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Forschung

Das zentrale Forschungsthema der Gruppe ist die Modellierung der stofflichen und energetischen Grundlage der Gesellschaft mit Hinblick auf deren nachhaltige Entwicklung. Eine nachhaltige Gesellschaftsordnung entsteht durch das Zusammenspiel vieler verschiedener Strategien. Technische Lösungen wie Elektroautos und erneuerbare Energieträger gehören genauso dazu wie ökonomische Instrumente (Steuern und Subventionen), Vorschriften und Standards sowie neue soziale Normen.

Ein wichtiges Hilfsmittel zur erfolgreichen Planung und Umsetzung von Strategien für nachhaltige Entwicklung ist eine Abschätzung ihrer Auswirkungen auf Mensch, Industrie und Natur. Eine besondere Herausforderung stellen Effekte dar, die sich erst mit der Zeit oder bei Anwendung auf großem Maßstab einstellen oder die von Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Strategien abhängen. Ein Beispiel für erstere Effekte ist die mögliche Verknappung von Sondermetallressourcen bei großskaligem Einsatz von neuen und effizienten Energietechnologien wie z.B. Solarzellen. Ein Beispiel für Wechselwirkungen zwischen Strategien ist die CO2-Bilanz eines Elektroautos, welche nicht primär von den Eigenschaften des Autos selber bestimmt wird, sondern von der CO2-Intensität des Strommixes, mit dem es gefahren wird.

Um Langzeit- und Skaleneffekte verstehen und quantifizieren zu können braucht man Methoden und Modelle, die das global industrielle System über mehrere Jahrzehnte hinweg beschreiben können. Die Gruppe für nachhaltiges Energie und Stoffstrommanagement in Freiburg entwickelt solche Methoden und Modelle und wendet sie auf Fragestellungen zum globalen CO2-Einsparpotential von Energie- und Materialeffizienz in der Metallindustrie an.

Die Forschungsaktivitäten der Juniorprofessur für nachhaltiges Energie und Stoffstrommanagement gliedern sich in drei zusammenhängende Bereiche. Im folgenden wird jeder Bereich kurz beschrieben und es wird auf zentrale Publikationen hingewiesen. Eine vollständige Liste der Publikationen von Stefan Pauliuk inklusive der öffentlich zugänglichen Pre-prints finden Sie hier, eine Auflistung der Zitate der Arbeiten durch andere Autoren findet sich auf Google Scholar.

 

1) Prospektive Analyse und Bewertung von Strategien zur Nachhaltigen Entwicklung, mit Fokus auf Metallkreisläufe.

 

Recycling von Metallen ist eine wichtige Strategie zur Senkung von Treibhausgasemissionen im Industriesektor. Recycling ist aber nur möglich wenn entsprechende Schrottmengen vorhanden sind. Um das Schrottaufkommen und seine zeitliche Entwicklung zu verstehen, muß man die Bestände von Stahl in Gebäuden, Fahrzeugen oder Maschinen mit viel Detail und über mehrere Jahrzehnte in die Zukunft hinein modellieren. Wir entwickeln und implementieren Modelle von Metallkreisläufen, welche die Bestände in Produkten und Gebäuden, die wesentlichen Industrieprozesse und die natürlichen Ressourcen (Erze) umfassen. Mit diesen Modellen können wir nicht nur den zukünftigen Beitrag von Recycling, sondern auch die Beiträge von Materialeffizienzstrategien wie Gewichtsreduktion, Substitution oder Verlängerung der Nutzungsdauer zu globalen und EU-weiten Klimazielen abschätzen.

