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WASSER/128: Wasser- und Energieversorgung - eine globale Herausforderung (spektrum - Uni Bayreuth)


spektrum - Universität Bayreuth
8. Jahrgang. Ausgabe 1. November 2012

Andreas Jess

Wasser- und Energieversorgung: eine globale Herausforderung



Süßwasser ist das kostbarste Gut aller menschlichen Ressourcen. Denn 97% des Wassers auf der Erde sind Salzwasser. Die verbleibenden 3% Süßwasser befinden sich zu rund 70% als Eis an den Polkappen und in Gletschern. Der verbleibende Anteil von 1%, also der für den Menschen nutzbare Anteil, ist praktisch nur Grundwasser, da nur 0,3% des globalen Süßwassers in Flüssen und Seen zu finden ist.

Nutzbares Frischwasser ergibt sich durch Regen über Landflächen; leider verdunsten etwa 2/3. Die Differenz von Niederschlag und Verdunstung sind die Ressourcen, die aber durch Überflutungen und durch den Abtransport durch Flüsse ins Meer nur zu 20% ökonomisch nutzbar sind. Im globalen Mittel sind dies jährlich 1.200 m3/Kopf bzw. täglich 3.300 Liter/Kopf; dies stimmt mit dem heutigen mittleren Frischwasserbedarf überein (Tabelle 1).

Die größten Süßwasserressourcen liegen in Asien und Südamerika, die kleinsten in Europa und Australien/Ozeanien. Zusammengenommen würden die auf der Erde vorhandenen Süßwasserressourcen grundsätzlich ausreichen, um die derzeit auf der Erde lebenden Menschen zu versorgen. Doch entscheidend sind nicht die Wassermengen, sondern die Verfügbarkeit des Wassers je Einwohner - und die ist weltweit sehr ungleich verteilt. Sie ist in Asien besonders gering und in Australien/Ozeanien besonders hoch. Zwei Drittel der Weltbevölkerung leben in Regionen, die nur ein Viertel des Regens erhalten (Tabelle 1).

Tabelle 1: Wasserverfügbarkeit (2011) und Wasserressourcen (1998) nach Kontinenten

Tabelle 1: Wasserverfügbarkeit (2011) und Wasserressourcen (1998) nach Kontinenten


Der tägliche Wasserverbrauch pro Kopf im weltweiten Vergleich

Um den Wasserverbrauch eines Landes zu charakterisieren, wird heute die bildliche Redeweise vom "Wasserfußabdruck" verwendet (Tab. 2). Dieser Begriff bezeichnet den direkten Verbrauch im Haushalt und den indirekten Verbrauch bei der Produktion bzw. beim Verbrauch landwirtschaftlicher und industrieller Güter. Innerhalb der letztgenannten Kategorien wird jeweils zwischen dem internen und dem externen Fußabdruck unterschieden:

• Der interne Abdruck eines Landes ist die Wassermenge, die zur inländischen Produktion von Waren verbraucht wird - abzüglich des Wassers, das als virtuelles Wasser in denjenigen Waren enthalten ist, die ins Ausland exportiert werden.

• Der externe Abdruck eines Landes hingegen ist die Wassermenge, die als virtuelles Wasser in denjenigen Waren enthalten ist, die aus dem Ausland importiert und im Inland verbraucht werden.

Den insgesamt größten Wasserfußabdruck haben die USA mit rund 6.800 Litern täglich pro Person, er ist damit mehr als dreimal so groß wie der Wasserfußabdruck Chinas mit knapp 2.000 Litern täglich pro Person. Deutschland liegt mit etwa 4.200 Litern dazwischen.

Tabelle 2: Anteile am täglichen Wasserverbrauch in ausgewählten Ländern (1997-2001)

Tabelle 2: Anteile am täglichen Wasserverbrauch in ausgewählten Ländern (1997-2001)

Der global größte Wasserverbraucher ist die Landwirtschaft (85%), gefolgt von der Industrie (10%) und den Haushalten (5%). Beim externen Anteil des virtuellen Wassers für landwirtschaftliche und industrielle Güter gibt es große Unterschiede zwischen einzelnen Ländern. So ist in Indien der externe Anteil vernachlässigbar, aber in Japan vor allem infolge von Nahrungsmittelimporten dominant. In Deutschland halten sich die externen und internen Anteile etwa die Waage (Tabelle 2).

