Der Begriff „fossile Brennstoffe“ wird heutzutage häufig verwendet. Häufig wird es im Zusammenhang mit Umweltthemen, Klimawandel oder der sogenannten „Energiekrise“ thematisiert. Die Abhängigkeit der Menschheit von fossilen Brennstoffen ist nicht nur eine Hauptursache für Umweltverschmutzung, sondern hat in den letzten Jahrzehnten auch zu einiger Besorgnis geführt und die Nachfrage nach Alternativen geschürt.
Aber was genau sind fossile Brennstoffe? Während die meisten Menschen bei diesen Worten an Benzin und Öl denken, trifft dies tatsächlich auf viele verschiedene Arten von Energiequellen zu, die aus zersetztem organischem Material gewonnen werden. Wie die Menschheit so abhängig von ihnen wurde und was wir tun können, um sie zu ersetzen, sind einige der größten Sorgen, mit denen wir heute konfrontiert sind.
Definition:
Fossile Brennstoffe beziehen sich auf Energiequellen, die durch die anaerobe Zersetzung von lebender Materie, die Energie als Ergebnis der alten Photosynthese enthält, gebildet werden. Typischerweise sind diese Organismen seit Millionen von Jahren tot, wobei einige bis in die Kryozeit (vor ca. 650 Millionen Jahren) zurückreichen.
Das Bryan Mound Strategic Petroleum Reserve befindet sich im Brazoria Country, Texas. Bildnachweis: energy.gov
Fossile Brennstoffe enthalten in ihren chemischen Bindungen hohe Prozentsätze an Kohlenstoff und gespeicherter Energie. Sie können in Form von Erdöl, Kohle, Erdgas und anderen brennbaren Kohlenwasserstoffverbindungen vorliegen. Während Erdöl und Erdgas durch den Abbau von Organismen entstehen, sind Kohle und Methan das Ergebnis des Abbaus von Landpflanzen.
Bei ersteren wird angenommen, dass sich vor Millionen von Jahren große Mengen an Phytoplankton und Zooplankton auf dem Grund von Meeren oder Seen angesiedelt haben. Im Laufe von vielen Millionen Jahren vermischte sich diese organische Substanz mit Schlamm und wurde unter schweren Sedimentschichten begraben. Die resultierende Hitze und der Druck führten dazu, dass die organische Substanz chemisch verändert wurde und schließlich Kohlenstoffverbindungen bildete.
Bei letzteren war die Quelle abgestorbenes Pflanzenmaterial, das während des Karbons – also vom Ende des Devon bis zum Beginn des Perms (vor ca. 300 und 350 Millionen Jahren) – mit Sediment bedeckt war. Im Laufe der Zeit verfestigten sich diese Lagerstätten oder wurden gasförmig, wodurch Kohlefelder, Methan und Erdgas entstanden.
Moderne Anwendungen:
Kohle wird seit der Antike als Brennstoff verwendet, oft in Öfen zum Schmelzen von Metallerzen. Unverarbeitetes und unraffiniertes Öl wird auch seit Jahrhunderten in Lampen zu Beleuchtungszwecken verbrannt, und halbfeste Kohlenwasserstoffe (wie Teer) wurden zum Imprägnieren (hauptsächlich auf dem Boden von Booten und an Docks) und zum Einbalsamieren verwendet.
Die weit verbreitete Nutzung fossiler Brennstoffe als Energiequelle begann während der industriellen Revolution (18.-19. Jahrhundert), als Kohle und Öl anfingen, tierische Quellen (z. B. Walöl) zum Antrieb von Dampfmaschinen zu ersetzen. Zur Zeit der zweiten industriellen Revolution (ca. 1870 – 1914) wurden Öl und Kohle zum Antrieb elektrischer Generatoren verwendet.
Die Erfindung des Verbrennungsmotors (d. h. Automobile) erhöhte den Bedarf an Öl exponentiell, ebenso wie die Entwicklung von Flugzeugen. Gleichzeitig entstand die petrochemische Industrie, in der Erdöl zur Herstellung von Produkten verwendet wurde, die von Kunststoffen bis hin zu Rohstoffen reichen. Darüber hinaus wurde Teer (ein Restprodukt aus der Erdölförderung) häufig beim Bau von Straßen und Autobahnen verwendet.
Fossile Brennstoffe wurden für die moderne Fertigung, Industrie und den Transport zentral, da sie erhebliche Energiemengen pro Masseneinheit produzieren. Ab 2015 laut Internationale Energieagentur (IEA) wird der weltweite Energiebedarf immer noch überwiegend aus Quellen wie Kohle (41,3%) und Erdgas (21,7%) gedeckt, obwohl Öl auf nur 4,4% zurückgegangen ist.
Auch die fossile Brennstoffindustrie hat einen großen Anteil an der Weltwirtschaft. Im Jahr 2014, weltweiter Kohleverbrauch überschritten 3,8 Milliarden Tonnen und machten 46 Milliarden US-Dollar aus im Umsatz allein in den USA. Im Jahr 2012 erreichte die weltweite Öl- und Gasförderung über 75 Millionen Barrel pro Tag , während weltweiter Umsatz Die von der Industrie generierte Summe erreichte etwa 1,247 Billionen US-Dollar.
