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Energie und Klimawandel WS 2007/08 Dr. rer. nat. Gerhard Luther Forschungsstelle Zukunftsenergie (FZE ) c/o Technische Physik, Universität des Saarlandes.

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2 Energie und Klimawandel 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 Internetseite vorführen !

3 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 Zur Einführung in die Vorlesung

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

5 __500 [EJ/a] __400 [EJ/a] Evolution from 1971 to 2004 of World Total Primary Energy Supply by Fuel (Mtoe) *Excludes electricity trade. **Other includes geothermal, solar, wind, heat, etc. Quelle: IEA 2006, IEA2006_Key-World-EnergyStatistics_82p.pdfhttp://www.iea.org/textbase/nppdf/free/2006/key2006.pdf a Ungebrochenes Wachstum 1.1

6 __500 [EJ/a] __750 [EJ/a] ( BAU) Quelle: IEA Vortrag Mandil, Folie 2http://www.iea.org/Textbase/speech/2006/mandil/Monterrey.pdf

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

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

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

10 Konsumentenexplosion = { Bevölkerung + Wohlstand }

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

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

13 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. 1.12

14 Treibhausgasemissionen pro Kopf und Bevölkerungszahl 2000 AD 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 ********* Wachstum auf breiter Font *********** KP=Kyoto Protocol : Entwicklung und Energieressourcen

15 Oil Consumption, China Source: BP BQuelle:Vahrenholt,Fritz, DPG2005_SyKE2.2 Physikertagung Berlin 2005, Folie 1; Urquelle: BP [EJ] [EJ] [EJ]

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

17 aktuelle Lage: Was macht Deutschland und EU

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

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

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

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

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

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

24 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“ /full%20report%20Annual%20European%20Community%20greenhouse%20ga s%20inventory% %20and%20inventory%20report% pdf /full%20report%20Annual%20European%20Community%20greenhouse%20ga s%20inventory% %20and%20inventory%20report% pdf

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

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

27 Zahlenquelle: EEA Technical Report 2007 Nr.7, Table ES.1 EU-15: Zielerfüllung Kyoto-Protokoll: Stand 2005 Vorbilder Mitläufer Sünder schwere Sünder

28 Öl- Preise

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

30 BQuelle: Fa. Tecson Apparate GmbH, 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 Entwicklung der Rohölpreise Preise __ 66 US-$ / Barrel mittlerer Weltmarktpreis für Rohöl in 2006 AD.

31 BQuelle : Fa. Tecson Apparate GmbH, Steinberg, MeckVorpopmmern Bis ___ 66 $/barrel

32 BQuelle : Fa. Tecson Apparate GmbH, Steinberg, MeckVorpopmmern Bis ___ 66 $/barrel

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

34 sio-mlo.htm nun (2007) nicht mehr fortgeschrieben Berichtsstand:Mitte 2005 update vom 2006_

35 Berichtsstand:2007 update vom 2007_1030 Quelle:

36 Aktualisierte ( ) Links: hp of Mauna loa Observatory: Aktuelle CO2 Daten (siehe Bild oben) :

37 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. (http:// )Beck

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

39 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. zum Original (movie !) 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.

40 Erdgeschichtliche CO2-Konzentrationen

41 Jahre vor heute CO 2 -Konzentration (ppm) '000200'000300'000400'000500'000600'000 Dome Concordia ice core data: Siegenthaler U et al. (2005) Science 310:1313 Vostoc ice core data: Petit JR et al. (1999) Nature 399: Heute 380 ppm Photosyntheserate CO 2 -Konzentration (ppm) CO 2 - Sättigung BQuelle: C.Körner :“Wälder als Kohlenstoffspeicher..“

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

43 beobachtete Klimafolgen

44 Zusammenfassung der wichtigsten Erfahrungen (2007) Global average Air temperature Updated 100-year linear trend of 0.74 [0.56 to 0.92] o C for Larger than corresponding trend of 0.6 [0.4 to 0.8] o C 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 Quelle: IPCC- AR4-wg1, Vortrag Pachauri in Nairobi, SLR= sea level rise

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

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

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

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

49 1900 und Aufnahme der Pasterzenzunge mit Großglockner (3798 m ) Gesellschaft für ökologische Forschung, Wolfgang Zängl, Gletscher-Schwund in den Alpen BQuelle:DLR_Schumann200_Klimawandel.ppt

50 Quelle: The Big Thaw“, National Geographic (2004), Heft 9, p.21; 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.

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

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

53 BQuelle: PIK : UrQuelle:

54

55 In 2007AD ist die arktische Eisfläche im Atlantik ca. 1 Mio km 2 kleiner als 2006 und Es ist der stärkste Schwund seit Beginn der Satellitenaufnahmen vor 30 Jahren. Früher ging man von einem durchschnittlichen Verlust von etwa 0.1 Mio km 2 pro Jahr aus. Der aktuelle Befund im Herbst 2007: NW-Passage: eisfrei

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

57 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.

58 a Quelle: PIK :http://www.fv-sonnenenergie.de/fileadmin/publikationen/tmp_vortraege_jt2007/th2007_13_levermann.pdfhttp://www.fv-sonnenenergie.de/fileadmin/publikationen/tmp_vortraege_jt2007/th2007_13_levermann.pdf

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

60 Ursache und Zuordnung

61 Radiative forcing [ W/m 2 ] is the change in the balance between radiation coming into the atmosphere and radiation going out. Der Strahlungsantrieb : „radiative forcing“ A positive radiative forcing tends on average to warm the surface of the Earth, and negative forcing tends on average to cool the surface. A process that alters the energy balance of the Earth - atmosphere system is known as a radiative forcing mechanism (1. IPCC-Report (1990), p )

62 Aktueller Stand AR4, (2007):

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

64 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 % Alle Antriebe Vulkanismus und Sonnenaktivität Jahr Global gemittelte Temperaturanomalien Ursachenzuordnung IPCC, 2007; Graphiken nach Pachauri, WGI-Präs

65 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,

66 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,

67 3. KlimaModelle und Prognosen

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

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

70 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:

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

72 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:

73 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:

74 IPCC2001_TAR1_TS-Box

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

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

77 4. Was bedeutet das für Mensch und Natur

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

79 Quelle: „Stern Report“, Folie3: „Umrechnung“ zwischen CO2 equ und Temperaturerhöhung:

80 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. Bemerkungen: 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 450 and 550 ppm CO2 _equ 1. Red lines show ranges to studies IPCC(2001) and Hadley (2004) Grey bars give the range of existing studies. Quelle: „Stern Report“, Speaking Notes zu Folie 3 der Präsentation

81 5. Was tun

82 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“

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

84 Spruch von JWG vom bescheidenen aber endlichen Beitrag eines Wasserträgers Pflicht für jeden Immer strebe zum Ganzen, und kannst Du selber kein Ganzes Werden, als dienendes Glied schließ an ein Ganzes Dich an 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

85 2007_1030: Aktualisierung der Datei: Energie-undKlima_LehrerSeminar_ ppt


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