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Interaktionen des ökologischen und ökonomischen Systems

Ein ökologisches System besteht aus Tier- und Pflanzenarten, deren Biomasse als gespeicherte Energie aufgefasst werden kann mit einem Nettoenergiezufluss durch die Sonne. Die Biomasse einer einzelnen Spezies bestimmt sich ferner aus dem Fressen und Gefressenwerden. Es wird angenommen, dass sich die Arten so verhalten, als maximierten sie ihre gespeicherte Energie unter der Nebenbedingung einer vorgegebenen physiologischen Funktion. Führt man endogene artenspezifische Energiepreise ein, lässt sich ein ökologisches Preisgleichgewicht definieren, dass formale Ähnlichkeiten zum Marktmodell der vollständigen Konkurrenz hat. Ziel des Projekts ist es, ein interdependentes Ökosystem auf die beschriebene Art zu modellieren und es mit einem den Ökonomen besser vertrauten interdependenten ökonomischen System zu verknüpfen. Mitwirkende Institution: University of Wyoming, Laramie, USA.

Yellowstone wird erster Nationalpark der Welt

Der in den US-Bundesstaaten Wyoming (96%), Montana (3%) und Idaho (1%) gelegene Yellowstone-Nationalpark wurde am 1. März 1872 gegründet und ist damit der älteste Nationalpark der Welt. Er wird Vorbild für ähnliche Bestrebungen (auch in Deutschland).

WD 8 - 012/18 Einzelfragen zu Hydraulic Fracturing in den USA

Kurzinformation des wissenschaftlichen Dienstes des Deutschen Bundestages. 4 Seiten. Auszug der ersten drei Seiten: Wissenschaftliche Dienste Kurzinformation Einzelfragen zu Hydraulic Fracturing in den USA Die Quantifizierung des Anteils klimaschädlicher Gase, die beim Förderprozess / Verarbeitungs- prozess von Erdgas und Erdöl mithilfe von Hydraulic Fracturing in den USA entweichen, ist all- gemein schwer zu beantworten. Die Messungen hängen von der Methodik und zahlreichen weite- ren Faktoren wie beispielsweise dem Wetter ab; beispielsweise fallen Wintermessungen allge- mein höher aus (vgl. hierzu Oltmans et al. 2014 ). Eine standardisierte unumstrittene Methodik 1 und Prozedur existiert nicht. Eine grundsätzliche Diskussion der Problematik findet sich in Allen 2014 , ferner Allen 2016 . 2 3 Abschätzungen sind Gegenstand der Publikationen Karion et al. 2015 und Karion et al. 2013 , 4 5 die Auswirkungen einer Panne werden in Conley et al. 2015 beschrieben. Aufgrund dessen, dass 6 - wie dargestellt - keine einheitlichen Messergebnisse angegeben werden können, ist auch ein quantitativer Vergleich mit dem Aufkommen von Schadstoffen durch andere Prozesse (Haushalt, 1 Oltmans, S., R. Schnell, B. Johnson, G. Pétron, T. Mefford, and R. Neely III. 2014. Anatomy of wintertime ozone associated with oil and natural gas extraction activity in Wyoming and Utah. Elem. Sci. Anthol. 2:000024. doi:10.12952/journal.elementa.000024. 2 Allen, D.T. 2014. Methane emissions from natural gas production and use: Reconciling bottom-up and top- down measurements. Curr. Opin. Chem. Eng. 5:78–83. doi:10.1016/j.coche.2014.05.004. 3 David T. Allen (2016) Emissions from oil and gas operations in the United States and their air quality implica- tions, Journal of the Air & Waste Management Association, 66:6, 549-575, doi:10.1080/10962247.2016.1171263. 4 Karion, A., C. Sweeney, E.A. Kort, J.B. Shepson, A. Brewer, M. Cambaliza, S.A. Conley, K. Davis, A. Deng, M. Hardesty, S.C. Herndon, T. Lauvaux, T. Lavoie, D. Lyon, T. Newberger, G. Pétron, C. Rella, M. Smith, S. Wolter, T. I. Yacovitch, and P. Tans. 2015. Aircraft-based estimate of total methane emissions from the Barnett Shale region. Environ. Sci. Technol. 49:8124–8131. doi:10.1021/acsest.5b00217. 5 Karion, A., C. Sweeney, G. Pétron, G. Frost, R.M. Hardesty, J. Kofler, B.R. Miller, T. Newberger, S. Wolter, R. Banta, A. Brewer, E. Dlugokencky, P. Lang, S.A. Montzka, R. Schnell, P. Tans, M. Trainer, R. Zamora, and S. Conley. 2013. Methane emissions estimate from airborne measurements over a western United States natural gas field. Geophys. Res. Lett. 40:1–5. doi:10.1002/grl.50811. 6 Conley, S., G. Franco, I. Faloona, D.R. Blake, J. Peischl, and T.B. Ryerson. 2016. Methane emissions from the 2015 Aliso Canyon blowout in Los Angeles, CA. Science 351:1317–1320. doi:10.1126/science.aaf2348. WD 8 - 3000 - 012/18 (1. Februar 2018) © 2018 Deutscher Bundestag Die Wissenschaftlichen Dienste des Deutschen Bundestages unterstützen die Mitglieder des Deutschen Bundestages bei ihrer mandatsbezogenen Tätigkeit. Ihre Arbeiten geben nicht die Auffassung des Deutschen Bundestages, eines sei- ner Organe oder der Bundestagsverwaltung wieder. Vielmehr liegen sie in der fachlichen Verantwortung der Verfasse- rinnen und Verfasser sowie der Fachbereichsleitung. Arbeiten der Wissenschaftlichen Dienste geben nur den zum Zeit- punkt der Erstellung des Textes aktuellen Stand wieder und stellen eine individuelle Auftragsarbeit für einen Abge- ordneten des Bundestages dar. Die Arbeiten können der Geheimschutzordnung des Bundestages unterliegende, ge- schützte oder andere nicht zur Veröffentlichung geeignete Informationen enthalten. Eine beabsichtigte Weitergabe oder Veröffentlichung ist vorab dem jeweiligen Fachbereich anzuzeigen und nur mit Angabe der Quelle zulässig. Der Fach- bereich berät über die dabei zu berücksichtigenden Fragen.[.. next page ..]Wissenschaftliche Dienste Kurzinformation Seite 2 Einzelfragen zu Hydraulic Fracturing in den USA Verkehr etc.) nicht möglich. Allerdings werden einzelne Aspekte des Schadstoffvergleichs in ver- schiedenen Publikationen andiskutiert: Kort et al. 2014 , Lamb et al. 2015 , Litovitz et al. 2013 , 7 8 9 McKain et al. 2015 , Zavala-Araiza et al. 2015 . 10 11 Die vorrangig zu benennenden Quellen für die Freisetzung von Partikeln und flüchtige organi- sche Verbindungen (VOCs), insbesondere Methan, sind laut einer aktuellen Publikation zum „Schiefergas-Boom in den USA“ 12 • Dieselmotoren (LKWs und Stromerzeugungsprozess) • Lecks (in Verarbeitungs- und Transporteinrichtungen entweichen durch Lecks insbe- sondere Methan) • Verdunstung (Verdunstung von Flüssigkeiten, z.B. offene Lagerbecken) • Stützmittel (eventuell durch Kieselsandverwendung) • Abfackeln von Erdgas (Abfackeln von Erdgas aus der Flowbackphase, es entsteht ins- besondere CO2) • bodennahes Ozon (durch Reaktion von Luftschadstoffen). Eine übersichtliche kurze Einführung in die Problematik der Methanemissionen aus der Erdgas- lieferkette bietet das Kapitel „Methane Emissions from the Natural Gas Supply Chain“ in einem 2015 erschienenen Buch zu „Environmental and Health Issues in Unconventional Oil and Gas Development“ . 13 7 Kort, E.A., C. Frankenberg, K.R. Costigan, R. Lindenmaier, M.K. Dubey, and D. Wunch. 2014. Four corners: The largest US methane anomaly viewed from space. Geophys. Res. Lett. 41:6898–6903. doi:10.1002/2014GL061503. 