Klima und Energie

1. V_EKW3_0cUebersicht_Biomasse.ppt Klima und Energie Tel.: (49)  0681/ 302-2737; Fax /302-4676 e-mail: Luther.Gerhard@vdi.deluther.gerhard@mx.uni-saarland.de(für größere Dateien) Homepage: http://www.uni-saarland.de/fak7/fze/ Dr. Gerhard LutherUniversität des Saarlandes, FSt. Zukunftsenergie c/o Technische Physik – Bau E26 D-66041 SaarbrückenEU - Germany

2. Hier geht‘s weiter Klima und Energie 0. Klima <> Energie 1. Der Problemdruck - Warum müssen wir handeln 1.1 Ein Entwicklungsproblem 1.2 Ein Energieproblem (Endlichkeit der Ressourcen; Lieferengpässe : Preise) 1.3 Ein Klimaproblem 2. Wo stehen wir und was ist zu erwarten 2.1 CO2 und Energieeinsparung in BRD 1990 – 2005 2.2 Trend und Trend-brechende Aktivitäten:2.2aZum Reizthema: Vorzeitiges Abschalten der AKW‘s 3. Einige Trendbrecher zur CO2-Einsparung 3.1 Sonnenenergie (Offshore Wind, Biomasse, direkte Umwandlung) 3.2 Energieeinsparung beim Verbrauch 3.3 Fossile Kraftwerke hoher Effizienz Strategische Reserve: demnächst: 3.4 Fossile Kraftwerke mit CO2 Sequester 3.5 Solarthermische Kraftwerke im Süden vermutlich bald: 3.6 Kernkraftwerke der „Generation IV“(inhärent sicher, nachhaltig, Proliferations-gesichert) vielleicht: 3.7 Fusionsreaktor ( Iter, Demo, Proto, >> „Standard FuKw“)

3. 3.12 Biomasse

4. 3.12. 3.12.0 Was ist alles Biomasse 3.12.1 Gegenwärtige Biomasse Nutzung bei uns (in BRD und EU) 3.12.2 Traditional Biomass Use in the World 3.12.3 Potentiale der Biomasse 3.12.4 Große Vielfalt der Biomasse Nutzung 3.12.5 Förderung von Strom aus Biomasse durch das EEG 3.12.6 Energiepflanzen: Für manche noch ein gewöhnungsbedürftiger Gedanke (nur Hinweis) 3.12.7 Die Erde als Verwerter von Sonnenenergie 3.12.71 Die Erde aus dem Weltall betrachtet 3.12.72 Welchen Anteil der Erde dürfen wir bewirtschaften?? Nur eine Frage-keine Antwort 3.12.73 Einige pflanzenökologische Grundlagen .730 Hauptsätze der Ökologie; . 731 Ökologische Grundbegriffe .732 Nichlinearität der Prozess-Umwelt Beziehung .733 Das Ökosytem und seine Struktur .734 Produktion in der Sukzession (fehlt noch) 3.12.74Wieviel produzieren die natürlichen Ökosysteme .741 BiomasseSpeicher .742 BiomasseProduktion 3.12.8 Hinweis auf eine umfassende Biomasse-Vorlesung im www.

5. 3.12.0 Was ist Biomasse Quelle: siehe Kopfzeile; U-Stgt-IER ; Prof. Grundlagen der Nutzung Erneuerbarer Energien II- Biomasse; SS2005, Folie 1.08

6. Quelle: siehe Kopfzeile; U-Stgt-IER ; Prof. Eltrop: Grundlagen der Nutzung Erneuerbarer Energien II- Biomasse; SS2005, Folie 1.19

7. 3.12.1 Gegenwärtige Biomasse Nutzung bei uns(in BRD und EU)

8. Zum Vergleich:Endenergie BRD 2002 ca. = 9,3 [EJ] = 0,47 [EJ] Wasser biogene Brenstoffe Wärme Wind Bio- Diesel Bio- Strom G S Wdh. aus 1.1521 End- und Primärenergie aus RE, in BRD Wiederholung aus EKW1 BRD:Endenergie aus erneuerbaren Energien in 2004 Biostrom = 1. {Biogas+Klärgas+Deponiegas} 2. Biogener (=50%) Anteil Abfallverbrennung 3. biogene FestBrennstoffe Quelle: BMU (F.Staiß e.a.):“Erneuerbare Energien in Zahlen – nationale und internationale Entwicklung – Stand: Juni 2005“ ; Seite 11 verfügbar über: http://www.erneuerbare-energien.de

9. France BRD Wa Wind B Wdh aus: 1.1523 RE in Europa und in der Welt Wiederholung aus EKW1 EU15: 2002:Anteil erneuerbarer Energien an Primärenergie Quelle: BMU (F.Staiß e.a.):“Erneuerbare Energien in Zahlen – nationale und internationale Entwicklung – Stand: März 2004 –“ ; Seite 26

