Durch Gewinnung von Brennstoffen und Rohstoffen schädigen die Menschen ihre Umwelt. Der Schaden kann gering gehalten werden, wenn die Gewinnung nachhaltig erfolgt. Der Begriff Nachhaltigkeit (engl. sustainability) wurde erstmals 1713 vom kursächsischen Oberberghauptmann Hans Carl von Carlowitz für die Nutzung von Rohstoffen eingeführt.
In seiner Abhandlung über die Baumzucht, siehe rechtes Bild, fordert er, "eine sothane (hochdeutsch: dergestalte) Conservation und Anbau des Holtzes anzustellen, daß es eine continuierliche beständige und nachhaltende Nutzung gebe", um die Holznot im Bergbau zu überwinden.
Nachhaltiges Wirtschaften in Land- und Forstwirtschaft ist dadurch zu erreichen, dass die lebenden Ressourcen nur in dem Maße genutzt werden, wie sie nachwachsen. Das ist die ursprüngliche Definition der Nachhaltigkeit. Inzwischen charakterisiert Wikipedia Nachhaltigkeit als ein Handlungsprinzip zur Ressourcen-Nutzung, bei dem die Bewahrung der wesentlichen Eigenschaften, der Stabilität und der natürlichen Regenerationsfähigkeit des jeweiligen Systems im Vordergrund steht. Damit ist der Begriff in alle Gebiete von Wirtschaft, Technik, Kultur und Politik eingedrungen.
Bodenschätze sind alle mineralischen Rohstoffe im festen oder flüssigen Zustand (außer Wasser) und die Erdgase auf unserem Planeten. Sie können nie oder zumindest nicht in historischen Zeiträumen nachwachsen. Eine nachhaltige Nutzung ist praktisch nicht möglich. Die meisten Ressourcen werden den nächsten Jahrhunderten verbraucht sein. Durch die gegenwärtige Gewinnung und Nutzung der Bodenschätze entstehen erhebliche Risiken.
Zahlreiche Umweltschäden, die mit einem übermäßigen Abholzen von Wäldern begonnen haben, sind gut bekannt. Die Risiken für die Zukunft werden unterschiedlich beurteilt. Eine genaue Voraussage der zu erwarteten Umweltschäden ist nicht möglich. Über die Art der Risiken besteht jedoch kein Zweifel. Sie sind wissenschaftlich gut begründet. Hier werden nur zwei der Risiken erläutert: erstens der Treibhauseffekt und zweitens die Gefährdung durch radioaktive Strahlung als Folge der Energieerzeugung in Kernkraftwerken.
In einem Gewächshaus (Treibhaus) ist bei Sonnenbestrahlung die Temperatur höher als in der Umgebung. Treibhausgase erwärmen auch die Oberfläche unseres Planeten.
Das Maximum der Strahlungsintensität der Sonne auf der Erdoberfläche liegt bei einer Wellenlänge von etwa 500 nm , also im sichtbaren grünen Spektralbereich. Durchsichtige Materie absorbiert in diesem Spektralbereich wenig Energie. Das gilt für die Erdatmosphäre wie auch für die Glasscheibe im Gewächshaus. Die Sonne scheint auf Erdoberfläche und Gewächse und erwärmt diese um reichlich zehn Grad gegenüber der mittleren Umgebungstemperatur. Die Erde hat eine Temperatur von etwa 300 K auf der Oberfläche, was eine um den Faktor 20 geringere Temperatur als auf der Sonnenoberfläche ist. Dementsprechend ist nach dem Wien'schen Verschiebungsgesetz die von der Erdoberfläche abgestrahlte Wellenlänge um den gleichen Faktor größer und liegt bei 10 µm im infraroten Bereich. Für infrarote Strahlung ist aber das Glas des Gewächshausdachs nicht durchlässig. Treibhausgase tragen deshalb diesen Namen, weil auch sie diese Rückstrahlung nicht durchlassen, sondern absorbieren. Die Rückstrahlung erwärmt die Glasscheibe bzw. die Treibhausgase, und diese erwärmen wiederum das Gewächshaus bzw. die Erdatmosphäre.
