Globale Umweltprobleme: Vorlesungen für Hörer aller Fakultäten, Sommersemester 1972

133 Pages·1974·8.709 MB·German

by  Wilhelm Jost (auth.)

Un i-Taschenbticher 338
UTB
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Wilhelm Jost
Globale
Umweltprobleme
Vorlesungen fUr Horer aller Fakultaten,
Sommersemester 1972
Mit 23 Abbildungen und 14 Tabellen
Dr. Dietrich SteinkopffVerlag . Darmstadt
Prof.Dr.Dres.h.c. WUhelm Jost, geb. 1903 in Friedberg/Hessen. Schulen: Bad Nauheim
und Halle/Saale. Universitliten: Halle und MUnchen 1921 - 1926. Promotion Uber Dif·
fusion in Ionenkristallen. 1926 -1929 Berlin (bei Max Bodenstein, 1871 -1942).
1929 (Habilitation) bis 1937 Technische Hochschule Hannover. 1932/33 Rockefeller
Research Fellow am Massachusetts Institute of Technology (MIT), Cambridge, Mass.
(USA). 1935 ao. Professor, 1937 planm. a.o. Professor, Universitlit Leipzig. 1943 o.
Professor Universitlit Marburg/Lahn. 1951 Technische Hochschule Darmstadt. Seit
1953 Universitiit Gottingen. Fach: Physikalische Chemie. Herausgeber der im
gleichen Verlag erscheinenden Monographienreihe .. Fortschritte der physikalischen
Chemie/Current Topics in Physical Chemistry". Autor u.a. (zusammen mit Karl Hauffe)
des Buches .. Diffusion - Methoden der Messung und Auswertung" (2. Auf!. Darmstadt
1972) und (zusammen mit Jiirgen Troe) des von Hermann u/lch begriindeten .. KulZen
Lehrbuches der physikalischen Chemie" (18. Auf!. Darmstadt 1973) sowie zahlreicher
deutsch· und englischsprachiger wissenschaftlicher Veriiffentlichungen.
FUr die Genehmigung zur Reproduktion von Abbildungen sei folgenden
Autoren bzw. Verlagen gedankt: Abb. 1 International -Herald Tribune,
Paris; Herrn J. J. Broeze, H. Starn N. V., Haarlem, Abb. 9, 10, II, IS,
16; dem Internationl Combustion Institute, Pittsburgh, Abb. 13, 14, 17,
18, 19 und 20. Academic Press, London, und der Eugenics Society, Lon
don, sei gedankt fUr die Genehmigung von Zitaten aus "Population and
Pollution", ed. by C. R. Cox und J. Peel, "Proceedings of the Eighth
Annual Symposium", zitiert in Vorlesung V. 9. 92 ff.
ISBN-13: 978-3-7985-0377-9 e-ISBN-13: 978-3-642-95951-6
DOl: 10.1007/978-3-642-95951-6
© 1974 by Dr. Dietrich Steinkopff Verlag, Darmstadt
Aile Rechte vorbehalten. Jede Art der Vervielfiiltigung ohne Genehmigung des Verla·
ges ist unzuliissig
Einbandgestaltung: Alfred Krugmann, Stuttgart
Satz und Druck: Dr. Alexander Krebs, Hemsbach/Bergstr.
Gebunden bei der Gro~buchbinderei Sigloch, Stuttgart
Vorwort
Der Autor kam mit Umweltproblemen friihzeitig in Beriihrung, ein Artikel
zum Brand des Miinchner Glaspalasts liegt tiber 40 Jahre zuriick; das
Interesse am Verbrennungsablauf im Otto-Motor fand seinen Niederschlag
in einem Handbuch-Artikel tiber "Negative KatalYse und Antiklopfmittel"
(1941).
Manche Phlinomene der Umwelt waren fur die Grundlagenforschung
anregend. Ehe Davy seine Sicherheitslampe erfand, fur schlagwettergefahr
dete Kohlengruben, galt in solchen Gruben der Funkenstrom eines Stahis,
gegen einen bewegten Miihlstein gedriickt, aIs "sichere" Beleuchtung.
Solche Beobachtungen, auch im eigenen Laboratorium erzwingen die
Erkenntnis, d~ man Sicherheitsvorschriften ausarbeiten und immer wie
der in Erinnerung bringen mull.. Die an den Anforderungen der Zeit ge
messen meist unzureichende naturwissenschaftliche Ausbildung steht der
Verbreitung solcher Erkenntnisse oft im Wege. Welcher Raucher weill.,
d~ ihn das beim Rauchen aufgenommene Kohlenmonoxid mehr belastet
aIs das der Autoabgase?