10. Vorherrschend: Biomasse EU25: 2004:Anteil erneuerbarer Energien an Primärenergie Quelle: BMU (F.Staiß e.a.):“Erneuerbare Energien in Zahlen – nationale und internationale Entwicklung – Stand: Dezember 2005, p.24“ ;

11. Vergleich der Angaben für 2002 und 2004: be careful !! France BRD Wa Wind B 2002 AD 2004 AD Quelle: BMU (F.Staiß e.a.):“Erneuerbare Energien in Zahlen – …– Stand: März 2004 p. 26 und Stand 2005.12-Internet-Update_p.24

12. Wiederholung aus EKW1 EU 2003: Nutzung erneuerbarer Energien ( Endenergie) France BRD Wind Vorherrschend: Biomasse Geothermie Quelle: BMU (F.Staiß e.a.):“Erneuerbare Energien in Zahlen – nationale und internationale Entwicklung – Stand:Juni 2005 –“ ; Seite 29

13. 3.12.2 Traditional Biomass Use in the World

14. The Link between Povertyand Share of Traditional Biomass in Residential Energy Consumption (%) IEA: World Energy Outlook 2002, Chap. 13 Energy & Power,Fig.13.12; p.28

15. Share of Traditional Biomass in Residential Energy Consumption , 2000 IEA: World Energy Outlook 2002, Chap. 13 Energy & Power,Fig.13.12; p.28

16. 3.12.3 Potentiale der Biomasse

17. Quelle: siehe Kopfzeile; U-Stgt-IER ; Prof. Eltrop: Grundlagen der Nutzung Erneuerbarer Energien II- Biomasse; SS2005, Folie 1.26

18. Quelle: siehe Kopfzeile; U-Stgt-IER ; Prof. Eltrop: Grundlagen der Nutzung Erneuerbarer Energien II- Biomasse; SS2005, Folie 1.32

19. Potentiale zur Nutzung von Biomasse in BRD unter Berücksichtigung von Nutzungskonkurrenzen im Jahr 2050 BQuelle: DPG-Klimaschutzstudie 2005, p.52UrQuelle: Nitsch, J e.a.: „Ökologisch optimierter Ausbau der Nutzung erneuerbarer Energien in Deutschland,(2004)“, Abb.5.2.; BMU-Studie

20. Technische Potenziale an festen Bioenergieträgern in der Welt Zum Vergleich: Primärenergieverbrauch Welt 2000: 400 EJ/a. [5] BQuelle: DPG-Klimaschutzstudie 2005, p.50 : Urquelle: BMVEL: Leitfaden Bioenergie (CD)

21. 3.12.4 Große Vielfalt der Biomasse Nutzung Methoden: direkt,thermochemisch Umwandlung,physiko-chemisch Umwandlung,biochemisch Umwandlung Produkte: Wärme, Strom, Treibstoff, Materialien Also: Biomasse: universell und ewig, aber limitiertes „Einkommen“

22. Quelle: siehe Kopfzeile;U-Stgt-IER: Prof. Eltrop: Grundlagen der Nutzung Ereneuerbarer Energien II- Biomasse; SS2005, Folie 1.17

23. Eine andere Darstellung: Quelle ZAE-Gaderer2002 in: http://www.muc.zae-bayern.de/zae/a4/deutsch/pub/gaderer/Thermische_Biomassenutzung.pdf p.2

24. 3.12.5 Förderung von Strom aus Biomasse durch das EEG BQuelle: http://www.gesetze-im-internet.de/bundesrecht/eeg_2004/gesamt.pdf

25. Nur der Vollständigkeit halber angegeben:

26. Nur der Vollständigkeit halber angegeben:

27. Nur der Vollständigkeit halber angegeben:

28. Noch relativ übersichtliche Zusammenfassung Quelle: BMU (F.Staiß e.a.):“Erneuerbare Energien in Zahlen – nationale und internationale Entwicklung – Stand: Dezember 2005, p.19“ ;

29. 3.12.6 Energiepflanzen: Für manche noch ein gewöhnungsbedürftiger Gedanke

30. 3.12.7 Die Erde als Verwerter von Sonnenenergie

31. 3.12.71 Wir betrachten die Erde zunächst aus dem Weltall

32. Wie grün ist die Erde The photograph which shows the relativelv small proportion of the earth covred by vegetation Siehe auch quantitative Darstellung in Folie 63 Global Net Productivity, H.Lieth, Uni Osnabrück BQuelle: Lovelock

33. The Earth at Night as seen from space A composite photograph showing the earth at night as seen from space, illustrating the massive amounts of energy used by humans and the spread of urban areas. BQuelle: Lovelock

34. LEBEN und Wüste in den Weltmeeren Algal life in the oceans: - abundantcoloured red and yellow, - sparse coloured blue and purpIe and showing the tropical ocean deserts. Ocean algae are essential for climate regulation (CO2 sink). BQuelle: Lovelock

35. 3.12.72 In welchem Anteil und Ausmaße können, müssen, wollen, dürfen wirdie Erdebewirtschaften???

