Treibhausgase und Kohlenstoffkreislauf

Kohlenstoffdioxid ($\mathrm{CO_2}$) und Methan ($\mathrm{CH_4}$) zählen zu den Treibhausgasen.

1. a) Nenne je eine wichtige natürliche oder menschliche Quelle für $\mathrm{CO_2}$ und für $\mathrm{CH_4}$ (z. B. aus Landwirtschaft, Verkehr oder Industrie).
2. b) Erkläre in zwei Sätzen, was man unter dem natürlichen Treibhauseffekt versteht.

Bei der Fotosynthese reagieren Kohlenstoffdioxid und Wasser mithilfe von Lichtenergie zu Glucose und Sauerstoff:

$6\,\mathrm{CO_2} + 6\,\mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2}$

1. a) Nenne, welche Rolle diese Reaktion im Kohlenstoffkreislauf spielt.
2. b) Nenne die Reaktion, die in Lebewesen im Wesentlichen die Umkehrung dieser Reaktion darstellt, und gib an, welches Treibhausgas dabei freigesetzt wird.

Der Kohlenstoffkreislauf lässt sich als Abfolge von Reaktionen beschreiben:

(1) Fotosynthese: $\mathrm{CO_2}$ wird zu Glucose umgesetzt.

(2) Pflanzen werden von Tieren gefressen, Glucose wird in der Zellatmung abgebaut.

(3) Abgestorbene Biomasse wird über Millionen Jahre zu Kohle, Erdöl und Erdgas.

(4) Fossile Brennstoffe werden verbrannt.

1. a) Schreibe die Reaktionsgleichung für die Zellatmung von Glucose auf.
2. b) Erkläre, warum man die Verbrennung von Holz oft als „annähernd CO₂-neutral“ bezeichnet, die Verbrennung von Kohle aber nicht.
3. c) Nenne einen Schritt, der im Kreislauf als Kohlenstoffspeicher (Senke) wirkt.

Ein Schüler behauptet: „Wenn der Mensch alle fossilen Brennstoffe verbrennt, wird nur Kohlenstoff umgewandelt, der vorher schon im Kreislauf war. Also entsteht kein Problem.“

1. a) Nehmen Sie Stellung zu dieser Aussage und unterscheiden Sie dabei zwischen dem schnellen und dem langsamen Kohlenstoffkreislauf.
2. b) Erklären Sie, warum die Ozeane nur einen Teil des zusätzlichen $\mathrm{CO_2}$ aufnehmen, und geben Sie die Reaktionsgleichung für die Reaktion von $\mathrm{CO_2}$ mit Wasser zu Kohlensäure an.
3. c) Nennen Sie eine mögliche Folge dieser Reaktion für Meereslebewesen mit Kalkschalen.

Erdgas besteht überwiegend aus Methan. Es verbrennt vollständig nach der Gleichung

$\mathrm{CH_4} + 2\,\mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{CO_2} + 2\,\mathrm{H_2O}$

1. a) Nenne die beiden Produkte der vollständigen Verbrennung.
2. b) Erkläre, warum bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe der $\mathrm{CO_2}$-Gehalt der Atmosphäre steigt.

Familie Schneider in Köln heizt mit Erdgas ($\mathrm{CH_4}$). Im Jahr werden $1.600\ \text{m}^3$ Erdgas verbrannt. Nimm vereinfachend an, dass $1\ \text{m}^3$ Erdgas eine Masse von $0{,}72\ \text{kg}$ hat und aus reinem Methan besteht. Molare Massen: $M(\mathrm{CH_4}) = 16\ \text{g/mol}$, $M(\mathrm{CO_2}) = 44\ \text{g/mol}$.

1. a) Berechne die Masse des verbrannten Methans in $\text{kg}$.
2. b) Berechne die Masse an $\mathrm{CO_2}$, die dabei entsteht, in $\text{kg}$.

In Mecklenburg-Vorpommern wird in Biogasanlagen Gülle vergoren. Dabei entsteht Biogas mit etwa $60\ \%$ Methan.

1. a) Erkläre, warum bei der Gärung von Gülle und in der Rinderhaltung Methan entsteht und warum es ein Treibhausgas ist.
2. b) Schreibe die Reaktionsgleichung für die Verbrennung des Methans im Blockheizkraftwerk auf.
3. c) Beurteile, warum es klimafreundlicher ist, das Methan aus der Gülle zu verbrennen, als es unverbrannt entweichen zu lassen.

Ein Kohlekraftwerk im Rheinischen Revier verbrennt pro Stunde $250\ \text{t}$ Steinkohle. Nimm vereinfachend an, dass die Kohle zu $90\ \%$ aus Kohlenstoff besteht und vollständig zu $\mathrm{CO_2}$ verbrennt: $\mathrm{C} + \mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{CO_2}$. Molare Massen: $M(\mathrm{C}) = 12\ \text{g/mol}$, $M(\mathrm{CO_2}) = 44\ \text{g/mol}$.

1. a) Berechne die Masse an $\mathrm{CO_2}$, die pro Stunde freigesetzt wird, in $\text{t}$.
2. b) Berechne, wie viele Bäume man rechnerisch bräuchte, um diese Menge $\mathrm{CO_2}$ in einer Stunde zu binden, wenn ein Baum pro Jahr etwa $12\ \text{kg}$ $\mathrm{CO_2}$ gleichmäßig über das Jahr verteilt aufnimmt (1 Jahr = $8760\ \text{h}$).
3. c) Bewerte anhand deines Ergebnisses, ob Aufforstung allein ausreicht, um die Emissionen auszugleichen.

Bei der vollständigen Verbrennung von $1\ \text{mol}$ Methan werden $890\ \text{kJ}$ frei, bei $1\ \text{mol}$ Kohlenstoff (Kohle) $394\ \text{kJ}$. Beide Brennstoffe bilden je Mol $1\ \text{mol}$ $\mathrm{CO_2}$.

1. a) Berechnen Sie für beide Brennstoffe die Energie, die pro $1\ \text{mol}$ freigesetztem $\mathrm{CO_2}$ gewonnen wird.
2. b) Berechnen Sie, wie viel $\mathrm{CO_2}$ (in $\text{g}$) für $1\ \text{MJ}$ Energie jeweils entsteht ($M(\mathrm{CO_2}) = 44\ \text{g/mol}$).
3. c) Beurteilen Sie damit, warum Erdgas häufig als „Brückentechnologie“ bezeichnet wird, und nennen Sie ein Gegenargument.