Wir sind kaum geneigt oder vorbereitet, neuartige Risiken rechtzeitig
zu erkennen und richtig einzustufen. Die hohe Giftigkeit des Antiklopf
mittels Bleitetraaethyl war seit Jahrzehnten aIlgemein bekannt, ehe die
Offentlichkeit begann, sich ernstlich darum zu ktimmern. Heute stellt
man auf dem Gebiet der Automobil- und anderer Abgase Forderungen,
die moglicherweise zu weit gehen. Zu we it gehende Anforderungen schlies
sen immer die Gefahr ein, dall. man sie ad absurdum fuhren und damit
auch die Verwirklichung unvermeidlicher Mall.nahmen zunachst verhindern
kann.
Wir sind in den letzten Jahren aile umweltbewull.ter geworden. Das
trifft besonders fur den Bereich der Kernenergie, meist Atomenergie ge
nannt, zu. Die Problematik ist hier besonders kompliziert. Die Vorrate
fossiler Brennstoffe gehen zur Neige - je nach Art des Brennstoffs und
der geographischen Lage sehr verschieden schnell - und die Entwicklung
anderer Energiequellen ist unausweichlich. Man wird aber auch einmaI
mit der Forderung konfrontiert werden: so hochwertige Rohstoffe wie
die fossilen Brennstoffe soli ten flir zuktinftige Nutzung aufbewahrt und
nicht einfach verbrannt werden. Wenn die Nutzung der KernspaItung
und Verschmelzung (Fusion) nicht aIle Hoffnungen erfullen sollte -
auch solche Moglichkeiten sind ins Auge zu fassen -, so mtissen neue
Wege der Energiegewinnung gesucht werden, d. h. praktisch wahrschein
lich bekannte Wege, die man bisher fur aussichtslos hielt. Flir ein Son
= =
nenenergie-Kraftwerk von 1000 MWatt (1 Megawatt 1 Million Watt
1000 Kilowatt), die heute diskutierte GroBe neuer Kraftwerke, wird eine
Fliiche von etwa 30 Quadratkilometer fur erforderlich gehaIten. Dieser
Hinweis, die Notwendigkeit starker Sonneneinstrahiung, der Energietrans
port tiber tausende von Kilometern, z. B. von der Sahara nach Nordeuropa,
v
geben ungeahnte neue Probleme auf. Von welcher Seite auch man das
Problem angeht, es werden kaum vorstellbare Anspriiche an Grundlagen
forschung, angewandte Forschung, Entwicklung und Ausbau zu stellen
sein. Etwa an eine Drosselung der Forschung zu denken, gegen die viel
fach emotionelle Widerstande bestehen, ist indiskutabel. Allein die Ver
sorgung von 2/3 der Menschheit, die hungem, ist ohne neue Entwicklun
gen nicht moglich. Die Forderungen nach ausreichender landwirtschaft
licher Produktion und nach Umweltschutz sind nicht irnmer leicht zu
versohnen.
Fast nie ist man vor einfache Ja-Nein-Entscheidungen gestellt. Insekti
zide, besonders das anfangs beriihmte, heute vielleicht beriichtigte DDT
haben sehr viele Millionen Menschen von der Bedrohung durch Malaria
befreit, ohne chemische Bekampfung wiirden gro~e Teile der Weltemten
von Insekten und anderen Schadlingen vemichtet, mit diesen Substanzen
- oft wohl infolge unsachgem~er Anwendung - sind schwere Beein
trachtigungen des okologischen Gleichgewichts eingetreten. Wie solI man
entscheiden, wenn das Leben Hunderter von Millionen unteremahrter
Menschen auf dem Spiel steht; es gibt ja auch sehr niitzliche, unentbehr·
liche Insekten au~er den Bienen.
Das Manuskript war vollendet, lange ehe die gegenwartige Energiekrise
ausbrach. Sie hat nur Probleme akut werden lassen, die Fachleute bereits
ausgiebig diskutierten. Wie alle Wirkungen hoherer Gewalt wird sie schlim
me und ntitzliche Folgen haben. Eine ntitzliche Konsequenz wird hoffent
lich sein, daB die Tdigheit tiberwunden wird, mit der energiepolitische
Fragen sonst angesehen und behandelt wurden. Sie wird, wie in Amerika
bereits sichtbar, wahrscheinlich zu teilweise notwendigen, teilweise ver
hangnisvollen Lockerungen der Bestimmungen tiber den Umweltschutz
fuhren konnen.
Umweltschutz erfordert menschliche, wirtschaftliche und politische
Entscheidungen, auf der Grundlage ausreichender Informationen, unter
AusschluB verstandlicher, aber gefahrlicher Emotionen. Dazu beizutragen
war das Ziel dieser Vorlesungen.
Gottingen, Herbst 1974 W. lost
VI
Inhalt
v
Vorwort
I. Einflihrung und Obersicht ......................... .
1. Beispiele aus dem tiiglichen Leben . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2. Umwelt und globale Umweltprobleme .............. 4
3. Eisenbahn als gelostes Umweltproblem .............. 6
4. Umweltschutz und wirtschaftliche Folgen ............ 7
5. Feuerungen als Umweltproblem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
6. Umweltschutz im 18. Jahrhundert . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
7. Konsument und Umwelt, ein Exkurs . . . . . . . . . . . . . . . . 13
8. Abschlie~endes zum Grafen Rumford. . . . . . . . . . . . . . . . 14
II. Rohstoff-Probleme .............................. 16
1. Rohstoff- und Bevoikerungsprobleme . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2. Einige unbefangene Stimmen aus den USA . . . . . . . . . . . . 18
3. Gefahr iibereilter Schliisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4. Konkrete Beispiele ............................ 22
5. Rohstoffprobleme und Energieprobleme . . . . . . . . . . . . . . 25
6. Bevoikerungsprobleme (Mal thus, Karl Marx) .......... 28
III. Rohstoffvorriite; Abgasprobleme 33
1. Globaler Oberblick ............................ 33
2. Energie- und Umweltprobleme nach Zimen . . . . . . . . . . . . 35
3. Die Wichtigkeit der Grundlagenforschung ............ 42
4. Umweltprobleme jenseits von Industrie und Technik ..... 43
5. Probleme der Luft-Reinhaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
IV. Emissionsprobleme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
1. Motoren mit innerer Verbrennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2. Die Emissionen von Fahrzeugmotoren .............. 56
3. ExkUIS tiber einen studentischen Wettbewerb in den USA im
Jahre 1970. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4. Zur Entstehung des sog. "Smog" .................. 59
5. M~nahmen gegen die Smog-Bildung ................ 61
6. Einige Erorterungen ZUI Verbrennung im Motor ........ 62
7. Beispieie ZUI Verbrennung und Abgaszusammensetzung in
Motoren .................................. 64
8. Philips' Heiligasmotor nach dem Stirling-Prinzip ........ 70
9. Probleme bei modernen Kohlekraftwerken ............ 73
10. Riickblick auf Abgasprobleme .................... 76
V. Problematik in historischer Sicht .................... 79
1. Atmosphiire ................................ 79
2. Gewiisser .................................. 80
3. Schiidlings- und Unkrautvernichtungsmittei . . . . . . . . . . . . 81
VII
4. Die sog. Wiirmeverschmutzung der Gewiisser .......... 82
5. Yerschmutzung der Atmosphiire durch in kleinen Mengen
schiidliche Stoffe (Oberschall-Luftverkehr)? . . . . . . . . . . 83
6. Einige Warnrufe zum Str~enverkehr und zu okologischen
Problemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
7. Was kann und mu~ die Grundlagenforschung tun? ...... 90
8. lwei m~gebende Physiker zur Notwendigkeit der Forschung 91
9. lur Geschichte der Umweltverschmutzung und -zerstorung 92
10. Nahrungsmittelprobleme seit dem Neolithikum ........ 95
11. Luftverschmutzung in der Yorzeit, Ungeziefer, Krankheiten 95
12. Der Mensch lebt seit lahrtausenden nicht mehr in einer "natUr-
lichen" Umwelt .............................. 96
VI. Mogliche und unmogliche lukunftsaussagen 98
1. Problematik im Hinblick auf wirtschaftspolitische Fragestellun-
gen ...................................... 98
2. Forderungen an die Naturwissenschaftler. - Nochmals die
Rolle der Grundlagenforschung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3. Yom Sinn der Modellbetrachtungen und vom Wert von lu-
kunftsaussagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 101
4. Der Sinn von Modellrechnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 103
5. lwei konkrete Beispiele ........................ 106
6. Optimale Ltisungen auf liingere Sicht? .............. 108
7. Evolution im Bereich praktischer Ltisungen .......... " 110
8. lusammenfassung ............................ 115
VII. SchlufAwort 118
Sachverzeichnis 119
VIII
I. Einfiihrung und Dbersicht
1. Beispiele aus dern tiiglichen Leben
Urn zu erlliutern, was ich unter globalen Umweltproblemen verstehe,
kann ich nichts Besseres tun, als zunlichst eine Karikatur zu reproduzie·
ren, die vor wenigen Monaten in einer arnerikanischen Zeitung gebracht
wurde.
