Klima-Engineering über Land: Umfassende Evaluierung von Auswirkungen terrestrischer Carbon-Dioxide-Removal-Methoden auf das Erdsystem (CE-LAND+)

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Dieter Gerten; Professorin Dr. Julia Pongratz
• Fachliche Zuordnung: Physische Geographie ; Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 236906451

• Erstellungsjahr: 2020

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Anhand umfassender globaler Simulationen mit zwei globalen dynamischen Vegetations- und Erdsystemmodellen hat das Projekt CE-LAND(+) Potenziale, biogeophysikalische Nebenwirkungen sowie Zielkonflikte bezüglich Nahrungsmittel- und Wasserverfügbarkeit von Methoden der terrestrische Kohlendioxid-Entfernung (tCDR) durch (Wieder-)Aufforstung und Biomasseplantagen quantifiziert. Das Kohlenstoffaufnahmepotenzial von (Wieder-)Aufforstung bis 2100 wurde auf etwa 215 GtC (etwa 2 GtC pro Jahr) geschätzt, wodurch die atmosphärische CO2-Konzentration um 85 ppm reduziert würde. Diese Abschätzung revidierte frühere Studien deutlich nach oben, die die positiven Auswirkungen eines erhöhten CO2-Gehalts auf das Waldwachstum nicht berücksichtigt hatten. Die angenommene (Wieder-)Aufforstung verringert den Anstieg der globalen Mitteltemperatur um 0,3C im Jahr 2100, mit teils starker Abschwächung der Temperaturextreme in dicht besiedelten Gebieten, was auf mögliche positive Nebenwirkungen für die lokale Anpassung hindeutet. Nutzt man die gleichen Flächen statt für (Wieder-)Aufforstung für Gras-Biomasseplantagen, verringert dies in den Simulationen den CO2-Gehalt um 47 bis 177 ppm bei einem Substitutionsgrad für fossile Brennstoffe von 0 bzw. 100%. Für die oberen Abschätzungen werden Biomasseplantagen in den meisten Regionen der Welt innerhalb von 30 Jahren pro Flächeneinheit effektiver als Wälder. Beide Szenarien gingen jedoch von einem hohen Preis für CO2 aus, was die landwirtschaftliche Intensivierung rentabel machte, wodurch wiederum landwirtschaftliche Flächen für tCDR frei wurden. Die Ergebnisse unterstreichen, dass die tCDR-Potenziale auch aus der Perspektive von Zielkonflikten mit dem Flächen- (und Wasser-) Bedarf für Landwirtschaft oder Naturschutz gesehen werden müssen. In weiteren systematische Studien zu Zielkonflikten für Biomasseplantagen wurden geringe bis mäßige zur Abschwächung der globalen Erwärmung oder zum Ausgleich weitergehender fossiler Emissionen erforderliche negative Emissionen errechnet. Diese Potentiale werden unter anderem durch die analysierten Umweltauswirkungen und durch technologische Effizienzen bestimmt. Beispielsweise wäre das Erreichen von tCDR-Volumina von 160-190 GtC innerhalb dieses Jahrhunderts durch Biomasseplantagen (die als Ergänzung zu einer starken Mitigation benötigt werden, um die globale Erwärmung auf 2C zu begrenzen), nur durch umfassende Bewässerung und hocheffiziente Umwandlung in gespeicherten Kohlenstoff möglich. In eingehenderen Analysen und umfassenden Literatur-Reviews zeigen wir, dass einige Szenarien einen globalen Wasserbedarf in der Größenordnung des derzeitigen landwirtschaftlichen Wasserverbrauchs implizieren, was einen massiven zusätzlichen Druck auf die Süßwassersysteme bedeuten würde. Unter der Annahme, dass die Planetaren Grenzen für den Süßwasser- und Stickstoffkreislauf sowie die Biodiversität eingehalten werden sollen, kann tCDR mit Biomasseplantagen sogar nur marginale Potenziale für negative Emissionen leisten. Eine Schlussfolgerung unserer Studien ist, dass tCDR aufgrund der gravierenden Zielkonflikte mit Belangen der Gesellschaft und Biosphäre keine gangbare Alternative zu drastischen Reduzierungen der Treibhausgasemissionen ist, aber bei einem nachhaltigen Einsatz den Klimaschutz oder Klima-Engineering unterstützen und auch Vorteile für das Anpassungspotenzial auf lokaler Ebene bieten könnte. Die Projektergebnisse wurden in hochrangigen Fachzeitschriften veröffentlicht und auch in der internationalen Presse besprochen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Climate change reduces warming potential of nitrous oxide by an enhanced brewer-dobson circulation. Geophysical Research Letters, 43 (11):5851–5859, 2016
  D. Kracher, C. H. Reick, E. Manzini, M. G. Schultz, and O. Stein
  
