Kohlenstoffkreislauf und Klimaschutz Teil 1

Kohlenstoffkreislauf und Klimaschutz – Teil 1:

Zusammenhang zwischen Konsum, Energie und CO

Fokus: Von der Produktion zum Konsum der

Privaten Haushalte

Mit Beiträgen von

Prof. Dr. Gundolf Kohlmaier, Institut für Atmosphäre und Umwelt IAU, Goethe-Universität Frankfurt

Frau Christine Flachmann, Statistisches Bundesamt Wiesbaden

Prof. Dr. C.-D. Schönwiese, Institut für Atmosphäre Umwelt und

Herrn Michael Kunkis, Institut für Sozialökologische Forschung isoe, Frankfurt

Prolog-1

• Zwischen den UN-Weltklimakonferenzen in Lima (1. bis 13.

Dezember 2014) und Paris (30. November bis 11. Dezember 2015) fallen drei Rekorde:

• Die Welt erlebte 2014 das wärmste Jahr seit Beginn der flächendeckenden Aufzeichnungen im Jahr 1880.

• Deutschland und seine europäischen Nachbarn Frankreich, Belgien, Spanien und Großbritannien registrierten für 2014 ebenfalls das wärmste Jahr seit 1880.

• Im Januar fiel der Ölpreis von 100 US-$ auf 55 US-$ pro Barrel, mit einer erwartenden Zunahme des Verbrauchs fossiler Rohstoffe und Anstieg der CO2-Emissionen, bei einer ohnehin weltweiten

Zunahme des Verbrauchs fossiler Rohstoffe von 2,5% pro Jahr, so

dass das maximale 2°C Erwärmungsziel stark in Frage gestellt ist.

Prolog-2 Erfüllung des Kyoto-Protokolls- Bietet die UN-Konferenz

in Paris die Möglichkeit für ein Anschlussprotokoll?

Prolog-3 Treibhausgasemissionen in Deutschland, Bevölkerung 80,5

Mio. (Ende 2012), damit 10,3 t CO2/cap bzw. 11,7 t CO2-Äq./cap

Prolog 4- Das Aktionsprogramm Klimaschutz 2020 (APKS) der

Bundesregierung- Sektorale Betrachtung der Emissionen

Workshop-Einleitung-1 Vom sektoralen Produktionsansatz von Treibhausgasen (APKS) zum Konsumansatz der Privaten Haushalte

Sektoraler Ansatz = Produktions Ansatz

direkte THG-

Emission Konsum-Ansatz Verbrauch der privaen Haushalte

Jahr 1990 2007

1990 bis

2012 2012 2012 2012

Daten BMUB Dez.

2014 Mt CO2-Äq Mt CO2-Äq

Reduktions-

anteil in % Mt CO2-Äq

davon %-Anteil, dem Konsum der Haushalte

anzurechnen Beschreibung des Anteils

Anteile Konsum Pr.

Haushalte in MtCO2-Äq

Energiewirtschaft 458 403 17,70% 377 42%

aus Energiewirtschaft: Strom für Haushalt + Brennstoff-Endenergie

für Hauhalt + Individualverkehr 158

Landwirtschaft 99 75 23,20% 76 80%

für Ernährung CO2 einschl.

Methan und N2O 61

Fosrtwirtschaft NN NN NN 80% Brenn- und Bau- und Möbelholz

Industrie 276 201 33,00% 185 70% indirekte THG zur Herstellung von 130

Gewerbe, Handel,

Dienstleistungen 81 39 48,10% 42 70%

indirekte THG zur Herstellung von

Gütern 29

Verkehr 160 150 5,60% 151 75%

direkt aus Verbrennung von Benzin, Diesel für

Individualverkehr, plus Emission

öffentl Personenverkehr 113

Haushalte 131 89 28,20% 94 100% direkte Emission Verbrennung 94

übrige 46 20 67,40% 15 70% indirekte THG zur Herstellung von 11

Summe 1.251 977 24,86% 940 66% abgeschätzer Gesamtbetrag 596

Workshop-Einleitung-2

• Energiewirtschaft und EVU (Energieversorgungsunternehmen)

