Stickoxide/Lachgas
Stickoxide, insbesondere das häufig als „nitrous oxide“ bezeichnete Lachgas (N₂O), stellen nach CO₂ und Methan das drittwichtigste (langlebige) Klimagas dar. Abb. 1 zeigt die prozentuale Aufteilung in Form von CO₂‑Äquivalenten.
Grafik 1(siehe PDF-Dokument)
Lachgas hat im Verhältnis zu CO₂ ca. 310‑fache Klimawirkung, im Vergleich dazu Methan eine 21‑fache Klimawirkung.
Die Verweilzeit von Lachgas in der Atmosphäre beträgt ca. 120 Jahre (im Vergleich zu CO₂: ~1000 Jahre, Methan: ca. zehn Jahre), akkumuliert also wie CO₂ in der Atmosphäre. Die Lachgaskonzentration in der Atmosphäre ist im Vergleich zur vorindustriellen Zeit exponentiell angestiegen auf derzeit ca. 335 ppb (Abb. 2 und Abb. 3).
Grafik 2(siehe PDF-Dokument)
Abb. 2 Langzeit-Entwicklung der Lachgas-Konzentration in der Atmosphäre in ppb
Grafik 3(siehe PDF-Dokument)
Abb. 3 Entwicklung der Lachgas-Konzentration in der Atmosphäre 1993–2023 in ppb
Von den jährlich ca. 17 Mio Tonnen Lachgas-Emissionen weltweit sind ca. 7,3 Mio Tonnen (ca. 43 %) anthropogener Natur, davon der überwiegende Teil aus der Landwirtschaft durch zunehmenden Einsatz von anorganischem und organischem Stickstoffdünger.
Geographisch sind im Zeitraum von 1980 bis 2016 die anthropogen verursachten Lachgas-Emissionen hauptsächlich in Ost- und Südostasien sowie Afrika entstanden (Abb. 4), ein Zeichen für die mit zunehmendem Düngereinsatz verbundene Intensivierung und Ausweitung der Landwirtschaft.
Nur in Europa sind abnehmende Lachgas-Emissionen zu verzeichnen, bedingt durch strengere Abgas-Grenzwerte sowohl in der Industrie als auch der Landwirtschaft.
Grafik 4(siehe PDF-Dokument)
Abb. 4 Regionale Veränderungen anthropogener Lachgas-Emissionen 1980–2016
Am Beispiel der USA zeigt Abb. 5 die prozentuale Verteilung der Stickoxid-Emissionen im Jahr 2019, wobei die Emissionen der Landwirtschaft mit 75 % dominieren, im Vergleich zu anderen (anthropogenen) Quellen wie Abwasser- und Güllebehandlung, Verkehr, Chemie und stationärer Energieerzeugung.
Grafik 5(siehe PDF-Dokument)
Abb. 5 Prozentuale Verteilung der Lachgas-Emissionen in den USA
Im Rahmen des Global Carbon Projects wurde für den Zeitraum 2007–2016 eine Bilanz für Lachgas aus anthropogenen und aus natürlichen Quellen erstellt, außerdem wurden die Senken in der Atmosphäre aufgezeigt (Abb. 6). Dabei wird die Konzentration des Lachgases in Form von Stickstoff (N) dargestellt. Die Atmosphäre reichert sich danach infolge der langen Verweilzeit jährlich um 4,3 Mio Tonnen N an. Dies vergleicht sich mit der in Abb. 4 gezeigten jährlichen Zunahme von ca. 2,5 Mio Tonnen N über den längeren Zeitraum von 1980 bis 2016. Auch dies deutet auf eine gewisse Akkumulation von Stickoxiden bzw. Lachgas in der Atmosphäre infolge der langen Verweilzeiten hin.
Grafik 6(siehe PDF-Dokument)
Abb. 6 Lachgas-Bilanz im Zeitraum 2007–2016
Optionen zur Verminderung von Stickoxid-Emissionen
Landwirtschaft
Die Landwirtschaft ist die bei weitem dominierende und am schwierigsten zu begrenzende Quelle für Stickoxid‑Emissionen. Lachgas entsteht beim Einsatz von anorganischem (Kunst-)Dünger und organischem Dünger (u. a. Gülle) durch einen Nitrifikations‑/Denitrifikationszyklus, wie in Abb. 7 und 8 schematisch dargestellt. So nimmt die Maispflanze ca. 50 % des eingetragenen Stickstoffs auf, Mikroben im Boden weitere 25 %, während 25 % über Auswaschungsvorgänge und Denitrifikations‑ bzw. Nitrifikationsreaktionen neben Nitratanreicherung im Boden zu Stickoxidemissionen führen.
