Mittwoch, 27. Januar 2016

Raw Materials and Resources - Part 4

Der Erntefaktor EROI

Der Produktionsverlauf natürlicher Ressourcen über die Zeit kann mit der Hubert-Kurve  beschrieben werden. Darüber wurde bereits im letzten Post berichtet. In diesem Zusammenhang sollte der „Erntefaktor“ erwähnt werden. Der Begriff wird im Englischen häufig mit EROI für „Energy Returned on Energy Invested“ abgekürzt. Diese Kennziffer beschreibt die Effizienz von Kraftwerken, Solaranlagen und bei der Gewinnung von fossilen Energieträgern (Kohle, Erdöl usw.) Der Erntefaktor ε beschreibt das Verhältnis von genutzter Energie ER zur aufgewendeten Energie EI und ist definiert als ε=ER/EI. Je höher dieser Wert ist, desto effizienter ist die Energiequelle. Werte größer als Eins bedeuten eine positive Gesamtenergiebilanz (Quelle).
Es gibt umfangreicher Literatur zum Erntefaktor von Ölvorkommen. Der Erntefaktor lag in den 1930er Jahre noch bei ca. 100, sank in den 1970er Jahren auf ca. 30 und liegt mittlerweile bei ca. 10 (siehe Abbildung). Das bedeutet für einen Liter investiertes Öl gewinnt man heutzutage 10 Liter. Die gegenwärtig immer stärker ausgebeuteten Ölsande und Ölschiefer haben vermutlich noch niedrigere Erntefaktoren. Die Zusammenhänge zwischen Ölproduktion und Erntefaktor werden ausführlich auf www.theoildrum.com diskutiert. 



Abbildung: Historische Entwicklung des Erntefaktors (EROI) für Öl und Erdgas in den USA (Quelle der Abbildung: www.theoildrum.com). 

Die Zusammenhänge zwischen Erntefaktor und der Ausbeutung von nicht-erneuerbaren Ressourcen wurden von Ugo Bardi und Mitarbeitern in einer Artikelserie ausführlich behandelt.
Links:
  • "Modelling EROEI and net energy in the exploitation of non renewable resources” von U. Bardi, A. Lavacchi, L. Yaxley, Ecological Modelling 223 (2011) 54– 58.
  • “A Simple Interpretation of Hubbert’s Model of Resource Exploitation” von U. Bardi, A. Lavacchi, Energies 2 (2009) 646-661.
  • “EROEI and Net Energy in the Exploitation of Natural Resources. A Study based on the Lotka-Volterra Model” von U. Bardi, A. Lavacchi, L. Yaxley auf der Webseite societalmetabolism.org
[Kommentar: Mich irritiert bei diesen drei Veröffentlichungen etwas, dass in allen drei Artikeln die gleichen Abbildungen auftauchen!]

Schließlich sollte ich an dieser Stelle noch auf das Buch von Ugo Bardi hinweisen „Extracted: How the Quest for Mineral Wealth is Plundering the Planet“, Chelsea Green Publishing Co 2014. Bei Google Books gibt es eine Leseprobe des Buches.

