Ist die Entfernung von CO₂ aus der Atmosphäre weniger effektiv als angenommen?

„Die Studie bestätigt bestehendes Wissen insofern, als dass die unterschiedlichen Rückkopplungen im Kohlenstoffkreislauf selbst als auch die durch die Temperatur nicht-linear sind und es insofern nicht überrascht, dass es hier asymmetrische Reaktionen gibt. Um diese Effekte besser zu verstehen, ist im Rahmen der Analyse von Erdsystemmodellen üblich, solche Impulsszenarien zu verwenden.“

Auf die Frage, worin für die Simulation der Vorteil der einmaligen Zugabe großer Mengen Kohlenstoff besteht im Vergleich zur Simulation einer allmählichen Zunahme der Emissionen/Entnahmen: „Durch die zeitliche Begrenzung der ‚Störung‘ des Modells, kann man die unterschiedlichen Reaktionen – die auf zeitlich unterschiedlichen Skalen ablaufen – besser verstehen und analysieren im Vergleich zu einem Szenario, in dem kontinuierlich ‚gestört‘ wird, also laufend Emissionen oder negative Emissionen stattfinden. Vor diesem Hintergrund überrascht mich der vergleichsweise kurze Simulationshorizont von nur 1.000 Jahren, da es interessant gewesen wäre zu sehen, ob und wann langfristige Rückkopplungsmechanismen dazu beitragen, dass es zu einer symmetrischen Antwort kommt.“

„Zusammenfassend sind diese Szenarien sinnvoll, um Erdsystemmodelle zu verbessern. Unmittelbare Aussagen auf plausible Zukünfte lassen sich nicht ableiten. Das gilt vor allem, weil die Störung in den Modelluntersuchungen von einem Gleichgewichtszustand im Kohlenstoffkreislauf ausgeht, von dem wir in Realität weit entfernt sind.“

„Es ist bekannt, dass unterschiedliche Rückkopplungsmechanismen nicht-linear sind und deswegen ausgehend von einem Gleichgewichtszustand große Mengen Emissionen beziehungsweise negative Emissionen nicht symmetrisch auf die atmosphärische CO₂-Konzentration wirken. Insofern liefert die Arbeit kaum neue Einsichten. Angenommen man schaut sich einen Emissionspfad ausgehend von einem CO₂-Gleichgewichtzustand mit einer Konzentration doppelt so hoch wie das vorindustrielle Niveau an, reduziert dann den Emissionspfad einmal um 100 Gigatonnen Kohlenstoff und erhöht ihn einmal um 100 Gigatonnen Kohlenstoff. Dann zeigt sich ebenfalls keine symmetrische Reaktion. Das hat nichts mit NET (Negative Emissions-Technologien) zu tun, sondern damit, dass der Kohlenstoffkreislauf asymmetrisch auf die Zugabe von CO₂ versus der Reduktion von CO₂ reagiert.“

„Die Autoren geben an, dass sie von einem Gleichgewichtszustand ausgehen, der doppelt so hoch ist wie die vorindustrielle CO₂-Konzentration. Das ist eine sehr starke Annahme. Derzeit ist der Kohlenstoffkreislauf nicht im Gleichgewicht, das heißt, das Land und der Ozean nehmen CO₂ auf. Wenn jetzt die CO₂-Konzentration in der Atmosphäre sinkt – sei es, weil eine Tonne CO₂ entnommen wird oder weil weniger CO₂ emittiert wird als in den Nicht-Reduktions-Szenarien – reduziert sich die Senke marginal, aber der Auswirkung von Emissionsvermeidung und CO₂-Entnahme ist symmetrisch für diesen Effekt.“