Länder der Welt rangieren in Bezug auf ihre jährliche Ölproduktion. Bildnachweis: Wikipedia Commons/Ali Zifan
Die Industrie für fossile Brennstoffe genießt auch weltweit viel staatlichen Schutz und Anreize. EIN Bericht 2014 von der IEA gab an, dass die Industrie für fossile Brennstoffe jährlich 550 Milliarden US-Dollar an weltweiten staatlichen Subventionen sammelt. Jedoch a Studie 2015 vom Internationalen Währungsfonds (IWF) angegeben, dass die tatsächlichen Kosten dieser Subventionen für Regierungen weltweit rund 5,3 Billionen US-Dollar (oder 6,5 % des weltweiten BIP) betragen.
Auswirkungen auf die Umwelt:
Der Zusammenhang zwischen fossilen Brennstoffen und Luftverschmutzung in Industrienationen und Großstädten ist seit der Industriellen Revolution offensichtlich. Bei der Verbrennung von Kohle und Öl entstehen Schadstoffe wie Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Stickoxide, Schwefeldioxid, flüchtige organische Verbindungen und Schwermetalle, die alle mit Atemwegserkrankungen und einem erhöhten Krankheitsrisiko in Verbindung gebracht werden.
Die Verbrennung fossiler Brennstoffe durch den Menschen ist auch die größte Quelle von Kohlendioxidemissionen (ca. 90 %) weltweit, einem der wichtigsten Treibhausgase, das den Strahlungsantrieb (auch bekannt als Treibhauseffekt) ermöglicht und zu globale Erwärmung.
Im Jahr 2013 gab die National Oceanic and Atmospheric Administration bekannt, dass der CO²-Gehalt in der oberen Atmosphäre erreicht wurde 400 Teile pro Million (ppm) erstmals seit Beginn der Messungen im 19. Jahrhundert. Basierend auf der aktuellen Wachstumsrate der Emissionen, Schätzungen der NASA dass der Kohlenstoffgehalt im kommenden Jahrhundert zwischen 550 und 800 ppm erreichen könnte.
Wenn das erstere Szenario der Fall ist, erwartet die NASA einen Anstieg der durchschnittlichen globalen Temperaturen um 2,5 ° C (4,5 ° F), was nachhaltig wäre. Sollte sich das letztere Szenario jedoch erweisen, werden die globalen Temperaturen um durchschnittlich 4,5 °C (8 °F) steigen, was für viele Teile der Erde das Leben unhaltbar machen würde. Aus diesem Grund wird nach Alternativen für die Entwicklung und eine breite kommerzielle Anwendung gesucht.
Alternativen:
Aufgrund der langfristigen Auswirkungen der Nutzung fossiler Brennstoffe entwickeln Wissenschaftler und Forscher seit über einem Jahrhundert Alternativen. Dazu gehören Konzepte wie die seit Ende des 19. Jahrhunderts existierende Wasserkraft, bei der fallendes Wasser verwendet wird, um Turbinen zu drehen und Strom zu erzeugen.
Seit der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wird Atomkraft auch als Alternative zu Kohle und Erdöl betrachtet. Hier werden langsame Kernspaltungsreaktoren (die auf Uran oder dem radioaktiven Zerfall anderer schwerer Elemente basieren) verwendet, um Wasser zu erhitzen, das wiederum Dampf zum Drehen von Turbinen erzeugt.
Seit der Mitte des 20. Jahrhunderts wurden mehrere weitere Methoden vorgeschlagen, die von einfachen bis zu hochentwickelten reichen. Dazu gehören Windkraft, bei der Änderungen des Luftstroms Turbinen antreiben; Solarenergie, bei der Photovoltaikzellen die Sonnenenergie (und manchmal Wärme) in Elektrizität umwandeln; Geothermie, die auf Dampf beruht, der aus der Erdkruste angezapft wird, um Turbinen zu drehen; und Gezeitenkraft, wo Änderungen der Gezeiten Turbinen antreiben.
Der kugelförmige Tokamak MAST im Culham Centre for Fusion Energy (UK). Foto: CCFE
Alternative Kraftstoffe werden auch aus biologischen Quellen gewonnen, wobei pflanzliche und biologische Quellen verwendet werden, um Benzin zu ersetzen. Wasserstoff wird auch als Energiequelle entwickelt, von Wasserstoff-Brennstoffzellen über Wasser bis hin zum Antrieb von Verbrennungsmotoren und Elektromotoren. Es wird auch Fusionsenergie entwickelt, bei der Wasserstoffatome in Reaktoren verschmolzen werden, um saubere, reichlich vorhandene Energie zu erzeugen.
Bis Mitte des 21. Jahrhunderts dürften fossile Brennstoffe obsolet sein oder zumindest in ihrer Nutzung deutlich zurückgegangen sein. Aber aus historischer Sicht wurden sie mit den größten und am längsten andauernden Explosionen im menschlichen Wachstum in Verbindung gebracht. Ob die Menschheit die langfristigen Auswirkungen dieses Wachstums – das eine intensive Verbrennung fossiler Brennstoffe und Treibhausgasemissionen beinhaltet – überleben wird, bleibt abzuwarten.
Wir haben viele Artikel über fossile Brennstoffe für Universe Today geschrieben. Hier ist Was ist ein verstärkter Treibhauseffekt? , Gase in der Atmosphäre , Was verursacht Luftverschmutzung? , Was ist, wenn wir alles verbrennen? , Was ist alternative Energie? , und „Der Klimawandel ist jetzt sicherer denn je“, heißt es in einem neuen Bericht
Weitere Informationen zu fossilen Brennstoffen finden Sie unter Erdobservatorium der NASA . Und hier ist ein Link zu Artikel der NASA zum Schutz unserer Atmosphäre .
Astronomy Cast hat auch einige Episoden, die für das Thema relevant sind. Hier ist Folge 51: Erde und Folge 308: Klimawandel .
Quellen:
