Prinzip Treibhauseffekt

Grundlagen der Umwelttechnik
2. Klimaschutz
Vorlesung an der Hochschule Augsburg
Dr. Siegfried Kreibe
Stand 2013
Vorlesung „Grundlagen der Umwelttechnik “
Copyright: Siegfried Kreibe
1
Prinzip Treibhauseffekt
•
Kurzwellige Sonnenstrahlung wird
von der Erdoberfläche als
langwellige Wärmestrahlung
reflektiert. Treibhausgase (THG)
halten diese langwellige
Wärmestrahlung zurück
•
Ohne natürliche THG lägen die
Temperaturen auf der Erde
bei -18°C (tatsächlich + 15°C)
•
Anthropogener (vom Menschen
verursachter) Treibhauseffekt:
Verstärkung des natürlichen
Treibhauseffektes v.a. durch von
Menschen verursachte zusätzliche
THG-Emissionen
Quelle: Hamburger Bildungsserver
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2
Die Vergangenheit
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3
CO2-Emissionen aus fossilen Quellen weltweit
Mio. t
Kohlenstoff
pro Jahr
8000
8000
8000
8000
8000
7000
7000
7000
7000
7000
7000
6000
6000
6000
6000
6000
6000
5000
5000
5000
5000
5000
5000
4000
4000
4000
4000
4000
4000
3000
3000
3000
3000
3000
3000
2000
2000
2000
2000
2000
2000
1000
1000
1000
1000
1000
00
0
01919
01959
1996
1989
1979
1995
1839
1700
Durchschnitt
2000 - 2005
1929
1939
1949
1959
1969
1979
1989
1964
1969
1974
1979
1984
1994
1997
1998
1991
1993
19951989
19841996
1989
1994
1995,5
1996,5
1997
1997,5 1997 1998
1859
1879
1899
1919
1939
1959
1979
1750
1800
1850
1900
1950
2000
Jahr
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4
Entwicklung Treibhausgaskonzentrationen
• Entwicklung in den letzten
10.000 Jahren
• Seit etwa 1750 exponentieller Anstieg
der Konzentrationen wichtiger
Treibhausgase in der Atmosphäre
• Grafik von oben nach unten:
– Kohlendioxid (CO2)
– Methan (CH4)
– Lachgas (N2O)
Quelle: IPCC, Klimaänderung 2007;
4. Sachstandsbericht, Synthesebericht;
bersetzung; Bern, Wien, Berlin 2007
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Entwicklungen in der Vergangenheit
– Kurven: über ein Jahrzehnt
gemittelte Werte
– Kreise: Jahreswerte
– Blaue Fläche: geschätzter
Unsicherheitsbereich
(roter Strich = Durchschnitt
der Jahre 1961 bis 1990)
Quelle: IPCC, Klimaänderung 2007;
4. Sachstandsbericht, Synthesebericht;
Übersetzung; Bern, Wien, Berlin 2007
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Die Zukunft
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Was ist ein Modell?
• Ein Modell ist eine vereinfachte Beschreibung eines
Ausschnitts der Wirklichkeit. Es umfasst die Bestandteile
des Ausschnitts, Einflussgrößen und deren
Wechselwirkungen.
• Modelle sind unterschiedlich vollständig und genau. Sie
bilden die Wirklichkeit immer nur teilweise ab.
• Modelle können numerische oder qualitative
Beschreibungen sein.
• Modelle helfen
– Mechanismen und Zusammenhänge in der Wirklichkeit zu
verstehen und
– Folgen von Änderungen in der Wirklichkeit abzuschätzen.
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Beispiele für den Einsatz von Modellen
• Drei-Kompartiment-Modelle der Umwelt
– Beschreiben z.B. den Transfer von
Schadstoffen zwischen Wasser, Boden und Luft
• Ökobilanzen
– Beschreiben Stoff- und Energieflüsse zum
Beispiel bei Herstellung, Einsatz und
Entsorgung eines Produktes und deren
Auswirkungen auf die Umwelt
• Markt-Modelle
– Beschreiben wie sich Kunden, Lieferanten,
Konkurrenten und andere Akteure sich
am Markt verhalten
• Klimamodelle
3-KompartimentModell der Umwelt
– Beschreiben wie Klimaänderungen zustande
kommen
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Was ist ein Klimamodell?
Ein Klimamodell ist eine (rechnerische)
Darstellung des Klimasystems, die auf den
physikalischen, chemischen und biologischen
Eigenschaften seiner Bestandteile und ihren
Wechselwirkungen und Rückkopplungsprozessen
basiert und alle oder einige seiner bekannten
Eigenschaften berücksichtigt.