Samstag, 23. Januar 2016

Raw Materials and Resources - Part 3

Zukünftige Verfügbarkeit fossiler Energierohstoffe

„Welche Mengen an nicht-erneuerbaren Energierohstoffen zukünftig abgebaut und verbraucht werden, ist von vielen Faktoren abhängig und nur bedingt vorhersagbar. Für die Energieträger Uran, Kohle und Erdgas besteht eine aus geologischer Sicht komfortable Situation, denn der projizierte Bedarf umfasst nur einen kleinen Teil der derzeit ausgewiesenen Rohstoffvorräte und kann alleine aus den bereits heute bekannten Reserven gedeckt werden. Insbesondere sticht die Kohle hierbei mit einem weit über jeden Bedarf hinausgehenden Angebot hervor. Umfangreiche Ressourcen (im Vergleich zu Reserven) weisen darauf hin, dass noch große und bislang nicht ausgeschöpfte Potenziale bestehen, die in wirtschaftlich gewinnbare Vorräte überführt werden können. Insbesondere nicht-konventionelle Kohlenwasserstoff-Vorkommen, deren Gewinnung schon heute im großen Maßstab erfolgt, tragen zu einer vergleichsweise entspannten Angebotssituation bei.
Aus geologischer Sichtweise absehbar limitiert ist lediglich die Verfügbarkeit von Erdöl. Die Produktion beginnt aus technischen Gründen bereits zu einem Zeitpunkt abzusinken, zu dem noch große Vorräte vorhanden sind. Nach dem IEA-Szenario wäre bis 2040 etwa die Hälfte der heute ausgewiesenen Erdölreserven verbraucht.“ (Quelle: Energiestudie 2014 der Deutschen Rohstoffagentur)
An anderer Stelle heißt es: „Die geologische Verfügbarkeit ist aber im Allgemeinen kein kritischer Faktor, da die Kenntnisse über die Erschließung von Rohstoffen stark schwanken. Es kann daher vorkommen, dass sich statische Reichweiten mit der Zeit wenig ändern. Das bekannteste Beispiel hierfür ist Erdöl, dessen Reichweite der Club of Rome im Jahr 1972 auf 30 bis 50 Jahre geschätzt hatte. Seitdem hat sich der Wert für die Reichweite nicht verändert. … Dennoch ist die statische Reichweite ein nützlicher Indikator, der zeigt, wo erhöhte Anstrengungen erforderlich sind, um Reserven zu erschließen, Rohstoffe zu ersetzten oder zu recyceln.“ (Quelle: „Trendbericht Physikalische Chemie“ M. T. Elm, G. Homm, Nachrichten aus der Chemie 63 (2015) 315-319

Zur Beschreibung der Ölproduktion wird häufig die „Hubbert-Kurve“ verwendet. Bei wird diesem Modell wird angenommen, das die Produktion von Rohöl in der freien Marktwirtschaft einen glockenförmigen Verlauf hat und symmetrisch ist. Dieses Modell wurde in den 1950er Jahren von US-amerikanischen Geologen M. King Hubbert entwickelt, um die Ölproduktion in den kontinentalen Vereinigten Staaten vorherzusagen. 1956 sagte Hubbert erfolgreich voraus, dass die Ölproduktion in diesen Staaten ihren Höhepunkt zwischen 1965 und 1970 erreichen würde.
Heute wird dieses Modell auch für die weltweite Ölproduktion angewendet. Dabei wird angenommen, dass die weltweite Ölproduktion in den ersten zwei Dekaden des 21. Jahrhunderts ein Maximum erreichen wird und danach abfällt. Dieses Produktionsmaximum wird häufig einfach als „Peak Oil“ bezeichnet. Das Modell eines glockenförmigen Produktionsverlaufes kann auch auf andere Ressourcen angewendet werden. Dazu gehören z.B. Kohle, Minerale und auch biologische Ressourcen wie Waltran. Die generelle Anwendbarkeit glockenförmiger Kurven auf die Gewinnung verschiedenster Ressourcen hat grundlegende Bedeutung für die Planung unserer Zukunft. „Peak Oil“ markiert einen kritischen Wendepunkt in einem ökonomischen System, welches auf fortwährendes Wachstum ausgelegt ist. Eine langfristige Verminderung der Ölproduktion wird die Ökonomie der ganzen Welt verändern. (Quelle: U. Bardi, A. Lavacchi: A Simple Interpretation of Hubbert’s Model of Resource Exploitation, Energies 2009, 2, 646-661)


Abbildung: Prinzipielle Darstellung einer Hubbert-Kurve für die weltweite Ölproduktion. Wann tatsächlich „Peak Oil“ erreicht ist und wann die Erdölvorräte wirklich zur Neige gehen wissen wir nicht. Beachten Sie dazu bitte die Erklärungen in diesem Post.

Originalquelle zur “Hubbert-Kurve”: M. K. Hubbert: Energy Resources. A Report to the Committee on Natural Resources; National Academy of Sciences, National Research Council: Washington, DC, USA, 1962; p. 54. Unter dem Stichwort „Peak Oil“ findet man unzählige Seiten im Internet. Je nachdem welche Seite man aufsucht, erhält man genaue Erklärungen oder ausführliche warnende, beschwichtigende oder Endzeitstimmung verbreitende Kommentare zu diesem Thema. 

