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06.09.2018

Erneuerbare Energien würden die Wüste ergrünen lassen

Anlass

Ein Ausbau von Wind- und Solaranlagen würde zu mehr Regen in der Sahara und der Sahelzone führen. Das berichtet ein internationales Forscherteam in der kommenden Ausgabe von „Science“ (siehe Primärquelle). Die Autoren haben einen starken Ausbau von Wind- und PV-Anlagen an gleichmäßig verteilten Punkten in Nordafrika modelliert. Dann haben sie ihr Modell berechnen lassen, wie stark der Wind abgebremst würde, wie sich die Oberflächentemperaturen änderten, wieviel mehr Regen fallen und wie die Vegetation darauf reagieren würde. Das Ergebnis: Die Niederschlagsmengen wurden größer, vor allem in der Sahelzone würde sich daraufhin die Vegetation verändern, nämlich grüner werden.

 

Übersicht

  • Dr. Axel Kleidon, Leiter der Arbeitsgruppe "Biospheric Theory and Modelling", Max-Planck-Institut für Biogeochemie, Jena
  • Prof. Dr. Martin Claußen, Direktor Abteilung Land im Erdsystem, Max-Planck-Institut für Meteorologie, Hamburg, und Professor für Allgemeine Meteorologie am Meteorologischen der Universität Hamburg
  • Prof. Dr. Anders Levermann, Professor für die Dynamik des Klimasystems, Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK), Potsdam
  • Prof. Stefan Kollet, PhD, Institut für Bio- und Geowissenschaften, Agrosphäre (IBG-3), Forschungszentrum Jülich GmbH (FZJ), Jülich

Statements

Dr. Axel Kleidon

Leiter der Arbeitsgruppe "Biospheric Theory and Modelling", Max-Planck-Institut für Biogeochemie, Jena

„Die neue Studie zeigt, dass durch die breite Nutzung von erneuerbaren Energien in Nordafrika Klimaänderungen hervorgerufen werden können, die das Klima für den Menschen positiv beeinflussen. Solarpanele erwärmen die Oberfläche, und Windturbinen bremsen den Wind. Die Autoren der Studie zeigen, dass dies die Temperatur und den Niederschlag in der Sahara und Sahelregion beeinflussen können, und zu mehr Vegetation führen könnte. Ich halte die Studie für interessant, die Effekte sind plausibel und nachvollziehbar.“

„Allerdings fokussiert sich die Studie auch auf die Verstärkung dieser Effekte durch Vegetationsänderungen. Dies braucht in der Regel mehrere Jahre, und es geschieht nur, wenn die Vegetation nicht durch menschliche Aktivität wie Überweidung beeinträchtigt wird. Da gerade die Sahelzone stark durch den Menschen und durch Beweidung geprägt ist, stehe ich dem Effekt auf die Vegetation eher skeptisch gegenüber.“

„Außerdem denke ich, dass sich der Wassermangel in der Region auch durch andere technische Möglichkeiten angehen ließe, die effektiver mehr Wasser liefern könnten. Dazu gibt es Studien zur Begrünung von Wüsten – zum Beispiel [7], [8] –, wo durch vergleichsweise wenig Energieeinsatz für Meerwasserentsalzung mehr Vegetation in den Wüstenregionen Nordafrikas erreicht werden könnte.“

Prof. Dr. Martin Claußen

Direktor Abteilung Land im Erdsystem, Max-Planck-Institut für Meteorologie, Hamburg, und Professor für Allgemeine Meteorologie am Meteorologischen der Universität Hamburg

„Die Sahara – die größte Wüste der Erde – ist eine faszinierende, scheinbar menschenleere Landschaft, die seit vielen Jahren Ingenieure und Wissenschaftler zu fantastischen Großprojekten anregt. Schon der Berliner Geographieprofessor Albrecht Penck schlug 1916 vor, den Höhenunterschied zwischen dem Mittelmeer und der Qattara-Senke in der Libyschen Wüste zu nutzen, um ein Wasserkraftwerk anzutreiben [3]. Vor knapp zehn Jahren publizierte der Zellbiologe Professor Ornstein einen Aufsatz zur vollständigen Aufforstung Sahara, um die globale Erwärmung zu stoppen [4].“