Folgendes Diagramm illustriert die bevorstehende Herausforderungen. Teil (A) zeigt, daß die wirtschaftlich entwickelten Länder (rot) ca. 50 Tonnen CO2 emittiert haben, um die derzeitigen Bestände an Stahl, Zement und Aluminium in diesen Ländern aufzubauen. Die hellblaue Fläche entspricht den Emissionen, die mit der derzeitigen Technologie anfallen würden, wenn alle Länder bis 2050 ihre Bestände denen der OECD-Länder anpassen würden. Teil (B) zeigt, daß die daraus resultierenden Emissionen, also die bloße Bereitstellung von drei Grundmaterialien, nicht aber deren Verarbeitung oder der Betrieb der sie enthaltenen Gebäude, Fahrzeuge und Produkte, bereits ca. ein Drittel des für das Erreichen des zwei-Grade-Zieles zulässigen Emissionsbudgets in Beschlag nehmen würden. Diese Abschätzung enthält viele Unsicherheiten über tatsächliches Wachstum und technologischen Fortschritt, aber man kann durchaus annehmen, daß in einer Welt, die die Abschwächung des vom Menschen verursachten Klimawandels ernst nimmt, nicht alle Menschen auf die die gleichen Materialbestände zurückgreifen können, wie es die Menschen in den reichen Ländern tun. Mögliche Lösungen des Dilemmas sind ein massiver Ausbau von Materialeffizienz und die Verwendung erneuerbarer Energien in der Materialproduktion.

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Legende: (A) Emissionen zum Aufbau der zeitgenössischen (2008) Bestände and Zement, Stahl, und Aluminium, sowie mögliche zukünftige Emissionen durch wirtschaftliche Entwicklung und Bevölkerungswachstum. (B) Anteil der Emissionen zur Produktion von Materialbeständen in Relation des CO2-Budgets für das 2°C-Ziel. Quelle: Carbon Emissions of Infrastructure Development. Müller, Liu, Løvik, Modaresi, Pauliuk, Steinhoff, and Brattebø (2013). DOI: 10.1021/es402618m. (c) American Chemical Society Publications, 2013.  Dieses Diagramm findet sich in leicht modifizierter Form im fünften Sachstandsbericht des IPCC, im Kapitel über urbane Infrastruktur der Arbeitsgruppe III.

 

Wichtige Veröffentlichungen auf diesem Gebiet:

 

2) Erfassung und integrierte ökonomische und physikalische Modellierung industrieller Netzwerke und Kapitalbestände

 

Nachhaltige Entwicklung hat mehrere Ebenen, und insbesondere zwischen den ökonomischen und umweltbezogenen Aspekten von Nachhaltigkeit kommt es immer wieder zu Spannungen. Ein wichtiger methodischer Beitrag zu einer ausgewogenen Betrachtung nachhaltiger Entwicklung ist die Bereitstellung von harmonisieren physikalischen und ökonomischen Daten zu verschiedenen Aktivitäten unserer Gesellschaft. Wenn eine Produktionsanlage das Ende ihrer Lebensdauer erreicht geht ihr Buchwert gegen null, ihr Materialgehalt hingegen bleibt unverändert. Eine sinnvolle Abschätzung des Potentials für Recycling von Materialien ist daher mit rein ökonomischen Statistiken nicht möglich, und diese werden deshalb nach und nach mit physikalischen Beschreibungen ergänzt. Unsere Arbeit auf diesem Gebiet umfaßt die Schätzung von Metallbeständen in verschiedenen Sektoren und Ländern sowie die Entwicklung von theoretischen Rahmenwerken für integrierte physikalisch-ökonomische Buchführung von Materialflüssen und -beständen. Außerdem benutzen wir monetäre und physikalische Input-Output-Tabellen um Material- und Abfallströme durch das Netzwerk der Weltwirtschaft zu verfolgen.