36. Dorset, England. Pre-agribusiness English countryside. BQuelle: Lovelock

37. --- How we are changing the face of the Earth to feed six billion people. It is as much j. part of g~ating as greenhouse gas emissions.r ) ( / BQuelle: Lovelock

38. 3.12.73 Einige Pflanzenökologische Grundlagen

39. Meine Quelle für die Fakten: Ein wirklich tolles Buch !! Insbesondere die Kapitel aus Teil 4 Ökologie von Prof. Christian Körner, Basel >>>>> Hinweis: Vortrag von C. Körner beim AKE: „Wälder als CO2-Speicher“ : http://www.uni-saarland.de/fak7/fze/AKE_Archiv/AKE2006F/Links_AKE2006F.htm#AKE2006F_05

40. 3.12.730 Bemühungen um ein konzeptionelles Gedankengebäude „Hauptsätze“ der Ökologie • Jede ungestört wachsende Population von Individuen erreicht Ressourcen-Limitierung • In einem gemeinsamen Lebensraum können zwei Arten nur dann auf Dauer existieren, wenn sie unterschiedliche funktionelle Nischen besetzen. • Die Bestandesdichte beeinflusst Populationen oder Artengemeinschaften so, dass sich die Individuenzahl stabilisiert oder zyklischen Änderungen unterliegt. • Die verfügbare Energie verringert sich entlang der Nahrungskette Der rote Faden: Ressourcen und Raumlimitierung Quelle: Körner in /Strasburger –Lehrbuch der Botanik, 35.Auflage/, p.889

41. 3.12.731 Ökologische Grundbegriffe: Ressource für Pflanzen:Sonnenstrahlung Bodennähstoffe, Wasser Symbionten und Bestäuberweiterhin: Temperatur, Raum als „Platz“ , Zeitnischen (z.B. für Blüte) Ökologische Nische: eine bestimmte Konstellation von Ressourcenangebot undStörung Störung von Ökosystemen:ziemlich allgegenwärtig; z.B.: Feuer, Überflutung, Kahlfraß ; Beweidung „gap dynamic“ durch umgestürzte Bäume im Wald Der Angelpunkt: Ressourcen und Raum-Limitierung Quelle: Körner in /Strasburger –Lehrbuch der Botanik, 35.Auflage/, p.889

42. Limitierung, Fitness, Optimum: • Limitierung • Limitierung wovon (also: was gibt es zu wenig?): Licht, Wasser, Nährstoffe, Sonne • Limitierungwofür (also: welche Zielvariable wird begrenzt ?): • Zwei grundsätzlich verschiedene Ansatzpunkte:(1) Produktion von Biomasse, Wachstum Agrarwissenschaften haben Biomasse orientiertes Limitierungskonzept • (2) Existenz (Fortbestehen) von Arten in einem Lebensraum: Ökologie eine Ressourcenlimitierung für die Biomasse (z.B. Stickstoffmangel) kann z.B. die Existenz- bedingung für das Fortbestehen spezieller Arten sein (da es die Konkurrenz vom Hals hält) • Biodiversität wird durch wachstumsbegrenzenden Mangel befördert. • Fitness: • Langfristig als Art im Raum präsent zu bleibenund erfolgreiche Nachkommenhervorbringen • Fitness kann, sie muss aber nicht mit großer individueller Biomasse einhergehen !! Quelle: Körner in /Strasburger –Lehrbuch der Botanik, 35.Auflage/, p.890

43. Limitierung, Fitness, Optimum • Optimierung • (1) Agronomische Optimierung :Produktion von Biomasse, Wachstum Unter welchen Umweltbedingungen ergibt sich das größte Wachstum, Leistungsoptimum aber oft verminderte Widerstandkraft • (2) Ökologische Optimierung: Existenzsicherung von Arten Resultat einer optimalen Harmonisierung vieler Lebensfunktionen • ( neben Biomasse auch Fortpflanzung, Standorterhalt etc.) • Folge der ökologischenMaximierung: Man kann nicht davon ausgehen, dass dort wo Arten ihr Häufigkeitsmaximum haben die einzelnen Umweltfaktoren im Optimalbereich für die Biomasseproduktion dieser Arten liegen Quelle: Körner in /Strasburger –Lehrbuch der Botanik, 35.Auflage/, p.890

