 2021 betrug der Anteil von Methan am gesamten Gasgemisch der Atmosphäre 0,00019 %. Die Konzentration wird auch in Anzahl der Teile pro eine Million Teile (parts per million, abgekürzt: ppm) oder in Anzahl der Teile pro eine Billion Teile (parts per billion, abgekürzt: ppb) angegeben. Sie betrug bei Methan im Jahr 2021 knapp 1,9 ppm (= 1.900 ppb). Wenn wir uns das gesamte Gasgemisch der Atmosphäre der Erde als einen großen Spielwürfel vorstellen, der aus einer Billion winzigen Spielwürfeln besteht, dann handelt es sich bei knapp 1.900 Spielwürfeln um Methan. Einzig unter dem Gesichtspunkt der Menge betrachtet, ist der Anteil sehr gering.ⁱ

Der Anteil von Methan in der Atmosphäre ist also seit 1750, als er noch bei 0,72 ppm (= 772 ppb) lag, stark angestiegen. Im Laufe der Erdgeschichte hat der Anteil von Methan stets geschwankt. Während der letzten 650000 Jahre lag die Methankonzentration in der Atmosphäre zwischen 0,40 ppm (= 400 ppb) während der Kaltzeiten und (0,70 ppm (= 700 ppb) während der Warmzeiten. Der aktuelle Wert ist jedoch beispiellos. Insbesondere der rapide Anstieg seit 2014 gibt zu denken.ⁱⁱ

Natürliche Methan-Quellen

Methan bildet sich immer dann, wenn organisches Material (zum Beispiel Pflanzen) unter Luftausschluss abgebaut wird. Das ist insbesondere in den Mooren und Sümpfen der Fall. So spielen diese Feuchtgebiete beim Klimaschutz eine zwiespältige Rolle: Einerseits speichern sie Kohlenstoff und tragen so zu einer Verminderung des Kohlendioxid-Gehaltes in der Atmosphäre bei, andererseits setzen sie Methan frei. Mit steigenden Temperaturen nimmt die Freisetzung noch zu.ⁱⁱⁱ Gerade bei der Wiedervernässung können die Methan-Emissionen kurzzeitig stark steigen, wobei aber auch die Höhe des Wasserpegels eine Rolle spielt. Auf längere Sicht soll sich im Moor Torf bilden, das Kohlendioxid aus der Atmosphäre dauerhaft speichern soll. Um zu einer aussagekräftigen Treibhausgas-Bilanz der Feuchtgebiete zu kommen, muss der Stoff-Haushalt über eine längere Zeit verfolgt werden. Ansonsten erhält man nur Momentaufnahmen, die ein falsches Bild zeichnen.^iv Allerdings sind Feuchtgebiete auch von Bakterien besiedelt, die Methan oxidieren. Der von den Pflanzen als Methan abgegebene Kohlenstoff wird nach der Oxidation durch die Bakterien wieder von den Moosen aufgenommen und in Form pflanzlicher Lipide in die Biomasse eingebaut. So ist möglich, dass die Moore und Sümpfe nicht so viel Methan ausstoßen wie angenommen.^v All dies zeigt, dass die Wechselwirkungen bezüglich der Freisetzung und Speicherung von Treibhausgasen sehr komplex sind.

Große Gefahr droht von auftauenden Permafrostböden. Permafrost ist gefrorener Boden, dessen Temperatur für mindestens zwei Jahre in Folge unter dem Gefrierpunkt (0°C) liegt. Er prägt rund 15 % der Landoberfläche der Nordhalbkugel und ist vor allem in der sibirischen Tundra, in Teilen Alaskas und im Hochgebirge anzutreffen, darüber hinaus aber auch in der Arktis und vereinzelt auch in der Antarktis. Im Permafrost sind riesige Mengen abgestorbener Pflanzenreste und tierische Überreste gespeichert. Wenn der Boden taut, werden diese von Bakterien zersetzt und es entweicht dabei Methan. In Zukunft drohen die Permafrostböden also zu einem großen Methan-Emittenten zu werden, und zwar als Folge der vorrangig vom Menschen verursachten Klimaerwärmung.^vi