„Vor diesem Hintergrund und im Hinblick auf die relevante Größenordnung bei negativen Emissionen ist es weiterhin eine gute Annäherung, CO₂-Emissionsvermeidung wie auch CO₂-Entnahme als äquivalent zu betrachten. Das wird zum einen von den AutorInnen gesagt (‚… assuming symmetry in terms of their climate. While reasonable for a small emissions…‘) als auch durch ihre Ergebnisse bestätigt. Deutlichere Asymmetrien ergeben sich erst für das 500 Gigatonnen-Kohlenstoff-Szenario, bei dem 100- und 200-Gigatonnen-Szenarien sind kaum Unterschiede deutlich – selbst unter der unrealistischen Annahme eines Gleichgewichts als Ausgangszustands. 200 Gigatonnen Kohlenstoff entsprechen in etwa der Menge an negativen Emissionen, die zum Beispiel die Royal Society (2018) oder die National Academy of Sciences (2019) bis zum Jahr 2100 unterstellen.“

Auf die Frage, wie das Erdsystem qualitativ auf die Entnahme von CO ₂ aus der Atmosphäre reagiert und welche Effekte auf den globalen Kohlenstoffkreislauf zu berücksichtigen sind: „Hier muss man berücksichtigen, wie die CO₂-Aufnahme die natürlichen Senken beeinflusst. Um die Rückkopplungen im Kohlenstoffkreislauf zu untersuchen, konzentrieren sich Zickfeld et al. auf Direct Air Capture (die direkte Abscheidung von CO₂ aus der Luft; Anm. d. Red.) mit anschließender geologischer Speicherung. Bei atmosphärischen CO₂-Entnahmen werden aber viele unterschiedliche Methoden zum Einsatz kommen. Wenn die CO₂-Entnahme beispielsweise durch Aufforstung erreicht wird, ergibt sich sowohl eine direkte Interaktion mit der Landsenke als auch eine Veränderung der Albedo und entsprechend zusätzliche Temperatureffekte. Das heißt, in diesem Fall würden sich bereits asymmetrische Effekte im Vergleich zu Direct Air Capture ergeben. Aufforstung wäre also weniger effektiv in der Reduktion der Temperatur, aber möglicherweise trotzdem in Grenzen effizienter, weil zu geringeren Kosten umsetzbar.“

„Wichtig für diese Frage ist auch das Ausgangsniveau bei der Temperatur. Wenn es möglich wäre, dass Kipppunkte überschritten werden, haben Emissionen und negative Emissionen natürlich einen stark asymmetrischen Effekt – in der Logik des Modellaufbaus in der aktuellen Studie – und man würde negative Emissionen gerade deswegen einsetzen, um das Überschreiten des Kipppunktes zu vermeiden.“

„Insofern benötigt es sicherlich weiterer Forschung, wie das Erdsystem auf CO₂-Entnahme reagiert, insbesondere auch in Temperatur-Overshoot-Szenarien. Allerdings ist derzeit die technische Kapazität wie auch die ökonomische Realisierbarkeit der CO₂-Entnahme noch so niedrig, dass man sich über Obergrenzen praktisch keine Gedanken machen muss. Die atmosphärische CO₂-Entnahme wird durch ökonomische, nicht aber durch physikalische Faktoren begrenzt sein.“

„Wenn man die Arbeit im Hinblick auf die Klimapolitik ernst nimmt, sollte man die Diskussion über die Dringlichkeit von NET (Negative-Emissionen-Technologien, Anm. d. Red.) intensivieren, weil NET in den Modellergebnissen der aktuellen Studie die Temperatur stärker reduzieren als die Emissionsreduktion (Abbildung 1b). Interessanterweise wird dieses Ergebnis kaum diskutiert und im Abstract vor allem auf die unterschiedliche Reaktion in der atmosphärischen CO₂-Konzentration verwiesen. Im Hinblick auf die Klimapolitik sollte man diese Arbeit aber nicht zu ernst nehmen, sondern als das betrachten, was sie ist: eine wichtige Fingerübung zur Verbesserung von Erdsystemmodellen. Dabei wäre es schön gewesen, wenn die AutorInnen ihre Ergebnisse etwas neutraler dargestellt hätten.“

„Dass der Effekt von CO₂-Emission und CO₂-Reduktion nicht symmetrisch ist, ist meines – in diesem Spezialgebiet begrenzten – Wissens neu und interessant. Allerdings bin ich auch nicht wirklich überrascht, da wir in unseren Studien zu Aufforstung und Abholzung auch asymmetrische Effekte entdeckt haben.“