Treibhausgase sind Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan, Stickoxide, Ozon und Fluorkohlenwasserstoffe. Die Moleküle wirken unterschiedlich stark und treten in unterschiedlichen Konzentrationen auf. Zum Beispiel verursacht ein Methanmolekül den 25-fachen Effekt des Kohlendioxidmoleküls, aber Methan tritt in relativ geringen Konzentrationen auf. Eine Abschätzung des Beitrags einzelner Gase ergibt die Reihenfolge Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan und Ozon, wobei die Nachfolgenden etwa den halben Beitrag wie die Vorhergehenden liefern.
Der Physikochemiker Svante Arrhenius (1859−1927) hatte bereits 1895 die Bedeutung von Kohlendioxid als Treibhausgas erkannt und die These aufgestellt, dass eine Verdoppelung des Kohlendioxid-Gehalts der Atmosphäre zu einer Temperaturerhöhung um 4−6 ºC führen würde (Zitat). Die Kohlendioxidkonzentration der Atmosphäre kann man durch die Untersuchung von Eisproben aus tieferen Schichten der Antarktis einige tausend Jahre zurückverfolgen. Mehr als tausend Jahre lang bis 1850 waren es 280±10 ppm (parts per million). Andere Analysenverfahren zeigen Kohlendioxidgehalte zwischen 180 und 300 ppm in den vergangenen 800 000 Jahren, in denen die Menschheit entstanden ist. Zur Zeit der Entstehung der Steinkohlewälder vor etwa 500 Millionen Jahren war die Kohlendioxid-Konzentration in der Atmosphäre jedoch etwa 6 000 ppm und lag vor 200 Millionen Jahren noch bei 3 000 ppm, siehe Wikipedia. Vom vor-industriellen Zeitalter bis jetzt haben wir einen Anstieg um 40 %. Methan ist sogar um 145 % angestiegen, woran auch die Kühe einen großen Anteil haben. Stickoxide sind um 15 % gegenüber dem vor-industriellen Zeitalter angestiegen. Der größte Zuwachs an Treibhausgasen wird von der Mehrheit der Umweltforscher dem Einsatz fossiler Brennstoffe für die Energiegewinnung zugeordnet. Schwierig ist eine genaue Zuordnung deshalb, weil sich nur 0,8 Teratonnen des Kohlendioxids in der Atmosphäre befinden. 38 Teratonnen befinden sich auf unserem Planeten im Wasser gelöst, und 60 000 Teratonnen befinden sich in Gesteinen wie Calcit und Dolomit. Der Austausch des Gases zwischen Atmosphäre und Wasser ist zwar sehr langsam, muss aber berücksichtigt werden, siehe Wikipedia.
Messungen der Kohlenstoffdioxid-Konzentration in der Erdatmosphäre werden im Mauna Loa-Observatorium (MLO) auf Hawaii durchgeführt. Ein von jahreszeitlichen Schwankungen unabhängiger Mittelwert lag Anfang 1995 bei 360 ppm und im August 2024 bei 422 ppm. Es wird ein stetiger Kohlenstoffdioxid-Anstieg von jährlich etwa 2 ppm beobachtet. Eine globale Erwärmung unseres Planeten um etwa 1 °C hat in den vergangenen hundert Jahren stattgefunden, und eine Fortsetzung wird erwartet, siehe NASA-Bericht.
