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ludwig bölkow
systemtechnik
Leitplanken der künftigen Energieversorgung
Hochschule Karlsruhe Technik und Wirtschaft Fakultät für Elektro- und Informationstechnik (EIT)
3. April 2019
Dr. Werner Zittel
Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH
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systemtechnik
Klimapolitik
Grundlegende Mechanismus von Wachstumsszenarien – Systemanalyse: Die Grenzen des Wachstums von 1972
Der Umbau der Energiewirtschaft
Der Niedergang fossiler Energieträger (mit wirtschaftlichen Grenzen
Erneuerbare Energien bedeuten höheren Metalleinsatz? (Recycling)
Sinkender Grenznutzen komplexer Systemdynamik
Die bevorstehende Aufgabe
Zusammenfassung / Fridays for Future = Hoffnung
Inhalt
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Klimapolitische Verpflichtungen der Staatengemeinschaft
Limits to growth-Report 1972 CO2-Anstieg auf 400 ppm bis zum Jahr 2000 (Fortschreibung des Trends)
Verabschiedung der Klimarahmenkonvention (UN-FCCC) in Rio de Janeiro 1992 Diese bildet den rechtlichen Rahmen für alle klimapolitischen Folgeaktivitäten auf UN- und WMO-Ebene.
Kioto-Protokoll im Jahr 1997; Klimareduktionsverpflichtungen der Industriestaaten um ~5.2% bis 2008-2012 gegenüber desm Basisjahr 1990
Klimakonferenz von Paris (COP 21; 2015) mit drei langfristigen Zielen - Begrenzung der Erwärmung auf deutlich unter 2°C - Erhöhung der Fähigkeit zur Anpassung an den Klimawandel (Resilienz) - Umlenken aller Finanzströme, um sie mit diesen Zielen kompatibel zu machen
Völkerrechtlich verpflichtend zugesagtes gemeinsames Ziel (4.11.2016) Globales Ziel von Netto-Null-Treibhausgasemissionen in der zweiten Hälfte des Jahrhunderts. Dies bedeutet den weitgehenden Verzicht des Verbrennens aller fossilen Energieträger
Nach Germanwatch 2016
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ppm
1860
Historische Daten: Limits to Growth, D. Meadows et al., 1972
1910
Atmosphärische CO2-Konzentration 1958-1972
1960
300
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ppm
400
Schlussfolgerung: Die CO2-Konzentration 2015 weicht kaum vom Trend 1958 – 1972 ab.
1860
Historische Daten: Limits to Growth, D. Meadows et al., 1972
Modell- rechnung
Exp. Data Mauna Loa
Modellrechnung (CO2)
2010 1910
Atmosphärische CO2-Konzentration 1958-1972
1960
300
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Energiekonzept der Bundesregierung (28. Dezember 2010)
Emissionsminderungsziele: Wege: • Defossilisierung und Elektrofizierung der
gesamten Energieversorgung • Steigerung der Energieeffizienz und –
suffizienz • Umstieg auf Erneuerbare Energien
Minderungspfad wird eingehalten • wenn er von allen Emissions-Sektoren
eingehalten wird: • Elektroenergiewirtschaft • Gewerbe, Handel, Dienstleistungen
(GHD) • Verkehr • Haushalte • Landwirtschaft, …
Analyse: ASPO (J. Schwarz 2019)
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Analyse: ASPO (J. Schwarz 2019)
Treibhausgase-Emissionen Deutschland 1990-2017
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Treibhausgase-Emissionen Deutschland 1990-2017
Analyse: ASPO (J. Schwarz 2019)
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Treibhausgase-Emissionen Deutschland 1990-2017
Analyse: ASPO (J. Schwarz 2019)
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Treibhausgase-Emissionen Deutschland 1990-2017
Analyse: ASPO (J. Schwarz 2019)
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Treibhausgase-Emissionen Deutschland 1990-2017
Analyse: ASPO (J. Schwarz 2019)
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Treibhausgase-Emissionen Deutschland 1990-2017
Analyse: ASPO (J. Schwarz 2019)
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systemtechnik
„Ein Tempolimit ist gegen jeden Menschenverstand“
Kommentar des Verkehrsministers
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systemtechnik
„Ein Tempolimit ist gegen jeden Menschenverstand“
Kommentar des Verkehrsministers
Mein Menschenverstand (WZ): Geringere Geschwindigkeiten kosten nichts, reduzieren aber Energieverbrauch, Emissionen und die Anzahl schwerer Unfälle
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systemtechnik
Wachstum … was heißt das?