Ebenfalls nur eingeschränkt natürlich verursacht ist die Freisetzung von Methan, wenn durch die Erwärmung der Ozeane Methanhydrat (= Eis mit Methan) schmilzt. Methanhydrat ist gefrorenes Wasser, das unter hohem Druck Methan eingeschlossen hat. Die Entstehung von Methanhydrat setzt also Kälte und hohen Druck voraus. Methan entsteht im Meer vor allem, wenn Kleinstlebewesen abgestorbenes organisches Material abbauen, das aus den obersten Wasserschichten langsam auf den Meeresboden rieselt. Unterhalb von 2000 bis 3000 Metern Tiefe kommt aber kaum etwas von diesem Material an – deshalb kommen Methan und Methanhydrat nur in Wassertiefen zwischen 500 und 2000 Metern vor und fehlen auf den tiefer gelegenen Ozeanböden. In sehr kalten Regionen, wie zum Beispiel der Arktis, bilden sich Methanhydrate allerdings auch in Wassertiefen um die 200 bis 300 Meter oder im Permafrostboden an Land.^vii

Methan wird auf natürliche Weise jedoch nicht nur durch Mikroorganismen gebildet, die unter Ausschluss von Sauerstoff organisches Material zersetzen, sondern es produzieren auch die Pflanzen selbst Methan und geben es an die Atmosphäre ab. Dabei produzieren lebende Pflanzen viel mehr Methan als abgestorbene. Ungeklärt ist, welcher Prozess der Bildung von Methan in Pflanzen zugrunde liegt.^viii

Vom Menschen verursachte Methan-Quellen

Die größte vom Menschen verursachte Methan-Quelle ist die Landwirtschaft, die weltweit etwa 40-46 % der vom Menschen verursachten Methan-Emissionen ausmacht. Zwei Drittel dieser Methan-Emissionen entstehen, wenn Wiederkäuer ihr Futter verdauen. Rinder und andere Wiederkäuer wie Schafe und Ziegen können in ihrem Magensystem schwer verdauliches, faserreiches Futter wie Gräser und Heu verdauen. Als Nebeneffekt des Verdauungsvorgangs wird dabei Methan frei, das beim Wiederkäuen ausgerülpst wird. Darüber hinaus wird Methan freigesetzt, wenn Mist und Gülle von Kühen gelagert und als natürlicher Dünger auf dem Feld ausgebracht und zersetzt werden. Die Zersetzung von Mist und Gülle trägt weltweit zu etwa 7 % der Methan-Emissionen bei. Hinzu kommen die Methan-Emissionen bei der Zersetzung weiteren Biomaterials, also beispielsweise der Reste von Energie- und Futterpflanzen.

Der Reis-Anbau verursacht immerhin 17 % der Methan-Emissionen. Wenn die Felder geflutet werden und unter Wasser stehen. Das Wasser macht den Boden sauerstoffarm und schafft die richtigen Bedingungen für Mikroorganismen, die Methan produzieren. Das restliche Methan wird bei der Verbrennung von Ernteresten und Holzabfällen und bei Veränderungen der Landnutzung freigesetzt.^ix

An zweiter Stelle ist die Energiewirtschaft zu nennen, die für etwa 35 % der vom Menschen verursachten Methan-Emissionen verantwortlich ist. So entsteht beispielsweise beim Kohleabbau aus der Vermischung des in den Flözen vorhandenen Kohlegases mit der über Schächte und Stollen zugeführten atmosphärischen Luft das Grubengas. Dabei handelt es sich um ein Gasgemisch, das hauptsächlich aus Methan besteht und aus den Gruben entweicht. Beispielhaft lässt sich die Vielfalt möglicher Methan-Emissionen im Hinblick auf Brennstoffe am Erdgas, das ebenfalls in erster Linie aus Methan besteht, darstellen: Leckagen entlang der Lieferkette – von Gewinnung über Transport und Verarbeitung hin zur Verteilung – führen zum Entweichen von Methan, ebenso beabsichtigtes (Druck-)Ablassen oder unvollständiges Abfackeln von Erdgas. Alle diese Methan-Emissionen verschlechtern die Umweltbilanz des eigentlich vergleichsweise klima- und umweltfreundlichen Erdgases deutlich. Festzuhalten ist, dass Methan-Emissionen im Gegensatz zu den Kohlendioxid-Emissionen in erster Linie vor, nicht während der Verbrennung von Erdgas entstehen.^x