Abb. 1
"Man hat uns immer gesagt, Elektrizitlit glibe saubere Heizung", sagt ein
Paar am Fenster eines schornsteinlosen Hauses. 1m Hintergrund steht ein
Kraftwerk mit mehreren stark rullJenden Stornsteinen. Diesen Hintergrund
kann man mehrfach in Manhattan am East River sehen, das Hauschen
im Vordergrund entspricht nicht genau der Bebauung von Manhattan. Zu
Unterschrift und Hintergrund paJlJt etwa der bekannte Spruch: "Oh lieber
heil'ger Florian, bewahr dies Haus, ztind' andre an".
Gehen wir ins Detail. Hatte das elektrisch beheizte Haus Olheizung, so
wtirde dort leichtes Heizol mit einigen Zehntel Prozent Schwefelgehalt
verbrannt, praktisch rullJ- und geruchsfrei - wo man etwas anderes wahr
nimmt, ist fast immer die schlechte Einstellung des Brenners verantwort
lich. Wenn man in dem Haus eine Kilowattstunde elektrisch verheizt, so
miissen dafur in dem zentralen Kraftwerk, das zehn, hundert oder hunderte
von Kilometern entfernt Jiegen mag, mindestens das Aquivalent von 2 1/2
Kilowattstunden schweren Heizols oder Kohle verbrannt werden; denn die
Verbrennungswarme der Kohle wird im Kraftwerk bestenfalls zu 40 % in elek
trische Energie umgewandelt. Zunachst fallt also im Kraftwerk etwa 2 1/2
mal soviel Rauch an, wie bei unmittelbarer Beheizung des Hauses aufge
treten ware, allerdings eine ideale Feuerung vorausgesetzt. Aber damit nicht
genug. Das schwere Heizol oder die Kohie, die im Kraftwerk verheizt werden,
haben einen Schwefelgehalt, der vier-oder mehrfach hoher liegen mag als
der des Heizols fur Privathiiuser (die Reinigung schweren Heizols erfordert
niimlich relativ grollJeren Aufwand als die des leichten Heizols). Beim Obergang
von direkter Olheizung zu elektrischer Heizung kann daher der Schwefel
durchsatz, also die Emission von Schwefliger Saure, S02' die spater in
Schwefelsiiure umgesetzt wird, u. U. verzehnfacht werden.
Obergang von direkter Verbrennung zur sauberen elektrischen Heizung
verschlechtert also die RullJemission im grollJen urn mindestens das Zwei
einhalbfache, die Schwefelemission urn schatzungsweise das Zehnfache,
ist also eine wirksame QueUe zusatzlicher Umweltverschmutzung. Natiir
lich gibt es trotzdem auch Grunde flir eine elektrische Heizung. Dies ist
ein erster Hinweis darauf, daft es in Umwelt[ragen keine rein en la-Nein
Entscheidungen geben wird.
Aber setzen wir zunachst die obigen Gedankengange fort. Wenn der
Wirkungsgrad eines Kraftwerks, wie im obigen Fall optirnistisch auf 40 %
geschatzt ist, so bedeutet dies, daJlJ fur die Leistung von 1 kW das zwei
einhalbfache an Warmeenergie je Zeiteinheit aufgebracht werden mul.\;
verloren gehen dabei 1,5 kW, d. h. 1 1/2 kWh in der Stunde. Diese 1 1/2
kWh miissen je Stunde an das Kiihlwasser abgefiihrt werden (soweit sie
nicht mit dem Rauch in die Luft gehen); neben der Belastung der
Atmosphare mit Rul.\, Asche und schwefliger Saure tritt also auch noch
eine Warmeverschmutzung eines Flusses auf. (" Wiirmeverschmutzung"
tritt fur Kernkraftwerke und Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen ver
gleichbar auf - bei Kernkraftwerken zur Zeit etwas mehr, weil bei dem
gegenwartigen Entwicklungsstand deren Wirkungsgrad noch schlechter ist
als der konventioneUer Kraftwerke.)
