Methan

Im Zusammenhang mit dem Themenkomplex Klimawandel/ Treibhausgase sowie der zukünftigen Energieversorgung der Menschheit ist häufig auch von Methan die Rede. Es lohnt sich daher eine nähere Betrachtung der Entstehung und Bedeutung dieses wichtigen Gases.

Was versteht man eigentlich unter dem atmosphärischen Treibhauseffekt?

Die kurzwellige Strahlung der Sonne gelangt zu einem großen Teil ungehindert durch die Erdatmosphäre. Dabei erwärmt sich die Erde und strahlt einen Teil der aufgenommenen Energie in Form von Wärmestrahlung wieder ab. Diese Wärmestrahlung kann aber, ähnlich wie bei einem Glashaus, nicht ohne weiteres durch die Atmosphäre wieder in das Weltall gelangen. Vielmehr wird sie von den Treibhausgasen Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan und Distickstoffoxid (besser bekannt als Lachgas) wieder in Richtung Erde zurückgestrahlt. Dadurch erhält die Erdoberfläche mehr Strahlung als durch die Sonne allein und erwärmt sich stärker. Die Energie wird sozusagen gefangen gehalten. Die Atmosphäre kann man ohne weiteres mit einem riesengroßen Gewächshaus vergleichen, nur dass es nicht von Glas umschlossen ist, sondern von Gasen, die sich aber genauso verhalten wie Glas. Hätte man keine Treibhausgase in der Atmosphäre, dann würde sich auf der Erde eine Oberflächentemperatur von minus 18 Grad einstellen. Die Erde wäre dann ein vollständig vereister Planet.

Was jetzt zunehmend Probleme bereitet, ist die starke kontinuierliche Zunahme der Konzentration der Treibhausgase, wodurch dann die globale Erwärmung entsteht, weil die Wärmeenergie stärker auf der Erde gehalten wird. Das Methan ist ein stark klimawirksames Gas, es hat einen Anteil am Treibhauseffekt von etwa 15 bis 20 Prozent, obwohl die Konzentration in der Atmosphäre nur ca. 1,75 ppm beträgt. 1,75 ppm sind 0,000175 Prozent.

Was ist Methan, wie wird es gebildet und wo kommt es vor?

Methan ist ein farbloses und geruchloses Gas. Es ist der einfachste Kohlenwasserstoff mit der chemischen Formel CH4. Methan wird, je nach seiner Herkunft, auch als Erdgas, Grubengas, Sumpfgas, Fäulnisgas, Klärgas oder auch als Biogas bezeichnet, wenn es aus dem landwirtschaftlichen Bereich kommt.

Die Dichte von Methan ist kleiner als die von Luft, es steigt also in die höheren Schichten der Atmosphäre auf; nach dem Kohlendioxid ist es das bedeutendste vom Menschen freigesetzte Treibhausgas. Es ist 20- bis 30-mal so stark klimawirksam wie Kohlendioxid, wobei hier die Angaben zwischen 23- und 26-fach schwanken. Bei niedrigen Temperaturen und hohem Druck bilden sich im Wasser eisförmige Methanhydrate, in denen die Konzentration von Methan bis zu 120 g pro Liter betragen kann. Zu den Methanhydraten später mehr. Der Brennwert von Methan beträgt ca. 50 Kilojoule pro Gramm und liegt damit höher als der Brennwert von Öl (42 kJ/ g), Steinkohle (29,3 kJ/ g) und Braunkohle (20 kJ/ g).

Methan wird zum größten Teil durch Mikroorganismen aus Biomasse gebildet. Es kann aber auch bei der Bildung von Kohle und Öl sowie bei der Verbrennung von organischen Verbindungen freigesetzt werden. Es gibt auch sogenanntes abiogenes Methan, das im Erdmantel bei Temperaturen von über 200 Grad Celsius geochemisch gebildet wird.

Schätzungen zufolge werden zur Zeit auf der Erde durch die Stoffwechselaktivität von Mikroorganismen jährlich etwa 1 Mrd. Tonnen Methan gebildet. Die Methanbildung in Süßwassersedimenten erfolgt aus organischem Material, das sich dort zusammen mit anorganischem Material abgesetzt hat und durch Mikroorganismen zu Methan umgesetzt wird. Das organische Material besteht vorwiegend aus abgestorbenen Pflanzenteilen wie etwa Blättern, toten Algen sowie tierischen Abfällen. Im Uferbereich von Süßwasserseen und Flüssen, die mit Pflanzen bewachsen sind, sowie in Reisfeldern gelangen auch organische Verbindungen aus der lebenden Pflanze in die Sedimente und werden zu Methan umgesetzt. Die Methanbildung erfolgt unter anaeroben Bedingungen; methanbildende Mikroorganismen können Sauerstoff nicht verwerten, für sie ist Sauerstoff sogar giftig. Die mikrobielle Methanbildung findet prinzipiell überall dort statt, wo ähnliche Bedingungen wie in Süßwassersedimenten vorherrschen. Solche Bedingungen finden sich z.B. in Reisfeldböden, in tiefen Schichten von feuchten Ackerböden, in Feuchtgebieten mit Sümpfen und Mooren, in Faultürmen von Kläranlagen, aber auch in tiefen Schichten von Meeressedimenten.

Etwa die Hälfte des gebildeten Methans wird durch Mikroorganismen zu Kohlendioxid oxidiert, der Rest gelangt in die Atmosphäre. In manchen Sedimenten entsteht Methan so schnell, dass sich Gasblasen bilden.