Wie ernst es mit dem Erdöl steht und welche Alternativen nach dem Erdölzeitalter denkbar sind, ist sehr gut in den Artikeln „Das Erdölzeitalter“ von H. Offermanns und M. Salesch (Chemie in unserer Zeit, 48 (2014) 364-375) oder „Jenseits von Öl und Gas: die Methanolwirtschaft“ von G. A. Olah (Angew. Chem 117 (2005) 2692-2696) erklärt.
Der aktuelle Stand der Kohlenutzung wird in dem Artikel „Kohle stofflich nutzen“ von K. Hackelöer und B. Kneißel beschrieben (Nachrichten aus der Chemie 63 (2015) 1006-1008).


Eine etwas andere Sichtweise bietet der "Statistical Review of World Energy 2015“. Dieser von der Firma BP herausgegebene Report bietet umfassende globale Daten über die Weltenergiemärkte und die Energiereserven. Dort wird z.B. darauf hingewiesen, dass die USA nunmehr (wieder) der weltweit größte Ölproduzent sind. Weiter heißt es dort: „Ebenso haben die USA mit der derzeitigen Förderquote das damalige Peak Level aus 1970 überschritten. Ein interessanter Fakt, weil es die Peak Oil Theorie widerlegt, die in dieser Zeit aufgekommen war.“  (Quelle)

Abbildung: Ölförderung der USA (Quelle der Abbildung BP)

Weitere umfassende Informationen zur weltweiten Primärenergieverbrauch findet man auf dem EXXON Mobil Energieportal:
Abbildung: Weltweiter Primärenergieverbrauch bis 2040 (Quelle: EXXON Mobil)

Die Webseiten von BP bieten Informatioen über Energieerzeugung und -Reserven an:
Technische Reports und wirtschaftliche Analysen zum Ölmarkt und der weltweiten Ölproduktion  gibt es auf den Webseiten des Handelsunternehmens PVM Oil Associates

Dienstag, 19. Januar 2016

Raw Materials and Resources - Glossary

Glossar

Im letzten Beitrag wurden die Begriffe Ressourcen, Reserven mehrfach gebraucht. Deshalb ist es an der Zeit hier ein paar Begriffsdefinitionen anzubringen:

Reserven - sicher nachgewiesene und mit bekannter Technologie wirtschaftlich gewinnbaren Vorkommen in der Erdkruste
ursprüngliche Reserven - setzen sich aus der kumulierten Förderung plus den verbleibenden Reserven zusammen
Ressourcen - Vorkommen, die noch nicht wirtschaftlich zu fördern sind oder die noch nicht sicher ausgewiesen sind, aber aufgrund geologischer Indikatoren erwartet werden. Preissteigerungen an den Weltrohstoffmärkten und neue Explorationsergebnisse können Ressourcen in Reserven überführen.

Quelle: Energiestudie 2014 der Deutschen Rohstoffagentur oder auch Webseite des BMWi.


   Abbildung: Grafische Darstellung der Zusammenhänge zwischen Reserven und Ressourcen.

Samstag, 16. Januar 2016

Raw Materials and Resources - Part 2

Energierohstoffe

Deutschland deckt seinen Bedarf an Primärenergieträgern nur bei Braunkohle zu 100 Prozent aus eigenen Vorkommen. Erneuerbare Energien und die Kernkraft gelten ebenfalls als vollständig heimische Energieträger. Erdöl, der wichtigste Primärenergieträger muss fast vollständig importiert werden. Bei Erdgas und Steinkohle liegt die Importquote bei 88 bzw. 87 Prozent. Bis 2018 wird die deutsche Steinkohleförderung eingestellt und die konventionelle Erdgasförderung geht ebenfalls stark zurück. Die Importquote und -abhängigkeit bei Energierohstoffen steigt damit weiter an. (Quelle)
Die Reichweite natürlicher Ressourcen tritt immer mehr in den Mittelpunkt des öffentlichen Interesses. Weiterführende Informationen zu Ressourcen, der Produktion und dem Verbrauch verschiedener Energierohstoffe finden Sie auf der Webseite der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR). Nachfolgende Kernaussagen wurden der Energiestudie 2014 und Energiestudie 2015 entnommen.  Inhaltlich ist der gesamte Text daher als in Anführungszeichen gesetzt zu lesen.

