Wie viel Kohlenstoff braucht der Mensch? DPG-Frühjahrstagung Berlin 25.-30.03.12 Hermann Pütter Gesellschaft Deutscher Chemiker

Wie viel Kohlenstoff braucht der Mensch?

DPG-Frühjahrstagung Berlin 25.-30.03.12

Hermann Pütter

Gesellschaft Deutscher Chemiker

Ein typisches deutsches Frühstück

Strom

Stahl

Baustoffe

Kunststoffe

Nahrungsmittel

Papier

GlasTextilien

Wärme

Kraftstoffe

Gesamtmaterial-einsatz pro Kopf: 0,21 t/Tag

Rucksäcke: 0,15 t/Tag

Direkter Material-verbrauch:57 kg/Tag

Herstellung unserer

Verbrauchs-güter

Quellen: Umweltbundesamt, Texte 02/08, Ressourcenverbrauch von Deutschland – aktuelle Zahlen und Begriffsbestimmungen; AGEB: Energiebilanzen für Deutschland

Davon Kohlenstoff: 12 kg/Tag

Davon Kohlenstoff: ~ 8 kg/Tag

Dies entspricht einem täglichen

Kohlenstoffbedarf von 0,8 kg C/Kopf

Dies entspricht einem täglichen

Kohlenstoffbedarf von 0,8 kg C/Kopf

Wie viel Kohlenstoff brauchte der Mensch?

energetische Nutzung

stoffliche Nutzung

..the energy input of hunter-gatherers is in the order of magnitude of about 10 GJ/(cap*y).

H.Haberl , Energy 31(2006), 89

Wo beginnt die Kohlenstoff-Adipositas?

Jäger & Sammler

Deutschland Welt 2050

10 Mio 100 Mio 10 Mrd.1 Mrd.

1 kg C

10 kg C

Täglicher pro Kopf Verbrauch

Kopfzahl

Welt 2050

Kritische Grenze?

Welt heute

100 kg C

Das Konzept der Dekarbonisierung: Abschied vom fossilen Kohlenstoff

Dekarbonisierung (decarbonisation) Low Carbon Economy; LCE

Energie

Materialien(Petrochemie)

Kohlenstoff in klima-relevanten Mineralien(Rohstoffe für Zement, Stahl,…)

Kohlen-stoff in Erdöl,Erdgas,Kohle

EffizienzSuffizienz

ErneuerbareEnergien

Effizienz

Solar

Wind

Wasser

Biomasse

andere

Der Strukturwandel in Richtung einer kohlenstoffarmen Wirtschaft muss konsequent vorangetrieben werden. Bundeskanzlerin, Dr. Angela Merkel Regierungserklärung 25. 03.10

Kohlenstoff in Biomasse

„klimaneutral“

Erhöhter Bedarf für Bioenergie und Nachw. Rohstoffe

Die Rolle der Biomasse in diesem Konzept

Der globale Kohlenstoffkreislauf

Ozeane (Oberfläche)800 Mrd. t

Ozeane (Tiefe)40000 Mrd. t

Kohle, Öl, Gas5000 Mrd. t

Atmosphäre750 Mrd. t

Sedimente100.000.000 Mrd. t

nach M. Latif: Bringen wir das Klima aus dem Takt, Fischer Taschenbuch Verlag, Frankfurt 2007, ISBN 978-3-596-17276-4, S. 65; Klimadaten zwischen 1990 und 1999; Siehe z.B auch DOE: Simplifield Global Carbon Cycle, oder N. Armaroli, V. Balzani, Chem. Asian J. 2011,6, 771