Eine dritte vom Menschen gemachte Methan-Quelle sind die Abwasser- und Klärschlammbehandlung sowie die Mülldeponien. Klärschlamm fällt bei der Abwasserreinigung an. Er muss so behandelt und entsorgt werden, dass er keine Belastung für Boden, Luft und Wasser darstellt. Dabei bieten sich drei Wege an: Der Klärschlamm kann gefault, verbrannt oder vergast werden. Bei der Faulung wird der Klärschlamm stabilisiert, also dafür gesorgt, dass in dem Klärschlamm die biologischen und chemischen Reaktionen auf ein Mindestmaß gesenkt werden. Dabei wird der Klärschlamm unter sauerstofffreien (= anaeroben) Bedingungen zu Faulschlamm und Faulgas abgebaut. Das Faulgas ist ein Gasgemisch, das sich zu gut zwei Dritteln aus Methan sowie aus Kohlendioxid und geringen Mengen Schwefelwasserstoff und Wasserstoff zusammensetzt. Vielerorts wird das Faulgas, das nicht nur klimaschädlich, sondern auch explosiv ist, abgefackelt. Neben der Faulung ist auch Schlammstabilisierung mittels Belüftung (= aerob) möglich.^xi

Mülldeponien gehören in der Abfallwirtschaft zu den größten Methan-Emittenten. In welchem Maße in ihnen Methan entsteht, hängt maßgeblich von der Zusammensetzung des Abfalls, speziell auch dem Anteil des organischen Abfalls, ab. Ein großer Teil des entweichenden Methans entweicht unkontrolliert, wird also nicht ordnungsgemäß gefasst und behandelt. Auch aus Mülldeponien, die begrünt und somit auf den ersten Blick nicht mehr als Mülldeponien erkenntlich sind, entweicht Methan.^xii

Treibhauspotenzial von Methan

Das Treibhauspotenzial von klimaschädlichen Spurengasen hängt stets von dem Betrachtungszeitraum ab. Gemäß dem Vierten Sachstandsbericht des Weltklimarats (IPCC) von 2007 ist die Wirkung von Methan über einen Zeitraum von 100 Jahren gerechnet 25-fach höher als die von Kohlendioxid. Über einen Zeitraum von 20 Jahren gerechnet ist die Wirkung von Methan sogar 72-fach höher.^xiii Nach neueren Schätzungen liegt das Treibhauspotenzial von Methan sogar noch höher. Der große Unterschied über verschiedene Zeiträume gesehen erklärt sich damit, dass Methan in der Atmosphäre nach etwa 12 bis 15 Jahren in Kohlendioxid und Wasserstoff zerfällt (oxidiert).^xiv

Rechnet man das im Vergleich zu Kohlendioxid deutlich stärkere Treibhauspotenzial (Berechnung mittels Kohlendioxid-Äquivalenten) ein, dann betrug der Anteil von Methan an den vom Menschen verursachten Treibhausgas-Emissionen im Jahr 2017 weltweit etwa 11 %.^xv In Deutschland betrug der Anteil im Jahr 2020 6,5 %.^xvi Dieser im Vergleich zum Kohlendioxid geringe Anteil lässt sich damit erklären, dass Kohlendioxid in viel größeren Mengen ausgestoßen wird.