„Nun haben Li et al. (2018) den Effekt von großmaßstäblich angelegten Wind- und Solarfarmen in Sahara auf das regionale und globale Klima untersucht. Den Abbildungen in ihrer Arbeit ist zu entnehmen, dass die Wind- und Solarfarmen die gesamte Sahara, also etwa neun Millionen Quadratkilometer, bedecken sollen. Ein solch massiver Eingriff führt – im Klimamodell – zu dem scheinbar verblüffenden Effekt, dass die ‚Bepflanzung‘ der Sahara mit Wind- und Solaranlagen mehr Vegetation und mehr Niederschlag nach sich ziehen könnte. Dies ist offenbar eine Win-Win-Situation: Gewinnung von Strom aus erneuerbaren Energiequellen plus mehr Niederschlag in den Gebieten, die unter Regenmangel leiden, plus Rückgang der Wüste.“

„Tatsächlich ist dieser Effekt, dass eine dunklere Sahara Regen und damit Vegetation anzieht, zu erwarten. Wie die Autoren selbst sagen, haben bereits Charney [5] sowie Sud und Smith [6] den Einfluss der Landoberfläche auf das Klima der Sahara untersucht und auf wesentliche Prozesse hingewiesen. Claussen hatte 1997 in einem Klimamodell, in dem die Vegetation wandern durfte, gezeigt, dass eine einmal bepflanzte Sahara den Regen anzieht und die Vegetation in großen Teilen erhalten kann – ein Effekt, der auch für die Erklärung der grünen Sahara, die vor einigen tausend Jahren existiert hatte, wichtig ist [2].“

„Naturwissenschaftlich betrachtet ist der Aufsatz von Li und anderen also vollkommen in Ordnung. Aber ist es überhaupt realistisch, die Sahara in großem Maßstab mit Wind- und Solarfarmen zu bestücken? Was würden zum Beispiel die Tuareg, die heute noch in der Sahara leben, dazu sagen? Was würde in der Sahelzone passieren, einer der ärmsten Regionen der Welt mit einem enormen Bevölkerungswachstum und extrem hohem Konfliktpotenzial? Selbst Desertec hat den Einsatz von Wind- und Solarfarmen an nur wenigen Punkten der Sahara geplant, was kaum größere klimatische Folgen haben dürfte. Mit anderen Worten: Der Aufsatz von Li und anderen ist eine rein akademische Studie, die leider soziologische, ökonomische und rechtliche Aspekte ausblendet.“

Herr Prof. Dr. Anders Levermann

Professor für die Dynamik des Klimasystems, Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK), Potsdam

„Monsunsysteme wurden lange Zeit als sehr stabil angesehen. Klimamodelle zeigen aber mittlerweile, dass der Monsunregen unter Erderwärmung im Mittel stärker wird, gleichzeitig aber auch stärker schwankt. Frühere Studien haben gezeigt, dass es vor tausenden von Jahren Monsunregen in der Nordsahara gab und dieser durch ein Zusammenspiel von Vegetations- und Klimaänderung plötzlich ausgefallen ist. Wir haben in einer Studie von 2009 gezeigt [9], dass Monsunregen auch ohne den Einfluss von Vegetation in einigen bisher trockenen Regionen plötzlich beginnen kann – eine Reihe von Klimamodellen zeigen unter Erderwärmung ein plötzliches Auftreten von Monsunregen in der Sahara [10]. Es erscheint daher plausibel, dass bereits kleine Änderungen in der Oberflächenbeschaffenheit der Region durch Windkraft- und Solaranlagen zu einer Zunahme der Regenfälle in der bisher trockenen Sahara führen.“

Herr Prof. Stefan Kollet, PhD

Institut für Bio- und Geowissenschaften, Agrosphäre (IBG-3), Forschungszentrum Jülich GmbH (FZJ), Jülich

