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

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

2 Ein typisches deutsches Frühstück Strom Stahl Baustoffe Kunststoffe Nahrungsmittel Papier Glas Textilien 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

3 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

4 Wo beginnt die Kohlenstoff-Adipositas? Jäger & Sammler Deutschland Welt Mio100 Mio10 Mrd.1 Mrd. 1 kg C 10 kg C Täglicher pro Kopf Verbrauch Kopfzahl Welt 2050 Kritische Grenze? Welt heute 100 kg C

5 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 Effizienz Suffizienz Erneuerbare Energien Effizienz Solar Wind Wasser Biomasse andere Der Strukturwandel in Richtung einer kohlenstoffarmen Wirtschaft muss konsequent vorangetrieben werden. Bundeskanzlerin, Dr. Angela Merkel Regierungserklärung Kohlenstoff in Biomasse klimaneutral Erhöhter Bedarf für Bioenergie und Nachw. Rohstoffe Die Rolle der Biomasse in diesem Konzept

6 Der globale Kohlenstoffkreislauf Ozeane (Oberfläche) 800 Mrd. t Ozeane (Tiefe) Mrd. t Kohle, Öl, Gas 5000 Mrd. t Atmosphäre 750 Mrd. t Sedimente Mrd. t nach M. Latif: Bringen wir das Klima aus dem Takt, Fischer Taschenbuch Verlag, Frankfurt 2007, ISBN , 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/a 92 Mrd.t/a Vulkanismus: 0,1 Mrd.t/a Mischung: +/- 35 Mrd. t 50 Mrd. t/a Pflanzen Vegetation 550 Mrd. t Boden 1500 Mrd. t

7 Dekarbonisierung: Beitrag der Biomasse Ozeane (Oberfläche) 800 Mrd. t Ozeane (Tiefe) Mrd. t Kohle, Öl, Gas 5000 Mrd. t Atmosphäre 750 Mrd. t Sedimente Mrd. t 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/a >92 Mrd.t/a Vulkanismus: 0,1 Mrd.t/a Mischung: +/- 35 Mrd. t 50 Mrd. t/a Pflanzen Vegetation 550 Mrd. t Boden 1500 Mrd. t nach M. Latif: Bringen wir das Klima aus dem Takt, Fischer Taschenbuch Verlag, Frankfurt 2007, ISBN , 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

8 Zersetzung im globalen Kohlenstoffkreislauf Ozeane (Oberfläche) 800 Mrd. t Ozeane (Tiefe) Mrd. t Kohle, Öl, Gas 5000 Mrd. t Atmosphäre 750 Mrd. t Sedimente Mrd. t 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/a 92 Mrd.t/a Vulkanismus: 0,1 Mrd.t/a Mischung: +/- 35 Mrd. t 50 Mrd. t/a Pflanzen Vegetation 550 Mrd. t Boden 1500 Mrd. t Bioenergie Biomasse Wasserhaushalt Nährstoffversorgung Temperaturregelung nach M. Latif: Bringen wir das Klima aus dem Takt, Fischer Taschenbuch Verlag, Frankfurt 2007, ISBN , 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

9 1) aus: H. Haberl et al. PNAS, 104 (2007), 12943; Gute Einführung in das Thema Biomasseverbrauch: ( ) 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

10 1) aus: H. Haberl et al. PNAS, 104 (2007), 12943; Gute Einführung in das Thema Biomasseverbrauch: ( ) 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

11 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 Energieträger Importe: 170 Mio. t C Gewinnung: 60 Mio. t C Exporte ~50 Mio. t C Treibhausgase 220 Mio. t C laut 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

12 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 Energieträger Importe: 170 Mio. t C Gewinnung: 60 Mio. t C Exporte ~50 Mio. t C Treibhausgase 220 Mio. t C laut 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