Die folgende Abbildung illustriert die direkten und indirekten Stoff- und Energieflüsse, die notwendig sind, alle im Jahre 2007 in Deutschland konsumierten Endverbrauchsgüter herzustellen und die anfallen Abfallströme zu verhandeln. Ein Teil der im Bild gezeigten Ströme tritt im Ausland auf, zum Beispiel durch Bergbauaktivitäten in Australien oder Stahlproduktion und -verarbeitung in China, die Teil der Wertschöpfungskette des Endverbrauchs der Menschen in Deutschland sind. Jeder Deutsche konsumiert ca. 600 kg Lebensmittel im Jahr, aber einen weit größeren Fluß stellen die Materialien wie Stahl, Zement, Kupfer, oder Plastik dar. Der Stoffkreislauf des Endverbrauchs in Deutschland ist nicht annähernd geschlossen, und die Bestände in Haushalten, öffentlicher Infrastruktur und den Betrieben wachsen weiter. Der Gesamtverbrauch an verarbeiteten Gütern betrug ca. 1/4 der akkumulierten Bestände an Stahl, Zement, und Aluminium.

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Legende: Aggregierte Darstellung des Stoffwechsels und der Bestände für den Endverbrauch in Deutschland, 2007.  Quelle: Die Daten entstammen einer noch nicht veröffentlichen physikalischen Version der multiregionalen Input-Output-Tabelle EXIOBASE, die im Rahmen des EU-CREEA-Projektes zusammengestellt wurde.

 

Wichtige Veröffentlichungen auf diesem Gebiet:

 

3) Theorie der Umweltsystemanalyse, Integration von existierenden Bewertungsmethoden, open-source-Software.

 

Die Umweltsystemanalyse ist ein junges Feld, welches sich aus mehreren akademischen Traditionen speist und an verschiedenen Standorten entwickelt wurde. Die dabei entstandenen quantitativen Methoden zur Systemanalyse Ökobilanz, Stoffstromanalyse und Input-Output-Analyse sind konzeptuell ähnlich, und es bestehen erhebliche bisher ungenutzte Synergien zwischen diesen Methoden und den ihnen zugrundeliegenden Daten. Die Integration von verschiedenen Methoden in ein gemeinsames Rahmenwerk zur Analyse der materiellen Grundlage der Gesellschaft erlaubt es Forschern, diese Synergien zu nutzen und damit neue Anwendungsfelder zu erschließen, robustere Empfehlungen zu geben und Forschungsressourcen effizienter zu verwenden. Ein wichtiger Bestandteil der Integration der verschieden Analysemethoden ist ein gemeinsames theoretisches Rahmenwerk, zu dessen Entwicklung wir Beiträge liefern. Unsere Arbeiten umfassen auch die integrierten Bewertungsmodelle (integrated assessment models) und sind nicht nur theoretischer Natur, sondern umfassen auch die Entwicklung methodenübergreifender open-source-Software und Datenbankstrukturen.

Ein wichtiger Bestandteil meiner theoretischen Arbeit ist die Verknüpfung von Sozio-ökologischen Systemen mit den bis dato weitgehend unabhängig verwendeten Konzepten 'gesellschaftlicher Stoffwechsel' (socioeconomic metabolism), 'biophysikalische Strukturen der Gesellschaft' und 'Kolonisierung natürlicher Systeme durch den Menschen' (Colonisation of the Earth's ecosystems). Der Zusammenhang zwischen diesen Konzepten ist schematisch in folgender Abbildung zusammengefaßt.

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Legende: Zusammenspiel zwischen Umwelt (natural environment), biophysikalischer Kausalsphäre und sozialer Kausalsphäre im globalen sozio-ökologischen System (links). Das Verhältnis zwischen gesellschaftlichem Stoffwechsel' (socioeconomic metabolism), 'biophysikalische Strukturen der Gesellschaft' und 'Kolonisierung natürlicher Systeme durch den Menschen' (Colonisation of the Earth's ecosystems) (rechts). Quelle: Socioeconomic metabolism as paradigm for studying the biophysical basis of human societies, Stefan Pauliuk and Edgar G Hertwich, 2015, Ecological Economics, Volume 119, November 2015, Pages 83–93.

 

Wichtige Veröffentlichungen auf diesem Gebiet: