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

Ein typisches deutsches Frühstück Wärme Nahrungsmittel Papier Stahl Strom Baustoffe Kraftstoffe Kunststoffe Textilien Glas Davon Kohlenstoff: 12 kg/Tag Gesamtmaterial-einsatz pro Kopf: 0,21 t/Tag Direkter Material-verbrauch: 57 kg/Tag Herstellung unserer Verbrauchs-güter Rucksäcke: 0,15 t/Tag Davon Kohlenstoff: ~ 8 kg/Tag Quellen: Umweltbundesamt, Texte 02/08, Ressourcenverbrauch von Deutschland – aktuelle Zahlen und Begriffsbestimmungen; AGEB: Energiebilanzen für Deutschland

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 Dies entspricht einem täglichen Kohlenstoffbedarf von 0,8 kg C/Kopf

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

Das Konzept der Dekarbonisierung: Abschied vom fossilen Kohlenstoff Kohlenstoff in Biomasse „klimaneutral“ Erhöhter Bedarf für Bioenergie und Nachw. Rohstoffe Die Rolle der Biomasse in diesem Konzept Dekarbonisierung (decarbonisation)  Low Carbon Economy; LCE Effizienz Suffizienz Erneuerbare Energien Kohlen-stoff in Erdöl, Erdgas, Kohle Solar Wind Wasser Biomasse andere Energie Effizienz Materialien (Petrochemie) Der Strukturwandel in Richtung einer kohlenstoffarmen Wirtschaft muss konsequent vorangetrieben werden. Bundeskanzlerin, Dr. Angela Merkel Regierungserklärung 25. 03.10 Kohlenstoff in klima-relevanten Mineralien (Rohstoffe für Zement, Stahl,…)

Der globale Kohlenstoffkreislauf Atmosphäre 750 Mrd. t Atmung, Zersetzung: 100 Mrd.t/a Diffusion: 90 Mrd.t/a 92 Mrd.t/a Waldvernichtung, Bodennutzung: 2,2 Mrd.t/a Vulkanismus: 0,1 Mrd.t/a Energie; Industrie: 6,3 Mrd.t/a Photosynthese: 100 Mrd.t/a Pflanzen Vegetation 550 Mrd. t Boden 1500 Mrd. t Ozeane (Oberfläche) 800 Mrd. t Kohle, Öl, Gas 5000 Mrd. t 50 Mrd. t/a Mischung: +/- 35 Mrd. t Ozeane (Tiefe) 40000 Mrd. t Sedimente 100.000.000 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

Dekarbonisierung: Beitrag der Biomasse Atmosphäre 750 Mrd. t Atmung, Zersetzung: 100 Mrd.t/a Diffusion: 90 Mrd.t/a >92 Mrd.t/a Waldvernichtung, Bodennutzung: 2,2 Mrd.t/a Vulkanismus: 0,1 Mrd.t/a Energie; Industrie: >6,3 Mrd.t/a Photosynthese: 100 Mrd.t/a Pflanzen Vegetation 550 Mrd. t Boden 1500 Mrd. t Ozeane (Oberfläche) 800 Mrd. t Kohle, Öl, Gas 5000 Mrd. t 50 Mrd. t/a Mischung: +/- 35 Mrd. t Ozeane (Tiefe) 40000 Mrd. t Sedimente 100.000.000 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

„Zersetzung“ im globalen Kohlenstoffkreislauf Atmosphäre 750 Mrd. t Atmung, Zersetzung: 100 Mrd.t/a Wasserhaushalt Nährstoffversorgung Temperaturregelung Diffusion: 90 Mrd.t/a 92 Mrd.t/a Bioenergie Biomasse Waldvernichtung, Bodennutzung: 2,2 Mrd.t/a Vulkanismus: 0,1 Mrd.t/a Energie; Industrie: 6,3 Mrd.t/a Photosynthese: 100 Mrd.t/a Pflanzen Vegetation 550 Mrd. t Boden 1500 Mrd. t Ozeane (Oberfläche) 800 Mrd. t Kohle, Öl, Gas 5000 Mrd. t 50 Mrd. t/a Mischung: +/- 35 Mrd. t Ozeane (Tiefe) 40000 Mrd. t Sedimente 100.000.000 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

Kohlenstoffbilanz der Menschheit heute Jährlich durch Photosynthese gebunden: ~ 100 Mrd. t C Erfasste Treibhaus-gase: ~ 9 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 Technosphäre Fossile Quellen Nahrung, Holz,…. „moderne“ Bioenergie ~ 9 Mrd. t C 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 oberirdisch: ~34 Mrd. t C Jährlich durch Photosynthese gebunden: ~ 100 Mrd. t C Erfasste Treibhaus-gase: ~ 9 Mrd. t C Ozeane terrestrisch 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 Technosphäre Fossile Quellen Nahrung, Holz,…. „moderne“ Bioenergie ~ 9 Mrd. t C 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)

Fossile Energieträger Der Kohlenstoffmetabolismus in Deutschland Biomasse Fossile Energieträger Importe: 30 Mio. t C Importe: 170 Mio. t C Erzeugung: 100 Mio. t C Gewinnung: 60 Mio. t C Gesamteinsatz: 360 Mio. t C Nicht bilanzierte Treibhausgase Langlebige Güter Treibhausgase 220 Mio. t C laut Bilanz Exporte ~50 Mio. t C Nicht verwertete Biomasse: ~150 Mio. t C „Rucksäcke“ fossiler Energieträger: ~80 Mio. t C 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 Siehe auch. H. Pütter, Praxis der Naturwissenschaften - Chemie in der Schule 5/60, Juli 2011,5-10

Fossile Energieträger Der Kohlenstoffmetabolismus in Deutschland Biomasse Fossile Energieträger Importe: 30 Mio. t C Importe: 170 Mio. t C Erzeugung: 100 Mio. t C Gewinnung: 60 Mio. t C Gesamteinsatz: 360 Mio. t Nicht bilanzierte Treibhausgase Langlebige Güter Treibhausgase 220 Mio. t C laut Bilanz Exporte ~50 Mio. t C Nicht verwertete Biomasse: ~150 Mio. t C „Rucksäcke“ fossiler Energieträger: ~80 Mio. t C Gesamter biogener Kohlenstoffbedarf: ~ 0,3 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 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 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, 28.09.10 Werte nach: Statistisches Bundesamt, Umweltnutzung und Wirtschaft, Tabellenband 2011 S. 23,24, 33-36

Quintessenz aus der Leitstudie 20101) für Bioenergie Energieversorgung Deutschland [PJ/a] Basisszenario 2010 A 2005 2020 Endenergie 92402) 8630 Beitrag EE 625 1725 davon Biomasse 436 932 Senkung der jährlichen Treibhausgas-Emissionen um 36 Mio. t C von 2005 bis 2020 durch: kohlenstofffreie Energien …und Bioenergie Durch den Beitrag der EE vermiedene CO2-Emissionen [Mio t/a] 2005 2020 862) 217 Entspricht C 23,5 59,2 Zusatzangebot an Bioenergie: ~500 PJ/a Zusatzbedarf an Kohlenstoff3): ~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.

Quintessenz aus der Leitstudie 20101) für Bioenergie Energieversorgung Deutschland [PJ/a] Basisszenario 2010 A 2005 2020 Endenergie 92402) 8630 Beitrag EE 625 1725 davon Biomasse 436 932 Senkung der jährlichen Treibhausgas-Emissionen um 36 Mio. t C von 2005 bis 2020 durch: kohlenstofffreie Energien …und Bioenergie Durch den Beitrag der EE vermiedene CO2-Emissionen [Mio t/a] 2005 2020 862) 217 Entspricht C 23,5 59,2 Zusatzangebot an Bioenergie: ~500 PJ/a Zusatzbedarf an Kohlenstoff3): ~15 Mio. t/a  Zusatzbedarf an Kohlenstoff in Biomasse : ~60 Mio. t/a Ernte Strom, Wärme, Biokraftstoffe Acker Wald Umwandlung 4:1 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.

Unsere Kohlenstoff-Adipositas 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

Der ökologische Fußabdruck 1987: Brundtland-Kommission: Prinzip der Nachhaltigkeit definiert 1992: Umwelt-Konferenz in Rio: Agenda 21: Sustainable Development 1990-1994: M. Wackernagel, W. Rees: Konzept des ökologischen Fußabdrucks, Buch 1996 (deutsch 1997) 1997 Klimakonferenz in Kyoto (Kyoto-Protokoll) 2 heute 1,6? 2007 1,51 Ecol. Footprint Biocapacity 1 1961 0,63 1960 1990 1995 2000 2005 2011 Daten: Global Footprint Network 2010

Unsere Konsequenzen 1987: Brundtland-Kommission: Prinzip der Nachhaltigkeit definiert 1992: Umwelt-Konferenz in Rio: Agenda 21: Sustainable Development 1990-1994: 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“ 2 heute 1,6? 2007 1,51 Ecol. Footprint Biocapacity weiche Landung 1 Durch Technik unterstützte Änderung unseres Lebensstils 1961 0,63 1960 1990 1995 2000 2005 2011 Daten: Global Footprint Network 2010

Unsere Konsequenzen 1987: Brundtland-Kommission: Prinzip der Nachhaltigkeit definiert 1992: Umwelt-Konferenz in Rio: Agenda 21: Sustainable Development 1990-1994: 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“ 2 heute 1,6? 2007 1,51 Ecol. Footprint Biocapacity Rasche und durchgreifende Änderung unseres Lebensstils 1 1961 0,63 1960 1990 1995 2000 2005 2011 Daten: Global Footprint Network 2010

Unsere Konsequenzen 1987: Brundtland-Kommission: Prinzip der Nachhaltigkeit definiert 1992: Umwelt-Konferenz in Rio: Agenda 21: Sustainable Development 1990-1994: M. Wackernagel, W. Rees: Konzept des ökologischen Fußabdrucks, Buch 1996 (deutsch 1997) 1997 Klimakonferenz in Kyoto (Kyoto-Protokoll) 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 1995 E.U. v. Weizsäcker et al.: Buch „Faktor Vier“ 2010 E.U. v. Weizsäcker et al.: Buch „Faktor Fünf“ 2 heute 1,6? 2007 1,51 Ecol. Footprint Biocapacity Rasche und durchgreifende Änderung unseres Lebensstils „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 1 1961 0,63 1960 1990 1995 2000 2005 2011 Daten: Global Footprint Network 2010

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? Beispiel Holz 1) FAOSTAT World: Roundwood 2007: 3603155305,00 CUM Data 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? Kohlenstoffgehalt in der Trockenmasse: ger. 0% H2O? 10%,15% H2O? 1) Siehe dazu auch: FNR: Leitfaden Bioenergie, Datensammlung; ISBN 3-00-015389-6

Von der Biomasse zur Endenergie Anbau Ernte Verarbeitung Ernteverluste Lagerverluste Wasser Erosion Humusbilanz Nebenprodukte, Rückführungen Bodenfruchtbarkeit Wirkungsgrade Fossiler Kohlenstoff für Dünger, Transporte, Hilfsenergien etc. Korn/Stroh-Verhältnis 1) 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

Von der Biomasse zur Endenergie Anbau Ernte Verarbeitung Ernteverluste Lagerverluste Wasser Ernte Strom, Wärme, Biokraftstoffe Acker Wald Umwandlung 4:1 Erosion Humusbilanz Nebenprodukte, Rückführungen Bodenfruchtbarkeit Wirkungsgrade Fossiler Kohlenstoff für Dünger, Transporte, Hilfsenergien etc. Korn/Stroh-Verhältnis 1) 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

NATURE IS OVER TIME, March 12, 2012, 56-58 Little is left untouched by humans – and that demands a rethink of environmentalism Bryan Walsh

NATURE IS OVER TIME, March 12, 2012, 56-58 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 978-3-8296-0383-6

Spannweite von Annahmen 2005 2020 2050 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 978-3-83960084-9 Davon Biomasse Gesamtprimärenergieverbrauch Mrd. toe 10 20 Einige weitere Bioenergie-Szenarien Biomasse Potenziale für Energie im Jahre 2050 WEA1): 94 EJ/a – 280 EJ/a IPCC2): 52 EJ/a – 193 EJ/a Berndes3): 35 EJ/a – 450 EJ/a IEA 4): 33 EJ/a – 1500 EJ/a IPCC5): 50 EJ/a – 500 EJ/a Global durch Photo-synthese fixierte Energie: 2800 EJ/a F. Schüth, P.Gruss, (Hrsg.), Die Zukunft der Energie, Nützliche Zahlen in der Energiediskussion, Klappentext 1) UNDP 2000: World Energy Assessment: Energy and the challenge of Sustainability, S. 222 2) IPCC 2000: Special Report Emission Scenarios 3) G. Berndes et al., Biomass and Bioenergy 25, (2003) 1-28 4) IEA, Sustainable Production of Second Generation Biofuels, Feb. 2010, S. 45 5) IPCC, Special Report Renewable Energy Sources (SRREN), 09.05.11