Auch im Pansen von Wiederkäuern herrschen Bedingungen, die zu Methanbildung führen. Im Pansen von Rindern werden pro Tag durchschnittlich etwa 170 Liter Methan gebildet, das entspricht 44 kg pro Jahr. Schafe setzen im Mittel 5,7 kg Methan pro Jahr frei. Auf der Erde leben zur Zeit 1,3 Mrd. Rinder und 1,2 Mrd. Schafe; alle Nutztiere zusammen geben etwa 80 Mio. Tonnen Methan pro Jahr in die Atmosphäre ab. Dazu kommen noch einmal 25 Mio. Tonnen aus deren Exkrementen.

Neben Nutztieren sind Reisfelder, Feuchtgebiete, Mülldeponien und Termiten Hauptquellen für atmosphärisches Methan.

Um 1800 betrug der Methangehalt der Atmosphäre rund 0,7 ppm. Seitdem hat er sich mehr als verdoppelt. Zwischen 1999 und 2006 lag der globale Durchschnittswert bei 1,773 ppm. Im Jahr 2007 wurde ein sprunghafter Anstieg von Methan in der Atmosphäre gemessen, die Konzentration stieg innerhalb eines Jahres auf 1,783 ppm. Zur Überraschung der Forscher stellte sich heraus, dass die Methankonzentration in beiden Hemisphären des Globus simultan zunahm, obwohl die Hauptquellen des Gases auf der Nordhalbkugel liegen.

Die Methanemissionen werden zunehmend zu einem Problem, deshalb sind jetzt die Rinder Gegenstand von Diskussionen, nach dem Motto: „Rülpsende Rinder sind Klimakiller“. Es fehlt nicht an Vorschlägen zur Lösung dieses Problems, z.B. eine Abgassteuer für Rinder, Impfstoffe, Nahrungszusätze bis hin zu einer Riesenpille.

Die vernünftigste Lösung des Methanproblems wäre ohne Zweifel eine drastische Reduzierung des Rinderbestandes, was voraussetzen würde, dass die Menschen Vegetarier werden und auch nicht in übertriebenem Maße Milchprodukte konsumieren. Im Übrigen hat bereits der Vorsitzende des Weltklimarates Pachauri die vegetarische Ernährung als effektive und sinnvolle Klimaschutzmaßnahme empfohlen. Der Präsident des Bundesumweltamtes Andreas Troge schlägt eine Rückkehr zum Sonntagsbraten vor.

Methanhydrate

Methanhydrate haben inzwischen eine gewisse Berühmtheit erlangt, zumindest für die Menschen, die Frank Schätzings Roman „Der Schwarm“ gelesen haben. Darin bauen Bakterien das Methanhydrat ab und führen zu einem gewaltigen Erdrutsch ins Meer, der dann zu einem Tsunami führt.

Was ist Methanhydrat?

Methanhydrat oder Methaneis besteht aus Methan, das in gefrorenem Wasser eingelagert ist. Das Methan ist wie in einem Käfig eingeschlossen und liegt in einer hochverdichteten Form vor. Ein Liter festes Methanhydrat enthält eine Methanmenge, die unter Normalbedingungen 168 Litern entspricht. Methanhydrat bildet sich ab etwa 190 Metern Wassertiefe und einer Temperatur von 2 bis 4 Grad. Es befindet sich in großen Mengen in den Kontinentalhängen, wo der Druck hoch und die Temperatur niedrig ist. Man schätzt, dass es etwa 12 Billionen Tonnen Methanhydrat gibt; dort ist etwa doppelt so viel Kohlenstoff gespeichert wie in allen Erdöl-, Erdgas- und Kohlevorkommen der Welt.

Methanlagerstätten gibt es weltweit. Größere Vorkommen liegen vor Alaska, Kanada, Japan, Oregon und Sibirien. Selbst im Mittelmeer und im Schwarzen Meer wurden Methanhydrate nachgewiesen.

Wenn sich das Wasser um wenige Grad erwärmt, kann es zu einer massiven Freisetzung von Methan kommen. Dies wurde im Frühherbst 2008 von einer russisch-schwedischen Arktisexpedition vor der Küste Sibiriens beobachtet. Die Expedition registrierte Gasblasen, die großflächig vom Meeresgrund an die Oberfläche blubberten.

Da das Methanhydrat eine Art Kitt-Substanz für die Kontinentalhänge darstellt, befürchtet man, dass ein beschleunigter Methanabbau zu Erdrutschungen im Meer führen könnte, woraus sich gewaltige Tsunamis entwickeln würden.

Beim diesjährigen Treffen der American Chemical Society wurde ein Feldtest zur Gewinnung von Methan aus Gashydraten in Alaska präsentiert. Es ist geplant, Kohlenhydrat in Gashydrate zu pumpen. Dadurch würde Methan freigesetzt, das dann aufgefangen und als Erdgas eingesetzt werden könnte. In etwa 10 Jahren soll dieses Verfahren auch in Hochseeregionen möglich sein.

Zum Schluss noch einige neuere Publikationen

Spielgel Online, 05.12.2008

Auch bei Frost entweicht Methan. Diese überraschende Beobachtung ergaben Langzeitmessungen auf Grönland.

Scinexx.de, 01.04.2009

Höhere Temperaturen in arktischen Dauerfrostböden verändern die Lebensgemeinschaft methanbildender Mikroorganismen und führen zu einer erhöhten Methanfreisetzung. Zu diesem Ergebnis sind jetzt Forscher in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Environmental Microbiology“ gekommen. Man kann davon ausgehen, dass bei einer Erwärmung der Dauerfrostböden riesige Methanmengen freigesetzt werden.

Fazit:
Sowohl das Auftauen der Permafrostböden wie auch eine Auflösung der Methanhydrate im Meer könnten recht bald zu einem massiven Anstieg der Methankonzentration in der Atmosphäre führen.