8 Lamb, B.K., S.L. Edburg, T.W. Ferrara, T. Howard, M.R. Harrison, C.E. Kolb, A. Town-send-Small, W. Dyck, A. Possolo, and J.R. Whetstone. 2015. Direct measurements show decreasing methane emissions from natural gas local distribution systems in the United States. Environ. Sci. Technol. 49:5161−5169. doi:10.1021/es505116p. 9 Litovitz, A., A. Curtright, S. Abramzon, N. Burger, and C. Samaras. 2013. Estimation of regional air quality dam- ages from Marcellus Shale natural gas extraction in Pennsylva-nia. Environ. Res. Lett. 8:014017. doi:10.1088/1748-9326/8/1/014017. 10 McKain, K., A. Down, S.M. Raciti, J. Budney, L.R. Hutyra, C. Floerchinger, S.C. Herndon, T. Nehrkorn, M.S. Zahniser, R.B. Jackson, N. Phillips, and S.C. Wofsy. 2015. Methane emissions from natural gas infrastructure and use in the urban region of Boston, Massachusetts. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 112:1941–1946. doi:10.1073/pnas.1416261112. 11 Zavala-Araiza, D., D.T. Allen, M. Harrison, F.C. George, and G.R. Jersey. 2015. Allocating Methane emissions to natural gas and oil production from shale formations. ACS Sustain. Chem. Eng. 3:492–498. doi:10.1021/sc500730x. 12 Meyer-Renschhause, M.; Klippel, P.: Schiefergas-Boom in den USA, Metropolis-Verlag, Marburg 2017; ISBN: 978-3-7316-1258-2. 13 Kaden, Debra; Rose, Tracie: Environmental and Health Issues in Unconventional Oil and Gas Development; 7. Dezember 2015; ISBN: 9780128041116. Fachbereich WD 8 (Umwelt, Naturschutz, Reaktorsicherheit, Bildung und Forschung)[.. next page ..]Wissenschaftliche Dienste Kurzinformation Seite 3 Einzelfragen zu Hydraulic Fracturing in den USA Auf die Problematik der Lecks wird anhand spezifischer US-amerikanischer Beispiele in folgen- den Publikationen eingegangen: Brandt et al. 2014 , Peischl et al. 2015 , Subramanian et al. 14 15 2015 .16 Die Auswirkung von VOCs auf die Umwelt (und Treibhausbilanz) wird in verschiedenen Publi- kationen diskutiert. Ein Übersichtsartikel aus dem Jahr 2014 untersucht Emissionen und Auswir- kungen von Luftschadstoffen, die mit der Schiefergasproduktion und -nutzung verbunden sind. Emissionen und Auswirkungen von Treibhausgasen, photochemisch aktiven Luftschadstoffen und toxischen Luftschadstoffen werden beschrieben. Neben den direkten atmosphärischen Aus- wirkungen der erweiterten Erdgasförderung werden auch indirekte Effekte genannt. In einem 17 anderen Artikel aus dem Jahr 2015 geht der Autor auf die Klimawirksamkeit von Methan ein. 18 Hier werden unterschiedliche Größen (basierend auf unterschiedlichen Studien) der Methan- emissionen bei der Produktion von Schiefergas angegeben. Zusammenfassend konstatiert der Au- tor, dass die Schiefergasproduktion (im Zeitraum 2009-2011), wenn man sich den gesamten „life cycle“ ansehe (einschließlich Lagerung und Lieferung), zur Emission von durchschnittlich 12% des produzierten Methans geführt hat. Trendbetrachtungen zu Treibhausgasemissionen mit und ohne Methangasemission werden ebenfalls untersucht und grafisch dargestellt. Zwei wesentliche Daten-Quellen für die Methangasemission-Berichterstattung in den USA sind zum einen das US Greenhouse Gas Inventory (GHGI). Hierbei handelt es sich um einen jährli- chen Bericht, der die Schätzwerte US-amerikanischer Treibhausgasemissionen nach Quell-Kate- gorien ab 1990 bis zwei Jahre vor Publikationsdatum angibt. Er wird in Erfüllung der Verpflich- tungen der United Nations Framework Convention on Climate Change publiziert. Es gab in den vergangenen Jahren eine Reihe methodischer Veränderungen. Das Greenhouse Gas Reporting Pro- gram (GHGRP) ist ein obligatorisches Berichterstattungsprogramm für US-amerikanische Einrich- tungen mit einer jährlichen Treibhausgasemission von mehr als 25.000 Tonnen Kohlendioxi- däquivalent. Die neuesten Daten stammen von 2016. 14 Brandt, A.R., G.A. Heath, E.A. Kort, F. O’Sullivan, G. Pétron, S.M. Jordaan, P. Tans, J. Wilcox, A.M. Gopstein, D. Arent, S. Wofsy, N.J. Brown, R. Bradley, G.D. Stucky, D. Eardley, and R. Harriss. 2014. Methane leaks from North American natural gas systems. Science 343:733–735. doi:10.1126/ science.1247045. 15 Peischl, J., T.B. Ryerson, K.C. Aikin, J.A. de Gouw, J.P. Gilman, J.S. Holloway, B.M. Lerner, R. Nadkarni, J.A. Neuman, J.B. Nowak, M. Trainer, C. Warneke, and D.D. Parrish. 2015. Quantifying atmospheric methane emis- sions from the Haynesville, Fayetteville, and northeastern Marcellus shale gas production regions. J. Geophys. Res. Atmos. doi:10.1002/2014JD022697. 16 Subramanian, R., L.L. Williams, T.L. Vaughn, D. Zimmerle, J. R. Roscioli, S.C. Herndon, T.I. Yacovitch, C. Floerchinger, D.S. Tkacik, A.L. Mitchell, M.R. Sullivan, T.R. Dallmann, and A.L. Robinson. 2015. Methane emissions from natural gas compressor stations in the transmission and storage sector: Measurements and com- parisons with the EPA Greenhouse Gas Reporting Program Protocol. Environ. Sci. Technol. 49:3252−3261 doi:10.1021/es5060258. 17 Allen, D.T. 2014. Atmospheric emissions and air quality impacts from natural gas production and use. Annu. Rev. Chem. Biomol. Eng. 5:55–75. doi:10.1146/annurev-chembioeng-060713-035938. 18 Howarth, Robert W.: Methane emissions and climatic warming risk from hydraulic fracturing and shale gas de- velopment: implications for policy; Energy and Emission Control Technologies 2015:3 45–54. Fachbereich WD 8 (Umwelt, Naturschutz, Reaktorsicherheit, Bildung und Forschung)