„Kritisch anmerken möchte ich, dass in der entscheidenden Abbildung 1 die Unsicherheitsbalken fehlen. Mit dem in der aktuellen Studie genutzten University of Victoria Earth System Model (UVic ESCM, ein Klimamodell [c]) könnte man prüfen, inwieweit die Modellergebnisse robust sind. Dazu würde man die entscheidenden Parameter des Modells ein wenig variieren und hätte so eine Aussage zur modellinternen Robustheit. Dies erscheint mir wichtig, da das grundlegende Klimamodell offenbar immer noch mit dem alten UVic-Modellkern arbeitet, der die Atmosphärendynamik sehr stark vereinfacht.“

„Tatsächlich sind die beschriebenen Effekte in der Abbildung 1 nicht besonders groß. Insbesondere, wenn man sich die Differenzen in der global gemittelten oberflächennahen Temperatur (Fig. 1b) anschaut. Auch die globalen Änderungsmuster verschiedener Größen, die im Anhang dargestellt sind, weisen keine augenfälligen drastischen Unterschiede auf. Ich vermute, dass geringe Einstellungsänderungen in den entscheidenden Parametern die geringen Unterschiede verwaschen. Die Autoren thematisieren die Robustheit dadurch, dass sie andere Arbeitsgruppen auffordern, gleichartige Experimente durchzuführen. Das halte ich im Prinzip für sinnvoll.“

„Für die praktische Anwendung – also für die Politikberatung – wäre es nützlich zu wissen, ob die Asymmetrie relevant ist. Letztere beträgt laut Fig. 1b maximal ein Zehntel Grad. Ist das relevant vor dem Hintergrund, ob wir die Ziele des Pariser Klimaabkommens – 1,5- oder 2,0-Grad – überhaupt einhalten können?“

„Die Studie weist auf eine interessante Eigenschaft des Kohlenstoffkreislaufs unserer Erde hin: Fügt man der Atmosphäre 100 Milliarden Tonnen CO₂ hinzu, steigt ihr CO₂-Gehalt stärker, als er umgekehrt absinkt, wenn man der Atmosphäre 100 Milliarden Tonnen CO₂ entzieht. Dies ist relevant für Klimaszenarien, die annehmen, dass unsere Kinder und Enkel ab der Mitte des Jahrhunderts der Luft netto CO₂ entziehen werden, um unsere übermäßigen Emissionen wieder auszugleichen.“

„Ich halte solche Szenarien für unrealistisch – wir werden von Glück sagen können, wenn wir die Emissionen auf netto Null bringen können auf einer Erde, auf der die Biosphäre zunehmend unter direkter Zerstörung, Extremwetter und Trockenstress leidet. Und es ist ethisch mehr als fragwürdig, einfach der jungen und weiteren Generationen aufzubürden, unsere Versäumnisse auszugleichen. Dass dies inakzeptabel ist und die Freiheit der jungen Menschen auf ungerechtfertigte Weise einschränkt, hat ja unlängst das Bundesverfassungsgericht geurteilt. Die neue Studie bestärkt damit nochmals, wie richtig dieses Urteil ist.“

„Um den Effekt genau zu untersuchen, werden in der Studie sehr große Emissionspulse angeschaut, also nicht nur 100 Gigatonnen Kohlenstoff – das entspricht 367 Gigatonnen CO₂ –, sondern auch bis zu 1.000 Gigatonnen Kohlenstoff. In den Szenarien bewegen wir uns eher in der Größenordnung von 100 bis 300 Gigatonnen Kohlenstoff für die Entnahme von CO₂ aus der Atmosphäre insgesamt, also inklusive der Anteile, die nur Restemissionen ausgleichen. Die Netto-Entnahme aus der Atmosphäre, also der Anteil der vergleichbar ist mit den Entnahmeimpulsen aus der Studie, liegt für fast alle Szenarien deutlich unter 100 Gigatonnen Kohlenstoff. Die Entnahme von CO₂ aus der Atmosphäre ist in erster Linie dafür wichtig, verbleibende Restemissionen auszugleichen, und daran ändert sich durch diese Studie nichts.“

„Die Studie bestätigt bestehendes Wissen aus bisher sehr wenigen Studien, die mit Erdsystemmodellen untersucht haben, wie das Erdsystem auf die Entnahme von CO ₂ reagiert. Diese früheren Studien haben allerdings nur angedeutet, was die Autoren der aktuellen Arbeit gefunden haben – ihre Studie liefert viel klarere Beweise. Sie widerspricht Erkenntnissen aus sehr einfachen Klimamodellen, die meines Erachtens nicht geeignet waren, dieses Thema zu untersuchen.”

