SIMULATION ENTSCHEIDENDER KRITSCHER KENNGRÖßEN MIT WORLD3 Wie man mit Hilfe von Simulation sozio-ökonomische Erkenntnisse gewinnt

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1 SIMULATION ENTSCHEIDENDER KRITSCHER KENNGRÖßEN MIT WORLD3 Wie man mit Hilfe von Simulation sozio-ökonomische Erkenntnisse gewinnt und diese in politische Entscheidungsprozesse einfließen lässt. Max Schmietendorf Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Universitätsplatz 2, D Magdeburg Wintersemester 2010/2011 System Dynamics am Beispiel World 3 1

2 SIMULATION ENTSCHEIDENDER KRITSCHER KENNGRÖßEN MIT WORLD3 Abstract Was ist das größte Ansinnen der Menschheit? Was ist das Ziel, des großen Kollektivs auf unserem Planeten Erde? Die Antwort lautet eine friedliche Koexistenz verschiedener Völker und Kulturen in einer angenehmen Umgebung - der Erde. Dieses Ziel rückt angesichts von Kriegen und Interessenkonflikten um Rohstoffe, Territorium oder Kapital oft in weite Ferne. Auch die stetig steigende Umweltbelastung erschwert es, dieses Ziel zu erreichen. Was wäre, wenn wir einige Faktoren und Erkenntnisse schon vor 100 oder 1000 Jahren gehabt hätten? Hätten wir einige Entwicklungen zum Besseren beeinflussen können - im Interesse der Menschheit? Diese Frage werden wir nicht beantworten können, doch wir versuchen Ereignisse für die nächsten 300 Jahre voraus zu sagen und daraus unsere Lehren jetzt schon zu ziehen. Warum sonst verfolgte China lange Zeit eine konsequente 1-Kind-Politik? Warum sonst kämpfen Gentechniker für den Einsatz Ihrer Erfindungen und warum sonst halten alle Nationen dieser Erde Jahr für Jahr Konferenzen über die Klimaentwicklung und Umweltbelastung ab? Sie alle stützen Ihre Vorhaben und Korrekturmaßnahmen auf Behauptungen von Erfahrungen, Forschungsergebnissen und Simulationen. Dieses Paper veranschaulicht die Weltsimulation World3. Es zeigt wie World3 simuliert und beleuchtet die Ergebnisse näher. Es veranschaulicht Schwachpunkte und Stärken von World3 und soll aufzeigen, was eventuelle Korrekturmaßnahmen sind um einen Kollaps unseres Wirtschafts-, Gesellschafts- und Ökosystems zu verhindern. Was ist System Dynamics? Wofür wird es genutzt? E INE KURZE E INLEITUNG UND Z USAMMENFASSUNG System Dynamics ist ein Bereich der Simulation, der sich vorrangig mit großen komplexen Systemen beschäftigt und versucht, sich der tatsächlichen Entwicklung dieser Systeme anzunähern. Es werden sowohl volkswirtschaftliche als auch betriebswirtschaftliche Prozesse analysiert. Das Ziel von System Dynamics ist es, zum einen komplexe und dynamische Systeme und ihre Wechselwirkungen besser zu verstehen und zum anderen Handlungsempfehlungen zu geben, die aus den gewonnenen Erkenntnissen erfolgen können. Es ist zu beachten, dass die Simulation komplexer Systeme niemals mit 100%iger Sicherheit die Zukunft voraus sagen kann, sich dieser aber mit statistischer Wahrscheinlichkeit annähern kann. Ausschlaggebend für eine möglichst genaue Simulation, die sich mit der Realität weitestgehend deckt, ist das Erkennen und Beachten aller signifikanten Einflüsse auf einen Pro- System Dynamics am Beispiel World 3 2