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Strahlungsantrieb
• Strahlungsantrieb (Einheit: W/m2) =
– Veränderung in der vertikalen Nettoeinstrahlung (Einstrahlung
minus Ausstrahlung)
– an der Tropopause (= Grenzbereich v. Troposphäre, 0-12 km über
dem Meeresspiegel u. Stratosphäre, 12-50 km)
– aufgrund einer Veränderung z.B. in der Konzentration von
Kohlendioxid
• Der Strahlungsantrieb ist ein Maßstab für den Einfluss,
den ein einzelner Faktor auf die Veränderung des
Strahlungshaushalts der Atmosphäre hat. Er ist ein Index
für die Bedeutung dieses Faktors für eine Klimaänderung.
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Einige Treibhausgase und ihr
Treibhauspotenzial
Treibhauspotenzial
(Klimawirksamkeit)
im Vergleich zu CO2
(kg CO2eq pro kg Gas)
Beitrag zum
anthropogenen
Treibhauseffekt
(%)
Kohlendioxid
1
60
Methan
25
20
Lachgas
298
6
FCKW 11 (CClF3)
14.400
2
Schwefelhexafluorid
22.800
gering
CO2eq: CO2-Äquivalente; bezogen auf 100 Jahre
Quelle: Forster, P. et al.: Changes in Atmospheric Constituents and in Radiative Forcing in: Climate Change
2007: The Physical Science Basis. 4th IPCC Assessment Report. Cambridge University Press, Cambridge,
United Kingdom and New York, NY, USA.. 2007; Zugriff: 15.6.2013
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Quellen des Strahlungsantriebs
Hinweis: Albedo
ist der Anteil der
Sonnenstrahlung,
der an einer
Oberfläche
reflektiert wird
GDWV: Grad des
wissenschaftl.
Verständnisses
Quelle: IPCC, Klimaänderung 2007; 4. Sachstandsbericht, Synthesebericht;
Übersetzung; Bern, Wien, Berlin 2007
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Was ist ein Szenario
• Ein Szenario ist eine plausible und häufig vereinfachte
Beschreibung davon, wie die Zukunft sich gestalten
könnte, basierend auf einer zusammenhängenden und in
sich widerspruchsfreien Reihe von Annahmen über die
treibenden Kräfte und die wichtigsten Zusammenhänge.
• Szenarien beruhen häufig auf Modellen. Die
Eigenschaften und Einflussgrößen im Modell werden
verändert und dann berechnet, was sich dadurch am
Modell verändern würde. Dies erlaubt eine Abschätzung
künftiger Entwicklungen.
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Beispiele für IPCC Klimaszenarien
•
•
•
Szenarientyp A1: starkes ökonomisches Wachstum und zunehmend
ausgeglichene Verhältnisse zwischen Industriestaaten und Entwicklungsländern,
Bevölkerungszunahme bis Mitte des 21. Jahrhunderts, dann Abnahme Einführung
neuer und effizienterer Technologien.
Szenarientyp A2: Sehr heterogene Welt; Autarkie und Bewahrung lokaler
Identitäten; regionale Fruchtbarkeitsmuster konvergieren sehr langsam; stetig
zunehmende Bevölkerung; wirtschaftliche Entwicklung vorwiegend regional
orientiert; Pro-Kopf-Wirtschaftswachstum und technologische Veränderungen
bruchstückhaft und langsam.
Szenarientyp B1: Sich näher kommende Welt; Mitte des 21. Jahrhunderts
kulminierende, dann rückläufige Weltbevölkerung; rasche Änderung der
wirtschaftlichen Strukturen Richtung Dienstleistungs- / Informationswirtschaft;
Rückgang des Materialverbrauchs; Einführung sauberer und ressourceneffizienter Technologien; globale Lösungen für wirtschaftliche, soziale und
ökologische Nachhaltigkeit sowie erhöhte sozialer Gerechtigkeit.
Hinweis: IPCC Szenarien beinhalten keine zusätzlichen Klimainitiativen! D.h. z.B.
keine Umsetzung d. Emissionszielsetzungen des Kyoto-Protokolls.