Der größte Zuwachs an Treibhausgasen wird von der Mehrheit der Umweltforscher dem Einsatz fossiler Brennstoffe für die Energiegewinnung zugeordnet. Eine Erhöhung der Kohlendioxid-Konzentration in der Erdatmosphäre bewirkt eine Erhöhung des Treibhauseffektes und damit eine Erhöhung der Temperatur auf der Erde. Der empirische Proportionalitätsfaktor zwischen Kohlendioxid-Konzentration und Temperatur auf der Erde hat aber nur begrenzte Aussagekraft. Wendet man einen aus 100 ppm CO2-Erhöhung mit 1 °C Temperaturerhöhung bestimmten Proportionalitätsfaktor auf die Kohlendioxid-Konzentration in der Atmosphäre von 6 000 ppm an, die für die Zeit vor 500 Millionen Jahren abgeschätzt wurde, ergibt sich eine Temperaturerhöhung um 60 °C. So warm war es damals sicher nicht. Die Temperatur auf der Erde wird auch durch Sonnenaktivität, Staub in der Erdatmosphäre und (stärker als durch CO2) durch andere Treibhausgase wie Wasserdampf beeinflusst. Zu bedenken ist auch, dass die überwiegende Mehrheit des CO2 in den Weltmeeren gelöst ist. Bei Temperaturerhöhung geht es von dort in die Atmosphäre über. Also kommt auch eine beliebig verursachte Erderwärmung mit der damit verbundenen Wassererwärmung als Ursache der Erhöhung der CO2-Konzentration in der Atmosphäre in Betracht. Eine wesentliche Verbesserung der Erkenntnisse über alle Einflussbereiche ist für Modellierungen und Vorhersagen notwendig.
Vorherrschende Meinung der damit befassten Wissenschaftler und auch der Gesellschaft ist, dass der Zuwachs von CO2-Treibhausgasen durch Verbrennung von Fossilien die Erderwärmung verursacht. Für Naturwissenschaftler ist es aber unzulässig, von "vorherrschender Meinung" auf "wissenschaftlich bewiesen" zu schließen. Man muss sich um experimentelle Beweise bemühen und auch mit kritischen Auffassungen anderer Wissenschaftler auseinandersetzen, wie z. B. dem Artikel von Ullmann und Bülow.
Obwohl die Beobachtung der Umwelt in den letzten fünfzig Jahren im Zentrum des öffentlichen Interesses liegt, ist der Zusammenhang zwischen Kohlendioxidemissionen und Erderwärmung nicht wesentlich genauer bekannt als zu den Zeiten von Svante Arrhenius. Zwar haben die Prognosen der Klimaänderungen eine geringe Genauigkeit, Befürchtungen vor deren Folgen scheinen aber sehr berechtigt. Am 6. November 2022 warnte António Guterres, Generalsekretär der Vereinten Nationen, in seiner Rede auf der UN-Klimakonferenz COP 27 in Scharm asch-Schaich, dass die Menschheit ihr Überleben auf Spiel setze, wenn sie nicht mehr Klimaschutz betreibe. Prognosen über das Eintreten und die Folgen einer Erderwärmung um zwei Grad waren in den letzten Jahren weniger das Thema wissenschaftlicher Diskussionen als der Gegenstand politischer Auseinandersetzungen. In der Bevölkerung werden sie unterschiedlich wahrgenommen. Außer Zweifel steht aber, dass die daraus abgeleiteten Maßnahmen dazu dienen werden, den Übergang von den sich verknappenden nicht erneuerbaren Energieressourcen auf erneuerbare Energiequellen zu beschleunigen.
Treibhausgas-Risiken entstehen vor allem durch die Verbrennungskraftwerke, aber auch durch alle anderen, bis hin zu den Kernkraftwerken. Das belegt die Kohlendioxid-Bilanz aller Elektrizitätserzeuger. Nicht nur die Elektrizitätsgewinnung durch Verbrennung von Erdöl, Erdgas oder Kohle erzeugt Kohlendioxid. Auch die Anreicherung des Uran-Brennstoff von Kernkraftwerken verbraucht Energie. Vor allem aber müssen alle Kraftwerke einschließlich Solarthermie-, Photovoltaik-, Wind-, Wasser- Kraftwerken erst einmal gebaut, ständig gewartet und nach endlicher Zeit erneuert werden.
