Kann man die Erderwärmung durch die Nutzung von nicht Erneuerbaren Energien visualisieren?
Kurz gefasst
Ja. Unser interaktives Modell zeigt vereinfacht, wie dauerhaft wachsender Energieverbrauch das Strahlungsgleichgewicht der Erde beeinflussen wird. Nicht nur Treibhausgase erwärmen die Erde. Jede vom Menschen genutzte Energie wird letztlich in Wärme umgewandelt. Heute ist dieser Effekt noch klein im Vergleich zum CO₂-Effekt. Während erneuerbare Energien überwiegend bestehende solare Energieflüsse nutzen, führen fossile Brennstoffe und Kernenergie dem Erdsystem zusätzliche Energie als sogenannte „thermische Umweltverschmutzung“ zu.Einleitung
In unserem FAQ-Beitrag „Was versteht man unter dem Begriff ‚physikalische Grenzen des Wachstums‘ in Bezug auf den zukünftigen Energiebedarf der Erde?“ sind wir darauf eingegangen, dass
- unter „thermischer Umweltverschmutzung“ jene anthropogenen Energiequellen verstanden werden, die dem Erdsystem zusätzliche Energie zuführen und nicht primär bestehende solare Energieflüsse nutzen,
- ➚ Murphy (2022) darauf hinwies, dass bei einem langfristigen Wachstum des weltweiten Primärenergieverbrauchs von etwa 2,3 % pro Jahr die direkte Abwärme langfristig zu einer fundamentalen physikalischen Begrenzung werden könnte. Murphy argumentierte, dass die Erde unter solchen Bedingungen in einigen Jahrhunderten Temperaturen erreichen könnte, die mit heutigen Lebensbedingungen nicht mehr vereinbar wären
(1) .
- die Erde als ➚ Schwarzer Körper oder auch „Schwarzer Strahler“ angesehen werden kann. Im Strahlungsgleichgewicht gleichen sich absorbierte und emittierte Leistung aus. Wird dem System zusätzliche Energie zugeführt, muss die Erde ihre Abstrahlung erhöhen, was gemäß dem Stefan–Boltzmann-Gesetz nur über eine Temperaturerhöhung möglich ist.
Im Zentrum der folgenden Visualisierung steht daher die grundlegende physikalische Betrachtung des planetaren Energiehaushalts der Erde:
- Jede vom Menschen genutzte Energie wird letztlich in Wärme umgewandelt und an das Erdsystem abgegeben.
- Erneuerbare Energien (Photovoltaik, Solarthermie, Wasserkraft, Windkraft, Umgebungswärme, Bioenergie und Meeresenergie) nutzen überwiegend bereits vorhandene Energieflüsse des Erde-Sonne-Systems. In erster Näherung verändern sie daher nicht die gesamte dem Erdsystem zugeführte Leistung, sondern vor allem die Form und zeitliche Verteilung der Energienutzung.
- Die Nutzung fossiler Brennstoffe, Kernenergie und geothermischer Energie kann dagegen als zusätzliche Energiezufuhr zum oberflächennahen Erdsystem betrachtet werden, die nicht unmittelbar Teil des aktuellen solaren Strahlungsgleichgewichts ist.
- Diese zusätzliche Energie muss langfristig durch erhöhte Wärmestrahlung an den Weltraum abgegeben werden. Nach dem Stefan–Boltzmann-Gesetz ist dafür eine höhere Gleichgewichtstemperatur erforderlich.
Interaktives Modell
Das für die Visualisierung genutzte Modell orientiert sich an der Argumentation von Tom W. Murphy
- Ausgangspunkt ist die Annahme, dass der globale Primärenergieverbrauch langfristig exponentiell wächst.
- Im Diagramm wird der gesamte Energieverbrauch auf den heutigen globalen Primärenergieverbrauch normiert. Der Gesamtenergieverbrauch startet daher mit dem Wert 1.
- Der Anteil der „Nicht Erneuerbare Energien“ (fossile Brennstoffe, Kernenergie und geothermische Energie) beträgt gegenwärtig etwa 85 % des weltweiten Primärenergieverbrauchs. Der entsprechende Graph startet daher bei 0,85.
- Der Anteil der „Erneuerbare Energien“ beträgt derzeit etwa 15 % und startet deshalb bei 0,15.
- Im Modell wird angenommen, dass nur die „Nicht Erneuerbare Energien“ dem oberflächennahen Erdsystem zusätzliche Energie zuführen, die nicht bereits Teil der aktuellen solaren Einstrahlung ist. Diese zusätzliche Energie muss langfristig durch eine erhöhte Wärmestrahlung kompensiert werden, was nach dem Stefan–Boltzmann-Gesetz zu einer Temperaturerhöhung führt.