3 zess. Verfälschungen, falsche Ergebnisse bzw. Fehleinschätzungen treten immer dann auf, wenn die wichtige Kenngrößen missachtet oder vernachlässigt werden oder große unbekannte oder unvorhersehbare Ereignisse (z.b.: große Naturkatastrophen, Terroranschläge, Kriege, politische Entscheidungen) auftreten. Trotz dieser möglichen Abweichung ist System Dynamics eine beliebte und effektive Möglichkeit, komplexe und dynamische Systeme zu simulieren, da dass Aufzeigen möglicher Folgen und deren Wahrscheinlichkeit wichtige Erkenntnisse über die Entwicklung des Systems geben kann um frühzeitig die wahrscheinlich richtigen Maßnahmen zu ergreifen. Warum Word3 eine wichtige Simulation ist World3 ist eine Computer-Simulation, die die Entwicklung vieler wichtiger Kennzahlen wie z.b. Bevölkerungsentwicklung und Ressourcenverbrauch der Erde für die nächsten Jahre voraussagt. Auftraggeber für diese Simulation war der Club of Rome, der sich mit verschiedenen politischen Themen - insbesondere auf internationaler Ebene - auseinandersetzt. Die Intention des Club of Rome ist es, unter anderem Sorge zu tragen und Verantwortung zu übernehmen im Bezug auf die Zukunft der Menschheit. Dieser Vorsatz impliziert auch, ein friedliches Zusammenleben der Menschheit. Um dieses friedliche Zusammenleben zu gewährleisten, ist es notwendig eventuelles Konfliktpotenzial im Vorfeld zu erkennen und die notwendigen Schlüsse und Konsequenzen zu ziehen. So ist es zum Beispiel sehr wichtig, die Bevölkerungsentwicklung der nächsten Jahrzehnte zu kennen, um eine ausreichende Nahrungsmittelversorgung zu gewährleisten. Da das System Erde aus mehreren Kenngrößen besteht, ist es sehr sinnvoll eine Simulation durchzuführen um entsprechende Entwicklungen in Vorfeld zu kennen und reagieren zu können, bevor es zu spät für Maßnahmen ist. Grundsätze der Modellierung in System Dynamics WIE SIEHT EIN M ODELL IN S YSTEM D YNAMICS AUS? Beim Modellierungsvorgang in System Dynamics gibt es prinzipiell zwei Kenngrößen. 1. Zustandsgrößen 2. Prozessgrößen (oder auch Zufluss und Abfluss bzw. Übergangsraten) System Dynamics am Beispiel World 3 3

4 Zustandsgrößen werden oft als Stacks bezeichnet und werden mit festen Werten zu bestimmten Zeitpunkten belegt. Die Weltbevölkerung zum Zeitpunkt Anfang 2000 ist Beispielsweise eine solche Zustandsgröße. Andere Zustandsgrößen können zum Beispiel in anderen Modellen sein: Lagerbestände, Personalzahlen, Bakterienpopulationen usw. Prozessgrößen hingegen geben an, wie sich eine Zustandsgröße in einem fest definierten Zeitraum ändert. Während die Weltbevölkerung eine Zustandsgröße ist, sind die zugehörige Prozessgrößen Sterbe- und Geburtenrate eines Jahres, welche sich zusammen zu einer einzigen Prozessgröße vereinen. Um ein kleines Modell zu veranschaulichen, finden Sie nun drei Grafiken in dieser Arbeit. Diese zeigen das Modell eines Ressourcenverbrauches zum Beginn in der Mitte und zum Ende einer Simulation. Diese Abbildungen zeigen außerdem sehr anschaulich, wie man mit System Dynamics auch Grenzen des Wachstums aufzeigen kann. So zeigt sich hier, dass die Zustandsgröße der verbrauchten Ressourcen (rot) nie jene der förderbaren Ressourcen (grün) überschreiten kann. Dementsprechend ist auch die Prozessgröße des Ressourcenverbrauchs zum Ende der Simula- System Dynamics am Beispiel World 3 4