Energie; Industrie: 6,3 Mrd.t/a

Photosynthese: 100 Mrd.t/a

Atmung, Zersetzung: 100 Mrd.t/a Waldvernichtung,

Bodennutzung: 2,2 Mrd.t/a

Diffusion: 90 Mrd.t/a92 Mrd.t/a

Vulkanismus: 0,1 Mrd.t/a

Mischung: +/- 35 Mrd. t50 Mrd. t/a

PflanzenVegetation 550 Mrd. tBoden 1500 Mrd. t

Dekarbonisierung: Beitrag der Biomasse






Energie; Industrie: >6,3 Mrd.t/a




Diffusion: 90 Mrd.t/a>92 Mrd.t/a





„Zersetzung“ im globalen Kohlenstoffkreislauf






Energie; Industrie: 6,3 Mrd.t/a




Diffusion: 90 Mrd.t/a92 Mrd.t/a




BioenergieBiomasse

WasserhaushaltNährstoffversorgungTemperaturregelung


1) aus: H. Haberl et al. PNAS, 104 (2007), 12943; Gute Einführung in das Thema Biomasseverbrauch: http://www.eoearth.org/article/Global_human_appropriation_of_net_primary_production_(HANPP) (29.04.10)

Kohlenstoffbilanz der Menschheit heute

Fossile Quellen

Erfasste Treibhaus-gase: ~ 9 Mrd. t C

Technosphäre~ 9 Mrd. t C

Jährlich durch Photosynthese gebunden: ~ 100 Mrd. t C

Verbleib in der Technosphäre und nicht erfasste Treibhausgase: ~ 8 Mrd. t C

Rückflüsse in die Biosphäre: ~2,5 Mrd. t C Biomasseverbrauch 1) durch den Menschen: ~ 10 Mrd. t C

Nahrung, Holz,….„moderne“ Bioenergie

1) aus: H. Haberl et al. PNAS, 104 (2007), 12943; Gute Einführung in das Thema Biomasseverbrauch: http://www.eoearth.org/article/Global_human_appropriation_of_net_primary_production_(HANPP) (29.04.10)

Kohlenstoffbilanz der Menschheit heute

Fossile Quellen

Erfasste Treibhaus-gase: ~ 9 Mrd. t C

Technosphäre~ 9 Mrd. t C

oberirdisch: ~34 Mrd. t C

terrestrischOzeane

Jährlich durch Photosynthese gebunden: ~ 100 Mrd. t C

Verbleib in der Technosphäre und nicht erfasste Treibhausgase: ~ 8 Mrd. t C

Rückflüsse in die Biosphäre: ~2,5 Mrd. t C Biomasseverbrauch 1) durch den Menschen: ~ 10 Mrd. t C

Nahrung, Holz,….„moderne“ Bioenergie

Nicht verwertete Biomasse: ~150 Mio. t C„Rucksäcke“ fossiler Energieträger: ~80 Mio. t C

Importe: 30 Mio. t C Erzeugung:

100 Mio. t C

Biomasse Fossile EnergieträgerImporte: 170 Mio. t CGewinnung:

60 Mio. t C

Exporte ~50 Mio. t C

Treibhausgase220 Mio. t Claut Bilanz

Gesamteinsatz: 360 Mio. t C

Siehe auch. H. Pütter, Praxis der Naturwissenschaften - Chemie in der Schule 5/60, Juli 2011,5-10

Der Kohlenstoffmetabolismus in Deutschland

•Nicht bilanzierte Treibhausgase•Langlebige Güter

Gesamter deutscher Kohlenstoffumsatz: 0,6 Mrd. t C

Angaben in Jahreswerten; Daten berechnet aus: 1) Umweltbundesamt, Texte 02/08, Ressour-cenverbrauch von Deutschland – aktuelle Kennzahlen und Begriffsbestimmungen (Biomasse) ; 2) AGEB Energiebilanz Deutschland 2007 (Fossile Energieträger); 3) Öko Institut 2004: Stoffstromanalyse zur nachhaltigen energetischen Nutzung von Biomasse

Nicht verwertete Biomasse: ~150 Mio. t C„Rucksäcke“ fossiler Energieträger: ~80 Mio. t C

Importe: 30 Mio. t C Erzeugung:

100 Mio. t C

Biomasse Fossile EnergieträgerImporte: 170 Mio. t CGewinnung:

60 Mio. t C

Exporte ~50 Mio. t C

Treibhausgase220 Mio. t Claut Bilanz

Gesamteinsatz: 360 Mio. t

Angaben in Jahreswerten; Daten berechnet aus: 1) Umweltbundesamt, Texte 02/08, Ressour-cenverbrauch von Deutschland – aktuelle Kennzahlen und Begriffsbestimmungen (Biomasse) ; 2) AGEB Energiebilanz Deutschland 2007 (Fossile Energieträger); 3) Öko Institut 2004: Stoffstromanalyse zur nachhaltigen energetischen Nutzung von Biomasse

Der Kohlenstoffmetabolismus in Deutschland

•Nicht bilanzierte Treibhausgase•Langlebige Güter

Gesamter biogener Kohlenstoffbedarf: ~ 0,3 Mrd. t C

Siehe auch. H. Pütter, Praxis der Naturwissenschaften - Chemie in der Schule 5/60, Juli 2011,5-10

Deutschlands Weg in Richtung Nachhaltigkeit

Verbrauch [Mio. t] 1994 2005 2009 1994 2009

Inländische Produkte 1)

Energieträger 278 228 199 - 28%

Biomasse 211 246 265 + 26%

Importe1)

Energieträger 270 305 290 + 8%

Biomasse 61 93 104 + 70%

1) jeweils ohne Rucksäcke

Werte nach: Statistisches Bundesamt, Umweltnutzung und Wirtschaft, Tabellenband 2011 S. 23,24, 33-36

Bioenergie im Energiekonzept der BundesregierungDie Bioenergie soll als bedeutender erneuerbarer Energieträger in allen drei Nutzungspfaden „Wärme“, Strom“ und „Kraftstoffe“ weiter ausgebaut werden. Die heimischen Biomassepotenziale sind vor allem durch Nutzungskonkurrenz sowie im Hinblick auf Naturschutz und die Biodiversität begrenzt. … Darüber hinaus wird Deutschland zunehmend auf den Import von nachhaltigen Bioenergieträgern angewiesen sein. (S.10)1) BMWi, BMU: Energiekonzept für eine umweltschonende, zuverlässige und bezahlbare Energieversorgung, 28.09.10

Quintessenz aus der Leitstudie 20101)

für Bioenergie

Zusatzangebot an Bioenergie: ~500 PJ/a

Senkung der jährlichen Treibhausgas-Emissionen um 36 Mio. t C von 2005 bis 2020 durch:kohlenstofffreie Energien…und Bioenergie

Energieversorgung Deutschland [PJ/a]Basisszenario 2010 A

2005 2020Endenergie 92402) 8630Beitrag EE 625 1725davon Biomasse 436 932

Durch den Beitrag der EE vermiedeneCO2-Emissionen [Mio t/a]

2005 2020 862) 217

Entspricht C 23,5 59,2

Zusatzbedarf an Kohlenstoff3): ~15 Mio. t/a

1) Leitstudie 2010, Tabellen 1, 10-4 (S. 6, 188); 2) Leitszenario 2009, Tabelle 1, S. 83) 1 GJ entspricht ~0,06 t Biomasse (trocken), bei 50% C-Anteil sind dies ~0,03 t C/GJ.

Ernte Strom, Wärme, Biokraftstoffe

AckerWald

Umwandlung

4:1

Quintessenz aus der Leitstudie 20101)

für Bioenergie

1) Leitstudie 2010, Tabellen 1, 10-4 (S. 6, 188); 2) Leitszenario 2009, Tabelle 1, S. 8

Senkung der jährlichen Treibhausgas-Emissionen um 36 Mio. t C von 2005 bis 2020 durch:kohlenstofffreie Energien…und Bioenergie

Energieversorgung Deutschland [PJ/a]Basisszenario 2010 A

2005 2020Endenergie 92402) 8630Beitrag EE 625 1725davon Biomasse 436 932

Durch den Beitrag der EE vermiedeneCO2-Emissionen [Mio t/a]

2005 2020 862) 217

Entspricht C 23,5 59,2

3) 1 GJ entspricht ~0,06 t Biomasse (trocken), bei 50% C-Anteil sind dies ~0,03 t C/GJ.

