Ein Konzept zur solaren Energiespeicherung in einem CO 2 -Kreislauf. Detlev Möller Arbeitsgruppe für Luftchemie und Luftreinhaltung, BTU Cottbus

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1 Ein Konzept zur solaren Energiespeicherung in einem CO 2 -Kreislauf Detlev Möller Arbeitsgruppe für Luftchemie und Luftreinhaltung, BTU Cottbus 13th Leibniz Conference on Advanced Science

2 In einer Stunde gelangt durch Solarstrahlung die Energiemenge auf die Erde, welche die Menschheit in einem Jahr aus fossilen Rohstoffen freisetzt, wobei die entsprechende Menge an fossilen Stoffen im Verlaufe einer Million Jahre gebildet wurde.

3 Das SONNE-Konzept beruht auf folgenden Paradigmen (ein zu fundierender Paradigmenwechsel): - es gibt keine erneuerbare Energie, sondern nur einen im zeitlichen Mittel weitgehend konstanten solaren Energiefluss auf die Erde, der um den Faktor 10 3 bis 10 4 höher ist als der gegenwärtige globale jährliche Energiebedarf der Menschheit (d.h. er ist auch limitiert aber offenbar groß genug ), - es steht ausreichend solare direkte (und sekundäre elektrische) Energie zukünftig zur Verfügung, um auch bisher uneffektive chemische Prozesse durchzuführen (d.h. der Begriff Energieeffizienz bekommt eine nachrangige Bedeutung) und - das einzige Kriterium nachhaltigen Wirtschaftens ist die stoffliche Kreislaufführung.

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5 Gliederung Das Kohlenstoff-Problem Das Energie-Problem Die Lösung: Der anthropogene Kohlenstoffkreislauf

6 Das Kohlenstoff-Problem

7 Das globale biologische Kohlenstoff-Budget NPP = GPP plant respiration NEP = NPP consumers respiration GPP 200 NPP 100 NEP 1 50% Ozean 50% Kontinent 50% Ozean 50% Kontinent 2-5 Biomasseverbrennung 20 menschliche Nutzung ~ 1 VOC Emission Δ Tiere, Mikrofauna (Werte in g C bzw. Gt C pro Jahr)

8 Globale Kohlenstoffbilanz (in g C bzw g C a -1 ) Reservoire Atmosphäre 820 Landpflanzen 560 davon: Wald 234 Boden (organisch) 1600 Ozean (Oberflächenwasser) 900 Ozean (gesamt) fossile Rohstoffe 5000 Kerogen (organische Sediment Sedimente (Karbonate) Biospäre 6% verbrannt Flüsse anthropogenen CO 2 -Freisetzung 10 Atmung 210 Photosynthese 210 Absorption 5 Summe anthropogene Freisetzung 485 Summe Aufnahme (Ozean/Boden) ,5 % Biospäre

9 Der biologische Kohlenstoff-Kreislauf O 2 H 2 O Photosynthese Atmung CH 2 O CO 2 Fossilierung O 2 Anstieg CO 2 Abnahme H 2 O Verbrauch fossile Rohstoffe Verbrennung

10 CO 2 (10) H 2 O (12500) O 2 (119) (CH 2 O) n (negl.) Global numbers in g reservoir total mass (CO 2 almost dissolved carbonate and O 2 in air)

11 world coal consumption (in 10 6 t yr -1 ) forecast year World coal consumption in Mt yr -1. Data from 1860 until 1975 after Möller (2003); data since 1980 after EIA (2009)

12 global CO 2 emission (in Tg C yr -1 ) Total Coal Liquids Gas year Global CO 2 emission Trend; data from Boden et al. (2009)

13 Das Problem Die Zeitskalen der menschlichen Nutzung von stofflichen Ressourcen und natürlichen Rezyklierung liegen um viele Größenordnungen auseinander (bei sehr kleinen Stoffflüssen ist das noch kein Problem). Die Nutzungsrate liegt gegenwärtig in einer Größenordnung, die zu signifikanten irreversiblen Verschiebungen in Reservoirkonzentrationen führt (bei sehr kleinen Nutzungsraten ist das noch kein Problem). Beide Faktoren zusammen führen zu einer Klimaänderung (erst die Folgen der Klimaänderung stellen das Problem dar).

14 Monthly CO 2 concentration (in ppm) Keeling curve (Mauna Loa record) year The Keeling-curve: atmospheric CO2 values (ppm) derived from in situ air samples collected at Mauna Loa, Hawaii, USA; data from R. F. Keeling, S. C. Piper, A. F. Bollenbacher and S. J. Walker. Carbon Dioxide Research Group, Scripps Institution of Oceanography (SIO), University of California, La Jolla, California USA The line represents a linear regression fit between 1970 and 2000

15 CO 2 mixing ratio (in ppm) Prognose der atmosphärischen CO 2 -Konzentration measurements without CCS with CCS year

16 DIC in µmol kg measured DIC ndic normalized to S = year Trend of dissolved organic matter (DIC) at Station ALOHA; data from: Dore, J. E. (2009), Hawaii Ocean Time-series surface CO2 system data product, , SOEST, University of Hawaii, Honolulu, HI, (see also Dore et al. 2003, 2009).

