Energie und Klimawandel Forschungsstelle Zukunftsenergie (FZE )

Präsentation zum Thema: "Energie und Klimawandel Forschungsstelle Zukunftsenergie (FZE )"—  Präsentation transkript:

1 Energie und Klimawandel Forschungsstelle Zukunftsenergie (FZE )
WS 2007/08 Dr. rer. nat. Gerhard Luther Forschungsstelle Zukunftsenergie (FZE ) c/o Technische Physik, Universität des Saarlandes Bau E26 , Zimmer 2.03 Telephon: ; (auch größere Dateien) homepage mit Link zur Vorlesung: Vorlesung: Donnerstags, Uhr, Bau E26, 2.OG., Seminarraum 2.09 Internetseite vorführen !

2 Zur Einführung in die Vorlesung
1. Voll im Trend : Energie – { Bevölkerung + Wohlstand } aktuelle Lage: BRD und EU 2. Weltweite Beobachtungen: CO2, Temperatur, Zuordnung 3. KlimaModelle und Prognosen 4. Was bedeutet das für Mensch und Natur 5. Was tun

3 1. Voll im Trend Energie – {Bevölkerung + Wohlstand}

4 World Total Primary Energy Supply by Fuel (Mtoe)
1.1 Evolution from 1971 to 2004 of World Total Primary Energy Supply by Fuel (Mtoe) __500 [EJ/a] __400 [EJ/a] Ungebrochenes Wachstum a *Excludes electricity trade. **Other includes geothermal, solar, wind, heat, etc. Quelle: IEA 2006, IEA2006_Key-World-EnergyStatistics_82p.pdf

5 ( BAU) __750 [EJ/a] __500 [EJ/a]
Quelle: IEA Vortrag Mandil, Folie 2

6 World Primary Energy Demand in the Reference Scenario (IEA 2007)
__750 [EJ/a] __500 [EJ/a] Biomass Oil Coal Gas wo bleibt die Wende Quelle: IEA World Energy Outlook 2007, Grafiken p.1, DirektQuelle:

7 Increase in World Primary Energy Demand in the Reference Scenario,
WachstumsMotoren: China, Indien Quelle: IEA World Energy Outlook 2007, Grafiken p.2, DirektQuelle:

8 IEA: Top Five Countries for Energy-Related
CO2 Emissions in the Reference Scenario Quelle: IEA World Energy Outlook 2007, Grafiken p.5, DirektQuelle:

9 Konsumentenexplosion
= { Bevölkerung + Wohlstand }

10 1.2 UN 2002: Weltbevölkerung wächst noch auf ca. 11 G Menschen 2050: 9 Milliarden 2000: 6 Milliarden BQuelle: Bundesinstitut für Bevölkerungsforschung (BiB) : Bevölkerung -FAKTEN – TRENDS – URSACHEN – ERWARTUNGEN (2004), Abb.33, p.74

11 Die Konsumenten Explosion
1.3 Wohlstand: Die Konsumenten Explosion Maßgebend ist nicht so sehr die Zahl der Menschen auf der Erde, sondern die Zahl der Konsumenten.

12 (zumindest für sehr viele)
1.12 Wohlstand für alle (zumindest für sehr viele) Indikatoren: Energiehunger in aufstrebenden neuen Industriestaaten wie China, Indien, Brasilien und vielen anderen Ländern. Stahlerzeugung Bem.: aus „Unterentwickelten Länder“ sind „Entwicklunsländer“ geworden . Und nun entwickeln sich einige auch recht stürmisch.