Bei der Betrachtung des Lebenszyklus eines Kraftwerkes sind die dabei insgesamt entstehenden CO2-Emissionen zu berücksichtigen, zusätzlich zu den Emissionen bei der Verbrennung des Rohstoffs z. B. Erdgas bei Gaskraftwerken. Man geht davon aus, dass die zusätzliche im Lebenszyklus notwendige Energie durch Verbrennungskraftwerke mit einem mittleren Kohlendioxid-Ausstoß erzeugt wird. Deshalb wird zum Beispiel dem Durchschnitt aller Wasserkraftwerke pro kWh erzeugter Elektroenergie eine Emission von 24 Gramm Kohlendioxyd zugeordnet.
Entsprechende Kohlendioxid-Äquivalente gibt es auch für andere Kraftwerke. Einheitliche Zahlenwerte sind nicht zu erwarten, weil z. B. für Solarkraftwerke die Sonne an verschiedenen Breitengraden unterschiedlich intensiv scheint, die Kosten für die Anlage aber gleich sind. Auch die Zugehörigkeit zu unterschiedlichen Interessengruppen beeinflusst unterschiedliche Bewertungen. Das von einer großen Gemeinschaft von Wissenschaftlern betriebene Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC, macht im Report AR5 von 2014 folgende Angaben darüber, wieviel Gramm Kohlendioxid pro Erzeugung einer Kilowattstunde Elektroenergie im Lebenszyklus des jeweiligen Verfahrens zur Elektrizitätsgewinnung mindestens freigesetzt werden: Kohlekraftwerk 740, Gaskraftwerk 410, Photovoltaik 18, Solarthermie 8, Wind Offshore 8, Wind Onshore 7, Kernkraftwerk 4, Wasserkraft 1. Die Zahlen betreffen die günstigste jeweilige Anlage, Mittelwerte liegen teilweise erheblich darüber z. B. 24 für Wasserkraft.
Bei den Kernkraftwerken betrifft das wesentliche Umweltrisiko die Gefahr der radioaktiven Verseuchung der Umwelt. Die Belastung durch Strahlung im normalen Betrieb wird unterschiedlich eingeschätzt. Keine Zweifel gibt es jedoch über die Gefahr von Katastrophen bei Unfällen oder terroristischen Anschlägen und über die bisher unbefriedigend geregelte Endlagerung radioaktiver Abfälle. Einige Aspekte dieser Gefährdung sind auf der Seite Kernenergie genannt.
Professor Kurt Kugler hat 2001 in den
Physikalischen Blättern
ein mögliches Unfallszenarium, das zehn Jahre danach in Japan teilweise so abgelaufen ist,
etwa mit folgenden Worten beschrieben (hier nicht wörtlich zitiert):
Nach Abschalten oder Havarie plus Ausfall der Nachwärmeabfuhr kommt es
bei Leichtwasserreaktoren zum Verdampfen des Restwassers im Kernbereich sowie
zum Aufheizen des Brennstoffs und der Kernstrukturen bis zum Schmelzen.
Gleichzeitig bilden sich durch Reaktion des
Zirkons der Brennstabhüllen mit Wasserdampf große Wasserstoffmengen unter
Freisetzung von zusätzlicher exothermer Reaktionswärme. Nach etwa einer Stunde
kann unter ungünstigen Bedingungen der Kern zerstört sein. Dann sammelt sich ein 2500 °C
heißes sog. Corium-Gemisch (geschmolzenes UO2, ZrO2,
Stahl, Spaltprodukte) in der Bodenkalotte des Reaktordruckbehälters an.
Kurz danach würde dann auch dessen Boden durchschmelzen, und das heiße
Corium (bis zu 300 t) würde ins Reaktorgebäude abstürzen. Danach kann eine Beschädigung des
Reaktor-Containments eintreten. Hier baut sich ein hoher Störfalldruck auf, der
nach etwa vier Tagen zum Überdruckversagen führt. Für diesen Fall ist die Öffnung
eines Entlastungsventils mit Abgabe über ein Filtersystem und den Kamin
vorgesehen. Feste Spaltprodukte und Aerosole würden hier weitestgehend
zurückgehalten, nur die gasförmigen Spaltprodukte würden entweichen.