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X= const * Cα * L 1-α
X = ökonomischer Output (BIP)
C = Kapital
L = Arbeitskräfte
α = Elastizität
(sog. „Cobb-Douglas“ Wachstumsfunktion)
Ökonomisches Wachstum ist vor allem durch Innovationen getrieben. Diese resultieren in Effizienzgewinnen (Erhöhung von „const“)
Der Anstieg von const erhöht den „output per Arbeitskraft“ X/L
Dadurch werden die notwendigen Investitionen und Arbeitskräfte reduziert und können in zusätzliche Produktion oder neue Produkte gelenkt werden.
….soweit die Theorie!
X
L, C
Neoklassisches ökonomisches Wachstumsmodell (Solow)
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systemtechnik
Quelle: Produktionsfaktor Energie – der stille Riese, J Grahl, R. Kümmel, 2000
BIP development Theoretische BIP-Entwicklung Solow Residuum (Abweichung von der Realität)
Solow Residuum (=Abweichung der Theorie)
Year
BSP
Beispiel: BIP Entwicklung der USA
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systemtechnik
Kritik am neoklassischen Wachstumsmodell und Input-Output Analyse
Ökonomisches Wachstum hängt nur von Innovation und Investitionen ab
Dieses Modell ist nicht durch empirische Daten bestätigt
Energie- und Ressourceninput spielen in der Theorie keine Rolle
Realistische Modelle müssen Material- und Energieabhängigkeit der Wirtschaft berücksichtigen
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systemtechnik
BIP-Entwicklung der USA; Modellierung mit Cobb-Douglas Funktion
Quelle: Produktionsfaktor Energie – der stille Riese, J Grahl, R. Kümmel, 2000
BIP development Theoretische BIP-Entwucklung Solow Residuum (Abweichung von der Realität)
Solow Residuum (=Abweichung der Theorie)
Year
BSP
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systemtechnik
BIP-Entwicklung der USA; Modellierung mit Energieabhängiger Funktion
Quelle: Produktionsfaktor Energie – der stille Riese, J Grahl, R. Kümmel, 2000/Original von Ayres, Warr
GDP development Theoretical GDP development Solow Residuum (difference between Reality and theory)
Year
GDP
Reale BIP-Entwickklung Gerechnete BIP-Entwicklung
LINex Wachstumsfunktion: X = const · U · exp [a·L/U –b(U+L)/C]
L = Arbeit C = Kapital U = Exergie a, b = Konstanten
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10
5
0
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systemtechnik Kapital (ø 27%) Arbeit (ø 9%) Exergie (ø 64%)
Relativer Anteil von Kapital, Arbeit und Energie am ökonomischen Wachstum der USA
Quelle: Ayres/Warr
%
100
80
60
40
20
0
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systemtechnik
Realitätsnahes ökonomisches Wachstumsmodell ist energieabhängig
USA Germany
Quelle: R. Kümmel et al: Capital, Labor, Energy and creativity: modeling innovation diffusion, Structural Change and Economic Dynamics 13 (2002) 415-433 Ayres et al: Accounting for growth: the role of physical work
X = const · U · exp [a·L/U –b(U+L)/C] L = Arbeit C = Kapital U = Exergie
Vergleich von BIP-Entwicklung und Berechnung
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systemtechnik
Die Basis des Erfolges der Industriegesellschaften
Interpretation 1:
– Die Entwicklung der heutigen Zivilisation beruhte primär auf Innovation
Interpretation 2:
– Die Entwicklung der heutigen Zivilisation beruhte primär auf steigendem Energie- und Ressourcenverbrauch
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systemtechnik
Das autonome Differentialgleichungssystem erster Ordnung dxi/dt = Fi(x1, x2, …. Xn), i=1,2,…, n oder in Vektorschreibweise dx/dt = F(x), (1) heißt dynamisches System. Der Term autonom erinnert an die Tatsache, dass die Funktionen Fi Nicht explizit zeitabhängig sind.