Die resultierende zusätzliche Erwärmung ΔT wird als Funktion der Zeit dargestellt. - Das Modell wurde qualitativ mit der Aussage von Murphy
(1) abgeglichen: „Bei einer Wachstumsrate um den Faktor zehn pro Jahrhundert … würde die Oberflächentemperatur der Erde unter diesen unerbittlichen Bedingungen in etwas mehr als 400 Jahren den Siedepunkt von Wasser (373 K) erreichen.“
Das hier verwendete vereinfachte Modell ergibt bei einer Wachstumsrate der „Nicht Erneuerbare Energien“ von 2,3 % pro Jahr nach etwa 400 Jahren eine zusätzliche Erwärmung von ungefähr 70 °C, entsprechend einer globalen Mitteltemperatur von etwa 85 °C (70 °C + 15 °C heutige Mitteltemperatur). Das Ergebnis liegt damit unter der Abschätzung von Murphy, bewegt sich jedoch in derselben Größenordnung.
Ziel der Visualisierung ist keine Klimaprognose! Das Modell dient viel mehr als didaktisches Systemmodell zur Veranschaulichung einer grundlegenden physikalischen Fragestellung:
Gibt es physikalische Grenzen des Wachstums allein aufgrund des Energieverbrauchs?
Die Visualisierung soll verdeutlichen, dass Nachhaltigkeit nicht nur eine Frage von Emissionen, sondern auch von Energieflüssen, thermodynamischen Randbedingungen und planetaren Gleichgewichten ist.
Der globale Energieverbrauch wird dazu in erneuerbare und nicht erneuerbare Anteile aufgeteilt. Das interaktive Diagramm erlaubt die Untersuchung verschiedener Szenarien:
- Du kannst die Wachstumsrate für die „Nicht Erneuerbare Energien“ (Kernkraft + Fossil) in % pro Jahr festlegen. Der Ausgangswert der Wachstumsrate liegt bei 2,3 % pro Jahr.
- Du kannst ebenfalls die Wachstumsrate für „Erneuerbare Energien“ in % pro Jahr festlegen. Der Ausgangswert der Wachstumsrate liegt bei 5 % pro Jahr.
- Du kannst den betrachteten Zeithorizont variieren. Der Standardwert beträgt 200 Jahre.
In der grafischen Darstellung
- zeigt die Temperaturskala die „Zusätzliche Erwärmung ΔT in °C“ relativ zur heutigen Erde, nicht die absolute Temperatur und
- wurden die Energiewerte zusätzlich auf den heutigen globalen Primärenergieverbrauch normiert, sodass der Gesamtenergieverbrauch im Diagramm mit dem Wert 1 startet.
Denkanstöße
- Versuche die Startwerte für die „Wachstumsrate Nicht Erneuerbare Energien (Kernkraft + Fossil)“ und „Wachstumsrate Erneuerbare Energien in %/Jahr“ so zu ändern, dass der Temperaturanstieg unter 0,2 Grad / 200 Jahren liegt!
- Wie viel Wachstum macht auf der begrenzten Erde Sinn? Denke darüber nach, wie und wann die menschliche Gesellschaft aus dem Wachstums-Narrativ herauskommt.
- Ist die derzeitige Energiepolitik der Bundesrepublik im Sinne der nachfolgenden Generationen nachhaltig?
Dokumentation der Modellannahmen
Dieser Abschnitt ist nur zur Dokumentation des Modells gedacht und sprengt den Rahmen eines FAQ-Beitrages. Dennoch erscheint es sinnvoll, das interaktive Modell nicht von der Dokumentation zu trennen.
Modellgrenzen
Das hier verwendete Modell betrachtet keine zeitabhängige Klimadynamik, sondern ausschließlich die thermodynamische Änderung des langfristigen Gleichgewichtszustands. Weiterhin befindet sich die Erde in keinem statischen Strahlungsgleichgewicht. Menschliche Eingriffe verändern fortlaufend die Randbedingungen des planetaren Energiehaushalts und verschieben damit das Gleichgewichtsniveau.