17 annual temperature anomalies (degrees C) Der globale Temperaturverlauf 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2-0,4-0, year

18 Das Energie-Problem

19 nuclear: 15% hydropower: 16% other: 2% electricity (18930 TWh) heat (fuels) transport (fuels) (~ 2600 Mt C) (~ 2600 Mt C) materials (~ 840 Mt C) coal: 60% coal: 35% coal: 0.5% coal: 4% oil: 6% oil: 6% oil: 75% oil: 13% gas: 35% gas: 48% gas: 6% gas: 11% fossil fuels: coal (32%), gas (25%), and oil/liquids (42%): ~ 9100 Mt C coal: ~ 6500 Mt petroleum: ~ 3800 Mt natural gas: ~ 3500 Gm 3 86% total primary world energy supply ( TWh in 2006) 6% 2% 6% nuclear hydropower others

20 incoming solar radiation TW (343 W m -2 ) J yr -1 IR dissipation back to space 30% ~53% solar absorption at earth surface ~53000 TW ~ 46% ~ 53% latent atmospheric heat ~49000 TW ~0.2% ~0.3% ~0.2% CO 2 global photosynthesis (GPP) (~110 Gt C yr -1 ) 138 TW water power ~100 TW wind power ~100 TW ~ 55% 2% ~0.3% 1% terrestrial photosynthesis (NPP) (~ 60 Gt C yr -1 ) 76 TW ~ 5% 6% human global energy supply (increasing) 15.8 TW ( J yr -1 ) 86% 6% negl. Human use ( 20 Gt C yr -1 ) 25 TW ~ 25% fossil energy (still ~ J) geothermal energy (~ J) nuclear energy

21 Einstrahlung auf die Erdoberfläche TW Photosynthese 138 TW (0,3 %) Solarstrom (gegenwärtiger Bedarf) 25 TW (0,05 %) 46 % 53 % IR-Rückstrahlung atmosphärische Energie % Wasser- und Windkraft

22 Global CO 2 emission (in Gg yr -1 ) World population (in 10 9 humans) GDP growth (%/capita) past future CO2 world population GDP growth (%/capita) year

23 Super-exponential growth of world population 3000 year explosion World population (in 10 9 humans)

24 Die Lösung des Problems Jede stoffliche Nutzung natürlichen Ressourcen muss innerhalb eines Kreislaufes ablaufen, dessen Zeitskala dem des entsprechenden natürlichen Kreislaufes entspricht. Es gibt keine Begrenzung der Nutzungsrate (Produktion), wenn die Entnahmerate (mit dem Ziel Sequestrierung und/oder Rezyklierung) gleich groß ist. Dann bleiben die Reservoirkonzentrationen (und damit das Klima) konstant.

25 Solarstrahlung Abwärme SONNE DESERTEC Solar-KW Strom Transport Strom Direktverbraucher CO 2 capture solar fuel Strom Verbraucher SONNE

26 Reduction Oxidation CO 2 H H 2 O O CH 4 Biosphere Atmosphere Sustainable Noosphere (Anthroposphere)

27 Photosynthesis Fischer-Tropsch-Synthesis C 1 chemistry 2H(-H 2 O) H H 2H H(-H 2 O) H CO 2 CO HCO HCHO CH 3 OH CH 3 CH 4 C 2 chemistry CO COCH 3 2H H CH 3 CH 2 OH CH 3 CHO C 3 chemistry CH 3 CH 3 (CO)CH 3 4H(-H 2 O) C n chemistry CH 2 CH 3 CO+H(-H 2 O) C n H m

28 Noch einmal: Die Energieeffizienz spielt keine Rolle mehr! Auch keine CO 2 -freie Wirtschaft. Aber CO 2 muss im Kreislauf geführt werden, d.h. die Stoffbilanz muss Null werden.

29 Das gegenwärtige Kraftwerk Atmosphäre Geochemische Umverteilung! CO 2 fossile Rohstoffe Strom Lithosphäre Energieblilanz > 0 Kohlenstoffbilanz < 0 (negativ!)

30 Das Hybrid-Kraftwerk der Zukunft CO 2 H H 2 O O Wasserelektrolyse Strom CH 4 Energieblilanz 0 (negativ!) Kohlenstoffbilanz = 0

31 Das Solarzeitalter solare Energie Energiebilanz = 0 Kohlenstoffbilanz = 0 Abwärme Solarstrom (primär) solar fuel Nutzung Solarstrom (sekundär)

32 sequestration for climate restoration traditional technology (fossil fuel era) fossil fuel mining seawater CO 2 atmospheric CO 2 CCC technology: carbon capture and cycling (carbon dioxide economy) combustion CO 2 emission CCS technology (carbon capture and storage) hybrid power plant (see Fig.2) flue gas CO 2 capture CO 2 storage for sequestration solar fuels CO 2 utilization dynamic CO 2 storage biomass ambient CO 2 capture

33 Zusammenfassung CCS ist eine Brückentechnologie und die einzige Möglichkeit, den weiteren CO 2 -Anstieg zu bremsen, jedoch nicht wesentlich zu verringern. Die wiss.-techn. Grundlagen von CCS werden jedoch zukünftig umgesetzt im CCC-Konzept: CO 2 -Management (air capture und Hybrid- KW). Alternativ ist die Hochleistungs-Biomasseproduktion (Algenfarm) mit anschließender Hydrierung (solar fuels). Einzige nachhaltige Zukunft der Energieversorgung ist Solarstrom (z.b. Desertec-Konzept). Die Speicherung des Solarstromes sowie die Bereitstellung stofflicher Energieträger für mobile und kleine Anlagen (SONNE-Konzept) erfolgt durch CO 2 -Nutzung.

34 Danke!