Systemdynamische Modellierung
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systemtechnik Einfache Systeme
Lineares Wachstum dN/dt = constant => N= c · t + c0
Exponentielles Wachstum dN/dt = α · N => N = N0 exp (α · t) Logistisches oder organisches Wachstum (Ricardo-Verhulst Modell) dN/dt = α · N · (1 – N/R) R= Kapazität der Ressource
Einfaches gekoppeltes System:
Overshoot and collaps: dR/dt = β · R · (1-R/S) – c · N S = Kapazität einer
regenerierbaren Resource dN/dt = α · N · (1 – N/R) [Beispiel: Bevölkerungsentwicklung der Osterinseln in Abhängigkeit der
Waldressourcen (=Basis für Schiffe, Tierwelt und Lebenmittel)]
Wachstumsfunktionen
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dN/dt = α · N · (1 – N/R)
N
t
R
N0 < R
N0>R
N = R
1+e
t-t0 b R/2
t0
dN/dt
t t0
Organisches Wachstumsmodell
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kum. Ölverbrauch
0
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350000
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2096
2100
Mto
e
Ölverbrauch
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
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1924
1928
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1944
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2024
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Mto
e/a
Öl-Zuw achsra te (3 Ja hre ge m itte lt)
-150
-100
-50
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2044
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2060
2064
2068
2072
2076
2080
2084
2088
2092
2096
2100
Mto
e
1920 2100
Cumulative
Annual
Annual growth rate
kum. Ölverbrauch
0
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
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1964
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1992
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2004
2008
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2024
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2036
2040
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2048
2052
2056
2060
2064
2068
2072
2076
2080
2084
2088
2092
2096
2100
Mto
e
Ölverbrauch
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
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1924
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2068
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2076
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2084
2088
2092
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2100
Mto
e/a
Öl-Zuw achsra te (3 Ja hre ge m itte lt)
-150
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100
150
200
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1956
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1972
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2008
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2032
2036
2040
2044
2048
2052
2056
2060
2064
2068
2072
2076
2080
2084
2088
2092
2096
2100
Mto
e
1920 2100
Cumulative
Annual
Annual growth rate
kumuliert
jährlich
Jährliche Wachstumsrate
Beispiel Weltölverbrauch
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systemtechnik
Allgemeine Beispiele
Technische Infrastrukturen (Kanäle, Eisenbahn, Straßen, Flugverkehr…) Technische Innovationen (Dampfmaschine, Computer, …) Marktdurchdringung von Energieträgern Produktion von Materialien (Kohle, Stahl…) Transportaktivitäten (Güter, Personen) Transporttechnologien (Schiffe, Autos, Flugzeuge) CO2-Emissionen und atmosphärische CO2-Konzentration Grundmuster für Extrapolationen ist die historische Analyse
Quelle: C. Marchetti, Stable Rules in Social and Economic Behavior, 1986 On transport in Europe: The Last 50 Years and the Next 20, First Forum on Future European Transport Munich 14-16th September 1987
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• Messopotamien: Aufstieg und Fall von Ur • Römisches Reich
• Maya • Anazasi, Pueblo im Cañon de Chelley
• Polynesien: Viele kleine Inseln sind bevölkert, einige waren vor langer Zeit bevölkert, Lektüre: J. Tainter, The collaps of complex societies, 1988 J. Diamond, Kollaps, Brandner, Taylor, The Simple Economics of Easter Island: A Ricardo-Malthus Model of Renewable Resource Use The American Ecomic Review, Vol. 88, Issue 1 (Mar 1998) 119-138 Janssen, Scheffer, Overexploitation of Renewable Resources by Ancient Societies and the Role of Sunk-Cost Effects Ecology and Society, 9(1) 2004, see at: www.ecologyandsociety.org/vol9/iss1/art6
Kollaps historisch bedeutsamer Kulturen
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Kollaps des Römischen Weltreiches
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
400 200 0 200 400 600 800 1000
Flächenausdehnung [Million Quadratmeilen]
Fläche des Römischen Weltreiches
Quelle: J. Tainter, The Collaps of Complex Societies, Cambridge University Press, 1988
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0
0,2
0,4
0,6
0,8
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1,4
1,6
1,8
2
-400 -200 0 200 400 600 800 1000
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
Flächenausdehnung [Million Quadratmeilen] Silbergehalt des Dinar [g]
Silbergehalt des Dinar
Quelle: J. Tainter, The Collaps of Complex Societies, Cambridge University Press, 1988 C. Howgego, Ancient History from Coins, Routledge, London, 1995
Fläche des Römischen Weltreiches
Kollaps des römischen Weltreiches
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systemtechnik
World Model by J. Forrester, 1971
Source: J. Forrester World Dynamics, Wright-Allen Press, 1971
Die Grenzen des Wachstums, D. Meadows et al.1972