Erdöl
„Erdöl ist der weltweit wichtigste Energielieferant und wird das auch auf absehbare Zeit bleiben. Der Anteil an Erdöl am Welt-Primärenergieverbrauch liegt etwa bei einem Drittel. In den nächsten Jahren kann aus geologischer Sicht bei einem moderaten Anstieg des Erdölverbrauchs die Versorgung mit Erdöl gewährleistet werden. Erdöl aus nicht-konventionellen Vorkommen, darunter insbesondere aus Ölsand und Schieferöl, wird zunehmend an Bedeutung gewinnen.
Die Entwicklung des Ölpreises ist nicht vorhersagbar. Der Ölpreis ist kurz- und mittelfristig weniger von der geologischen Verfügbarkeit als von politisch-wirtschaftlichen Einflussfaktoren abhängig. Erdöl ist der einzige nicht erneuerbare Energierohstoff, bei dem in den kommenden Jahrzehnten eine steigende Nachfrage wahrscheinlich nicht mehr gedeckt werden kann. Angesichts der langen Zeiträume, die für eine Umstellung auf dem Energiesektor erforderlich sind, ist deshalb die rechtzeitige Entwicklung alternativer Energiesysteme notwendig. Die zunehmende Nutzung nicht-konventioneller Erdölvorkommen führt langfristig nicht zu einem Paradigmenwechsel.


Quelle der Abbildung: BMWi


Erdgas
Erdgas ist aus geologischer Sicht noch in sehr großen Mengen vorhanden. Auch bei einem absehbar steigenden Bedarf kann die Versorgung der Welt aufgrund des hohen verbleibenden Erdgaspotenzials noch über viele Jahrzehnte gewährleistet werden.
Die Erdgasförderung in Europa hat ihr Maximum seit einigen Jahren bereits überschritten. Damit wächst die Abhängigkeit von Gasimporten aus der GUS, Afrika und dem Mittleren Osten. Etwa 80% der globalen Erdgasreserven befinden sich in den Ländern der OPEC und der GUS.

Kohle
Die Reserven und Ressourcen an Hartkohle und Weichbraunkohle können aus geologischer Sicht den erkennbaren Bedarf für viele Jahrzehnte decken. Kohle verfügt über das größte Potenzial von allen nicht-erneuerbaren Energierohstoffen. Kohle wird auch zukünftig eine bedeutende Rolle bei einer zu erwartenden Steigerung des weltweiten Primärenergieverbrauchs einnehmen.

Kernbrennstoffe
Die globale Uranproduktion ist erneut gestiegen. Aus geologischer Sicht ist in absehbarer Zeit kein Engpass bei der Versorgung mit Kernbrennstoffen zu erwarten. Die globalen Uranvorräte sind sehr umfangreich. Auch nach der Reaktorkatastrophe von Fukushima besteht weiterhin weltweit ein wachsendes Interesse an der energetischen Nutzung von Kernbrennstoffen.
Trotz des beschlossenen Ausstiegs Deutschlands aus der Nutzung der Kernenergie und des Ausbaustopps in einigen Ländern verfolgt eine Mehrheit der Staaten weiterhin die Nutzung der Kernenergie. Ende 2014 befanden sich 70 Kernreaktoren in 15 Ländern im Bau. Weitere 125 Kernkraftwerke befinden sich in der Planungs- oder Genehmigungsphase.“


Abbildung: Globaler Weltenergieverbrauch aus der „Key World Statistics 2015“ der International Energy Agency.


Links:

Samstag, 9. Januar 2016

Raw Materials and Resources - Part 1

Rohstoffe in Deutschland

Der nachfolgende Text stammt weitgehend aus dem Bericht der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe zur Rohstoffsituation in Deutschland 2014. Inhaltlich ist der gesamte Text daher als in Anführungszeichen gesetzt zu lesen.