Der entstandene Wasserstoff könnte nach Zündung und evtl. Detonation ebenfalls zur
Beschädigung des Containments führen.
Ein Jahr nach der Katastrophe in Japan hat eine vom Parlament eingesetzte Kommission einen offiziellen Bericht über den Unfall in Fukushima veröffentlicht und ist zu dem Ergebnis gekommen, dass dieser Unfall vermeidbar gewesen wäre. Ständig werden die Sicherheitsvorrichtungen für Kernkraftwerke verbessert oder neue Verfahren mit reduziertem Risiko eingeführt. Ein Unfall mit radioaktiver Umweltverseuchung kann aber nicht vollständig ausgeschlossen werden.
Ein weiteres Umweltrisiko besteht in der Endlagerung verbrauchter Brennelemente. Eine Wiederaufarbeitung ist derzeit mit zusätzlichen Umweltrisiken verbunden. Außerdem ist es im Vergleich zur Herstellung der Elemente aus frischem Uran unwirtschaftlich und in Ländern ohne Atomwaffen problematisch, weil bei einer Wiederaufbereitung waffentaugliches Plutonium gewonnen werden kann. Entsprechende Verfahren sollten aber schon deshalb weiterentwickelt werden, weil mit einer Wiederaufbereitung das Volumen des radioaktiven Materials, das für sehr lange Zeit "endgelagert" werden muss, drastisch reduziert wird. Erstrebenswert ist eine vollständige Wiederaufarbeitung der radioaktiven Abfälle durch die Transmutation (Beschuss mit Neutronenstrahlen) langlebiger Spaltprodukte. Entsprechende Entwicklungsarbeiten befinden sich noch im Versuchsstadium.
Eine Supernova-Explosion vor knapp 6 Milliarden Jahren hat folgende Isotope zu etwa gleichen Anteilen erzeugt: Uran-238 (T1/2 = 4,5×109 Jahre), Uran-235 (T1/2 = 0,7×109 Jahre) und Plutonium-239 (T1/2 = 24×103Jahre). Die Halbwertszeit T1/2 eines radioaktiven Zerfalls gibt die Zeit an, in der sich die Hälfte der Kerne durch Kernreaktion umgewandelt hat. Pu-239 war bald zerfallen, vom U-235 sind heute 0,3 % und vom U-238 sind 40 % übriggeblieben. Thermische Kernkraftwerke verwenden gewöhnlich das Uranisotop 235. Uran-Brennelemente erfordern eine U-235-Anreicherung auf mindestens 3 %. Bei der Uranspaltung wird U-235 durch Beschuss mit langsamen Neutronen in U-236 überführt wird. Das zerfällt sofort unter Bildung von Ba-139 und Kr-94 und drei Neutronen, wobei der Massendefekt in Energie umgesetzt wird, siehe Kernenergie. Zusätzlich fallen verschiedene radioaktive Abfälle an. Zum Beispiel entstehen beim Betrieb eines 1-GW-Kernkraftwerks durch Neutronenbeschuss des Uranisotops 238 pro Jahr 300 kg des α-Strahlers Plutonium-239:
Pu-239 steht oberhalb der natürlichen Uran-Actinium-Zerfallsreihe und strahlt zuerst relativ stark mit einer
Halbwertszeit von mehr als 24 Jahrtausenden, bevor es dann als U-235 noch mit
einer Halbwertszeit von reichlich 7 Millionen Jahren weiter strahlt und erst
danach in das stabile Bleiisotop übergeht:
Damit wird verständlich, dass die Endlagerung der Abfälle thermischer Kernkraftwerke ein Umweltrisiko darstellt.