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systemtechnik
World Model by J. Forrester, 1971
Source: J. Forrester World Dynamics, Wright-Allen Press, 1971
Die Grenzen des Wachstums, D. Meadows et al.1972
Bevölkerung
Ressourcen
Kapital
Landwirtschaft
Umwelt
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Critical review of Club of Rome scenarios (CRASH SZENARIOS)
BAU-scenario
Resources
Industrial Output/cap
Environ- mental Damage
Population
Food/cap
1900 2100
unlimited Resources
1900 2100
Business as usual
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Critical review of Club of Rome scenarios (CRASH SZENARIOS)
BAU-scenario
Resources
Industrial Output/cap
Environ- mental Damage
Population
Food/cap
1900 2100
unlimited Resources
1900 2100
+ environmental control
+ agricultural productivity improvement
1900 2100 1900 2100
+ birth control
Business as usual Advanced technology
1900 2100
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Critical review of Club of Rome scenarios (STABILISED SCENARIOS)
BAU-scenario
Resources
Industrial Output/cap
Environ- mental Damage
Population
Food/cap
1900 2100 1900 2100 1900 2100 1900 2100
Stabilised population
+ Stabilised capital
1900 2100
Delayed measures
Sustainable Developments (strict recycling)
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Erneuerbare Energien
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Globale Investitionen in Erneuerbare Energietechnologien
0
20
40
60
80
100
120
140
2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016
Mrd. USD
Asien/Pazific (ohne China&Indien)
Europa
China
USA
Quelle: Frankfurt School-UNEP Centre/BNEF
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Investitionen in Erneuerbare und Kostendegression
0
2
4
6
8
10
12
14
0
100
200
300
400
500
600
2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016
cts/kWh Mrd. USD Mtoe PEV
Investitionen
PEV-Reg (Mtoe)
cts/kWh
Quelle: Frankfurt School-UNEP Centre/BNEF BP Statistical Review of World Energy 2018
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100
200
300
400
500
600
1995 2000 2005 2010 2015
GW
Sonstige Staaten Niederlande Japan Dänemark Portugal Kanada Italien UK Frankreich Indien Spanien Deutschland USA China
Installierte Windenergie-Leistung weltweit
Quelle: BP 2018 (WWEA 2019)
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100
200
300
400
500
600
1995 2000 2005 2010 2015
GW
Sonstige Staaten Südkorea Belgien China Frankreich Tschechien USA Italien Japan Spanien Deutschland
Installierte Fotovoltaik-Leistung weltweit
Quelle: BP 2018 (BSW 2019)
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0
500
1000
1500
2000
2500
3000
1990 1995 2000 2005 2010 2015
TWh/a
Geothermie PV Wind
Regenerative Stromerzeugung ohne Wasserkraft
Quelle: BP 2018 (2018 geschätzt)
Wachstumsrate 2017: Bruttostrom: + 2,5%
Nuklearenergie: +0,85% Wasserkraft: +0,86%
Windenergie: +17% PV: +35%
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TWh/a
Extrapolation bis 2050 (EWG-100%-Szenario)
Nuklearstrom Geothermie+Biomasse PV Wind Wasser Batteriespeicher
Bruttostromerzeugung
Quelle: BP 2018, (2018 geschätzt) Projektion LBST 2010; Szenario EWG „Global 100% Renewable Energy“, 2018
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Energieszenario mit 100% regenerativer Versorgung bis 2050
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Mtoe
BatteryBiomass_SzenarioBiomass_BPPV_SzenarioPV_BPWind_SzenarioWind_BPHydro_SzenarioHydro_BPuraniumLigniteHard CoalGasNGL
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Steigender Aufwand der Ressourcennutzung
(„Substitution fossiler Energieträger durch Metalle“)
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Weltweite Kohleförderung
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Mtoe Indonesia India
Australia China
South Africa Colombia
Brazil Bulgaria
Greece Serbia
Turkey Kazakhstan
Ukraine Russian Federation
Other CIS USSR
Other Asia Pacific Vietnam
Thailand South Korea
Pakistan New Zealand
Mongolia Japan
Other Africa Zimbabwe
Uzbekistan Czech Republic
Canada Mexico
Venezuela Other S. & Cent. America
Hungary Romania
Spain Other Europe
Poland Germany
United Kingdom US
China
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Polen Deutschland UK
Indonesien Indien Australien
CIS
Quelle: BP Stat Rev 2018
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https://cassandralegacy.blogspot.com/2019/01/what-happened-in-2015-that-changed.html?utm_source=feedburner&utm_medium=email&utm_campaign=Feed%3A+ResourceCrisis+%28RESOURCE+CRISIS%29
Weltweite Zementproduktion
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Weltproduktion von Rohstoffen 2014
Tonnen
Fossile Energieträger
Eisen und Eisenveredler
Nichteisenmetalle
Edelmetalle
Sonstige
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Sinkender Erzgehalt bei zunehmender Erschöpfung der Lagerstätten
USA
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Quelle: Xstrata, Annual Report 2009
Sinkender Erzgehalt der Minen von Xstrata
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Quelle: R. Koppelaar 2016
Beispiel Kupfer: steigender Energieaufwand bei sinkender Konzentration
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Kupferkreislauf 2015
Quelle: The Copper Fact Book 2017
Verluste: 8190 kt (= 30%)
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Recycling-Raten von Aluminium
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Die Konsequenzen II
Es drohen Strukturbrüche
Der Erhalt der sozialen Stabilität muss hohen Stellenwert erhalten (Bsp. Diebstahl von Kupfer, Eisenbahnschienen etc.)