„Die Methodik der Studie ermöglicht ein klareres Bild davon, wie das Erdsystem auf CDR (Carbon Dioxide Removal; die gezielte Entfernung von CO ₂ aus der Atmosphäre; Anm. d. Red.) reagieren kann. Frühere Studien hatten immer Störfaktoren, zum Beispiel sich ändernde Antriebe oder einen unausgeglichenen Klimazustand, die es schwieriger machten zu verstehen, wie das Erdsystem auf CDR reagieren könnte.”

„Die generellen Effekte der Entnahme von CO ₂ aus der Atmosphäre haben wir in unserer Studie aus dem Jahr 2018 [1] ausführlich beschrieben.”

Auf die Frage, worin für die Simulation der Vorteil der einmaligen Zugabe großer Mengen CO ₂ besteht im Vergleich zur Simulation einer allmählichen Zunahme der Emissionen/Entnahmen: „ Eine idealisierte Studie wie diese wird nützlich sein, um bei der Entwicklung von Parametrisierungen für einfache Klimamodelle zu helfen. Die können dann in anderen Anwendungen verwendet werden, zum Beispiel bei der integrierten Bewertungsmodellierung.”

„Das verwendete Modell hat auch eine geringe jährliche Variabilität, so dass es einfacher ist, ein Signal zu sehen, das sonst im ‚Rauschen’ untergehen könnte. Mit dem Wissen, dass diese potenzielle Reaktion vorhanden ist, können Studien mit komplexeren Modellen versuchen, diese Unterschiede mit Hilfe der Erkennungs- und Zuordnungsmethodik zu suchen.“

Auf die Frage, worauf die bisher gültige Annahme basiert, wonach die Reaktion des Klima-Kohlenstoff-Zyklus auf eine negative CO ₂ -Emission gleich groß und mit umgekehrtem Vorzeichen ist wie die Reaktion auf eine entsprechende positive CO ₂ -Emission: „Arbeiten mit integrierten Bewertungsmodellen – diese werden verwendet, um Szenarien für den Klimawandel zu entwickeln – haben diese Annahmen getroffen, basierend auf wenig oder keinen Daten, oder idealisierten Experimenten mit sehr einfachen Klimamodellen, die nicht gut ausgestattet sind, um die Auswirkungen der CO ₂ -Entnahme zu bestimmen. Einige Arbeiten mit Erdsystemmodellen haben die Ergebnisse dieser Studie angedeutet, aber da die Studiendesigns anderen Zwecken dienten, war es schwierig, die Ergebnisse zu bestätigen. Ich denke nicht, dass diese Studie das letzte Wort zu diesem Thema ist. Ähnliche Studien müssen mit mehr Modellen durchgeführt werden, insbesondere mit komplexeren. Diese Arbeit ist im Rahmen eines Modellvergleichsprojekts im Gange, das ich mit leite.”

„Sollten die Ergebnisse dieser Studie bestätigt werden, könnte es dazu führen, dass einige der Klimawandel-Szenarien, die von integrierten Bewertungsmodellen (IAM) entwickelt wurden, verfeinert werden müssen, zum Beispiel da sie angenommen haben, dass CDR effektiver ist als es tatsächlich ist. Ich denke nicht, dass CDR in den IAM-Szenarien völlig falsch dargestellt wurde oder dass sie grob falsch sind, nur dass eine Verfeinerung notwendig ist.”

„Obwohl das verwendete Modell eine recht gute Leistung erbringt, gibt es eine Reihe von Unsicherheiten. Dieses Modell hat bekanntlich eine starke CO ₂ -Düngungsparametrisierung, eine einfache Atmosphäre und fast keine jährliche Variabilität. Es werden Studien mit komplexeren Modellen benötigt, um die Ergebnisse zu bestätigen beziehungsweise zu verfeinern.”