5 tion gleich 0 weil, keine förderbaren Ressourcen vorhanden sind. Bei der Modellierung kann man auch darauf achten, dass die Förderung von Ressourcen immer schwieriger wird, anstatt immer einen konstanten Wert des Ressourcenverbrauchs für die Simulation zu nutzen, d.h. die Verbrauchsgeschwindigkeit kann im Verlauf der Simulation danach variieren wie leicht Ressourcen zu fördern sind oder ob einige Ressourcen überhaupt noch benötigt werden. Modellierung des Weltsimulationsmodells World 3 M ETHODEN UND U MSETZUNG VON W ORLD3 World 3 ist ein sehr komplexes Modell. Es betrachtet die Entwicklung folgender Zustandsgrößen die aber noch zahlreich in weitere Untergrößen gegliedert werden, die sich untereinander beeinflussen: 1. Weltbevölkerung 2. nicht erneuerbare Ressourcen 3. Industrieoutput 4. Nahrungsmittel 5. Umweltbelastung World 3 ist eine deterministische abstrahierte Simulation die immer zu den gleichen Resultaten führt, sofern gleiche Eingaben gemacht werden. Eine der Grundannahmen und auch größter Kritikpunkt ist, dass viele der Zustandsgrößen Wachstumsgrenzen haben, welche weiter unten ausführlich erklärt werden. Der Simulationszeitraum geht bis Eine zeitlich weitergehende Simulation währe auf Grund zu vieler unbekannter und unvorhersehbarer Ereignisse nur begrenzt sinnvoll. Die zu Grunde gelegten Daten für World 3 sind alle relevanten Daten, die vollständig bis 2004 gesammelt werden konnten zu den oben genannten Zustandsgrößen, sowie alle bis dahin gesammelten Erkenntnisse, die die Entwicklung dieser Größen beeinflussen könnten. W ELTBE VÖLK ERUNGSENTWICKLUNG MODELLIERUNG Der Algorithmus zur Modellierung der Weltbevölkerung ist sehr komplex und kompliziert und würde den Rahmen dieser Arbeit sprengen. Daher vereinfachen wir ihn auf ein verständliches Maß. N - Weltbevölkerung I - immigrierende Individuen aus externen Systemen s - Sterberate E - emigrierende Individuen in externe Systeme g S - Geburtenrate - gestorbene Individuen = (N 0 /1000)*s System Dynamics am Beispiel World 3 5

6 G - geborene Individuen = (N 0 /1000)*g Daraus ergibt sich folgende Formel N n = N n-1 - S + G + I - E Da I und E immer 0 sind, da die Erde in diesem Fall ein abgeschlossenes System (solange wir keine anderen Planeten besiedeln) ist ergibt sich die endgültige Formel: N n = N n-1 - S + G Wichtig zu erwähnen ist, dass die Bevölkerungsentwicklung von wesentlich mehr Faktoren abhängt. So hat zum Beispiel die Umweltbelastung direkt und indirekt Einfluss auf die Sterblichkeit einer Bevölkerung. Auch die Verfügbarkeit von Nahrungsmitteln ist ausschlaggebend für die Entwicklung der Weltbevölkerung. Prinzipiell ist festzustellen, dass alle Zustandsgrößen Einfluss auf die Weltbevölkerung haben. Grenzen der Bevölkerungsentwicklung werden durch die Platzproblematik offensichtlich, denn die Erde kann nur begrenzt Platz für Menschen bieten. N ICHTERNEUERBARE R ESSOURCEN M ODELLIERUNG Nichterneuerbare Ressourcen wie Erdöl und Erdgas sind ein sehr wichtiger Teil unseres ökonomischen und alltäglichen Lebens. Bei der Modellierung dieses Teilbereiches, des Systems Erde wurde berücksichtigt, dass die Förderung von Ressourcen zunehmend schwieriger wird, je mehr Ressourcen gefördert werden. Außerdem steigt mit gelieferten Ressourcen und steigender Weltbevölkerung, sowie dem daraus resultierenden steigenden Industrie-Output der Ressourcenhunger. Diesem Ressourcenhunger entgegen wirken Alternativtechnologien und ein tiefer verankertes Bewusstsein im Bezug auf Umweltfreundlichkeit und Nachhaltigkeit was positive Rückkopplungseffekte wie die Einführung von Recyclingsystemen führt. Diese Faktoren gehen in die Simulation des Ressourcenverbrauchs von nicht erneuerbaren Ressourcen ein. I NDUSTRIE- O UTPUT M ODELLIERUNG Mit Industrie-Output sind alle Industrie-Erzeugnisse von Autos über Laptops bis hin zu Zubehörteilen im Modell World3 abgebildet. Der industrielle Output richtet sich vor allem nach der vorhandenen Nachfrage. Diese wiederum steigt mit einer hohen Bevölkerung und mit Wohlstand. Die Grenzen des Industrie-Outputs sind heute und mittelfristig bis langfristig noch sehr an die nicht erneuerbaren Ressourcen wie Metall, Erdöl usw. gebunden und können nur bedingt, durch andere synthetische Stoffe ersetzt werden. Denn auch diese Stoffe haben oft nicht erneuerbare Ressourcen als Grundlage. N AHRUNGSMITTELENTWICKLUNG M ODELLIERUNG Die Produktion von Nahrungsmitteln hängt wie keine andere Kenngröße mit der Bevölkerungsentwicklung zusammen. Denn Sie ist die Grundlage und das Resultat wachsender Bevölkerungszahlen. Jedoch kann die Nahrungsmittelproduktion auch an Ihre Grenzen stoßen. Denn der Platz, der für Nahrungsmittelproduktion durch Acker- und Weideflächen nutzbar System Dynamics am Beispiel World 3 6

7 ist, wird mit steigender Weltbevölkerung und expandierenden Städten immer kleiner. Dem entgegen wirken immer neue Entwicklungen in der Gentechnik die ertragreichere Ernten sowie fleischhaltigere Tiere ermöglichen. Ferner wirken auch synthetische Lebensmittel dem entgegen. Der Einfluss dieser Faktoren ist jedoch relativ gering. M ODELLIERUNG DER E NTWICKLUNG DER U MWELTBELASTUNG Die Umweltbelastung ist eine nicht zu vernachlässigende Zustandsgröße. Schon heute beobachten wir Auswirkungen globaler Erwärmung, die Milliarden an Geldern kosten und sowohl die wirtschaftliche Entwicklung als auch die Entwicklung von ganzen Völkern beeinträchtigen. Die Umweltbelastung steht heute noch sehr stark im direkten Zusammenhang mit einer steigenden Weltbevölkerung und steigendem Industrieoutput. Dies wird sich auch in naher Zukunft so fortführen aber mit voranschreitendem technischen Fortschritt wird die sich diese direkte Abhängigkeit immer mehr lösen. Jedoch ist bei der Umweltbelastung zu bemerken, dass die Folgen immer erst zeitversetzt zum industriellen Output zu beobachten sind, da sich zum Beispiel einige Stoffe erst nach langen Zeitabständen bilden und zersetzen, die diese Umweltbelastung verursachen. Erkenntnisse und Folgerung aus der Simulation World3 World3 zeigt anschaulich wie eng seine fünf Zustandsgrößen miteinander zusammenhängen. Keine Größe kann alleine für sich betrachtet werden. Jede Veränderung eines Bereiches, löst weit reichende Folgen der anderen Bereiche aus. System Dynamics am Beispiel World 3 7

8 Die Simulation kündigt ferner einen Kollaps des globalen Systems in allen Bereichen zwischen 2015 und 2040 an. Es beruht auf der Annahme, dass für die stetig steigende Weltbevölkerung nicht mehr genug Nahrungsmittel produziert werden können. Dies führt zur Reduzierung des Bevölkerungswachstums und der industriellen Produktion nach dem Erreichen Ihres vorläufigen Höhepunktes. Die beiden genannten Folgen beschleunigen sich dabei auch wieder gegenseitig. Einhergehend damit verändern sich auch die anderen Kenngrößen durch Ihre Abhängigkeit untereinander. Die Umweltbelastung findet 20 Jahre nach dem Höhepunkt des Industrie-Outputs um 2040 Ihren Höhepunkt Dieser angekündigte Kollaps führt letzten Endes dazu, dass sich alle Zustandsgrößen wieder normalisieren und auf ein durchschnittliches Level gebracht werden. Einzige Ausnahme sind die nicht erneuerbaren Ressourcen, da diese wie der Name schon sagt nicht erneuerbar sind. Eine weitere Erkenntnis dieser Simulation ist, dass unser Ansinnen nach stetigem Wachstum nicht zu gewährleisten ist und laut der Simulation unweigerlich zum Kollaps des Systems führt. Aus diesen Erkenntnissen kann man zahlreiche Schlussfolgerungen ziehen. Da der Ausgangspunkt für den globalen Kollaps die wachsende Bevölkerung und die daraus resultierende Unmöglichkeit genügend Nahrungsmittel zu produzieren ist, sollten Maßnahmen in Betracht gezogen werden, dass Bevölkerungswachstum zu reduzieren bzw. zu negativeren. China geht hier mit dem zwar menschlich fragwürdigen aber effektiven Handeln voran und praktiziert die Ein- Kind-Politik. Ein anderer Ansatz ist der, mehr Nahrungsmittel auf weniger Raum zu produzieren. Dieses ist zwar bedingt effektiv und verschleppt die Problematik nur, aber kann Zeit schinden, um dem Kollaps vorerst aus dem Weg zu gehen. Dies tut man in dem man in Deutschland beispielsweise vermehrt gentechnisch manipulierte Pflanzen züchtet, die mehr Ertrag bringen. System Dynamics am Beispiel World 3 8

9 Eine Simulationsvariation, die nach Kritik erstellt wurde, hatte den Ansatz, dass man mit anderem Dünger und Technologie genügend Nahrung produzieren konnte. Dieser Simulationsdurchgang zeigte aber, dass das System etwas später an der Umweltbelastung kollabiert. Daher muss auch Sorge getragen werden, dass die Umweltbelastung vom Industrie-Output entkoppelt wird oder der Industrie-Output begrenzt wird. Dies tut man in der Europäischen Union bereits durch die Einführung von Emissionszertifikaten, die den Ausstoß von Klimagasen einschränken und innovative Umwelttechnologien fördern sollen. Ein ganz anderer aber vorerst außer Frage stehender Ansatz ist die Umsiedelung der Menschheit auf lebenstaugliche Planeten. Jedoch wird dies auf absehbare Zeit noch nicht gelingen bzw. wären die Kosten für eine solche Unternehmung gigantisch. Kritik an World3 und Ausblick für die Zukunft Die am meisten begründete Kritik an World3 ist die der harten Grenzen. Die Simulation enthält relativ viele harte Grenzen wie z.b. die Nutzbarkeit des Bodens, die in der Realität flexibler sind. So ist zum Beispiel die Ertragsgrenze von landwirtschaftlichen Erzeugnissen als harte unveränderbare Grenze gesetzt. Es wird auch nicht berücksichtigt, dass es für einige momentan nicht erneuerbare Rohstoffe evtl. einen äquivalenten Ersatz geben wird. Durch den Wegfall solcher flexiblen Grenzen kann das Ergebnis unter Umständen maßgeblich verfälscht werden. Ein weiterer Kritikpunkt, ist dass die Ergebnisse nicht in allen Bereichen so eingetroffen sind wie World3 sie vorher sagt. Allerdings wird dabei nicht berücksichtigt, dass World3 einen Kollaps verschiedener Bereiche erst 2015 bis 2040 ankündigt. Um diese Ungenauigkeiten auszugleichen kann man World3 in regelmäßigen Abständen immer neu bemühen, um die Parameter an aktuelle Geschehnisse anzupassen und so neue Ergebnisse zu generieren. System Dynamics am Beispiel World 3 9

10 Quellen Grafiken: Max Schmietendorf Literatur Dennis L. Meadows et al.: Die neuen Grenzen des Wachstums. Rowohlt, Reinbek 1993 Karsten Herzmann, Caroline Seibert: Neue Perspektiven für die ökologische Wachstumskritik PDF, 2005 Software und Weblinks Realisierung des World3-Modells als Java-Applet System Dynamics am Beispiel World 3 10