Exponentielles Wachstum
Bisher lässt sich die Zunahme des globalen Primärenergiebedarfs durch ein exponentielles Wachstum modellieren:
$P(t) = P_{\text{human},0} \cdot e^{r t}$mit:
- $P_{\text{human},0} \approx 2 \times 10^{13}\,\text{W} \approx 20\,\text{TW}$
- $r$: Wachstumsrate
Aufteilung in Energiequellen
Wir unterscheiden in dem Modell zwei Beiträge mit getrennten Wachstumsraten:
- nicht erneuerbare Energie (fossil + Kernenergie)
$P_{\text{nicht-EE}}(t) = P_{\text{nicht-EE},0} \cdot e^{r_{\text{ne}} t}$ - erneuerbare Energie
$P_{\text{EE}}(t) = P_{\text{EE},0} \cdot e^{r_{\text{ee}} t}$
Es gelten folgende Startwerte:
- $P_{\text{nicht-EE},0} = 0,85 \cdot P_{\text{human},0}$
- $P_{\text{EE},0} = 0,15 \cdot P_{\text{human},0}$
- $P_{\text{human},0} = P_{\text{nicht-EE},0} + P_{\text{EE},0}$
Strahlungsgleichgewicht der Erde
Im stationären Gleichgewicht muss gelten, dass die absorbierte Energie der Erde der abgestrahlten langwelligen Infrarotstrahlung entspricht.
$F_{in}=F_{out}$Die abgegebene langwellige Strahlung wird beschrieben durch das ➚ Stefan-Boltzmann-Gesetz.
$F_{out}=σT^4$bzw.
${P =\sigma \cdot A\cdot T^{4}}$Parameter:
- $F_{out}$: abgestrahlte Leistung pro Fläche
- $P$: abgestrahlte Gesamtleistung
- $T$: effektive Strahlungstemperatur der Erde
- $σ$: Stefan–Boltzmann-Konstante
- $A$: Fläche der Erde
Ableitung des Visualisierungsmodells
Es gilt für heute:
$P_{solar} =\sigma \cdot A\cdot T_0^{4}$ mit $P_{solar} = 1.2 \times 10^{17}\,\text{W}$ und $T_0=288$ Kelvin.Zur Vereinfachung wurde angenommen, dass nur die Nutzung von „Nicht Erneuerbare Energien“ (fossile Brennstoffe, Kernenergie, geothermische Energie) das Strahlungsgleichgewicht verschiebt. Zu einem Zeitpunkt $t$ wird der Primärenergiebedarf aus nicht erneuerbaren Energien (fossil + Kernenergie) auf folgenden Wert gestiegen sein:
$P_{solar} + P_{\text{nicht-EE},0} \cdot e^{r_{\text{ne}} t} = \sigma \cdot A\cdot T^{4}$Stellt man beide Gleichungen nach $\sigma \cdot A$ um, setzt diese dann gleich und nutzt $T= T_0 + \Delta T$, ergibt sich
$\Delta T = T_0 \left( \left( 1 + \frac{P_{\text{nicht-EE},0} \cdot e^{r_{\text{ne}} t}}{P_{\text{solar}}} \right)^{1/4} – 1 \right)$Interpretation des Modells
- Die Erde kann in erster Näherung als System im Strahlungsgleichgewicht betrachtet werden.
- Langfristig führen anhaltende Wachstumsraten der Nicht Erneuerbaren Energien im Modell zu einer zusätzlichen globalen Erwärmung – unabhängig von zusätzlichen Erwärmungseffekten durch Treibhausgase wie CO₂:
- Damit wird die Bedeutung des Ausstiegs aus den fossilen Energien unterstrichen.
- Das Modell zeigt aber auch, dass eine langfristig stark wachsende Nutzung der Kernenergie zu einer Erwärmung der Erde beiträgt.
Die dargestellten physikalischen Zusammenhänge stellen langfristige Wachstumsmodelle grundsätzlich infrage und werfen die Frage auf, wie eine nachhaltige Wirtschaftsweise innerhalb planetarer Grenzen aussehen kann.
Während das oben dargestellte Modell langfristige globale thermodynamische Grenzen thematisierte, weisen Arbeiten wie Steiglechner 2019
Bitte um Mithilfe
Wir bitten um hilfreiche Kommentare an kontakt@zukkunft-ohne-kernenergie.de, wenn jemand Fehler entdeckt!
Weiterführende Beiträge
- Was versteht man unter dem Begriff „physikalische Grenzen des Wachstums“ in Bezug auf den zukünftigen Energiebedarf der Erde?
- Was versteht man unter dem Begriff „thermische Umweltverschmutzung“?
- Hat die Kernenergie ein grundsätzliches Hitzeproblem?
- Wie realistisch ist der prognostizierte Energiehunger der Menschheit in der Zukunft?
- Könnten Fusionskraftwerke ein immerwährendes Wachstum ermöglichen?
Literatur
- Murphy T.W.: Limits to economic growth; Nat. Phys. (18) (August 2022) 844-847
➚ Quelle im Internet zuletzt abgerufen am 31.08.2024 - Steiglechner P., Martin M., Feulner G.: Nuclear power to tackle climate change? Anthropogenic Heat Flux (AHF) -A Direct Climate Forcing; Conference: EGU 2019 (April 2019) 1
➚ Quelle im Internet zuletzt abgerufen am 31.08.2024