„Die Studie verwendet ein etabliertes globales, hydrostatisches Klimamodell (SPEEDY), das mit einem dynamischen Vegetationsmodell (VEGAS) gekoppelt ist. Das bedeutet, dass in der Modellierung die Zweiwegekopplung des Klimas mit dem Wachstum der Vegetation berücksichtigt wird. Hierin besteht auch die Innovation im Vergleich zu den vorherigen Studien: Photovoltaikparks verringern die Albedo (Reflexionsvermögen einer Oberfläche, in diesem Fall der Erde; Anm. d. Red.), wodurch sich vor allem der lokale Niederschlag erhöht. Durch den erhöhten Niederschlag erhöht sich das Pflanzenwachstum (erhöhter Blattflächenindex), wodurch sich wiederum die Albedo verringert und der Niederschlag erhöht (Albedo-Niederschlags-Kopplung). Ähnliche Rückkopplungsmechanismen beobachten die Autoren ebenfalls für Windenergieparks und in Kombination von Wind- und Photovoltaikparks. In dem Modell ist der Einfluss räumlich variabel und in der Sahelzone am stärksten.“

„Der direkte Einfluss dieser großmaßstäblichen Anlagen auf das Klima wurde bereits in verschiedenen Studien gezeigt, wie auch von den Autoren berichtet. Dies gilt auch für den Einfluss von Windenergieparks auf den Niederschlag durch die Auswirkungen der veränderten Rauigkeit der Landoberfläche [11]. Wie bereits erwähnt, stellt die explizite Kopplung mit einem dynamischen Vegetationsmodell die zentrale Neuerung der Studie dar. Auch die grundlegenden Mechanismen sind bekannt – Sud- und Charney-Mechanismen – und wurden auch für die Sahelzone mit Bezug auf den Einfluss der Vegetation auf den Niederschlag bereits diskutiert [12]. Ein neuer Aspekt ist erstens die relative Quantifizierung erstens der Rauhigkeits-Niederschlags-Vegetations-Kopplung und zweitens der Albedo-Niederschlags-Vegetations-Kopplung, die zeigt, dass die zweite Kopplungsart 80 Prozent zur Niederschlagszunahme beiträgt.“

„Die Autoren diskutieren ebenfalls, dass die Beobachtungen nicht allgemeingültig sind. Zum Beispiel hängt die Albedo-Rückkopplung von dem Vorzeichen der Albedo-Änderung durch Photovoltaikparks vom ursprünglichen Wert ab und dem Umwandlungswirkungsgrad, der in der Studie mit derzeit realistischen 15 Prozent festgelegt wird, in Zukunft aber noch steigen wird – bei 30 Prozent wäre der Albedo-Effekt wohl vernachlässigbar. Auch ist die relativ grobe Auflösung des Globalmodells ein limitierender Faktor, weil räumliche Variabilität in Parametern und Prozessen nicht abgebildet werden kann. Die positiven Niederschlagsrückkopplungen werden von den Autoren für die Fokusregion als Vorteil interpretiert, der durch die Installation solcher Anlagen genutzt werden könnte.“

„Die zentrale Herausforderung solcher Modellstudien ist die Identifizierung relevanter Prozesse vor dem Hintergrund der natürlichen atmosphärischen Variabilität (Chaos), die in den Modellen vereinfacht abgebildet wird: Schon kleinste Änderungen im Modell-Setup führen zu Änderungen aller atmosphärischen Variablen, insbesondere Niederschlag. Um Prozesse identifizieren zu können, werden große Modellensemble oder/und lange Zeitreihen gerechnet, die genutzt werden, um die natürliche Variabilität zu quantifizieren und vom Prozesssignal zu trennen. In dieser Studie wurden hundertjährige Zeitreihen gerechnet und die letzten 50 Jahre ausgewertet. Das erscheint ausreichend. Da jedoch das gleiche Modell verwendet wurde und die Modellparametrisierungen offenbar nicht variiert wurde, kann nicht ausgeschlossen werden, dass Modellstrukturfehler systematischen Einfluss auf die Modellergebnisse und damit auf die Schlussfolgerungen haben.“

„Eine weitere große Herausforderung stellt die Anwendung dynamischer Vegetationsmodelle dar, deren Prozesse über lange Zeitskalen wirken (langsam wachsende Vegetation, träge Kohlenstoff-Pools). Die Modelle müssen zuerst in ein biochemisch-physikalisch konsistentes Gleichgewicht mit der Atmosphäre gebracht werden, um sinnvolle Anfangsbedingungen für die eigentlichen Simulationen und Modellergebnisse zu erhalten. In der Studie wurden dem gekoppelten Modell insgesamt 150 Jahre Zeit gegeben, ein dynamisches Gleichgewicht zu erreichen, was sinnvoll und üblich ist, jedoch wieder stark von den spezifischen verwendeten Modelparametrisierung und Vereinfachung abhängt.“

