System Umwelt - imn.htwk-leipzig.destich/Bilder_BU/I.I.pdf · Mangel bereits in wenigen Jahrzehnten, Vorräte noch 50 - 100 Jahre, Trennung von Ackerbau und Viehzucht, keine geschlossenen

1.1 Mensch und Umwelt • Grundlagen

1 Einführung

Jakob von Uexküll (1864 - 1944), deutscher Biologe, Einführung des Begriffs Umwelt in die Naturwissen- wissenschaften Umwelt ist die Gesamtheit aller direkten und indirekten Einwirkungen (Umweltfaktoren, ökologische Faktoren) auf die Lebewesen, die deren Lebens- umstände beeinflussen.

Wassere

Boden

Luft

Hauptkomponenten der Umwelt

Lebe-wesen

System Umwelt

Systembegriff

- System mehr als die Summe der Teile

- Netz von Wechselwirkungen, isolierte Betrachtung nicht sinnvoll System Umwelt – Biosphäre1)

- Hauptkomponenten Wasser, Boden, Luft, Lebewesen und Klima

- Mensch inzwischen bestimmende Grö- ße (Industrialisierung, Landwirtschaft)

- Umweltbelastung als Gesamtheit stö- render Umweltfaktoren (anthropogene Eingriffe)

1)Raum, in dem Leben vorkommt

Mensch

Tier

Luft

Wassere

Pflanze

Boden

Beziehungen im System Umwelt

� Mensch beeinflusst das System

Systematik der Umweltbelastungen

� Umweltprobleme von Menschen verursacht!

1)ff. 2)

� 2.1 - 2.4, 4.1 - 4.6 3)

� 4.3

Belastungen durch Verbrauch von Lebensraum1)

Stoffliche Belastungen der Umwelt2)

Industrie-anlagen

Landwirt-schaft

Verkehr Wohnen Freizeit Luft Boden Wasser

Wärme

Physikalische Belastungen der Umwelt3)

Lärm

Strahlung

Rohstoffe, Baustoffe und Bauwerke im System Umwelt - einige Aspekte

� Mensch greift mit Bauprodukten und Bauwerken ins System Umwelt ein.

Fläche

Transport

Baustoffe

Energie

Emission Bauwerke

Versiegelung

Standzeit

Schadstoffe

Korrosion

Abfall

Rohstoffe Recycling

Mensch

Baustoff Umwelt

Bauwerk

Verkehr

Energie- Verbrauch

Stoffliche Belastung

Grundwasserverlust

Überschwemmungen

Artensterben

Zersiedelung

Infrastruktur-kosten

Verlärmung

Verlust von Acker- und Weidefläche

Bau

wer

ke

Rohstoffverbrauch Flächenverbrauch Lärm

Bau

stof

fe

Energieverbrauch Emissionen

Besonderheiten einzelner Roh- und Baustoffe

Rohstoff Baustoff Ökologische Aspekte

Naturstein Naturstein Transport, Naturzerstörung, Strahlung, Dauerhaftigkeit

Sand, Kalk, Soda Glas Rohstoffverbrauch, Energieverbrauch, bis 90 % Altglas- recycling

Kalkstein, Gipsstein Kalkstein, Ton

Kalk, Gips Zement

Lärm, Staub, Transport, Flächenverbrauch, hoher Energieverbrauch (Brennen, Zementherstellung), Emission, REA-Gips

Kies, Sand Kies und Sand Lärm, Staub, Transport, Flächenverbrauch, Renaturierung, Unterhaltung Baggerseen

Erz, Steinkohle Eisen, Stahl Rohstoffverbrauch, Energieverbrauch, Emission, Schadstoffbelastung, "Urban mining"

Erdöl Bitumen Rohstoffverbrauch, Energieaufwand, Schadstoffbelastung temperaturabhängig (PAK > 100 °C)

Bindemittel, Füllstoffe

Beschichtungen Schutzfunktion, Dauerhaftigkeit, Schadstoffbelastung, Lösungsmittel

Erdöl, Erdgas Kunststoffe Rohstoffverbrauch, Emission, Schadstoffbelastung, Recycling, Energierückgewinnung

unterschiedlich Dämmstoffe Senkung Energieverbrauch und Emission, Fasern

Nutzholz Holz Nachwachsender Rohstoff, Begriff der Nachhaltigkeit, Holzschutzmittel