Abb. 1: Einfluss des Wasserverbrauchs in den Haushalten und des Gesamtverbrauchs auf den Human Development Index (2011); HDI-Werte kleiner als 0,4 werden nur in einigen afrikanischen Ländern erreicht. Australien und die USA haben einen sehr hohen Wasserverbrauch in den Haushalten von mehr als 900 bzw. knapp 600 Litern pro Kopf und Tag, aber dennoch keinen höheren HDI als Länder mit einem deutlich geringeren Verbrauch.


Wasser und Wohlstand: Wieviel Wasser steht jedem Menschen zu?

Wie hoch ist der Wasserverbrauch, den jeder Mensch für einen ausreichenden Wohlstand benötigt? Um diese Frage zu beantworten, ist der Human Development Index (HDI) der Vereinten Nationen hilfreich. Es handelt sich dabei um einen Wohlstandsindikator, der mit jeweils gleicher Gewichtung das Pro-Kopf-Einkommen (kaufkraftkorrigiert), die medizinische Versorgung (Lebenserwartung) und den Bildungsgrad eines Landes berücksichtigt. Bei Entwicklungsländern ist der HDI kleiner als 0,5; bei Schwellenländern liegt er zwischen 0,5 und 0,8; bei Industrieländern ist der HDI höher als 0,8.

In Ländern, die einen HDI-Wert größer als 0,8 erreicht haben, liegt der tägliche Verbrauch von Haushaltswasser mindestens bei 100 Litern pro Kopf (Abb. 1). Ein höherer Verbrauch führt allerdings nicht zu einer merklichen Steigung des HDI, also des Wohlstands. Dies ist ein deutlicher Hinweis darauf, dass hier eine Grenze erreicht wird, von der an eine weitere Steigerung des Haushaltswasserverbrauchs nicht zu rechtfertigen ist. Länder, die einen Wert von 100 Litern deutlich überschreiten - wie etwa Deutschland (181 Liter/ Kopf/Tag), Japan (373 Liter/Kopf/Tag) oder die USA (595 Liter/Kopf/Tag) - sollten sich daher in der Pflicht sehen, Maßnahmen für eine effizientere Wassernutzung zu ergreifen und den Verbrauch von Haushaltswasser deutlich zu senken.

Eine deutliche Senkung des Haushaltswasserverbrauchs in den Industrieländern ist auch deshalb angezeigt, weil zu erwarten ist, dass der Wohlstand in einigen Entwicklungs- und Schwellenländern in den kommenden Jahrzehnten steigen wird; zum Beispiel in China, Indonesien, Indien, Pakistan oder Bangladesh. Derzeit liegt der Haushaltswasserverbrauch dort noch bei unter 100 Litern/Kopf/Tag. Aber wenn sich insbesondere die Sanitärwasserversorgung verbessern wird, von der zurzeit große Bevölkerungsanteile dieser Länder ausgeschlossen sind, ist auch mit einem Anstieg des Wasserverbrauchs zu rechnen.

Eine Abhängigkeit des Human Development Index vom Gesamtwasserbrauch ist nicht so deutlich erkennbar wie die Abhängigkeit vom Haushaltswasser (Abb. 1). Tendenziell steigt der HDI zwar mit zunehmendem Gesamtverbrauch, aber die Streubreite ist groß. Hier spielen geographische Gegebenheiten eine Rolle: So hat Thailand einen niedrigen HDI (0,68) aber einen hohen Gesamtverbrauch (6.090 Liter/Kopf/Tag). In China mit praktisch gleichem HDI (0,69) sind es nur 1.900 Liter je Kopf und Tag, also weniger als in Bangladesch mit einem sehr niedrigen HDI (0,5), aber einem Verbrauch von 2.455 Litern/Kopf/Tag. Dies liegt am jährlichen Niederschlag, der in Thai land und Bangladesch hoch ist (1.620 bzw. 2.670 Liter/m2) und in China mit 645 Liter/m2 deutlich geringer.


