La multilateralidad parece ser la respuesta realista para hacer frente a los retos que mencionas.
Efectivamente el único "demos" del que pude emanar legitimidad para regular las políticas públicas en relación a las emisiones de CO2 es el total de la humanidad: si las consecuencias son globales, sólo la globalidad puede decidir legitimamente; eso nos llevaría, como bien dices, a que la arquitectura institucional construida sobre esta premisa necesariamente debe ponderar de igual manera los votos de 80 millones de alemanes y los de 80 millones de turcos.
El gran pero de esta fórmula es que es políticamente irrealizable (o casi). La multilateralidad (es decir, la negociación entre Estados prescindiendo del "demos" global) es menos democrática porque la capacidad de influencia de los Estados no deriva de su peso demográfico sobre el total global, sino de su capacidad de influencia (el Reino Unido, la quinta economía del mundo y con capacidad de veto en el Consejo de Seguridad de la ONU) tiene mucha más capacidad de influencia que México, a pesar de tener sólo una fracción de su población.

Lo que yo digo es que, descartando por imposible (o al menos aparentemente imposible a día de hoy) el nacimiento de una, o varias, instituciones globales que regulen las externalidad negativas generadas por el mercado y apoyen su legitimidad en un "demos" global, lo que hay que hacer es trabajar sobre las instituciones multilaterales ya existentes (sobretodo la ONU) para hacerlas más democráticas (avanzando progresivamente hacia el demos global para temas globales) y eficaces frente a los retos de la globalización, dotándolas de los recursos necesarios para poner en pie nuevas instituciones que obliguen a los Estados al menos a coordinarse y atenerse a unas reglas de juego claras en temas de trascendencia global. En otras palabras: la necesidad de instituciones globales que regulen eficazmente los fallos del mercado global y otros asuntos igualmente globales pero extra-económicos es notoria, al igual que la "fatiga" y la sensación de obsolescencia de las instituciones multilaterales actuales, que fueron concebidas en otra época y no parecen responder bien a los retos de hoy, pero esta necesidad de reguladores globales sólo puede ser satisfecha desde la reforma de los organismos actuales, en la que por razones de realismo político sólo se puede aspirar a una mejor multilateralidad, no al surgimiento de unas instituciones que materialicen la soberanía del demos global (aunque este debería ser el fin último de las sociedades democráticas).