„Es ist ebenfalls wichtig zu verstehen, dass Windenergie- und Photovoltaikparks nicht im Detail simuliert, sondern extrem vereinfacht abgebildet werden. In Klimamodellen wird die Landoberfläche als untere Randbedingung mithilfe so genannter Landoberflächenmodelle implementiert, die die Energie-, Massen- und Impulsbilanzen am unteren Rand berechnen. In der Studie wird das Landoberflächenmodell Sland verwendet, das mir nicht bekannt und meiner Meinung nach nicht weit verbreitet ist. Für Vegetation wird VEGAS verwendet. Im Falle von Photovoltaikparks taucht die Änderung der Albedo in der Strahlungsbilanz auf. Es scheint – genaue Angaben fehlen – als ob die Modellparametrisierung aller anderen Komponenten der Energiebilanz jedoch nicht geändert werden. Das bedeutet, dass der latente Wärmestrom (wahrscheinlich sehr gering), der fühlbare Wärmestrom und der Bodenwärmestrom berechnet werden als handele es sich um eine freie, unbewachsene Bodenfläche, die sich in ihren physikalischen Eigenschaften – zum Beispiel Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität –natürlich stark von Photovoltaikanlagen unterscheidet. Diese Art der Vereinfachungen können die Resultate und Schlussfolgerungen ebenfalls beeinflussen. Kleinräumige, hochauflösende Messungen und physikbasierte Simulationen könnten hier Aufschluss über den Einfluss der Vereinfachungen geben.“

Angaben zu möglichen Interessenkonflikten

Alle: Keine angegeben.

Primärquelle

Li Y et al. (2018): Climate model shows large-scale wind and solar farms in the Sahara increase rain and vegetarion. Science; 361:1019-1022. DOI: 10.1126/science.aar5629.

Literaturstellen, die von den Experten zitiert wurden

[1] Claussen M (1997): Modeling bio-geophysical feedback in the African and Indian monsoon region. Climate Dynamics; 13 (4): 247-257. DOI: 10.1007/s003820050164.

[2] Claussen M et al. (1997): The greening of Sahara during the mid-Holocene: results of an interactive atmosphere - biome model. Global Ecology and Biogeography Letters; 6: 369-377. DOI: 10.2307/2997337.

[3] Flohn H. et al. (1980): Die Verdunstung als wasserwirtschaftliche Schlüsselgröße zum Qattara-Projekt. Wasser und Boden; 8: 352-358.

[4] Ornstein L et al. (2009): Irrigated afforestion of the Sahara and Australian Outback to end global warming. Climatic Change; 97: 409-437. DOI: 0.1007/s10584-009-9626-y.

[5] Charney J et al (1975): Dynamics of deserts and drought in the Sahel. Quarterly Journal of the Royal Meteorolgical Society 101; 193–202. DOI: 10.1002/qj.49710142802.

[6] Sud Y et al. (1985): The influence of surface roughness of deserts on the July circulation. Boundary-Layer Meteorology 33; 15-49.

[7] Becker et al. (2013): Carbon farming in hot, dry coastal areas: an option for climate change mitigation. Earth System Dynamics 4; 237-251. DOI: 10.5194/esd-4-237-2013. 

[8] Bowring et al. (2014): Applying the concept of "energy return on investment" to desert greening of the Sahara/Sahel using a global climate model. Earth System Dynamics 5; 43-53. DOI: 10.5194/esd-5-43-2014.

[9] Levermann A et al. (2009): Basic mechanism for abrupt monsoon transitions. PNAS; 106 (49): 20572-20577. DOI: 10.1073/pnas.0901414106.

[10] Schewe J et al. (2017): Non-linear intensification of Sahel rainfall as a possible dynamic response to future warming. Earth Syst. Dynam., 8: 495-505. DOI: 10.5194/esd-8-495-2017.

[11] Wang C et al. (2010): Potential climatic impacts and reliability of very large-scale wind farms. Atmospheric Chemisty and Physics 10; 2053–2061. DOI: 10.5194/acp-10-2053-2010.

[12] Los S et al. (2006): An observation-based estimate of the strength of rainfall-vegetation interactions in the Sahel. Geophysical Research Letters 33; L16402, DOI: 10.1029/2006GL027065.