Die stratosphaerische Aerosolschicht: Lidarbeobachtungen der Strukturen und zeitlichen Veraenderungen, physikalische Eigenschaften und Klimarelevanz

Das Fraunhofer-Institut fuer Atmosphaerische Umweltforschung (IfU) beobachtet als noerdlichste (47,5 Grad N) der wenigen weltweit verteilten Stationen mit einem LIDAR-System (optisches Radar) die zeitliche Variabilitaet der stratosphaerischen Aerosolschicht. Im Rahmen des Schwerpunktprogrammes MAP ('Middle Atmosphere Programme') ist geplant, eine fuer die geographische Breite des Institutes charakteristische Referenzmessreihe zu erstellen (vergleichbar mit NASA/Virginia, Fukuoka/Japan, Mauna Loa/Hawaii). Mit Hilfe von stratosphaerischen Partikelmessungen (University of Wyoming) und des am IfU entwickelten Aerosol-Modelles kann dann aus der LIDAR-Messreihe die stratosphaerische Extinktion bestimmt und damit klimarelevante zeitliche Aenderungen der Aerosolschicht (zB als Folge hochreichender Vulkaneruptionen) abgeleitet werden. Das Modell wird auch dazu verwendet werden, LIDAR-Messungen anderer Stationen mit denen des IfU vergleichbar zu machen und darueber hinaus den Anschluss an die Extinktionsmessungen des SAGE II-Satelliten-Programms der NASA herzuleiten.

Beteiligung am Grimsel Experiment „High Temperature Effects on Bentonite Buffers“ (PDF)