44. Ökologisches Optimum unter Konkurrenz meist nichtbei maximaler Wuchsleistung unter Isolierung Quelle: Körner in /Strasburger –Lehrbuch der Botanik, 35.Auflage/,Abb.12.1

45. Abb. 12.1: Natürliches Vorkommen undmaximaleWuchsleistung von isolierten Individuen einer Pflanzenart entlang eines Umweltgradienten. Zwischen der größten Häufigkeit des Vorkommens einer Art (ökologisches Optimum) und jenen Bedingungen unter denen in einem Experiment ohne Konkurrenz von anderen Arten die höchsten Wuchsleistungen erzielt wird, besteht meisten ein deutlicher Unterschied. Diese Diskrepanz wird durch dieWechselwirkung abiotischer und biotischer Faktoren und Störungenam Wildstandort ( Konkurrenz, Herbivore, pathogene, Symbionten, Feuer, mechanische Beeinträchtigungen) erklärt oder hat historische Gründe (Ausbreitungsgeschwindigkeit). Häufig sind unter physiologisch optimalen Wachstumsbedingungen für eine Artandere Arten konkurrenzfähiger, weil sie mit irgendeinem der Standortfaktoren besser zurechtkommen oder zuerst da waren. Die Häufigkeitsverteilung kann auch mehrgipfelig, extrem schmal oder sehr breit sein. Quelle: Körner in /Strasburger –Lehrbuch der Botanik, 35.Auflage/,Abb.12.1 _Bildunterschrift

46. 3.12.732 Nichlinearität der Prozess-Umwelt Beziehung Nichtlinearität von Prozess-Umwelt-beziehungen ist die Regel. Typische Beispiele: Temperaturwirkung auf Atmung und WachstumCO2-Wirkung auf Photosynthese LichtwirkungaufPhotosynthese >>>>

47. Variable Lichtintensität(A) und Photosyntheserate(B) L = linearer Bereich, initial slope K = nicht linearer Bereich S = Sättigungsbereich Quelle: Körner in /Strasburger –Lehrbuch der Botanik, 35.Auflage/,Abb.12.3, p.893

48. Lichtwirkung auf die Photosynthese: • Maßgeblich ist nicht die aufsummierte Globalstrahlung • sondern Integral { Photosyntheserate( Lichtintensität( t) ) }dt • Die Blattphotsynthese der meisten Pflanzen istbei 25% der vollen Sonnenstrahlung nahezu lichtgesättigt ! • Bei sehr schwachem Licht reagiert die Photosynthese sehr empfindlich (eben linear) Quelle: Körner in /Strasburger –Lehrbuch der Botanik, 35.Auflage/, p.892

49. 3.12.733 Das Ökosytem und seine Struktur Öksystem := Gesamtheit aus interagierenden abiotischen und biotischen Komponenten in einem abgegrenzten Gebiet Ein sich weitgehend selbs regulierendes Wirkungsgefüge vonLebewesen und Umwelt Biotop := die abiotische Komponente, der Standort Biozönose := das lebende Inventar (Lebensgemeinschaft) Es existiert eine enge Verwobenheit zwischenBiotopund Biozönose. ( z.B. wo lange genug Fichten wachsen entsteht ein Fichtenwaldboden) Quelle: Körner in /Strasburger –Lehrbuch der Botanik, 35.Auflage/, p.894

50. Das Ökosytem und seine Struktur Hierarchische Struktur: Biozönose Phytozönose Population (Fortpflanzungsgemeinschaft) Individuum (Genotyp), Klon Taxonimische Struktur: Anwesenheit bestimmter Pflanzenarten prägt den Charakter eines ÖkosystemsBiozönose Artengefüge: Anzahl der Arten und relative Abundanz (Häufigkeit) der einzelnen Arten Biodiversität: durch Artenzahl quantifiziert, umfasst auch Vielfalt der Artengemeinschaften Funktionelle Struktur: Primärproduzenten Konsumenten (Lebendfresser) Herbivore (Pflanzenfresser) Carnivore (Räuber erster, zweiter und weiterer Ordnung Destruenten (Zersetzer) Detritophage (Abfallfresser wie Milben, Würmer)) Mineralisierer ( Bakterien, spezielle Pilze) Die Glieder jedes Ökosystems sind durch derartige Nahrungsketten (-netze), die Energieflüsse und stoffkreisläufe miteinander rückgekoppeltverknüpft. Daher: Gewisse Selbstregulation gegenüber von außen aufgeprägten Veränderungen Quelle: Körner in /Strasburger –Lehrbuch der Botanik, 35.Auflage/, p.894 +895