13 ********* Wachstum auf breiter Font ***********
: Entwicklung und Energieressourcen Treibhausgasemissionen pro Kopf und Bevölkerungszahl KP=Kyoto Protocol 2000 AD ********* Wachstum auf breiter Font *********** Quelle: Daten nach CAIT, World Resources Institute, BQuelle: UBA: „21 Thesen zur Klimaschutzpolitik des 21.Jhahrhunderts und ihre Begründungen“, Climate Cange Heft 06/2005 (ISSN ), Abb.10, p.40

14 Oil Consumption, China --- 14.2 [EJ] --- 11.4 [EJ] --- 5.7 [EJ]
Source: BP BQuelle:Vahrenholt,Fritz, DPG2005_SyKE2.2 Physikertagung Berlin 2005, Folie 1; Urquelle: BP

15 Die Welt - Industrialisierung hat gerade erst begonnen
Stahlerzeugung: Die Welt - Industrialisierung hat gerade erst begonnen BQuelle:M. Rothenberg:“Traditionsbranche glänzend im Geschäft“, VDI-N Nr.42 /2005: , p.21

16 Was macht Deutschland und EU
aktuelle Lage: Was macht Deutschland und EU

17 Das 25%-Ziel (bis 2005) für CO2 verglichen mit der Realität
Basis 1990__ __Ziel 2005 Beschluss Quelle: DPG2005_Klima, Abb.1.1, p.5 , ( redaktionell akzentuiert)

18 Das 25%-Ziel (bis 2005): Start in 1992 (nach Sondereffekte Wiedervereinigung)
Basis 1990__ __Basis 1990 Start 1992 __Ziel 2005 Quelle: DPG2005_Klima, Abb.1.3, p.5 , redaktionell bearbeitet

19 Energiebedingten CO2-Emissionen in Deutschland 1990 -2005
Ziel verfehlt: Energiebedingten CO2-Emissionen in Deutschland Quelle: Quaschning, Volker: „Ziel verfehlt“ erschienen in Sonne Wind &Wärme 2006, Heft 6, S.32-36, Grafik 1

20 Realität, Fortschreibung und Zielsetzung der CO2-äqu. Reduktion
__Basis 1990 __Ziel 2008/12 __Ziel 2020 __Trend ab ’92 ca. Ziel 2005 Quelle: DPG2005_Klima, Abb.1.4, p.9

21 minus 21% Treibhausgas bis 2008/12
2.12 Das EU Minderungsziel nach Kyoto-Protokoll : minus 8% Treibhausgase bis 2008/12 „Burden Sharing“ für Deutschland: minus 21% Treibhausgas bis 2008/12

22 Deutscher Sparbeitrag
Kyoto burden-sharing targets for EU-15 countries Deutscher Sparbeitrag unerläßlich für EU Quelle. EEA 2005: The European Environment- State and Outlook 2005, Fig.3.5, p.70

23 compared with target for 2008–12 (excl. LULUCF)
EU-15 GHG emissions 1990–2005 compared with target for 2008–12 (excl. LULUCF) Quelle: EEA Technical report No 7/2007, Figure ES.2 : „Annual European Community greenhouse gas inventory 1990–2005 and inventory report 2007“

24 Quelle: EEA Technical report No 7/2007, Table ES.1, p.13
interne Quelle: EEA_TR2007nr7_ Annual-EU-GHG-Inventory _andReport2007_464p.pdf

25 Quelle: EEA Technical report No 7/2007, Table ES.1, p.13

26 EU-15: Zielerfüllung Kyoto-Protokoll: Stand 2005
Vorbilder Mitläufer Sünder schwere Sünder Zahlenquelle: EEA Technical Report Nr.7, Table ES.1

27 Öl-Preise

28 Erdöl: Förderung und (echte) Neufunde
Quelle: Gerling,J.P. und Wellmer,FW.: „Reserven,Ressourcen und Reichweiten - Wielange gibt es noch erdöl und Erdgas“ ; ChiuZ 39 (2005), p ; Abb. 15

29 Entwicklung der Rohölpreise 1960 -2006
__66 US-$ / Barrel mittlerer Weltmarktpreis für Rohöl in 2006 AD. Die markierten Stützpunkte sind der Jahres- Durchschnittspreis für Rohöl auf dem Weltmarkt. Als Datenbasis wurde das von der IEA (International Energy Agency) und von der OPEC veröffentlichte Zahlenmaterial herangezogen. Ab dem Jahr 1975 sind die Rotterdamer Spotmarkt-Preise für Nordseeöl (North Sea Brent Crude) mit beson-derer Gewichtung eingerechnet. Seit den 80er Jahren ist die Rohölsorte Brent die Leit- und Bezugssorte für die Rohölpreise auf dem Weltmarkt BQuelle: Fa. Tecson Apparate GmbH,