Steckbrief für Experimente in Untertagelaboren Beteiligung am Grimsel Experiment „High Temperature Ef­ fects on Bentonite Buffers“ Kurztitel/ ggf. Akronym: HotBENT Untertagelabor: Felslabor Grimsel (Schweiz, Kristallin) Ziel des Experiments: HotBENT ist ein 1:1 Experiment im Wirtsgestein Granit im Felslabor Grimsel, das darauf abzielt, das Verhalten von Bentonitbarrieren unter hohen Temperaturen (bis zu 200°C an der Heizeroberfläche) zu untersuchen. Das Sicherstellen der Integrität von geotechnischen Barrieren bei höheren Temperaturen (z. B. durch höhere Behälterladungen oder geringere Abstände zwischen den Endlagerbehältern) führt zu signifikanten Vorteilen in der Endlageroptimierung hinsichtlich der Auslegung, Größe, Einlagerungsstrategien und Kos­ ten. Die Hauptziele von HotBENT sind: 1. Ausbau der Datenbasis durch Überwachung, Proben­ nahmen, Laboranalysen und das Verständnis des Verhaltens von Bentonitbuffern unter hohen Temperaturen; 2. Bewertung der Bentonitbufferleistung auf realistischen Skalen und Gradien­ ten im Vergleich zu kleinskaligen Labortests und Modellierung; 3. Prüfung von aktuellen kon­ zeptionellen und numerischen Modellen und ihrer Vorhersagekraft um das Experiment und die wichtigsten thermo-hydraulisch-mechanisch-chemischen (THMC) Prozesse zu verstehen; 4. Modellierungen (z. B. der THMC Prozesse) und Laboraktivitäten (z. B. Modellexperimente) zu integrieren und diese auf größere Skalen (d. h. 1:1) zu übertragen. Forschungsfeld: Endlagerplanung Gesamtlaufzeit des Experiments: 2018 – 2025/26 (geplant), zukünftige Experimentlaufzei­ ten und Rückbauarbeiten sind durch die Partner zu entscheiden. Laufzeit der BGE Beteiligung am Experiment: 09.11.2021 – 2025/26 Finanzielle Beteiligung der BGE: 1.750.000 CHF Weiterführende Informationen: HotBENT Aims & Objectives (grimsel.com) Experimentbeschreibung Das HotBENT Experiment wurde zwischen September 2019 und 2021 im gut charakterisierten früheren FEBEX Tunnel errichtet und besteht aus vier Heizgeräten (drei in Natrium-haltigem Wyoming-Typ Bentonit eingeschlossen, der vierte im Calcium-haltigem BCV (Bentonite Černý vrch)-Typ Bentonit eingeschlossen), die sich in zwei Sektoren befinden und mit einem zwi­ schenliegenden und einem finalen Dichtelement verschlossen sind. Jeder Sektor enthält zwei Heizgeräte. Beide, der Na-haltige Wyoming Bentonit und der Ca-haltige BCV Bentonit, liegen sowohl in Blockform, worauf die Heizgeräte stehen, als auch als Granulatmaterial für die Ver­ schlussfüllung vor. Die Experimentreihe wird unter In-situ-Bedingungen durchgeführt. Nach Dok-ID: 11992029 – Stand:10.11.2022 www.bge.de Seite 1 von 2 Steckbrief für Experimente in Untertagelaboren fünf Jahren (ca. 2027, Heizphase) wird Sektor 2 ausgebaut und es werden Proben des Ben­ tonits sowie der weiteren Materialien genommen und analysiert. Nach 20 Jahren (ca. 2041) soll auch Sektor 1 ausgebaut und das Experiment beendet werden. Ca. 1.500 Sensoren über­ wachen und messen Parameter wie z. B. Temperatur, Druck, relative Luftfeuchte, Wassergeh­ alt, Gesamtdruck, Wärmeleitfähigkeit, Heizerverschiebung, Veränderungen der Dichtele­ mente, und Sauerstoffgehalt. Außerdem sind Laboruntersuchen geplant, um den Ausgangs­ zustand des Bentonits hinsichtlich seiner mineralogischen und chemischen Eigenschaften der Gesamt- und Tonfraktion sowie physikalischen Eigenschaften (z. B. Oberflächenausdehnung, Korn- und Porenraumgrößenverteilungen, Schwelleigenschaften, hydraulische Konduktivität, Wasserrückhalteeigenschaften) zu charakterisieren. Nach der Fertigstellung des finalen Dichtelementes am 30. August 2021 wurde der Heizpro­ zess am 09. September gestartet – zunächst mit 300 W, anschließend in mehreren Intervallen erhöht, bis schließlich Temperaturen von über 175 °C erreicht wurden (12. Mai 2022). Parallel dazu führen mehrere Arbeitsgruppen Modellierungsarbeiten durch, um die aktuellen konzeptuellen und numerischen Modelle und deren Vorhersagekraft zu testen. Experimentpartner: Nationale Genossenschaft für die Lagerung radioaktiver Abfälle (NAGRA; Schweiz), Nuclear Waste Services (NWS; Vereinigtes Königreich), Nuclear Waste Management Organization (NUMO; Japan), Nuclear Waste Management Organization (NWMO; Kanada), Správa úložišť radioaktivních odpadů (SURAO; Tschechische Republik), Department of Energy (DOE; USA), Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR; Deutschland), Empresa Nacional de Residuos Radiactivos, S.A. (ENRESA; Spanien), Obayashi Corporation (OBAYASHI; Japan), Korea Radioactive Waste Agency (KORAD; Korea) Dok-ID: 11992029 – Stand:10.11.2022 www.bge.de Seite 2 von 2

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