Grenzen des Ressourcenverbrauchs: Der "Ökologische Fussabdruck"

Wenn vor dem Hintergrund dieser demographischen Entwicklung Programme und Maßnahmen entwickelt werden, um die Menschheit ausreichend mit Wasser - und ebenso mit Nahrung und Energie - zu versorgen, so darf dies nicht zu einem weiteren Raubbau an Ressourcen und nicht zu irreparablen Umweltschäden führen. Vor einer solchen Fehlentwicklung warnt der "Ökologische Fußabdruck", der in "Planet Earth" gemessen wird. Um diesen Wert für eine Region zu berechnen, wird zunächst die Größe der Fläche ermittelt, die benötigt wird, um die von den Einwohnern verbrauchten Ressourcen (Energie und Rohstoffe) zur Verfügung zu stellen - dauerhaft und unter Fortführung heutiger Produktionsbedingungen. Neben der Fläche für Nahrung, Kleidung und Nutzholz wird dabei auch die (Wald-)Fläche berücksichtigt, die für die Bindung der anthropogenen Kohlendioxidemissionen notwendig ist (derzeit im Weltdurchschnitt ca. 50%). Diese Gesamtfläche wird dann hochgerechnet auf die Weltbevölkerung insgesamt. Auf diese Weise wird erkennbar, wieviel Fläche benötigt würde, falls alle Menschen auf der Erde den Lebensstil und den Lebensstandard hätten, den die Menschen in der jeweiligen Region haben.

Ungeachtet dieser Streubreite lässt sich der Statistik eines klar entnehmen: In allen Ländern, in denen der tägliche Gesamtwasserverbrauch deutlich unter 3.000 Litern pro Kopf liegt, ist der HDI kleiner als 0,8. Daher scheint ein Verbrauch von ungefähr 3.000 Litern/Kopf/Tag für einen ausreichenden Lebensstandard erforderlich zu sein. Interessanterweise entspricht dieser Wert ungefähr der Wassermenge, die im weltweiten Durchschnitt je der Mensch täglich verbraucht. Derzeit liegt dieser Wert bei 3.400 Litern pro Kopf und Tag - wobei die Unterschiede zwischen einzelnen Ländern und Regionen extrem groß sind. Falls die Weltbevölkerung, wie prognostiziert, bis zum Jahr 2050 auf 9 Mrd. Menschen ansteigt, wird die Wasserversorgung noch problematischer werden.

Wenn die Größe dieser Fläche ins Verhältnis gesetzt wird zu der nutzbaren Landfläche, die auf der Erde tatsächlich verfügbar ist, ergibt sich eine Kennzahl in der Einheit "Planet Earth". Für Afrika liegt dieser Wert bei 0,7; denn der Ressourcenverbrauch auf diesem Kontinent ist relativ gering. Man hätte somit also noch eine Flächenreserve von 30% der real vorhandenen Flächen, wenn alle Menschen so leben würden wie in Afrika. Die Europäische Union hat hingegen einen Ökologischen Fußabdruck von 2,2. Das heißt: Wir bräuchten mindestens noch eine zweite Erde, wenn alle Menschen so leben würden wie wir in der EU. Nordamerika hat sogar einen Wert von 4,4 erreicht (Tabelle 3). Die vermutlich einzige Chance, den Ökologischen Fußabdruck - insbesondere den der Industrieländer - zu reduzieren, ist eine weitgehende Umstellung von fossilen auf alternative Energieträger. Immer deutlicher stellt sich dabei auch heraus, dass Lösungen der globalen Wasserproblematik aufs engste mit Fragen der Energieversorgung verknüpft sind.