Natürliche Abbauprozesse von Methan

So wie es natürliche Wege der Entstehung von Methan gibt, existieren natürliche Prozesse, die Methan wieder aus der Atmosphäre entfernen. Solche Prozesse werden als „Methan-Senken“ bezeichnet. Eine besondere Bedeutung kommt dabei dem Hydroxil-Radikal (OH) zu. Dabei handelt es sich um eine sehr kurzlebige Verbindung aus Sauerstoff (O) und Wasserstoff (H). Etwa 90 Prozent des Methans wird in der unteren Atmosphäre von Hydroxil-Radikalen abgebaut. Reagiert Methan mit einem Hydroxil-Radikal, entsteht daraus Wasser und über einige Zwischenschritte letztendlich Kohlendioxid. Das Problem: Da die Methanemissionen weltweit steigen, findet die Oxidationsreaktion häufiger statt. Es verbleiben für weitere Oxidationsreaktionen weniger Hydroxil-Radikale, was dazu führt, dass Methan langsamer abgebaut wird.^xvii

Darüber hinaus nutzen einige Gruppen Bakterien in den obersten Bodenschichten Methan als Energie- und Kohlenstoffquelle. Sie entfernen das Methan aus der Atmosphäre und binden es im Boden. Für diesen Prozess ist ein gut durchlüfteter Boden förderlich, weil in ihm die Bakterien besser mit Methan und Sauerstoff versorgt werden. Verdichtung des Bodens, wie sie für intensive Landwirtschaft typisch ist, hemmt dagegen diesen Prozess. Auch Düngung kann die Aktivität der Bakterien negativ beeinflussen, weil Bestandteile des Düngers beispielsweise ein für die Verwertung von Methan wichtiges Enzym dieser Bakterien hemmen.^xviii

i Vgl. Stefan Uhlig, Der natürliche Klimawandel. Fakten aus geologischer, archäologischer und astrophysikalischer Sicht, Sargans, Schweiz 2021, 115-117, der daraus schließt, dass die Bedeutung von Kohlendioxid hinsichtlich der Klimaerwärmung vollkommen vernachlässigbar sei.

ii Vgl. Umweltbundesamt [Hrsg.], Unterschätztes Treibhausgas Methan: Quellen, Wirkungen, Minderungsoptionen, Position, August 2022, 9, https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/479/publikationen/uba_pos_methanminderung_bf.pdf (aufgerufen am 20.06.2023).

iii Vgl. https://www.spektrum.de/news/feuchtgebiete-setzen-verstaerkt-methan-frei/2122824 (aufgerufen am 20.06.2023).

iv Vgl. https://www.deutschlandfunk.de/moore-hoher-methan-ausstoss-bei-wiedervernaessung-100.html (aufgerufen am 20.06.2023).

v Vgl. https://www.spektrum.de/news/torfmoore-produzieren-methan-und-verbrauchen-es-selbst/1043321 (aufgerufen am 20.06.2023)

vi Vgl. https://www.awi.de/im-fokus/permafrost/permafrost-eine-einfuehrung.html; https://science.orf.at/stories/3207952/ (jeweils aufgerufen am 20.06.2023).

vii Vgl. https://www.geomar.de/news/article/methanhydrat-das-brennende-eis/ (aufgerufen am 20.06.2023).

viii Vgl. https://www.mpg.de/518642/pressemitteilung20060110 ((aufgerufen am 20.06.2023).

ix Vgl. Tim Searchinger et al., Opportunities to Reduce Methane Emissions from Global Agriculture, Discussion Paper, November 2021, 6-23, https://searchinger.princeton.edu/sites/g/files/toruqf4701/files/methane_discussion_paper_nov_2021.pdf; https://www.bauernverband.de/faktencheck/methanemissionen-in-der-rinderhaltung; Umweltbundesamt [Hrsg.], Unterschätztes Treibhausgas Methan: Quellen, Wirkungen, Minderungsoptionen, Position, August 2022, 9-18, https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/479/publikationen/uba_pos_methanminderung_bf.pdf; speziell zum Reisanbau: https://www.innovations-report.de/fachgebiete/oekologie-umwelt-naturschutz/reisanbau-und-methan-mit-bakterien-gegen-treibhausgas/ (jeweils aufgerufen am 20.06.2023). Bei den Zahlen handelt es sich um Schätzwerte, die je nach Quelle schwanken.