Technologische Optimierungen sind nicht immer sinnvoll, die Reduktion von Dämpfungsgliedern erhöht das Risiko einer Instabilität (Resilienz)
Neues Denken ist gefordert: Die Aufgabe heißt Umstrukturierung der Gesellschaft zu nachhaltigem Denken und Handeln
– Aufwertung der Nähe (Entschleunigung statt Beschleunigung)
– Stabile Verhältnisse stehen im Gegensatz zu Wachstumsorientierter Veränderung
– Die Wirtschaft braucht neue Leitbilder und Randbedingungen
– Langlebige und modular reparable Produkte auf reg. Basis
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Die Aufgabe
Der Umbau der Energieversorgung (im Prinzip einfach):
Der Umbau der Produktion (deutlich größere Herausforderung):
Heute:
Zukunft:
Fossile Energie Erneuerbare Energie
Rohstoffe Produkte Abfall
Rohstoffe Produkte Biologisch abbaubar
Fossile Energie
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Was heißt langfristig nachhaltig?
Firmenchefs denken/planen in Quartalen bis zur nächsten Gesellschafter- versammlung oder maximal in Jahren (bis zur nächsten Bonuszahlung)
Politiker denken/planen in Jahren (bis zur nächsten wichtigen Wahl)
Mütter denken/planen in Jahrzehnten?
Was ist eine langfristig verträgliche Planung:
– Bis 2030?
– Bis 2050?
– Bis 2100?
– Bis 3000?
– …
Die ersten Hochkulturen entstanden vor 5.000-6.000 Jahren
Die Entwicklung der Landwirtschaft und dörflicher Strukturen entstand vor ca. 10.000 Jahren
Die ältesten kulturellen Belege reichen ca. 30.000 (Kunst) - 300.000 (Waffen) Jahre zurück
Die Entwicklung der Menschheit lässt sich 1,5 Millionen Jahre zurückverfolgen
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Die Pubertätsjahre der Menschheit
Die dynamische Phase der Veränderungen wird in diesem Jahrhundert stattfinden. Sie werden das Ende dieser Phase vermutlich erleben.
Heute leben wir in den „Pubertätsjahren“ der Menschheitsgeschichte
Je nachdem, wie wir diese Phase meistern, werden wir langfristig stabile Verhältnisse in einer lebenswerten Umgebung … oder nacktes Überleben auf einer verwüsteten und ausgeplünderten Erde haben.
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Die Pubertätsjahre der Menschheit
Die dynamische Phase der großen Veränderungen wird in diesem Jahrhundert stattfinden. Die nächsten 20-30 Jahre sind sehr wichtig!!! Heute lebende Jugendliche werden das Ende dieser Phase vermutlich erleben.
Heute leben wir in den „Pubertätsjahren“ der Menschheitsgeschichte
Je nachdem, wie wir diese Phase meistern, werden wir langfristig stabile Verhältnisse in einer lebenswerten Umgebung … oder nacktes Überleben auf einer verwüsteten und ausgeplünderten Erde haben.
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Energie (Mtoe) Bevölkerung (Mrd.)
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Zusammenfassung
Unser bisheriges Verhalten führt unweigerlich in Crash-Szenarien mit Strukturbrüchen!!!
Gefordert sind neue Technologien mit geringem Materialverbrauch
– Miniaturisierung
– Vollständiges Recycling
– Biologisch abbaubare Endprodukte (Multifunktionsmaterialien auf biogener Basis)
Wir brauchen neue gesellschaftliche Leitbilder:
– Suffizienz versus Bulimie [Warum ist mehr und schneller besser?]
– Die Wirtschaft muss in eine Gleichgewichtsökonomie überführt werden
– Kooperativ versus sozialdarwinistisch
– Lebensfreude versus Lebensangst
– Positiv motiviert und nach vorne orientiert
Die Politik muss die Leitbilder in Richtlinien und Anweisungen abbilden
=> Die Jugend ist gut beraten endlich Handlungen der Verantwortlichen einzufordern, damit die Menschheit ihre Pubertätsphase einigermaßen lebenswert übersteht !!!