30 2004 Bis ___66 $/barrel BQuelle: Fa. Tecson Apparate GmbH, Steinberg, MeckVorpopmmern

31 2005 Bis ___66 $/barrel BQuelle: Fa. Tecson Apparate GmbH, Steinberg, MeckVorpopmmern

32 2. Weltweite Klima- Beobachtungen CO2, Temperatur, Zuordnung

33 Berichtsstand:Mitte 2005 update vom 2006_0130
2.1 nun (2007) nicht mehr fortgeschrieben Berichtsstand:Mitte 2005 update vom 2006_0130

34 Berichtsstand:2007 update vom 2007_1030
Quelle:

35 Aktualisierte (2007-10) Links: http://www.mlo.noaa.gov/home.html
hp of Mauna loa Observatory: Aktuelle CO2 Daten (siehe Bild oben):

36 Bemerkung zu CO2-Messungen
CO2-Messungen sind keineswegs trivial; denn überall gibt es natürliche Quellen und Senken Hinzu kommen die anthropogenen CO2 Quellen (Vergleiche hierzu die folgende Abb. aus dem Hygiene- Lehrbuch /Borneff 82/ ) Aussagekräftig zum Klimawandel sind nur die sog Hintergrundkonzentrationen. Eine historisch interessante Quellensammlung zu alten CO2-Messungen findet man bei Beck . ( )

37 Messzeit: Quelle: Joachim Borneff: Hygiene – Ein Leitfaden für Studenten und Ärzte, 4.Auflage 1982, p.320, Thieme Verlag, Stuttgart , ISBN=

38 in hoher räumlichen und zeitlichen Auflösung
Aktuelle CO2-Werte in hoher räumlichen und zeitlichen Auflösung GLOBALVIEW data products are designed to enhance the spatial and temporal distribution of atmospheric observations of CO2, CH4 and other related atmospheric measurements. GLOBALVIEW products are specifically intended as tools for use in carbon cycle modeling studies A GLOBALVIEW data product is derived from measurements but contains no actual data. The movie shows the latitude distribution (from south-to-north) of average monthly values derived from the GLOBALVIEW extended records. Circles are average monthly values from sampling locations thought to be regionally representative; Pluses are average values from locations thought to be influenced by local sources and sinks. A smooth curve is fitted to the representative measurements when sufficient data exist. zum Original (movie !)

39 Erdgeschichtliche CO2-Konzentrationen

40 CO2-Konzentration (ppm)
400 800 CO2- Sättigung Heute 380 ppm 200 240 280 320 360 160 380 Photosyntheserate 2006 CO2-Konzentration (ppm) 1750 100'000 200'000 300'000 400'000 500'000 600'000 Jahre vor heute Dome Concordia ice core data: Siegenthaler U et al. (2005) Science 310:1313 Vostoc ice core data: Petit JR et al. (1999) Nature 399:429 BQuelle: C.Körner :“Wälder als Kohlenstoffspeicher..“

41 Atmospheric CO2 on different time-scales
(a) Direct measurements of atmospheric CO2. (b) CO2 concentration in Antarctic ice cores for the past millenium. Recent atmospheric masurements (Mauna Loa) are shown forcomparison.. ..Variations in atmospheric CO2 concentration on different time-scales.. (e) Geochemically inferred CO2 concentrations. (d) CO2 concentration in the Vostok Antarctic ice core. (c) CO2 concentration in the Taylor Dome Antarctic ice core. Different colours represent results from different studies. Quelle: IPCC_2001_TAR_TSFig.10a-d, p.40