x Vgl. https://www.wirtschaft.nrw/grubengas; https://www.duh.de/projekte/methan-lecks/; ausführlich: DVGW Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e. V. [Hrsg.], Methanemissionen bei der Nutzung von LNG als Kraftstoff für Lkw, Fact Sheet, https://www.dena.de/fileadmin/dena/Publikationen/PDFs/2020/LNG-Taskforce__DVGW_Methanemissionen_bei_der_Nutzung_von_LNG_als_Kraftstoff_fuer_Lkw.pdf (jeweils aufgerufen am 20.06.2023).

xi Vgl. https://tu-dresden.de/bu/umwelt/hydro/isi/sww/die-professur/arbeitsgruppe-abwasserbehandlung/forschungsprojekte/erneuerbare-energie-2004; https://www.kanal-beyerle.de/wissen/faulturm/; http://wasser-wissen.de/abwasserlexikon/s/schlammstabilisierung.htm (jeweils aufgerufen am 20.06.2023).

xii Vgl. https://www.ask-eu.de/Artikel/31378/Bestimmung-der-Methanbildung-in-Deponien-und-Strategien-zurMinderung.htm; https://www.net4energy.com/wiki/deponiegas (jeweils aufgerufen am 20.06.2023).

xiii Vgl. https://www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/klimaschutz-energiepolitik-in-deutschland/treibhausgas-emissionen/die-treibhausgase (aufgerufen am 20.06.2023).

xiv Vgl. Umweltbundesamt [Hrsg.], Unterschätztes Treibhausgas Methan: Quellen, Wirkungen, Minderungsoptionen, Position, August 2022, 9; https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/479/publikationen/uba_pos_methanminderung_bf.pdf; DVGW Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e. V. [Hrsg.], Methanemissionen bei der Nutzung von LNG als Kraftstoff für Lkw, Fact Sheet, https://www.dena.de/fileadmin/dena/Publikationen/PDFs/2020/LNG-Taskforce__DVGW_Methanemissionen_bei_der_Nutzung_von_LNG_als_Kraftstoff_fuer_Lkw.pdf (jeweils aufgerufen am 20.06.2023). Demnach sei die Wirkung von Methan über einen Zeitraum von 100 Jahren gerechnet 28 bis 34-fach höher als die von Kohlendioxid. Über einen Zeitraum von 20 Jahren habe Methan sogar eine um 84- bis 86-fach höhere Wirkung als Kohlendioxid. In diesen Zahlen spiegeln sich die neueren Schätzungen wider.

xv Vgl. https://www.dvgw.de/medien/dvgw/leistungen/publikationen/methanemissionen-erdgas-zahlen-fakten-dvgw.pdf; https://www.bdew.de/energie/methanemissionen/#zwei (jeweils aufgerufen am 20.06.2023).

xvi Vgl. https://www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/klimaschutz-energiepolitik-in-deutschland/treibhausgas-emissionen/die-treibhausgase (aufgerufen am 20.06.2023).

xvii Vgl. https://www.quarks.de/umwelt/klimawandel/darum-sollten-wir-ueber-methan-sprechen/ (aufgerufen am 20.06.2023).

xviii Vgl. https://www.uni-greifswald.de/forschung/nachrichten-aus-der-forschung/detail/n/methanfressende-bakterien-in-boeden-heimliche-helden-im-kampf-gegen-den-klimawandel/ (aufgerufen am 20.06.2023), ausführlich: Jana Täumer et al., Divergent drivers of the microbial methane sink in temperate forest and grassland soils, Global Change Biology 27/4 (2021), 929-940 (https://doi.org/10.1111/gcb.15430).