Grafik 7(siehe PDF-Dokument)
Abb. 7 Lachgas-Bildung über Nitrifikation/Denitrifikation im Boden
Wichtige Gegenmaßnahmen sind der gezieltere und gleichzeitig sparsamere Einsatz von Kunstdünger sowie organischer Dünger und Gülle sowie vermehrter Anbau von stickstoff‑fixierenden Pflanzen wie Klee, Ackerbohnen und Lupinen, auch in wechselnder Fruchtfolge mit anderen Pflanzen.
Grafik 8(siehe PDF-Dokument)
Abb. 8 Stickstoffverwertung am Beispiel Mais
Verbrennungsprozesse
Quelle von Stickoxidemissionen sind Feuerungsanlagen jeglicher Art und Motoren. Neben Effizienzmaßnahmen wie verbrennungstechnische Primärmaßnahmen werden zur Erreichung von Abgasgrenzwerten vor allem sekundäre Maßnahmen im Abgasstrom eingesetzt. Bei der selektiven katalytischen Stickoxidreduktion (SCR) reagieren die Stickoxide mit zudosiertem Ammoniak bzw. Harnstoff zu elementarem Stickstoff N₂. Dies ist weitgehend Stand der Technik, wobei diese zur Erreichung schärferer Grenzwerte ständig weiterentwickelt wird.
Ammoniak als Energieträger
Im Rahmen der verstärkten Nutzung von Ammoniak als kohlenstofffreier Energieträger, u. a. in Turbinen und Schiffsantrieben, erhält die Kontrolle der Stickoxidemissionen eine neue, starke Bedeutung. Auch hierbei kommen im Wesentlichen katalytische SCR‑Verfahren zum Einsatz, die durch Umsetzung der Stickoxide mit zudosiertem Ammoniak das Abgas reinigen.
Industrie
Eine historisch große Quelle von Stickoxid‑Emissionen war die Produktion u. a. von Salpetersäure und von Adipinsäure. Letztere ist ein Vorprodukt für Nylon und wird u. a. auch in der Lebensmittelindustrie als Säuerungsmittel und in Rauchgaswäschen zur Effizienzsteigerung bei der Schwefelabscheidung eingesetzt. Auch hier kommen die vorgenannten katalytischen Abgasreinigungsverfahren zum Einsatz. So war z. B. in Deutschland die Adipinsäureproduktion bis 1997 zu knapp einem Drittel für die Emission von Lachgas verantwortlich, 2017 dann nur noch zu ca. 3 %.
Fazit
Stickoxide, hier vor allem Lachgas, sind nach CO₂ und Methan das drittwichtigste langlebige Klimagas. Der anthropogene Anteil an den globalen Gesamt‑Stickoxidemissionen beträgt über 40 %.
Hauptquelle der anthropogenen Emissionen ist der Einsatz von anorganischem und organischem Dünger in einer zur Sicherstellung der Ernährung wachsenden und zunehmend intensivierten Landwirtschaft. Geographisch steigen die Emissionen vor allem in den Ländern mit dem höchsten Bevölkerungswachstum in Asien und Afrika.
Eine Begrenzung ist möglich, wenn die am Beispiel europäischer Länder erfolgreichen Methoden zum gezielten Einsatz von Dünger einschließlich der Verwertung und Kontrolle von Gülle und anderer Abwässer auch in anderen Regionen eingeführt werden. Einen zusätzlichen Beitrag kann der Anbau von stickstoffbindenden Pflanzen als Teil einer dünger‑einsparenden Fruchtfolge leisten.
Andere Emissionsquellen sind durch technische Maßnahmen wie selektive katalytische Reduktion mit Ammoniak (SCR) kontrollierbar. Einen zunehmenden Stellenwert werden SCR‑Verfahren bei dem prognostizierten breiten Einsatz von Ammoniak als Energieträger in Verbrennungsprozessen erlangen.