Auf die Frage, ob es eine Obergrenze gibt für die pro Jahr entnommene CO ₂ -Menge, über der es negative/keine weiteren Effekte geben könnte: „Bislang ist mir keine Obergrenze bekannt – wenn CDR halbwegs realistisch betrachtet wird. Generell wird die Reaktion des Kohlenstoffkreislaufs und des Klimas größer, je mehr CO ₂ entfernt wird.”

Auf die Frage, inwiefern die Studie die intensiven Diskussionen um Dringlichkeit und Ausmaß von Negativen Emissions-Technologien verändert? „Diese Studie trägt zu der wachsenden Zahl von Arbeiten bei, die zeigen, dass es besser ist, die Emissionen zu reduzieren, anstatt CDR einzusetzen, um das Klimaproblem zu lösen. Obwohl wir heute schon an einem Punkt sind, an dem bereits der Einsatz von begrenzten CDR-Maßnahmen /Techniken erforderlich ist, um unsere Klimaziele zu erreichen.”

„Vergleichbare Studien hat es zuvor auch gegeben, mit durchaus ähnlichen Ergebnissen. Der Unterschied liegt eher in der Methodik und in den Hintergrundannahmen.“

Auf die Frage, wie das Erdsystem qualitativ auf die Entnahme von CO ₂ aus der Atmosphäre reagiert und welche Effekte auf den globalen Kohlenstoffkreislauf zu berücksichtigen sind: „Es ist wichtig, den Unterschied zwischen CO₂-Entnahme an sich – etwa durch ein Aufforstungs-Projekt hier und heute – und globalen netto-negativ Emissionen zu berücksichtigen, wenn also weltweit weniger CO₂ emittiert als der Atmosphäre durch gezielte CO₂-Entnahme wieder entzogen wird. Die Studie konzentriert sich auf letzteres, einen Zustand, von dem wir nicht wissen, ob wir ihn jemals erreichen werden. Im Mittelpunkt der Studie steht die Effektivität von netto-negativen Emissionsstrategien. Klimapolitisch übersetzt sich das langfristig eher in Fragen von Anrechnungsregeln.“

Auf die Frage, inwiefern die Studie die intensiven Diskussionen um Dringlichkeit und Ausmaß von Negativen Emissions-Technologien verändert? „Man könnte versucht sein, die Studie als Argument gegen netto-negativ Emissionen oder gar CO₂-Entnahme an sich zu interpretieren. Aber das Ergebnis der Studie, dass sehr große Mengen an entnommenem CO₂ unter bestimmten Umständen nicht so effektiv wirken wie die gleiche Menge an CO₂-Emissionen, lässt sich auch umgekehrt interpretieren – wir benötigen noch mehr CO₂-Entnahme als gedacht, um die CO₂-Konzentration in der Atmosphäre wieder effektiv abzusenken. Es liegt ja nicht am Versprechen von netto-negativ Emissionen in der fernen Zukunft, dass wir heute immer noch so viel emittieren. In der aktuellen klimapolitischen Diskussion geht es ohnehin erstmal darum, national, europäisch und global auf Netto-Null-Emissionen zu kommen. Auch dafür braucht es CO₂-Entnahme, zum Ausgleich unvermeidbarer Restemissionen. Diese Strategie wird von der Studie aber gar nicht behandelt.“

„Die AutorInnen sind vermutlich die ersten, die diese Aussage so deutlich in den Mittelpunkt eines Artikels stellen. Dass die Reaktion des Erdsystems auf negative Emissionen aber nicht unbedingt symmetrisch ist, überrascht Expert*innen nicht (siehe Beispielrechnung [2]). Dies ist genau die Motivation, die CDR-MIP-Experimente (Carbon Dioxide Removal Model Intercomparison Project; bringt verschiedene Erdsystem-Modelle zusammen, um das Potenzial, die Auswirkungen und die Herausforderungen der CO₂-Entnahme zu untersuchen [d]; Anm. d. Red.) zu initiieren, die in [2] beschrieben und deren Ergebnisse bald erwartet werden.“