13 Deutschlands Weg in Richtung Nachhaltigkeit Verbrauch [Mio. t] Inländische Produkte 1) Energieträger % Biomasse % Importe 1) Energieträger % Biomasse % 1) jeweils ohne Rucksäcke Werte nach: Statistisches Bundesamt, Umweltnutzung und Wirtschaft, Tabellenband 2011 S. 23,24, Bioenergie im Energiekonzept der Bundesregierung Die 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,

14 Quintessenz aus der Leitstudie ) 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 Endenergie ) 8630 Beitrag EE davon Biomasse Durch den Beitrag der EE vermiedene CO 2 -Emissionen [Mio t/a] ) 217 Entspricht C 23,5 59,2 Zusatzbedarf an Kohlenstoff 3) : ~15 Mio. t/a 1) Leitstudie 2010, Tabellen 1, 10-4 (S. 6, 188); 2) Leitszenario 2009, Tabelle 1, S. 8 3) 1 GJ entspricht ~0,06 t Biomasse (trocken), bei 50% C-Anteil sind dies ~0,03 t C/GJ.

15 Ernte Strom, Wärme, Biokraftstoffe Acker Wald Umwandlung 4:1 Quintessenz aus der Leitstudie ) 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 Endenergie ) 8630 Beitrag EE davon Biomasse Durch den Beitrag der EE vermiedene CO 2 -Emissionen [Mio t/a] ) 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 Kohlenstoff 3) : ~15 Mio. t/a Zusatzangebot an Bioenergie: ~500 PJ/a

16 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, Unsere Kohlenstoff-Adipositas

17 Der ökologische Fußabdruck ,51 heute 1,6? Ecol. Footprint Biocapacity , : Brundtland-Kommission: Prinzip der Nachhaltigkeit definiert 1992: Umwelt-Konferenz in Rio: Agenda 21: Sustainable Development : M. Wackernagel, W. Rees: Konzept des ökologischen Fußabdrucks, Buch 1996 (deutsch 1997) 1997 Klimakonferenz in Kyoto (Kyoto-Protokoll) Daten: Global Footprint Network 2010

18 Unsere Konsequenzen ,51 heute 1,6? Ecol. Footprint Biocapacity , : Brundtland-Kommission: Prinzip der Nachhaltigkeit definiert 1992: Umwelt-Konferenz in Rio: Agenda 21: Sustainable Development : M. Wackernagel, W. Rees: Konzept des ökologischen Fußabdrucks, Buch 1996 (deutsch 1997) 1997 Klimakonferenz in Kyoto (Kyoto-Protokoll) 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 Daten: Global Footprint Network 2010

19 Unsere Konsequenzen ,51 heute 1,6? Ecol. Footprint Biocapacity , : Brundtland-Kommission: Prinzip der Nachhaltigkeit definiert 1992: Umwelt-Konferenz in Rio: Agenda 21: Sustainable Development : M. Wackernagel, W. Rees: Konzept des ökologischen Fußabdrucks, Buch 1996 (deutsch 1997) 1997 Klimakonferenz in Kyoto (Kyoto-Protokoll) 1995 E.U. v. Weizsäcker et al.: Buch Faktor Vier 2010 E.U. v. Weizsäcker et al.: Buch Faktor Fünf Rasche und durchgreifende Änderung unseres Lebensstils Daten: Global Footprint Network 2010

20 Unsere Konsequenzen ,51 heute 1,6? Ecol. Footprint Biocapacity , : Brundtland-Kommission: Prinzip der Nachhaltigkeit definiert 1992: Umwelt-Konferenz in Rio: Agenda 21: Sustainable Development : M. Wackernagel, W. Rees: Konzept des ökologischen Fußabdrucks, Buch 1996 (deutsch 1997) 1997 Klimakonferenz in Kyoto (Kyoto-Protokoll) 1995 E.U. v. Weizsäcker et al.: Buch Faktor Vier 2010 E.U. v. Weizsäcker et al.: Buch Faktor Fünf Rasche und durchgreifende Änderung unseres Lebensstils Daten: Global Footprint Network 2010 Ein Drittel des globalen Wachstums ist heute mit ökologischem Kredit finanziert; das heißt, es ist nicht nachhaltig. Paul Donovan, Chefvolkswirt der USB, FAZ 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,