Infrastrukturkosten Artensterben

Lärm

Verkehr

Grundwasserverlust

Zersiedelung Überschwemmungen

Energie- verbrauch

Verlust von Acker- und Weidefläche

Stoffliche Belastung

Versiegelung

Versiegelung

Auswaschung

Bau

wer

ke

Zusammenhänge zwischen wichtigen Roh- und Baustoffen

Abbau von Sand SiO2

Abbau von Kalk CaCO3

Abbau von Ton Al2O3 ⋅ 2 SiO2(aq)

Abbau von Steinsalz NaCl

Herstellung von Soda 2 NaCl + CaCO3 � Na2CO3 + CaCl2

Herstellung von Bauglas SiO2 CaCO3 � CaO + CO2 Na2CO3 � Na2O + CO2

Herstellung von Brannt- und Löschkalk CaCO3 � CaO + H2O CaO + H2O � Ca(OH)2

Gewinnung von REA- Gips CaCO3 + SO2 + ½ O2

2 H2O � CaSO4 ⋅ 2 H2O + CO2 oder Einsatz von CaO

Produktion von Kalksand-stein und Porenbeton SiO2 CaO � CSH-Phasen H2O

Herstellung tonkera-mischer Erzeugnisse Al2O3 ⋅ 2 SiO2(aq) SiO2

Herstellung von Zement, Mörtel und Beton CaCO3 SiO2 Al2O3 ⋅ 2 SiO2(aq)

Herstellung von Gipsprodukten CaSO4 ⋅ 2 H2O SiO2

Systemeinfluss menschlicher Tätigkeit - Beispiel Energieerzeugung Konventionelle Kraftwerke: - elektrischer Strom - 30 % ≤ η ≤ 60 %

Kraft-Wärme-Kopplung: - elektrischer Strom + Fern- / Prozesswärme - 60 % ≤ η ≤ 90 %

� verringerter Brennstoffbedarf � weniger CO2-Emission Betrieb mit Kohle (C): C + O2 � CO2 ∆H1

0 = - 393 kJ/mol

Betrieb mit Methan (CH4): CH4 + 2 O2 � CO2 + 2 H2O ∆H20 = - 802 kJ/mol

∆H2

0/ ∆H20 = - 802 / -393 = 2,04

Komplexe Vernetzung von Stoffen im System Umwelt – Beispiel Ozonbildung und Ozonabbau in der Luft

• Situation in der Gegenwart

- Plünderung der Ressourcen

- Industrialisierung der Landwirtschaft, Massentierhaltung

- Zunahme von Transport und Verkehr

- Abholzung der Regenwälder

- Luft-, Wasser- und Bodenverschmut- zung, Erosion und Wüstenbildung

- Klimawandel

- Bevölkerungswachstum

Einige Ressourcen � Wasser Erde nur 2,5 % Süßwasser, nur 1 % nutzbar, Problem Wasserknappheit, Wasserverschmutzung, Gefahr von Kriegen

� Phosphat Mangel bereits in wenigen Jahrzehnten, Vorräte noch 50 - 100 Jahre, Trennung von Ackerbau und Viehzucht, keine geschlossenen Kreisläufe, Notwendigkeit des Recycling (Klärschlamm, Fäkalien)

� Kohle heute bekannte Vorräte reichen noch 100 Jahre, Rohstoff zur Energieerzeu- gung, 2. Stelle hinter Öl, 1. Stelle bei Verstromung

� Seltene Metalle Problem Verteilung, Vorkommen ungewiss

Gewürzmetalle: Mo, Nb, In, Ta, Ga, Sb, Pt, Pd, Rh, Ir sowie Y, Nd, La, Sc, Ce, Pr ("Seltene Erden", größter Teil der Vorkommen in China!)

Lithium: Li (Salzseen in Bolivien, Chile)

� Sand

Wasserüberschuss und Wassermangel Wasserverbrauch und virtuelles Wasser (FAO1), 1990)

Wasserdargebot

Österreich 11.000 m3/P ⋅ a

Deutschland 2.000 m3/P ⋅ a

Indien 1.900 m3/P ⋅ a

Peru 1.500 m3/P ⋅ a

Südafrika 1.200 m3/P ⋅ a

Botswana 797 m3/P ⋅ a

Syrien 615 m3/P ⋅ a

Israel 372 m3/P ⋅ a

Jordanien 222 m3/P ⋅ a

Libyen 154 m3/P ⋅ a

Wasserverbrauch Industrie

1 kg Kunststoff 240 L

1 kg Papier 390 L

1 kg Aluminium 1400 L

1 PKW 220.000 L

Wasserverbrauch Landwirtschaft

1 kg Bananen 1.000 L

1 kg Reis 3.000 L

1 kg Tee 10.000 L

1 kg Kaffee 20.000 L

1)

Food and Agriculture Organization

22 zukunftsträchtige High-Tech-Metalle1)

Anwendungsbereiche

- Informations- und Kommunikationstechnik

- Energietechnik

- Elektrotechnik

- Antriebstechnik

- Medizintechnik

- Chemie u. s. w.

Kupfer Cu Rhodium Rh

Chrom Cr Osmium Os

Kobalt Co Iridium Ir

Titan Ti Selen Se

Zinn Sn Indium In

Antimon Sb Germanium Ge

Niob Nb Gallium Ga

Tantal Ta Silber Ag

Platin Pt Neodym Nd

Palladium Pd Scandium Sc

Ruthenium Ru Yttrium Y

1)Studie Fraunhofer-Institut ISI, 2009:

"Rohstoffbedarf für Zukunftstechnologien"

Ordnen Sie die Metalle den richtigen Blöcken im PSE zu!

Anwendungsbeispiele für einige Gewürzmetalle Gallium 31Ga Integrierte Schaltungen, Photovoltaikzellen, Leuchtdioden

Indium 49In Flachbildschirme (geringe Reserven, neue Vorkommen?)

Tantal 73Ta Tantalkondensatoren, z. B. in Mobiltelefonen (geringe Reserven)

Scandium 21Sc Brennstoffzellen, Röntgentechnik

Yttrium 39Y Brennstoffzellen, Laser, Supraleiter

Lanthan 57La Nickel-Metallhydrid-Akkus, Katalysatoren, Rußpartikelfilter, Brennstoffzellen

Neodym 60Nd Magnete in Elektroautos, Windrädern u. a. m.

Ein Computerchip enthält ca. 70 Metalle! � Erschließung der Tiefsee

Metalle der "Seltenen Erden", Umweltprobleme durch Schürfen und Abtrennen - in seltenen Mineralien entdeckt und in Form ihrer Oxide ("Erden") isoliert (17 Metalle � 3. NG + Lanthanoide)

- andere Metalle sind seltener, Lanthan ist drei mal so häufig in der Erdkruste wie Blei! Selbst Thulium ist häufiger als Gold und Platin!

- Phosphatlagerstätten ≤ 1 % SEE1), Bayan-Obo-Mine (China) 3 - 5,4 % SEE

- gemeinsames Vorkommen SEE in unterschiedlicher Menge, Anteil China (Bayan- Obo-Mine) am Abbau ca. 97 %, am Gesamtvorkommen weltweit 38 %!

- Landschaftszerstörung durch riesige Tagebaue und Abraumhalden

- hoher Energieaufwand für Gesteinszerkleinerung

- große Mengen an Wasser und Chemikalien für Trennung und Anreicherung, Bildung giftiger Schlämme

- Freisetzung von Schwermetallen und radioaktiver Substanzen, Verteilung durch Wind, Häufung von Lungenkrebs und anderen Erkrankungen

- Wiederverwertung der im Abwasser vorhandenen Substanzen durch neue Reinigungs- und Kreislaufsysteme sinnvoll

1)Seltene Erdelemente

Recycling bzw. "Urban mining" Im Jahr 2000 in Gebrauch:

- ca. 15 Mrd. t Eisen

- 500 Mio t Aluminium

- 311 Mio t Kupfer

- 200 Mio t Zink Jährlicher Anfall von Elektro- und Elektronikschrott1): - bis zu 50 Mio t, darin Fe, Al, Cu, Co, Au, Ag, Pd …

1)Scobel, 3 sat, 02.02.2012

Metalle in Elektro- und Elektronikschrott (Planet Wissen, WDR, 08.08.2013)

Eine Tonne Elektroschrott aus Computern und Laptops ( > 1500 €):

� 70 Kilogramm Kupfer

� 140 Gramm Silber

� 30 Gramm Gold

Darüber hinaus Palladium im Wert von rund 200 Euro dazu.

Eine Tonne Handyschrott (> 10.000 €)

� 92 Kilogramm Kupfer

� 38 Kilogramm Kobalt

� 2,5 Kilogramm Silber

� 240 Gramm Gold

� 92 Gramm Palladium

41 Handys = 1 t Erz

Sand1) - jährlicher Sandverbrauch weltweit ca. 15.000.000.000 t, in Beton "verloren"

� 1 mittelgroßes Haus 200 t Sand, 1 km Autobahn 30.000 t Sand,

1 Atomkraftwerk 12.000.000 t Sand

- Flussbetten und Kiesgruben erschöpft, Abbaggern der Strände und Meeresböden,

in Marokko ca. 45 % der Strände verschwunden, massive Umweltzerstörungen,

Wüstensand ungeeignet � Dubai importiert Sand aus Australien

- massive Bebauung der Küsten führt zur verstärkten Erosion der Strände,

Küsten verlieren Schutzfunktion

1)Arte-Magazin, Krieg um den Sand, 03.05.2013

Arte-Dokumentation, 28.05.2013

Was ist Sand?

Bevölkerungswachstum erste Milliarde 1804 ca. 50.000 Jahre

zweite " 1927 ca. 100 Jahre

dritte " 1960 ca. 30 Jahre

vierte 1974 ca. 15 Jahre

fünfte " 1987 ca. 12 Jahre

sechste " 1999 ca. 12 Jahre

siebte " 2012 ca. 12 Jahre

Prognose

achte " 2025 ca. 12 Jahre

neunte " 2050 ca. 25 Jahre

danach vermutlich Rückgang

Wachstum der Weltbevölkerung

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 500 1000 1500 2000 2500

Zeitrechnung in JahrenW

eltb

evöl

keru

ng in M

illia

rden

0,3 0,3 0,5

Grenzen des Wachstums

� Motorisierung in China im Jahr 2030 analog Westeuropa � China allein mit 1,1 Milliarden Autos (gesamte Weltflotte derzeit bei 800 Millionen Autos)

� Ölverbrauch China dann täglich 99 Millionen Barrel � Weltproduktion heute bei 84 Millionen täglich (Peak-Oil) Wie viel Menschen kann unsere Erde ernähren? (7 Mrd. 2012)

� 30 Mrd., wenn alle so leben wie die Bauern in Bangladesh

� 0,7 Mrd., wenn alle so leben wie die Westeuropäer

"… Das westliche Modell einer ölabhängigen, autozentrierten Wegwerfgesell- schaft funktioniert dort nicht. Und es funktioniert nicht für Indien, wo bald vielleicht sogar noch mehr Menschen leben und nicht für die 3 Milliarden Menschen in den Entwicklungsländern, die ebenfalls den amerikanischen Traum träumen."

Lester Brown, Präsident des Earth Policy Institute in der Arte-Doku "Die demografische Zeitbombe - 2030", ausgestrahlt am 27.03.2007

UNO-Studie: "Die Ökonomie von Ökosystemen und der Biodiversität" (The economics of ecosystems and biodiversity, TEEB, Stand 2010) � Umweltschäden durch die 3000 größ- ten Unternehmen (Wälder, Trinkwasser, Böden, Ozeane, Atmosphäre, Artenster- ben) von 1,7 Billionen Euro pro Jahr

� Ein Problem: Ökosystemen fehlt der Preis, Nutzung von Ökosystemen hat keinen Marktwert, Rücksichtnahme marktwirt- schaftlich nicht notwendig

� Kosten für Umweltschäden der Unterneh- men trägt Allgemeinheit

� Ökosystemnutzung muss Preis bekommen, ökonomische Bedeutung der Natur in Entscheidungsprozesse integrieren

Deepwater Horizon, Golf von Mexico, 2010