Prinzip Treibhauseffekt
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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 Vorlesung „Grundlagen der Umwelttechnik “ Copyright: Siegfried Kreibe 2 Die Vergangenheit Vorlesung „Grundlagen der Umwelttechnik “ Copyright: Siegfried Kreibe 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 Vorlesung „Grundlagen der Umwelttechnik “ Copyright: Siegfried Kreibe 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 Vorlesung „Grundlagen der Umwelttechnik “ Copyright: Siegfried Kreibe 5 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 Vorlesung „Grundlagen der Umwelttechnik “ Copyright: Siegfried Kreibe 6 Die Zukunft Vorlesung „Grundlagen der Umwelttechnik “ Copyright: Siegfried Kreibe 7 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. Vorlesung „Grundlagen der Umwelttechnik “ Copyright: Siegfried Kreibe 8 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 Vorlesung „Grundlagen der Umwelttechnik “ Copyright: Siegfried Kreibe 9 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. Vorlesung „Grundlagen der Umwelttechnik “ Copyright: Siegfried Kreibe 10 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. 11 Vorlesung „Grundlagen der Umwelttechnik “ Copyright: Siegfried Kreibe 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 Vorlesung „Grundlagen der Umwelttechnik “ Copyright: Siegfried Kreibe 12 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 Vorlesung „Grundlagen der Umwelttechnik “ Copyright: Siegfried Kreibe 13 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. Vorlesung „Grundlagen der Umwelttechnik “ Copyright: Siegfried Kreibe 14 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. Vorlesung „Grundlagen der Umwelttechnik “ Copyright: Siegfried Kreibe 15 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 Vorlesung „Grundlagen der Umwelttechnik “ Copyright: Siegfried Kreibe 16 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 Vorlesung „Grundlagen der Umwelttechnik “ Copyright: Siegfried Kreibe 17 Wichtige Folgen Temperaturanstieg Quelle: IPCC, Klimaänderung 2007; 4. Sachstandsbericht, Synthesebericht; Übersetzung; Bern, Wien, Berlin 2007 Vorlesung „Grundlagen der Umwelttechnik “ Copyright: Siegfried Kreibe 18 Wichtige Folgen Temperaturanstieg Quelle: IPCC, Klimaänderung 2007; 4. Sachstandsbericht, Synthesebericht; Übersetzung; Bern, Wien, Berlin 2007 Vorlesung „Grundlagen der Umwelttechnik “ Copyright: Siegfried Kreibe 19 Treibhausgasemissionen: Quellen und Gegenmaßnahmen Vorlesung „Grundlagen der Umwelttechnik “ Copyright: Siegfried Kreibe 20 Quellen anthropogener Treibhausgase weltweit 1970-2004 Quelle: IPCC, Klimaänderung 2007; 4. Sachstandsbericht, Synthesebericht; Übersetzung; Bern, Wien, Berlin 2007 Vorlesung „Grundlagen der Umwelttechnik “ Copyright: Siegfried Kreibe 21 Bevölkerungsexplosion Vorlesung „Grundlagen der Umwelttechnik “ Copyright: Siegfried Kreibe 22 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) Vorlesung „Grundlagen der Umwelttechnik “ Copyright: Siegfried Kreibe 23 Treibhausgasemissionen in Deutschland Quelle: Umweltbundesamt 2010 Vorlesung „Grundlagen der Umwelttechnik “ Copyright: Siegfried Kreibe 24 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 Vorlesung „Grundlagen der Umwelttechnik “ Copyright: Siegfried Kreibe 25 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 …. Vorlesung „Grundlagen der Umwelttechnik “ Copyright: Siegfried Kreibe 26 Wege zur Treibhausgasminderung – Pläne UBA Vorlesung „Grundlagen der Umwelttechnik “ Copyright: Siegfried Kreibe 27 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. Vorlesung „Grundlagen der Umwelttechnik “ Copyright: Siegfried Kreibe 28 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) … Vorlesung „Grundlagen der Umwelttechnik “ Copyright: Siegfried Kreibe 29