42 beobachtete Klimafolgen

43 Global average Air temperature
Zusammenfassung der wichtigsten Erfahrungen (2007) Global average Air temperature Updated 100-year linear trend of [0.56 to 0.92] oC for Larger than corresponding trend of [0.4 to 0.8] oC for ( TAR) Average Ocean temperature increased to depths of at least 3000 m – ocean has absorbed 80% of heat added > seawater expansion and SLR At continental, regional, and ocean basin scales, numerous long-term changes in climate have been observed: Changes in Arctic temperatures and ice, Widespread changes in precipitation amounts, ocean salinity, wind patterns and aspects of extreme weather including droughts, heavy precipitation, heat waves and the intensity of tropical cyclones SLR= sea level rise Quelle: IPCC- AR4-wg1, Vortrag Pachauri in Nairobi,

44 Global mean temperatures are rising faster with time
.311 Global mean temperatures are rising faster with time Warmest 12 years: 1998,2005,2003,2002,2004,2006, 2001,1997,1995,1999,1990,2000 0.026 0.018 Period Rate Years /decade Quelle: IPCC-AR4-wg1 , Vortrag Pachauri in Nairobi,

45 Klimaänderungen: Langfristperspektive
(rel. zu ) Unsicherheit Jahr BQuelle: C.D.Schönwiese (2207):“Der neue wissenschaftliche Sachstandsbereicht des IPCC“; AKE2007F-Vortrag , Folie 15

46 Ein Blick in die Stratosphäre
Global gemittelte Temperatur der Stratosphäre ( km) Anomalien (relativ zu ) und einige explosive Vulkanausbrüche Trend: - 1,9 °C BQuelle: DPG2005_SyKE1.4Schoenwiese_CC-imIndustriezeitalter.ppt Datenquelle: Angell, 2004

47 Besonders beeindruckend: Rückgang der Gletscher und der
1.35 Besonders beeindruckend: Rückgang der Gletscher und der arktischen Eisbedeckung

48 Gletscher-Schwund in den Alpen
Aufnahme der Pasterzenzunge mit Großglockner (3798 m) Gesellschaft für ökologische Forschung, Wolfgang Zängl, BQuelle:DLR_Schumann200_Klimawandel.ppt

49 when the ice extended over the Arctic Ocean from edge to edge.
1979: An image based on satellite data shows perennial ice cover in 1979, when the ice extended over the Arctic Ocean from edge to edge. Since then the area of coverage has decreased by 9% per decade 2003: A similiar image from 2003 shows dramatically reduced perennial ice cover. Large areas of open ocean have appeared near Russia, Alaska and Canada. Some climate models project, that the ice will be gone in summer by the end of the century. Quelle: The Big Thaw“, National Geographic (2004), Heft 9, p.21;

50 Abschmelzen des arktischen Meereises zwischen 1979 und 2005
.315 Arktisches Eis Abschmelzen des arktischen Meereises zwischen 1979 und 2005 ©National Snow and Ice Data Center Eindeutiger Trend: Seit Beginn der Satellitenbeobachtung hat die Ausdehnung des Meereises drastisch abgenommen. BQuelle: SpectrumDirekt SD vom , Bild 2 ; UrQuelle: National Snow and Ice Data Center

51 Veranschaulichungen des Abbaues der N-Polarkappe finden sich bei:
Bemerkenswerte und umfassende Veranschaulichungen des Abbaues der N-Polarkappe finden sich bei: zum Original:

52 UrQuelle: http://arctic.atmos.uiuc.edu/cryosphere/
BQuelle: PIK :

53

54 Der aktuelle Befund im Herbst 2007:
In 2007AD ist die arktische Eisfläche im Atlantik ca. 1 Mio km2 kleiner als 2006 und 2005. Es ist der stärkste Schwund seit Beginn der Satellitenaufnahmen vor 30 Jahren. Früher ging man von einem durchschnittlichen Verlust von etwa 0.1 Mio km2 pro Jahr aus. NW-Passage: eisfrei

55 2007 AD die NW- Passage frei die NO- Passage fast frei
BQuelle: ; UrQuelle: Satelliten-Aufnahmen

56 Vom Abschmelzen erfasstes Gebiet in Grönland, Vergleich 1992 (rosa) und 2005 (rot)
Steffen und Huff, 2005 Der Grönland-Eisschild könnte statt in Jahrtausenden bereits in Jahrhunder-ten abschmelzen. Die Folge wäre ein Meeresspiegelanstieg um m.