21 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

22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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24 Wie verlässlich sind die Angaben? FAOSTAT World: Roundwood 2007: ,00 CUM Data Quality: Aggreates may include official data, semi-official data or estimates 3,6* 10 9 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% H 2 O? 10%,15% H 2 O? 1) Siehe dazu auch: FNR: Leitfaden Bioenergie, Datensammlung; ISBN

25 Fossiler Kohlenstoff für Dünger, Transporte, Hilfsenergien etc. Von der Biomasse zur Endenergie Anbau Korn/Stroh-Verhältnis 1) Humusbilanz ErnteverlusteLagerverluste Wirkungsgrade Nebenprodukte, Rückführungen 1) M. Kaltschmitt, D. Merten, N. Fröhlich, M. Nill, WBGU-Materialien, Energiegewinnung aus Biomasse, Berlin, Heidelberg 2003, Volltext verfügbar unter Erosion Wasser Bodenfruchtbarkeit Ernte Verarbeitung

26 Fossiler Kohlenstoff für Dünger, Transporte, Hilfsenergien etc. Von der Biomasse zur Endenergie Korn/Stroh-Verhältnis 1) Humusbilanz Ernteverluste Wirkungsgrade Nebenprodukte, Rückführungen 1) M. Kaltschmitt, D. Merten, N. Fröhlich, M. Nill, WBGU-Materialien, Energiegewinnung aus Biomasse, Berlin, Heidelberg 2003, Volltext verfügbar unter Erosion Wasser Bodenfruchtbarkeit Anbau Ernte Verarbeitung Lagerverluste Ernte Strom, Wärme, Biokraftstoffe Acker Wald Umwandlung 4:1

27 NATURE IS OVER TIME, March 12, 2012, Little is left untouched by humans – and that demands a rethink of environmentalism Bryan Walsh

28 NATURE IS OVER TIME, March 12, 2012, Little is left untouched by humans – and that demands a rethink of environmentalism Bryan Walsh Humans 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 Landschaft Schirmer/Mosel, München 2008, ISBN

29 Spannweite von Annahmen Biomasse Potenziale für Energie im Jahre 2050 WEA 1) : 94 EJ/a – 280 EJ/a IPCC 2) : 52 EJ/a – 193 EJ/a Berndes 3) : 35 EJ/a – 450 EJ/a IEA 4) : 33 EJ/a – 1500 EJ/a IPCC 5) : 50 EJ/a – 500 EJ/a Biomasse Potenziale für Energie im Jahre 2050 WEA 1) : 94 EJ/a – 280 EJ/a IPCC 2) : 52 EJ/a – 193 EJ/a Berndes 3) : 35 EJ/a – 450 EJ/a IEA 4) : 33 EJ/a – 1500 EJ/a IPCC 5) : 50 EJ/a – 500 EJ/a 1) UNDP 2000: World Energy Assessment: Energy and the challenge of Sustainability, S ) IPCC 2000: Special Report Emission Scenarios 3) G. Berndes et al., Biomass and Bioenergy 25, (2003) ) IEA, Sustainable Production of Second Generation Biofuels, Feb. 2010, S. 45 5) IPCC, Special Report Renewable Energy Sources (SRREN), Einige weitere Bioenergie-Szenarien Gesamtprimärenergieverbrauch Davon Biomasse Mrd. toe nach Abb. 2-4, S. 26 Energietechnologien 2050 – Schwer- punkte für Forschung und Entwicklung Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung ISI, Fraunhofer Verlag 2010, ISBN Global durch Photo- synthese fixierte Energie: 2800 EJ/a F. Schüth, P.Gruss, (Hrsg.), Die Zukunft der Energie, Nützliche Zahlen in der Energiediskussion, Klappentext

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