2
Die naheliegende Kombination: Heizung und Energieerzeugung, Hi~t
sich normalelWeise nicht velWirklichen, wegen des Standorts der Kraft
werke, und well nur wiihrend gut der Hlilfte der Zeit Bedarf fur Heizung
vorhanden ist. Optimal vom wirtschaftlichen und Standpunkt der Um
weltbelastung konnte etwa ein Kraftwerk in der chemischen Gro~industrie
arbeiten, wo Energie und Heizbedarf sich balancieren lassen.
Vielleicht ist hier auch schon ein Hinweis am Platz: ein Kraftwerk auf der
Basis fossller Brennstoffe stellt bei normalem Betrieb ein Abgasproblem flir die
Umwelt dar, ein Kernkraftwerk stellt bei normalem Betrieb kein Problem flir
die Umwelt dar, aber beide bedeuten eine Warmebelastung flir die Gewasser.
Nach L. A. Sagan, Science, 177, No. 4048 vom 11.8.1972, S. 487,
ist in den letzten 50 J ahren die Zahl ti:idlicher Unfalle in der Industrie
stetig gefallen, wahrend die ti:idlicher Unfiille durch Automobile gestiegen
ist; insgesamt zeigt sich eine allmahliche, geringe Abnahme. Haufigkeit und
Schwere der Unfalle in der Kernindustrie liegen niedriger als der Durch
schnitt f1ir alle Industrie, z. T. dadurch bedingt, daf.l Strahlungsrisiken fruh
zeitig erkannt und strenge Vorschriften eingeflihrt waren. In Deutschland
werden Wegeunfiille bei den Betriebsunfallen mitgezahlt und diese verschie
ben das Bild. Nach Winnacker (Vortrag uber Umweltschutz anlamich des
Vet. Med. Kongresses in Wiesbaden am 12. Sept. 1972) sind fast die Halfte
aller ti:idlich verlaufenden Unfalle in der chemischen Industrie Wegeunfalle.
Zuruck zur elektrischen Heizung: Wenn mir ein Kilowatt elektrischer
Leistung gegeben ist, wieviel Kilowatt Leistung habe ich dann zum Hei
zen verftigbar? Eine zahlenmaBige Antwort ist nicht mi:iglich, aber die
richtige Antwort lautet: jedenfalls stehen mir zur Heizung wesentlich
mehr als das eine Kilowatt zur Verfiigung. Das will nicht nur der Laie,
sondern auch der unerfahrene Student im allgemeinen zunachst nicht
glauben, und das traut sich daher auch fast niemand im Examen auszu
sprechen. Dabei kann fast jeder personliche Erfahrungen daflir anflihren.
Man denke etwa an einen (nicht zu kleinen) Kiihlschrank, der eine elek
trische Leistung von I kW aufnimmt. Da der Kiihlschrank nicht geheizt
wird, kann das Kilowatt elektrische Leistung nur als Warme an die Um
gebung wieder abgeflihrt werden. Daruber hinaus wird aber der Schrank
gekiihlt; die dort herausgepumpte Warme muB also ebenfalls an die Um
gebung abgefiihrt werden, im ganzen wird also mehr Warme abgegeben
als elektrische Leistung zugefiihrt wurde. Oder man denke an eine Kli
maanlage. Von auBen besehen, besteht diese aus zwei Warmeaustauschern.
In dem einen wird dem Innenraum Warme entzogen, mit dem anderen
Warme an den AuBenraum abgegeben. Falls diese Klimaanlage so kon
struiert ist, daB man sie im umgekehrten Sinne laufen lassen kann, dann
kann man damit im Winter der kalten AuBenluft zusatzlich Warme ent
ziehen, und dem Innenraum zum Heizen zufiihren. Eine soIche Einrich
tung nennt man Wiirmepumpe. Wtirde diese ideal funktionieren, so ki:innte
man ctwa bei einer Heizwassertemperatur von 40vC unter Aufwendung
von 1 kW elektrischer Leistung eine Heizleistung von 7 kW gewinnen;
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