Mittelfristig: der Konsument steht im Dialog mit den EVU u. wählt aus einer Palette von Strom und Brennstoffen aus (Ökostrom, Biogas,

Fernwärme), und kann damit die THG-Emission minimieren. Langfristig eig. Heizkraftwerk (Strom-Wärmeerzeugung) im Keller. Photovoltaik auf dem Dach und Stromeinspeisung

• Landwirtschaft und Ernährung (APKS 4.9): Mit der Kenntnis der

Treibhausfaktoren von pflanzlichen und tierischen Nahrungsmitteln lässt sich die Emission minimieren. Übergang zu einer pflanzenbetonten

Ernährung. Der Treibhausausstoß für Rindfleisch ist 3-4 mal größer als der von Schweinefleisch oder Geflügel.

• Forstwirtschaft und Nutzung von nachhaltigen Holzprodukten. Global wird je die Hälfte des emittierten und nicht in der Atmosphäre

verbleibenden CO2 in den Ozeanen und in der Landbiosphäre,

hauptsächlich Wälder, gespeichert. Es macht Sinn dieses Holz zu nutzen und die Möglichkeit für weitere CO2-Speicherung zu eröffnen.

Workshop-Einleitung-3

• Industrie, GHD und übrige. Unser kombiniertes Ausgaben-Energie-THG- Modell zeigt dass mit dem Konsum nur 40% direkte Energie- und THG- Emissionen verknüpft sind, jedoch 60% der kumulierten Energie und THG den Gütern aus Industrie und GHD zuzurechnen sind.

• Verkehr und private Mobilität (APKS 4.6). Die weitausgrößten Emissionen gehen auf den privaten Automobilverkehr zurück, ergänzt durch den

öffentliche Personen-Nahverkehr, Bahn und Bus-Fernverkehr und Flugverkehr. Güterkraftverkehr Ziel: Kleinere und effizientere Autos, Elektroautos mit Ökostrom , car-Sharing, Ausbau, Verlässlichkeit und Bequemlichkeit des öffentlicher Verkehrs, Rad- und Fußverkehr.

• Haushalte. Hier entstehen die direkten Emissionen aus der Verbrennung von Kohle und Mineralölerzeugnissen. Siehe auch APKS 4.5

Klimafreundliches Bauen und Wohnen. Verbesserter Gebäude-

Energieeffizienz und langfristiger Anpassung an den Klimawandel. Schutz vor Sommerhitze kann gleichzeig gezielt Schutz vor Winterkälte sein. Smart Grid für Heizungs-Schaltung. Wohnmodelle A) Suffizienz, B) Komfort und C)

Ökologie (Holzchips)

Workshop-Einleitung-4

• Forschung und Entwicklung –Schwerpunkt Transformationsforschung (APKS 4.12). Im besonderen Sozialökologische Forschung und Anwendung.

Verknüpfung von naturwissenschaftlichen mit sozialökologischen

Erkenntnissen. Auch Beratung, Aufklärung und Eigeninitiative für mehr Klimaschutz. Zusammenhang zwischen Energieverbrauch und THG-

Emission. Indikatoren für Energie und THG pro Euro.

• Der Private Haushalt im sozialen Netzwerk der Kommune und der Stadt APKS 5 (Ziel Null-Emissionsstadt)

• Politische Instrumente (APKS 4.2). Emissionshandel und internationale Zusammenarbeit. Marktwirtschaftliche Lösung weltweite CO2-Zetifikate.

Zusätzlicher Vorschlag: Ein Instrument, das sich an der Höhe des privaten Konsums, über Ländergrenzen hinweg, orientiert, könnte zur Abschätzung des potentiellen Klimaschadens und damit zur entsprechenden

Besteuerung herangezogen werden. Konventionelles Modell: Kontraktion der Industrieländer, und Konvergenz der Entwicklungsländer.

Vortrag Prof. Kohlmaier

Klimaentwicklung und

Kohlenstoffkreislauf

2014 gleich 2 Rekorde: Wärmstes Jahr weltweit seit 1880, und wärmstes Jahr in Deutschland seit 1881

• 30.12.2014, und bestätigt 19.01.2015 dwd Deutscher Wetterdienst Offenbach. Deutschland wärmstes Jahr seit Beginn der flächendeckenden Messungen in 1880

• NASA und NOAA 16.01.2015: 2014 war weltweit das wärmste Jahr seit Aufzeichnungsbeginn 1880.

Was sich bereits Ende vergangenen Jahres abzeichnete, ist nun von zwei unabhängigen Institutionen offiziell

bestätigt worden. Nach Auswertungen der NASA und

der US-Wetterbehörde NOAA war 2014 das wärmste

Jahr seit Beginn flächendeckender Messungen im Jahr

1880. Details von Prof. Schönwiese später

2014 Wärmstes Jahr weltweit seit 1880 –

Ergebnisse NOAA

2014 Wärmstes Jahr weltweit seit 1880–Auswertung NOAA

• Laut NOAA lag die Weltmitteltemperatur vergangenes Jahr 0,69 Grad über dem Mittel des 20. Jahrhunderts von 13,9 Grad. Die

bisher wärmsten Jahre waren mit einer Abweichung von 0,65 Grad 2005 und 2010.

Klimarelevant: Die 10 wärmsten Jahre fallen allesamt in den Zeitraum ab 1998. Betrachtet man die Daten der Landflächen isoliert, so liegt 2014 nach 2005, 2007 und 2010 nur auf dem vierten Platz.

Jedoch waren im vergangenen Jahr die Messwerte über den Ozeanflächen deutlich höher als bisher, so dass auch in den kombinierten Daten insgesamt ein Rekord zu verzeichnen war.

Über den Landflächen war es insbesondere in Europa und auch in

Deutschland besonders warm. Hier war 2014 ebenfalls das bisher

wärmste Jahr.

Und noch ein Rekord: Rohölpreis sinkt vom

Durchschnittspreis 100 US-$/Barrel in den Jahren 2011 -2014 auf 56 US-$/Barrel heute (05.02.15)

• Direkter Effekt: höherer Verbrauch von Erdöl und Erdgas; und damit noch stärkerer Ausstoß von CO2

• Gleichzeitige Empfehlung von Ökonomen und Klimawissenschaftlern (zuletzt World Economic Forum in Davos 22.01.2015) Anhebung der

europäischen CO₂-Emissionszertifikate von praktisch Null, genauer 6 € (7 US-$) auf einen sinnvollen Betrag.

Christiana Figueres, Diplomat aus Costa Riva und Vorsitzende der United Nations-led negotiations on climate change.

• 1 Barrel Öl emittiert 2,67*159 kg CO₂ = 425 kg CO₂ – 1 Tonne CO₂entspricht dann 2,36 Barrel

• Die Erhöhung der Zertifikate auf 20, 40 oder 60 US-$/Tonne CO₂, die auf den Ölpreis angerechnet würden, entspräche dann einer Erhöhung des Ölpreises um 20/2,36 =8,5 US-$, 17,0 US-$, 25,5 US-$, vergleichbar wenig zur Senkung des Ölpreises um 45 US-$.

Top-10 –Zeitliche Entwicklung des Weltenergiebedarfs

Weltenergiebedarf

Land 1990 2000 2013 Anteil in %

Kumulation in %

Exajoule Exajoule Exajoule

China 27.8 41.0 119.4 22.4 22.4

USA 82.4 96.9 94.9 17.8 40.2

Russland 36.2 25.9 29.3 5.5 45.7

Indien 7.6 12.4 24.9 4.7 50.4

Japan 18.2 21.7 19.8 3.7 54.1

Kanada 10.5 12.7 13.9 2.6 56.7

Deutschland 14.6 13.9 13.6 2.6 59.3

Brasilien 5.2 7.8 11.9 2.2 61.5

Südkorea 3.8 8.1 11.4 2.1 63.6

Frankreich 9.2 10.8 10.4 2 65.0

538 EJ 215.5 251.3 349.5 Welt 2013 EJ 538 EJ

Top-10 –Welt-Primärenergienachfrage (Jahr 2013), nach unterschiedlichen Energieträgern

Rang Land Erdöl Erdgas Kohle Kern- Wasser- Sonstige¹Gesamt

energie kraft

1 EJ=1^10+18 J EJ EJ EJ EJ EJ EJ EJ

1. China 19,3 4,9 77,0 0,8 6,6 0,7 109,4

2. USA 34,9 26,2 21,0 7,9 3,1 1,9 95,0

3. Russland 5,7 16,0 3,8 1,6 1,6 0,0 28,7

4. Indien 6,8 2,3 12,4 0,3 1,2 0,4 23,4

5. Japan 8,4 4,0 4,9 1,5 0,8 0,3 20,0

6. Kanada 4,3 3,9 0,9 0,9 3,6 0,2 13,8

7. Deutschland 4,7 2,7 3,2 1,0 0,2 1,0 12,8

8. Brasilien 5,1 1,0 0,6 0,1 4,1 0,3 11,2

9. Südkorea 4,4 1,8 3,3 1,4 0,1 0,0 11,0

10. Frankreich 3,5 1,5 0,4 4,2 0,4 0,2 10,2

65,00% Top10 97,1 64,4 127,6 19,9 21,6 5,0 335,6

Primärenergieverbrauch in der BRD

Primärenergieverbrauch in der Bundesrepublik Deutschland 1 TWh=

Angaben in Petajoule 1 PJ =10^15 J PJ PJ PJ 1 PJ/3,6

Energieträger 1990 1995 2013 2013 in %

fossile Energieträger 13.017 12.282 11.193 79,9

Mineralöl 5.217 5.689 4.637 33,1

Erdgas, Erdölgas 2.293 2.799 3.152 22,5

Steinkohle 2.306 2.060 1.779 12,7

Braunkohle 3.201 1.734 1.625 11,6

Kernenergie 1.668 1.682 1.058 7,6

Erneuerbare Energien 197,0 274,0 1.653,0 11,8

Brennstoffe aus erneuerbaren Energiequellen 139 191 1.295 9,2

Photovoltaik, Wasser- und Windkraft 58 83 358 2,6

Außenhandelssaldo Strom 3 17 -119 -0,8

Sonstige 22 13 219 1,5

Primärenergie Gesamt 14.907 14.268 14.004 100,0

Primärenergie Gesamt in TWh 4.141 3.963 3.890 100

Endenergie Gesamt in TWh 2.661 2.547 2.500 100

Berechnung der CO2-Äquivalent-Emissionen nach Bayerischem Landesamt für Umwelt

Energieträger Menge Einheit

direkter Emissions

faktor

Einheit

Menge CO2- Emissio

nen kg

indirekter Emissionsf

aktor inklusive

Einheit

Menge CO2- Emission

en kg

Emission sfaktor gesamt

Einheit

Strom 1,00 kWh - - 0,576 kg/kWh 0,58 kg

Heizöl 1,00 l 2,670 kg/l 2,67 kg 0,422 kg/l 0,42 kg 3,092 kg/l 3,09 kg

Erdgas 1,00 m³ 2,010 kg/m³ 2,01 kg 0,375 kg/m³ 0,37 kg 2,385 kg/m³ 2,38 kg

Flüssiggas 1,00 l 1,600 kg/l 1,60 kg 0,221 kg/l 0,22 kg 1,821 kg/l 1,82 kg

Diesel 1,00 l 2,630 kg/l 2,63 kg 0,525 kg/l 0,52 kg 3,155 kg/l 3,15 kg

Benzin 1,00 l 2,330 kg/l 2,33 kg 0,544 kg/l 0,54 kg 2,874 kg/l 2,87 kg

Holzpellets 1,00 kg 0,137 kg/kg 0,14 kg 0,137 kg/kg 0,14 kg

Summe:

14,04 kg

Anmerkungen: Benzinverältnis 0,810636

Dieselverältnis 0,833602

Beispiel: Erdgasverhältnis0,842941

Rechnung: 50 l * 3,092 kg/l =154,6 kg Heizölverhältnis0,863511

Einsparung von 50 l Heizöl ergibt eine CO₂-Einsparung von 154,6 kg!

Gesamtmenge CO2

(inkl. Vorkette)

- -

-

Die verbrauchte/eingesparte Menge des jeweiligen Energieträgers multipliziert mit dem Gesamtemissionsfaktor ergibt die Gesamtmenge CO

• Germany

• Bunkers fuel used for international transport is 3% of global emissions

Statistical differences between the global estimates and sum of national totals is 3% of global emissions Source: CDIAC; Le Quéré et al 2014; Global Carbon Budget 2014

Anteil CO2 DE etwa 2,2% der Weltemission

More information, data sources and data files:

www.globalcarbonproject.org Contact: c.lequere@uea.ac.uk

More information, data sources and data files:

www.globalcarbonatlas.org Contact: philippe.ciais@lsce.ipsl.fr

CO2-Daten weltweit: Global Carbon Project

Fossil Fuel and Cement Emissions

Global fossil fuel and cement emissions: 36.1 ± 1.8 GtCO₂ in 2013, 61% over 1990 Projection for 2014 : 37.0 ± 1.9 GtCO₂, 65% over 1990

Estimates for 2011, 2012, and 2013 are preliminary

Source: CDIAC; Le Quéré et al 2014; Global Carbon Budget 2014

Uncertainty is ±5% for one standard deviation

(IPCC “likely” range)

Top Fossil Fuel Emitters (Absolute)

The top four emitters in 2013 covered 58% of global emissions China (28%), United States (14%), EU28 (10%), India (7%)

Bunkers fuel used for international transport is 3% of global emissions

Statistical differences between the global estimates and sum of national totals is 3% of global emissions Source: CDIAC; Le Quéré et al 2014; Global Carbon Budget 2014

Top Fossil Fuel Emitters (Per Capita)

China’s per capita emissions have passed the EU28 and are 45% above the global average

Source: CDIAC; Le Quéré et al 2014; Global Carbon Budget 2014

Per capita emissions in 2013

Anthropogenic Perturbation of the Global Carbon Cycle

Perturbation of the global carbon cycle caused by anthropogenic activities, averaged globally for the decade 2004–2013 (GtCO₂/yr)

Source: CDIAC;NOAA-ESRL; Le Quéré et al 2014; Global Carbon Budget 2014

Data: CDIAC/NOAA-ESRL/GCP

Fate of Anthropogenic CO

Emissions (2004-2013 average)

Source: CDIAC; NOAA-ESRL; Houghton et al 2012; Giglio et al 2013; Le Quéré et al 2014; Global Carbon Budget 2014

26%

9.4 ± 1.8 GtCO

/yr 32.4 ± 1.6 GtCO

/yr 91%

+

3.3 ± 1.8 GtCO

/yr 9%

10.6 ± 2.9 GtCO

/yr 29%

Calculated as the residual of all other flux components

15.8 ± 0.4 GtCO

/yr

44%

Die Senkenfunktion der Ozeane

• Die CO2-Aufnahme durch die Ozeane ist mechanistisch und

physikalisch chemisch relativ gut verstanden, ganz im Gegensatz zur Landbiosphäre, die sich in fast allen Untersuchungen nur als Differenz aus der anthropogen bedingten CO2-Emission und der Aufnahme durch die Atmosphäre und die Ozeane darstellt.

Bei der Modellierung der Ozeanaufnahme wird die Aufnahme in die gut durchmischte Oberflächenschicht, unter Berücksichtigung des Revelle-Puffer-faktors (~10), der dem Gleichgewicht zwischen

gelöstem CO2, Bicarbonat und Carbonat Rechnung trägt, bestimmt Das absorbierte CO2 in Form von CO2gelöst/Bicarbonat/Carbonat wird durch Advektionsprozesse in die Tiefe weitergeleitet,

unterstützt durch die biologische Pumpe, dem Rieseln von totem

organischen Material in die Meerestiefe. Management der Meere

durch Eisen-Düngung als kritischer Liebig Faktor, ist ökologisch

nicht günstig.

Senkenfunktion der Landbiosphäre und CO ₂ - Management

• Die Senkenfunktion der Landbiosphäre ist bis heute nur unvollkommen verstanden.

Sie ist aber außerordentlich wichtig, da sie z.Z. nach den

Forstinventurmessungen (s.u.) einschließlich der Veränderungen des Bodenkohlenstoffs ebenso viel CO2 aufnehmen könnte wie die Ozeane.

Zudem ist das assimilierte CO₂ als Holz ein außerordentlicher wichtiger Roh- und Brennstoff.

Modellergebnisse zeigen, dass gerade die Entnahme von Biomasse für weiteres Nachwachsen wichtig ist.

Wird das Holz als Brennstoff genutzt, besteht sogar unter gegebenen

ökonomischen Voraussetzungen die Möglichkeit, das CO₂ einzufangen und in Kavernen zu speichern (CCS).

So bietet das Management des Biomassezuwachses einen Tripelvorteil, das assimilierte CO₂ kann als Holz genutzt werden, das Nachwachsen wird durch die Entnahme begünstigt, und schließlich kann bei Energienutzung das eingefangene CO₂ gespeichert werden.

Gründe für die Nettoaufnahme von CO

durch die

Landbiosphäre (Vortrag Prof. Martin Heimann, MPI Jena)

Gründe für die Nettoaufnahme von CO

durch die

Landbiosphäre - Beobachtung Amplitude Point Barrow nimmt

zu, nach Prof. Heimann, MPI Jena 2013

Gründe für die Nettoaufnahme von CO

durch die Landbiosphäre - Beobachtung Amplitude nimmt zu –Analyse für die gesamte Nördliche Hemisphäre durch die Mauna Loa Station in 19° N.B.

1989 – Eigene Arbeiten vor 25 Jahren

• Tellis B, Vol 41, No 5 (1989)

• Modelling the seasonal contribution of a CO

fertilization

effect of the terrestrial vegetation to the amplitude increase in atmospheric CO

at Mauna Loa Observatory

• Gundolf H. Kohlmaier, Ernst-Olof Siré, Alex Janecek, Charles D. Keeling, Stephen C. Piper, Roger Revelle

• Der kombinierte CO2-Düngungseffekt berücksichtigt nicht nur die verstärkte Photosynthese, sondern auch die erhöhte

Wassernutzungseffizienz (Anpassung –Reduktion der Stomata-Öffnungen an erhöhten CO2-Partial-Druck),

außerdem die partiell erhöhte Verfügbarkeit von anderen

Nährstoffen.

Gründe für die Nettoaufnahme von CO

durch die

Landbiosphäre – Forstinventare dokumentieren CO2-Senke

Gründe für die Nettoaufnahme von CO

durch die

Landbiosphäre – Forstinventare dokumentieren CO

-Senke

• Goodale C.L., Apps M.J., Birdsey R.A., Field C.B., Heath L.S., Houghton R.A., Jenkins J.C., Kohlmaier G.H., Kurz W., Liu S., Nabuurs G.-J., Nilsson S., Shvidenko A.Z. (2002). "Forest

carbon sinks in the Northern Hemisphere". Ecological Applications 12 (3): 891–899.

• Kohlmaier, G.2000: Klimatische Aspekte: Aufforstung,

Kohlenstoffmanagement und Brennholznutzung in der OECD:

Wie Bedeutsam ist der Beitrag zur CO2-Minderung innerhalb des Kyoto-Protokolls?: In: Schulte, A.: Forstwirtschaft nach Kyoto. Der Wald als Kohlenstoffspeicher und regenerativer Energieträger. Internationaler und Interdisziplinärer Kongress.

Proceedings.Paderborn

Gründe für die Nettoaufnahme von CO

durch die Landbiosphäre – Forstinventare dokumentieren CO

-Senke Pan et al, Science 333,

988-993 (2011)

CO

-Austauschprozesse zwischen der Landbiosphäre

und der Atmosphäre – Eigene Arbeiten 1997

Zusammenfassung: Wieviel anthropogenes CO ₂ bleibt z. Z. in der Atmosphäre ?

• Die Landbiosphäre nimmt etwa 25% der anthropogenen CO

-Emissionen auf. Der

Senkenprozess ist noch umstritten. Der CO

-

Düngungseffekt dürfte eine wichtige Rolle spielen.

• Der Ozean nimmt ebenfalls etwa 25% der anthropogenen Emissionen auf

• Etwa 50% verbleiben in der Atmosphäre