Produktion von Rohstoffen in Deutschland

„Deutschland ist eines der führenden Industrieländer und daher ein Großverbraucher von mineralischen Rohstoffen und Energierohstoffen. Ein Großteil der jährlich in Deutschland benötigten Rohstoffe, insbesondere Rohstoffe aus Steine und Erden, werden aus heimischen Lagerstätten gewonnen. Damit ist die Eigenversorgung mit diesen Rohstoffen ganz oder anteilig sichergestellt. Zusätzlich wird ein Teil der inländischen Rohstoffproduktion exportiert. Im Gegensatz dazu werden viele Metallrohstoffe, einzelne Industrieminerale und der Großteil der Energierohstoffe importiert.

Im Jahr 2014 wurden in Deutschland
  • 188,2 Mio. t Braunkohle, Steinkohle und Erdöl,
  • 10,1 Mrd. m³ Erdgas/Erdölgas und
  • ca. 565 Mio. t mineralische Rohstoffe produziert.
Mengenmäßig sind Kiese und Sande mit etwa 248 Mio. t die wichtigsten mineralischen Rohstoffe, auf die knapp ein Drittel der heimischen Rohstoffproduktion entfällt. Zusammen mit den gebrochenen Natursteinen machen sie deutlich über die Hälfte der Menge der gewonnenen Rohstoffe aus. Platz drei wird von der Braunkohle eingenommen, die nach wie vor der wichtigste heimische Energieträger ist.
Im Weltmaßstab gesehen behauptet sich Deutschland nach wie vor als wichtiges Bergbauland. Im Jahr 2014 war das Land für Braunkohle weiterhin der weltgrößte, für Kaolin der drittgrößte sowie für Steinsalz der viertgrößte Produzent. 

Import von Rohstoffen

Deutschland importierte im Jahr 2014 Rohstoffe im Wert von 123,1 Mrd. €. Dies entspricht einem Rückgang um 21,3 Mrd. € (–14,8 %) gegenüber dem Vorjahr. Dieser Rückgang resultiert in erster Linie aus den niedrigen Rohstoffpreisen, die Menge der importierten Rohstoffe ist gegenüber dem Vorjahr jedoch ebenfalls um 4,1 % gesunken.
Energierohstoffe machten 2014 den größten Teil der Importausgaben für Rohstoffe aus (81,8 Mrd. Euro, 66,5 %). Es folgen Nichteisenmetallrohstoffe, Rohstoffe für die Eisen- und Stahlindustrie und Edelmetalle (39 Mrd. Euro, 31,7 %). Das Schlusslicht mit einem Anteil von 1,9 % am Gesamteinfuhrwert bilden die Nichtmetalle (2,3 Mrd. Euro). In der Gruppe der Energierohstoffe entfiel auf Öl (60,5 %) und Gas (33,0 %) der Löwenanteil der Ausgaben. Den Rest teilen sich Kohle (5,7 %) und Kernenergierohstoffe (0,8 %).
Verglichen mit dem Vorjahr hat Deutschland 2014 4,1 % weniger Rohstoffe importiert. Die Menge der importierten Energierohstoffe nahm um 7,1 % ab. Bei Metallrohstoffen gab es ein Plus von 5,3 %, bei Nichtmetallen von 1,9 %.
Die nach Wert wichtigsten Einfuhrländer waren die Russische Föderation (32,1 Mrd. €), die Niederlande (19,4 Mrd. €) und Norwegen (19,2 Mrd. €). Aus diesen Ländern bezog Deutschland vor allem Energierohstoffe. Brasilien als größter Lieferant von Eisenerz belegt mit 3 Mrd. € Rang acht.“
"Aus geologischer Sicht ist die langfristige Verfügbarkeit bei Kohle, Erdgas, Uran, Metallrohstoffen und Industriemineralen gegeben. Die Deckung der Nachfrage könnte nur bei Erdöl und einigen schweren Seltenen Erden schwierig werden. Lieferengpässe könnten in den nächsten Jahren infolge von Spekulationen, Wettbewerbsverzerrungen im Handel, die wenig absehbare Entwicklung von rohstoffintensiven Zukunftstechnologien und die teilweise hohe Konzentration der Weltrohstoffproduktion auf wenige und zum Teil instabile Länder auftreten."(Quelle)