Zusatzbedarf an Kohlenstoff in Biomasse : ~60 Mio. t/a

Zusatzbedarf an Kohlenstoff3): ~15 Mio. t/a

Zusatzangebot an Bioenergie: ~500 PJ/a

According to the Global Footprint Network, the world now consumes resources that would take 1,5 earths to produce. If we all lived like the Americans, we would need 5,4 earths. Most other global assessments tell similar tales of an overexploited planet.

… mahnt der Nobelpreisträger Yuan T. Lee in einem Editorial der Angewandten Chemie

Y.T. Lee, A. W.-C. Yang, Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 10260-10261

Unsere Kohlenstoff-Adipositas

Der ökologische Fußabdruck

1960 1990 1995 2000 2005 2011

20071,51

heute1,6?Ecol. Footprint

Biocapacity

1

2

1961 0,63

1987: Brundtland-Kommission: Prinzip der Nachhaltigkeit definiert1992: Umwelt-Konferenz in Rio: Agenda 21: Sustainable Development1990-1994: M. Wackernagel, W. Rees: Konzept des ökologischen Fußabdrucks, Buch 1996 (deutsch 1997)1997 Klimakonferenz in Kyoto (Kyoto-Protokoll)

Daten: Global Footprint Network 2010

Unsere Konsequenzen

1960 1990 1995 2000 2005 2011

20071,51


Biocapacity

1

2

1961 0,63


1995 E.U. v. Weizsäcker et al.: Buch „Faktor Vier“2010 E.U. v. Weizsäcker et al.: Buch „Faktor Fünf“

weiche Landung

Durch Technik unterstützte Änderung unseres Lebensstils


Unsere Konsequenzen

1960 1990 1995 2000 2005 2011

20071,51


Biocapacity

1

2

1961 0,63



Rasche und durchgreifende Änderung unseres Lebensstils


Unsere Konsequenzen

1960 1990 1995 2000 2005 2011

20071,51


Biocapacity

1

2

1961 0,63



Rasche und durchgreifende Änderung unseres Lebensstils


Ein Drittel des globalen Wachstums ist heute mit ökologischem Kredit finanziert; das heißt, es ist nicht nachhaltig.Paul Donovan, Chefvolkswirt der USB, FAZ 10.09.11

„Wenn wir nichts an unserer Lebens- und Produktionsweise ändern, brauchen wir in Zukunft die Ressourcen von annähernd drei Erden, um die Menschheit zu versorgen.“

Kurt Bock, BASF-Chef, Rheinpfalz, 30.11.11

Was ist zu tun?Yuan T. Lee: Changing Course

First, everyone must accept this cold hard truth: the path by which Europe and the USA attained their riches is not to be emulated. …In truth, any society that develops by destroying the very natural basis of that development is „over-developed“, and should be seen as such.

Going back to the sun: We must re-establish the central role of the sun in human development. … We simply must dedicate much more R&D and deployment resources toward this area.

Science and technology for community: Evidently, ever-growing population and individual consumption equal ecological disaster. So we have to begin building technology and infrastructure to benefit groups rather than individuals.We must tap into the wisdoms of our forbearers. They lived for thousands of years in relative harmony with their environment. … The good news is, all countries have rich cultures and traditions, and all can do better than to blindly follow the developed world.

Science remains an indispensable force in human development. But it must transform itself … :•More focused on shared global problems•Better at integrating diverse disciplines and knowledge systems•More effective at working together with the rest of society

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Wie verlässlich sind die Angaben?

FAOSTAT World: Roundwood 2007: 3603155305,00 CUMData Quality: Aggreates may include official data, semi-official data or estimates

3,6* 109 CUM

4,0

3,2

+/-10%? CUM: 0,6 t/m³ (nicht 0,5 t/m³)

Wassergehalt?

Erntezeitpunkt?

Lagerverluste?

Beispiel Holz 1)

Kohlenstoffgehalt in der Trockenmasse:

ger. 0% H2O?

10%,15% H2O?

1) Siehe dazu auch: FNR: Leitfaden Bioenergie, Datensammlung; ISBN 3-00-015389-6

Fossiler Kohlenstoff für Dünger, Transporte, Hilfsenergien etc.

Von der Biomasse zur Endenergie

Anbau

Korn/Stroh-Verhältnis 1)

Humusbilanz

Ernteverluste Lagerverluste

WirkungsgradeWirkungsgrade

Neb

enp

rod

ukt

e, R

ück

füh

run

gen

1) M. Kaltschmitt, D. Merten, N. Fröhlich, M. Nill, WBGU-Materialien, Energiegewinnung aus Biomasse,Berlin, Heidelberg 2003, Volltext verfügbar unter www.wbgu.de/wbgu_jg2003_ex04.pdf

Erosion

Wasser

Bodenfruchtbarkeit

Ernte Verarbeitung

Fossiler Kohlenstoff für Dünger, Transporte, Hilfsenergien etc.

Von der Biomasse zur Endenergie

Korn/Stroh-Verhältnis 1)

Humusbilanz

Ernteverluste

WirkungsgradeWirkungsgrade

Neb

enp

rod

ukt

e, R

ück

füh

run

gen

1) M. Kaltschmitt, D. Merten, N. Fröhlich, M. Nill, WBGU-Materialien, Energiegewinnung aus Biomasse,Berlin, Heidelberg 2003, Volltext verfügbar unter www.wbgu.de/wbgu_jg2003_ex04.pdf

Erosion

Wasser

Bodenfruchtbarkeit

Anbau Ernte Verarbeitung

Lagerverluste

Ernte Strom, Wärme, Biokraftstoffe

AckerWald

Umwandlung

4:1

NATURE IS OVERTIME, March 12, 2012, 56-58

Little is left untouched by humans – and that demands a rethink of environmentalism

Bryan Walsh

NATURE IS OVERTIME, March 12, 2012, 56-58

Little is left untouched by humans – and that demands a rethink of environmentalism

Bryan WalshHumans have had a direct impact on more than three quarters of the ice-free land on earth. Almost 90% of the world's plant activity now takes place in ecosystems where people play a significant role. Braunkohletagebau bei Cottbus,

Im Hintergrund: Kraftwerk Jänschwalde

Over: So heißt auch ein Photoband über die Zerstörung der amerikanischen Umwelt. Alex MacLean, Over – Der Amerikanische Way of Life oder Das Ende der LandschaftSchirmer/Mosel , München 2008, ISBN 978-3-8296-0383-6

Spannweite von Annahmen

Biomasse Potenziale für Energie im Jahre 2050WEA1): 94 EJ/a – 280 EJ/aIPCC2): 52 EJ/a – 193 EJ/aBerndes3): 35 EJ/a – 450 EJ/aIEA 4): 33 EJ/a – 1500 EJ/aIPCC5): 50 EJ/a – 500 EJ/a

Biomasse Potenziale für Energie im Jahre 2050WEA1): 94 EJ/a – 280 EJ/aIPCC2): 52 EJ/a – 193 EJ/aBerndes3): 35 EJ/a – 450 EJ/aIEA 4): 33 EJ/a – 1500 EJ/aIPCC5): 50 EJ/a – 500 EJ/a

1) UNDP 2000: World Energy Assessment: Energy and the challenge of Sustainability, S. 2222) IPCC 2000: Special Report Emission Scenarios3) G. Berndes et al., Biomass and Bioenergy 25, (2003) 1-284) IEA, Sustainable Production of Second Generation Biofuels, Feb. 2010, S. 455) IPCC, Special Report Renewable Energy Sources (SRREN), 09.05.11

Einige weitere Bioenergie-Szenarien

Gesamtprimärenergieverbrauch

Davon Biomasse

2005

2020

2050

10 20

Mrd. toe

nach Abb. 2-4, S. 26Energietechnologien 2050 – Schwer-punkte für Forschung und EntwicklungFraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung ISI, Fraunhofer Verlag 2010, ISBN 978-3-83960084-9

Global durch Photo-synthese fixierte Energie: 2800 EJ/aF. Schüth, P.Gruss, (Hrsg.),Die Zukunft der Energie, Nützliche Zahlen in der Energiediskussion, Klappentext

Documents

Wie viel Kohlenstoff braucht der Mensch? DPG-Frühjahrstagung Berlin 25.-30.03.12 Hermann Pütter Gesellschaft Deutscher Chemiker