Tabelle 3: Ökologischer Fußabdruck in verschiedenen Regionen 2005

Tabelle 3: Ökologischer Fußabdruck in verschiedenen Regionen 2005

Tabelle 4: Vergleich globaler Mengen an Wasser und Energie. Diese Tabelle zeigt eine Beispielrechnung, die verdeutlicht, dass zukünftige globale Probleme der Wasserversorgung vor allem im Hinblick auf die enormen Mengen, die in der Landwirtschaft benötigt werden, nicht bzw. nur sehr begrenzt durch Meerwasserentsalzung lösbar sind.
* gerechnet als Erdöl, auch wenn nur etwa 1/3 durch Erdöl gedeckt wird. Zum Vergleich der globale Primärenergieverbrauch: Erdöl (34%), Kohle (27%), Erdgas (21%), Kernkraft (6%), Wasserkraft (2%), traditionelle Biomasse/Brennholz (6%), kommerzielle Biomasse (3%), Sonstiges (Wind, Solar: 1%).


Meerwasserentsalzung: ein Weg zur globalen Trinkwasserversorgung?

Lässt sich das Problem Wasserknappheit global dadurch entschärfen, dass Frischwasser nicht nur aus natürlichen Ressourcen (Grund- und Bodenwasser, Niederschläge), sondern überdies durch die Entsalzung von Meer-, Brack- und Abwasser gewonnen wird? Meerwasserentsalzung ist eine ausgereifte Technologie, die seit vielen Jahren Stand der Technik ist. Dabei haben sich zwei verschiedene Technologien etabliert: die sogenannte Umkehrosmose (Membranverfahren), die einen Marktanteil von etwa einem Drittel hat, und die Mehrstufenverdampfung.

Zurzeit gibt es weltweit etwa 14.000 Wasserentsalzungsanlagen (2/3 Meerwasser, 1/3 Brack- und Abwasser) mit einer Gesamtproduktion von 70 Mrd. Liter pro Tag. Die Kapazitäten zur Wasserentsalzung sind geographisch stark konzentriert. Dies gilt vor allem für die reichen Golfstaaten mit billiger Energie (Erdgas, Erdöl). 72% der Frischwasserproduktion entfallen auf nur 10 Länder (Werte von 2008): Saudi-Arabien (17%), Vereinigte Arabische Emirate (14), USA (14%), Spanien (9%), China (4%), Kuwait (4%), Qatar (3%), Algerien (3%), Australien (2%) und Japan (2%). Israel gewinnt mittlerweile ein Viertel seines Haushaltswassers durch Entsalzung, Spanien und China planen deutliche Kapazitätserweiterungen. Derzeit werden im globalen Mittel täglich aber nur 6 Liter pro Kopf durch Meerwasserentsalzung gewonnen, wobei allein der Wasserverbrauch in Haushalten im globalen Mittel 156 Liter pro Kopf und Tag beträgt.

Um den gesamten globalen Wasserbedarfs durch Meerwasserentsalzung zu decken, wäre ein enorm hoher Energieaufwand erforderlich. Er würde bei täglich 3,4 Litern Öl-Äquivalenten liegen bzw. bei 0,16 Liter Öl-Äquivalenten allein für den Wasserbedarf der Haushalte ("Öl-Aquivalente" sind heute eine international übliche Maßeinheit für den Energieverbrauch). Zum Vergleich: Der derzeitige tägliche mittlere Erdölverbrauch beträgt weltweit 1,8 Liter/Kopf. Infolge des hohen Energieaufwands sind auch die Kosten der Meerwasserentsalzung entsprechend hoch. Die Kosten, die bei einer Deckung des weltweiten Wasserbedarfs durch Meerwasserentsalzung entstünden, lägen täglich bei 3,40 EUR pro Kopf (davon entfielen 0,16 EUR auf die Bereitstellung von Haushaltswasser). Dabei ist zu berücksichtigen, dass 80% der Menschheit im Jahr 2005 ein tägliches Einkommen unter 7,00 EUR (10,00 US $) hatten und 50% sogar unter 2,00 EUR. Daher ist die Meerwasserentsalzung - realistisch betrachtet - eine Technologie, die nur regional begrenzt eingesetzt werden kann, um den Frischwasserbedarf in wasserarmen Regionen zu befriedigen; nämlich, wie es derzeit der Fall ist, nur in (energie)reichen Ländern (Tabelle 4).