Recycling

„Metallische Rohstoffe werden in der Regel nicht verbraucht sondern genutzt. Ein großer Teil steht am Ende der Lebensdauer der Produkte wieder zur Verfügung und kann durch Recycling zurück gewonnen werden. In der deutschen Metallindustrie stammten etwa 53 % des Aluminiums, 42 % des Kupfers und 45 % des Rohstahls aus sekundären Rohstoffen. Die deutsche Importabhängigkeit für Metallerze liegt bei 100 %. Durch das Recycling von Metallrohstoffen und den Zukauf von Schrotten und Abfällen, überwiegend aus EU-Staaten, wird die Abhängigkeit von Primärrohstoffimporten deutlich reduziert.
Im Gegensatz zu den Metallrohstoffen ist eine echte Kreislaufrückführung bei den Nichtmetallrohstoffen in den meisten Fällen nicht möglich, weil sich viele dieser nichtmetallischen Rohstoffe im Zuge des Herstellungsprozesses eines Produkts unwiederbringlich verändern. Die Rohstoffe gehen dauerhaft neue chemische Verbindungen ein und bilden neue Minerale und Mineralgemenge, die ganz andere Eigenschaften als der Ursprungsrohstoff aufweisen. Das schränkt ihre Recyclingfähigkeit ein, bzw. macht Recycling gar unmöglich. So wird z. B. Ton zu Ziegeln gebrannt, aus denen jedoch niemals wieder Ton hergestellt werden kann. Weitere Beispiele sind Kalksteine, die zu Zement oder Branntkalk verarbeitet worden sind, oder Kaolin und Feldspat, die zur Herstellung von Keramik verwendet wurden.
Häufig lassen sich jedoch die aus ihnen hergestellten Produkte als Substitute für primäre Rohstoffe wieder in den Wirtschaftskreislauf einbringen (Sekundärrohstoffe). Prominente Beispiele hierfür sind Glas und Baumaterialien.“ (Quelle)
Das Recycling spielt eine zunehmend wichtige Rolle für die Versorgungssicherheit, insbesondere bei Aluminium, Kupfer und Stahl. (Quelle)

Quelle der Abbildung: BGR

Links:
  •  Bundesministerium für Wirtschaft und Energie:

Samstag, 2. Januar 2016

Raw Materials and Resources

Rohstoffe und Ressourcen – Ankündigung einer Artikelreihe

Rohstoffe und Ressourcen sind Begriffe, die in den letzten Jahren häufig in der öffentlichen Diskussion auftauchten. Wozu brauchen wir überhaupt Rohstoffe?
Unsere Zivilisation beruht auf Stahl, Beton, Kunststoffen, Keramik und Energie. Ohne diese würden wir in kalten und dunklen Erdlöchern hausen. Die moderne Industriegesellschaft funktioniert nur unter Verarbeitung zahlreicher Rohstoffe, die uns diese und andere Materialien liefern. Einerseits benötigt die Bauindustrie Stahl, Zement, Steine und Dämmstoffe. Andererseits erfordern Transport und Verkehr Metalle und Kunststoffe zum Fahrzeugbau und Treibstoffe bzw. Energie zum Bewegen der Fahrzeuge. Auch die moderne Computertechnik benötigt Metalle, Kunststoffe und Energie zum Funktionieren. Alle dafür benötigten Rohstoffe müssen durch Bergbau aus geologischen Lagerstätten gewonnen werden. Ein kleinerer Teil der Rohstoffe wird durch Recycling oder aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugt. Das Wissen um die Endlichkeit der Lagerstätten und steigende Rohstoffpreise beflügeln Forschungsarbeiten zur Ressourceneffizienz, zu Recyclingtechnologien und zur Verwertung nachwachsender Rohstoffe.

In loser Folge erscheinen ab Januar 2016 in diesem Blog Artikel zu Rohstoffen und Ressourcen.
Vorgesehene Reihenfolge der Artikel:
  • Rohstoffe in Deutschland
  • Energierohstoffe
  • Zukünftige Verfügbarkeit fossiler Energierohstoffe
  • Der Erntefaktor EROI
  • Strategische Rohstoffe
  • Liste kritischer Rohstoffe
  • Verteilung von Ressourcen
  • Ressourcen und Gesellschaft

 Abbildung:  Die Erde ist die Säugamme des Menschen, aus Michael Maiers Atalanta Fugiens (Quelle: Wikimedia Commons)