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Vsl. Erwärmung Erdatmosphäre (Szenarien)
Anstieg der
globalen
Temperatur
roter Strich =
Durchschnitt
Jahre 1980 - 1990
Quelle: IPCC, Klimaänderung 2007. 4. Sachstandsbericht, Synthesebericht;
Übersetzung; Bern, Wien, Berlin 2007
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Vsl. Änderung Meeresspiegel und Temperatur
• Die IPCC Szenarien führen bis 2099
– zu Meeresspiegelanstiegen zwischen 18 und 59 cm
– Zu Temperaturanstiegen zwischen 0,3 und 6,4 °C
Quelle: IPCC, Klimaänderung 2007. 4. Sachstandsbericht, Synthesebericht;
Übersetzung; Bern, Wien, Berlin 2007
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Wichtige Folgen Temperaturanstieg
Quelle: IPCC, Klimaänderung 2007; 4. Sachstandsbericht, Synthesebericht;
Übersetzung; Bern, Wien, Berlin 2007
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Wichtige Folgen Temperaturanstieg
Quelle: IPCC, Klimaänderung 2007; 4. Sachstandsbericht, Synthesebericht;
Übersetzung; Bern, Wien, Berlin 2007
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Treibhausgasemissionen:
Quellen und Gegenmaßnahmen
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Quellen anthropogener Treibhausgase
weltweit 1970-2004
Quelle: IPCC, Klimaänderung 2007; 4. Sachstandsbericht, Synthesebericht;
Übersetzung; Bern, Wien, Berlin 2007
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Bevölkerungsexplosion
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Treibhausgasemissionen pro Kopf (2007)
Qatar
Jährliche Treibhausgasemissionen
(t CO2-Äquivalente / Kopf)
53,5
USA
18,1
Deutschland
9,6
China
4,9
Rumänien
4,4
Indien
1,4
Uganda
0,1
Quelle: CDIAC (Carbon Dioxide Information Analysis Centre)
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Treibhausgasemissionen in Deutschland
Quelle: Umweltbundesamt 2010
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Minderung Treibhausgas-Emissionen:
grundsätzliche Ansatzpunkte
andere Einsatzstoffe
(z.B. Solarenergie
statt Braunkohle)
Kohlenstoffhaltiger Input
(z.B. Kohle)
Abfangen und deponieren
der Treibhausgase
(z.B. in Salzstöcken)
Prozess
(z.B. Herstellung, Einsatz
und Entsorgung
eines Produktes)
effizientere Nutzung der Einsatzstoffe
(z.B. verbrauchsgünstige Pkw)
Freisetzung von
Treibhausgasen
Verzicht auf den Prozess / das Produkt
(a) Entmaterialisierung (z.B. Datei statt CD)
(b) Verzicht auf den Nutzen
des Prozesses / Produktes
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Maßnahmen zur Minderung von
Treibhausgasemissionen
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Wärmedämmung an Gebäuden
Niedrigenergiehäuser
Vermehrte Nutzung von Abwärme
Vermehrter Einsatz erneuerbarer Energien
Reduzierung des Energieverbrauchs elektrischer Geräte
Kraft-Wärme-Kopplung statt reiner Stromerzeugung
Reduzierung des Treibstoffverbrauchs von Kfz
Entwicklung und Einsatz energieeffizienter Geräte
Modernisierung von Heizungsanlagen
Materialeffizienz
….
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Wege zur Treibhausgasminderung – Pläne UBA
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Maßnahmen zur Treibhausgasemission
Z.B. Materialeffizienz
Materialeffizienz ist die Erreichung gleicher mit geringerer Materialmenge
Primärenergie / -rohstoff
Bezugsgröße
Entlastung der
Umwelt bei
vollst. Vermeidung
[kg CO2-Äquivalente]
Aluminium-Barren aus
Primärrohstoffen
1t
12.643
N-Dünger
1t
7.643
PET-Granulat (amorph)
1t
4.356
Reinkupfer aus Primärrohstoffen
1t
2.932
Rohstahl aus OxygenStahlverfahren
1t
2.541
PP-Granulat
1t
1.985
Methanol
1t
1.264
Zementklinker mit Steinkohle
1t
1020
Zellstoff aus Primärfasern
(elementar chlorfrei gebleicht)
1t
351
Rohglasscherben
1t
125
Zum Vergleich:
– 1 t Heizöl im
Heizkraftwerk
(ohne Vorketten):
ca. 3.100 kg CO2-Äqu.
– 1 t Braunkohle in
WS-Verbrennung
(ohne Vorketten):
ca. 1.100 CO2-Äqu.
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Scoping = Umgang mit Klimafolgen
Klimawandel wird in gewissem Umfang unvermeidbar sein
=> Auseinandersetzung mit unvermeidbaren Folgen erforderlich
z.B. voraussichtliche Folgen für Bayern bis 2100
(Szenario A1B – Energiemix fossil / nicht fossil):
–
–
–
–
–
–
–
–
–
Anzahl heiße Tage (>30°C) steigt auf bis das Doppelte (Gesundheitsrisiko)
Eistage (Tmax <0°C) und Schneebedeckung deutlich verringert (Tourismus)
Zunehmende Starkniederschläge (Hochwassergefährdung)
Häufigere sommerliche Dürren (Landwirtschaft)
Aufwärtsbewegung der Vegetationszonen im Gebirge (bei +2°C um ca.
400 Höhenmeter) (Artenverlust, Ökosysteme könne nicht nachregeln)
Temperaturanstieg im Winterhalbjahr um > 2°C (teils Vorteile für
Agrarwirtschaft - Sortenwahl, Vegetationsperioden)
Gefahren durch neue Schädlinge (Landwirtschaft)
Fichtenbestand wird stark zurückgehen (Forstwirtschaft)
…
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