Transporte von Frischwasser: Eine gangbare Alternative?

Könnte der Antransport von Frischwasser aus wasserreichen Regionen ein geeignetes Mittel sein, um wasserarme Regionen weltweit zu versorgen? Diese Überlegung liegt zunächst einmal nahe, denn schließlich werden seit Jahrzehnten riesige Mengen an Energie in Form von Erdöl, Erdgas und Kohle per Schiff oder Pipeline transportiert. Allein beim Erdöl sind es täglich etwa 13 Mrd. Liter Erdöl, im globalen Mittel also 1,8 Liter je Weltbürger. Doch bei genauem Hinsehen zeigt sich, dass ein Wassertransport von frischwasserreichen in -arme Regionen über größere Strecken nicht zu leisten ist. Derzeit liegt der Gesamtwasserverbrauch im globalen Mittel bei 3.400 Liter/Kopf/Tag. Unterstellt man beispielsweise einen Transportweg von 3.000 km, so läge der Energieverbrauch zur Deckung dieses Bedarfs bei 14 Litern Öl-Äquivalenten/Kopf/Tag und wäre damit noch deutlich höher als die Meerwasserentsalzung (Tabelle 4). Dass dies ökonomisch und ökologisch völlig unrealistisch ist, zeigt folgende Abschätzung: Mit der derzeit weltweit bereitgestellten Primärenergie (Erdöl, Erdgas, Kohle, Kernenergie, Wasserkraft, Biomasse etc.) von 5,4 Litern Öl-Äquivalenten/Kopf/Tag könnte nur etwa ein Drittel der global benötigten Wassermenge über längere Strecken transportiert werden. Da diese Energie naturgemäß für die Strom-, Wärme und Kraftstofferzeugung benötigt wird, würde sich der globale Energieverbrauch verdoppeln - mit allen negativen Folgen für das Klima. Der Abbau der Energiereserven und -ressourcen würde sich erheblich beschleunigen.

Eine bessere Wasserversorgung in Entwicklungs- und Schwellenländern wird angesichts der weiter steigenden Weltbevölkerung schwierig zu erreichen sein. Eine Meerwasserentsalzung oder der Transport von Frischwasser über lange Distanzen kann - im Hinblick auf eine verantwortungsbewusste Energie- und Klimapolitik - nur lokal und in relativ geringem Umfang Abhilfe schaffen. Als vorrangiger globaler Lösungsweg verbleibt daher nur eine noch effizientere Nutzung des kostbaren Gutes Frischwasser.


Literatur
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  • Lattemann, S. (2011), Meerwasserentsalzung. In: Lozan, J. L. et al., Warnsignal Klima: Genug Wasser für alle?
  • MacKay D. J. C. (2008). Sustainable Energy - without the hot air. UIT Cambridge (available free online from www.withouthotair.com). Shiklomanov, I. (2000). Appraisal and assessment of world water resources. Water Intern. 25, 11-32.
  • Sophocleus, M. (2004). Global and Regional Water Availability and Demand: Prospects for the Future. Natural Resources Research 13, 61-75


Prof. Dr. Andreas Jess leitet seit Oktober 2001 den Lehrstuhl Chemische Verfahrenstechnik an der Universität Bayreuth. Zu seinen Forschungsgebieten gehören Kraftstoffe und Chemikalien aus Erdgas, Erdöl, Kohle und erneuerbaren Energieträgern sowie die sozialen und ökologischen Aspekte der Energieversorgung.


Bildunterschriften der im Schattenblick nicht veröffentlichten Abbildungen der Originalpublikation:
- Eine Meerwasser-Entsalzungsanlage versorgt eine karibische Insel mit Trinkwasser. Foto: Jo Ann Snover (sst)
Abb. 2: Filteranlage in einer Entsalzungsanlage. Foto: Paul Vinten (sst)
Abb. 3: Meerwasser-Entsalzungsanlage. Foto: irabel8 (sst)

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Quelle:
spektrum, Ausgabe 1, November 2012, Seite 16-21
Herausgeber: Universität Bayreuth
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veröffentlicht im Schattenblick zum 3. April 2013