• Collateral transgression of planetary boundaries due to climate engineering by terrestrial carbon dioxide removal. Earth System Dynamics, 7(4):783, 2016
  V. Heck, J. F. Donges, and W. Lucht
  
• Impacts devalue the potential of large-scale terrestrial CO2 removal through biomass plantations. Environmental Research Letters, 11(9):095010, 2016
  L. R. Boysen, W. Lucht, D. Gerten, and V. Heck
  
• Is extensive terrestrial carbon dioxide removal a ‘green’ form of geoengineering? a global modelling study. Global and Planetary Change, 137:123 – 130, 2016
  V. Heck, D. Gerten, W. Lucht, and L. R. Boysen
  
• Reforestation in a high-CO2 world—higher mitigation potential than expected, lower adaptation potential than hoped for. Geophysical Research Letters, 43 (12):2016GL068824, 2016
  S. Sonntag, J. Pongratz, C. H. Reick, and H. Schmidt
  
• Nitrogen-related constraints of carbon uptake by large-scale forest expansion: Simulation study for climate change and management scenarios. Earth’s Future, 5(11):1102–1118, 2017
  D. Kracher
  
• Potentials and Side-Effects of Herbaceous Biomass Plantations for Climate Change Mitigation. PhD thesis, Universität Hamburg, Geowissenschaften, 2017
  D. Mayer
  
• The limits to global-warming mitigation by terrestrial carbon removal. Earth’s Future, 5(5):463–474, 2017
  L. R. Boysen, W. Lucht, D. Gerten, V. Heck, T. M. Lenton, and H. J. Schellnhuber
  
• Trade-offs for food production, nature conservation and climate limit the terrestrial carbon dioxide removal potential. Global Change Biology, 23(10):4303–4317, 2017
  L. R. Boysen, W. Lucht, and D. Gerten
  
• Biogeochemical potential of biomass pyrolysis systems for limiting global warming to 1.5◦C. Environmental Research Letters, 13(4):044036, 2018
  C. Werner, H.-P. Schmidt, D. Gerten, W. Lucht, and C. Kammann
  
• Biomass-based negative emissions difficult to reconcile with planetary boundaries. Nature Climate Change, 8(2):151–155, 2018
  V. Heck, D. Gerten, W. Lucht, and A. Popp
  
• Land use options for staying within the planetary boundaries–synergies and trade-offs between global and local sustainability goals. Global Environmental Change, 49:73–84, 2018
  V. Heck, H. Hoff, S. Wirsenius, C. Meyer, and H. Kreft
  
• Quantifying and comparing effects of climate engineering methods on the earth system. Earth’s Future, 6(2):149–168, 2018
  S. Sonntag, M. Ferrer González, T. Ilyina, D. Kracher, J. E. M. S. Nabel, U. Niemeier, J. Pongratz, C. H. Reick, and H. Schmidt
  
• Freshwater requirements of large-scale bioenergy plantations for limiting global warming to 1.5◦C. Environmental Research Letters, 14(8):084001, 2019
  F. Stenzel, D. Gerten, C. Werner, and J. Jägermeyr
  
• Global scenarios of irrigation water use for bioenergy production: a systematic review. Hydrology and Earth System Sciences Discussions, 2020:1–24, 2020
  F. Stenzel, D. Gerten, and N. Hanasaki