57 a Quelle: PIK :

58 Annual averages of the global mean sea level since 1870
.313 Meereshöhe Annual averages of the global mean sea level since 1870 mm relative to the average for 1961 to 1990 Error bars are 90% confidence intervals. a reconstructed sea level fields since 1870 (red), tide gauge measurements since 1950 (blue) and satellite altimetry since 1992 (black). BQuelle: IPCC_AR4wg1_TechnicalSummary: Fig. TS.18, p.49, [Fig 5.13 ]

59 Ursache und Zuordnung

60 Der Strahlungsantrieb : „radiative forcing“
2.333 Der Strahlungsantrieb : „radiative forcing“ A process that alters the energy balance of the Earth - atmosphere system is known as a radiative forcing mechanism (1. IPCC-Report (1990), p ). Radiative forcing [ W/m2 ] is the change in the balance between radiation coming into the atmosphere and radiation going out. A positive radiative forcing tends on average to warm the surface of the Earth, and negative forcing tends on average to cool the surface.

61 Aktueller Stand AR4, (2007):

62 Die Klimaantriebe in ihrer zeitlichen Entwicklung
all GHG__ __solar _Aerosol Aerosol in Stratosphere)__ BQuelle: VGB-Beising (2006): Klimawandel und Energiewirtschaft-Literaturrecherche, p.115, Abb A

63 Ursachenzuordnung Alle Antriebe
Aufgrund der vorliegenden (physikalischen) Klimamodell-rechnungen ist die globale Erwärmung sehr wahrscheinlich* anthropogen. Für die letzten ca. 50 Jahre ist es sogar extrem unwahrscheinlich**, dass sie natürlich zustande gekommen ist. (IPCC, 2007) * p > 90% **p < 5 % Jahr Global gemittelte Temperaturanomalien Vulkanismus und Sonnenaktivität IPCC, 2007; Graphiken nach Pachauri, WGI-Präs

64 Understanding and Attributing Climate Change
Continental warming likely shows a significant anthropogenic contribution over the past 50 years Quelle: IPCC-AR4-wg1 , Vortrag Pachauri in Nairobi,

65 Fazit: 1. Der Temperaturanstieg der letzten 50 Jahre kann global und regional auf den anthropogenen Einfluss zurückgeführt werden. (heute viel deutlicher als noch beim TAR (2001)) 2. Menschlicher Einfluss wird heute (AR4) auch erkennbar in anderen Klimabereichen, u.a.: Erwärmung des Ozeans Temperatur - Extrema Windsystemen Quelle: IPCC-AR4-wg1 , Vortrag Pachauri in Nairobi,

66 3. KlimaModelle und Prognosen

67 McGuffie and Hendersson-Sellers, 1997
BezugsQuelle: Claussen: „Earth System Models of Intermediate Complexity“,IMPRS, ;

68 Geographic resolution characteristic of climate Models
2.34 Modelle Geographic resolution characteristic of climate Models Quelle: IPCC-AR4-wg1 (2007), Figure 1.4

69 Governing Equations for AGCMs
2.343 Governing Equations for AGCMs momentum eq. thermodynamic eq. conservation of water vapor conservation of mass hydrostatic eq. Quelle: Virtueller Gastvortrag von Prof. Broccoli, USA: Homepage:

70 Governing Equations for AGCMs
These terms involve processes that occur on scales unresolved by the model. Quelle: Virtueller Gastvortrag von Prof. Broccoli, USA: Homepage:

71 Parameterization Parameterization: The representation of subgrid-scale phenomena as functions of the variables that are represented on the model grid. Goal is to make parameterizations physical, scale-independent, and nonempirical, but this goal is difficult to achieve. Quelle: Virtueller Gastvortrag von Prof. Broccoli, USA: Homepage:

72 What Processes Are Parameterized?
Atmospheric radiative transfer (solar and longwave radiation) Moist convective processes. Stable precipitation. Planetary boundary layer. Cloud formation and radiative interactions. Mechanical dissipation of kinetic energy. Quelle: Virtueller Gastvortrag von Prof. Broccoli, USA: Homepage:

73 2.344 IPCC2001_TAR1_TS-Box3

74 Understanding Near Term CC
Higher Temperatures Understanding Near Term CC Quelle:IPCC-AR4-wg1_TS, p.69, Fig.TS.26.

75 Corresponding uncertainties to the Projected Temperature Changes
Uncertainties as the relative probabilities of estimated global average warming from several different AOGCM and EMIC studies for the same periods. Quelle:IPCC-AR4-wg1_TS, p.72, Fig. TS28 (nun vollständig)

76 4. Was bedeutet das für Mensch und Natur

77 Aus dem „Stern Report“ der UK-Regierung:
Quelle: „Stern Report“, UK-Government, neue Adresse ( AD):

78 „Umrechnung“ zwischen CO2equ und Temperaturerhöhung:
Quelle: „Stern Report“, Folie3:

79 2. Recognise the lags in these processes.
Bemerkungen: 1. Red lines show ranges to studies IPCC(2001) and Hadley (2004) Grey bars give the range of existing studies. 2. Recognise the lags in these processes. We are currently adding around 2.5 ppm/a CO2_equ of GHGs and the current stock of all GHGs is 430 ppm CO2_equ And these stocks affect temperatures with a lag: already committed to at least ½ºC more in the next few decades from emissions we have already made. The slide shows eventual temperature increases corresponding to different levels of stabilised stocks. 3. At the upper end of the ranges, the climate is entering very dangerous territory. Thus the risk analysis must include the possibility of very powerful effects. 5. Zielvorgabe: somewhere between and 550 ppm CO2_equ Quelle: „Stern Report“, Speaking Notes zu Folie 3 der Präsentation

80 5. Was tun

81 Ansatzpunkte zur Wende
1. CO2-freie Energiequellen Erneuerbare Energien ( RE =Renewable Energies) Wasserkraft, Wind, Biomasse, Sonne (themisch, Strom) Kernenergie ( Generation IV) ; Kernfusion Geothermie (Oberflächennah, Tiefe Geothermie) 2. CO2 Sequester und GeoEngineering CCS= Carbon Capture & Storage: in geologischen Schichten, im Meer Eisendüngung zum Algenwachstum, Aufforsten Sulfat in die Stratoposhäre 3. Rationelle Energieverwendung (2000 W –Gesellschaft) Gleiche Energiedienstleistung mit geringerem Energieeinsatz Höhere Wirkungsgrade bei Kraftwerken, Motoren etc. Gebäude isolieren, Passivhaus 4. Verhaltensänderung Leben mit weniger Energiedienstleistungen, aus Knappheit oder Bescheidenheit Ernährung: „Weniger Fleisch“

82 UrQuelle der Original-Vortragsfolien + SpeakingNotes:
Eine ökonomisch- ökologische Bewertung der Bekämpfung des Klimawandels findet sich in: goto Ergebnisse des Stern-Report V00d_Sternreport.. UrQuelle der Original-Vortragsfolien + SpeakingNotes: Lokal: SternReview_on-theEconomics-ofClimateChange-CC_2006ppt.pdf SternReview_on-theEconomics-ofClimateChange-CC_2006_ppt_SpeakingNotes.pdf

83 Pflicht für jeden Immer strebe zum Ganzen, und kannst Du selber kein Ganzes Werden, als dienendes Glied schließ an ein Ganzes Dich an Spruch von JWG vom bescheidenen aber endlichen Beitrag eines Wasserträgers Quelle: J.W. Goethe: Gedichte, Herausgeber ErichTrunz, Verlag C.H. Beck. p.226 ; Urquelle:JWG: Distichon im Zusammenhang der Xenien entstanden, aber außerhalb des Xenien Zyklus veröffentlicht

84 2007_1030: Aktualisierung der Datei: Energie-undKlima_LehrerSeminar_ ppt