Auf die Frage, worin für die Simulation der Vorteil der einmaligen Zugabe großer Mengen Kohlenstoff besteht im Vergleich zur Simulation einer allmählichen Zunahme der Emissionen/Entnahmen: „Die Experimente von einem Gleichgewichtszustand aus starten zu lassen – im Gegensatz zu CDR-MIP – hat den Vorteil, die Prozesse sauber von verzögerten Reaktionen auf einen vorherigen Anstieg der Emissionen trennen zu können. Im Anhang zur aktuellen Studie zeigen die Autor*innen, dass beide Ansätze aber zu ähnlichen Ergebnissen führen. Allerdings wurde dies nur gezeigt für die CO₂-Konzentration und -Flüsse, nicht aber für die Temperatur.“

Auf die Frage, inwiefern diese Studie älteren Arbeiten widerspricht, wonach die Reaktion des Klima-Kohlenstoff-Zyklus auf eine negative CO ₂ -Emission mit umgekehrtem Vorzeichen gleich groß ist wie die Reaktion auf eine entsprechende positive CO ₂ -Emission: „Meinem Verständnis nach beziehen sich die AutorInnen auf Annahmen in sogenannten Integrated Assessment Models (IAMs), die vereinfachte Kohlenstoffmodule beinhalten und die Feedbacks/Rückkopplungen zwischen Kohlenstoff und Klima nicht vollumfänglich berücksichtigen. Diese Modelle können nicht zwischen abnehmenden und zunehmenden atmosphärischen CO₂-Konzentrationen unterscheiden. Die Aussage in der aktuellen Studie bezieht sich also nicht auf wissenschaftliche Studien, die sagen: ‚Es gibt keine Asymmetrie‘, beziehungsweise die überhaupt eine Aussage zu Symmetrie oder Asymmetrie treffen, sondern auf Modelle, in denen hier nicht unterschieden wird (‚implicitly assuming‘). Diese Studie regt nun an, dass die Annahmen in den IAMs überdacht werden sollten. Diese Modelle werden zur Entwicklung der Szenarien für CMIP/den IPCC-Bericht verwendet.“

„Interessanterweise muss zwar mehr CO₂ aus der Atmosphäre entfernt werden, um eine gleich große Änderung der CO₂-Konzentration herbeizuführen. Für die Lufttemperatur gilt dies jedoch nicht. Hier führt das Entfernen einer bestimmten Menge CO₂ sogar zu einer größeren Temperaturänderung (Abkühlung) als das Hinzufügen der gleichen Menge CO₂ (hier Erwärmung). Jedoch werden hier nur relative Änderungen gezeigt, die von verschiedenen Anfangszuständen starten. Hier wären die CDR-MIP-Experimente aussagekräftiger, und eine Analyse, ob man damit zur gleichen Anfangs-CO₂-Konzentration beziehungsweise -Temperatur zurückkehren kann.“

„Laut Aussage der Autor*innen sind Landkohlenstoffkreislauf und Zusammenhang zwischen CO₂-Konzentration und Lufttemperatur mit höheren Unsicherheiten behaftet als der marine Kohlenstoffkreislauf, da hier relevante Prozesse nicht mitberücksichtigt wurden. Im Großen und Ganzen halte ich die Aussagen zum Kohlenstoffkreislauf für solide, jedoch werden verschiedene Modelle sicher eine Bandbreite von Reaktionen zeigen, die erst eine Quantifizierung der Unsicherheiten erlaubt.“

Auf die Frage, inwiefern die Studie die intensiven Diskussionen um Dringlichkeit und Ausmaß von Negativen Emissions-Technologien verändert: „Es ist klar, dass das Mittel der Wahl die Reduktion der Emissionen ist, die deutlich beschleunigt werden muss. Negative Emissionstechnologien sind mit großen Unsicherheiten behaftet, insbesondere auch über unerwünschte Nebeneffekte. Zudem sind sie im Moment und auf absehbare Zeit nicht in dem Maßstab verfügbar, in dem sie zum Beispiel im vorliegenden Artikel ausgetestet werden.“