Methoden des terrestrischen Carbon Dioxide Removal (tCDR) wie Aufforstung und Biomasseplantagen werden zuweilen als effektive, 'grüne' und sichere Varianten des Klimaengineering (CE) verstanden wegen ihrer Möglichkeit, die natürliche CO2-Aufnahme durch die Biosphäre zu erhöhen, und ihrer denkbaren ökonomischen Tragfähigkeit. Erkenntnisse aus der ersten Phase des CE-LAND-Projekts legen indes nahe, dass tCDR aufgrund schwieriger erdsystemischer und ethischer Fragen ebenso kontrovers wie andere CE-Methoden ist. CO2-Budgetierungen und rein ökonomische Bewertungen sind daher um profunde Analysen der natürlichen Begrenzungen, der Auswirkungen auf das Erdsystem mit damit verbundenen Unsicherheiten, der Tradeoffs mit anderen Land- und Wassernutzungen und der weitreichenden ethischen Implikationen von tCDR-Maßnahmen zu ergänzen. Analysen hypothetischer Szenarien der ersten Projektphase zeigen, dass effektives tCDR die Umwidmung großer Flächen voraussetzt, womit schwierige Abwägungsprozesse mit anderen Landnutzungen verbunden wären. Darüber hinaus zeigt sich, dass signifikante Nebenwirkungen im Klimasystem (außer der bezweckten Senkung der Weltmitteltemperatur) und in terrestrischen biogeochemischen Kreisläufen aufträten. CE-LAND+ bietet eine tiefergehende quantitative, räumlich explizite Evaluierung der nicht-ökonomischen Kosten einer Biosphärentransformation für tCDR. Potentielle Tradeoffs und Impakts wie auch die systematische Untersuchung von Unsicherheiten in ihrer Abschätzung werden mit zwei Vegetationsmodellen, einem Erdsystemmodell und, neu im Projekt, dynamischen Biodiversitätsmodellen analysiert. Konkret wird CE-LAND+ bisher kaum bilanzierte Tradeoffs untersuchen: einerseits zwischen der Maximierung der Flächennutzung für tCDR bzw. Biodiversitätsschutz, andererseits zwischen der Maximierung der Süßwasserverfügbarkeit für tCDR bzw. Nahrungsmittelproduktion sowie Flussökosysteme. Auch werden die (in)direkten Auswirkungen veränderten Klimas und tCDR-bedingter Landnutzungsänderungen auf Wasserknappheit (mit diversen Metriken und unter Annahme verschiedener Varianten des Wassermanagements) und Biodiversität quantifiziert. Die Tradeoffs und Impakts werden im Kontext von neben der Bekämpfung des Klimawandels formulierten globalen Nachhaltigkeitszielen - Biodiversitätsschutz, Wasser- und Ernährungssicherheit interpretiert - was sonst nicht im Schwerpunktprogramm vermittelt wird. Ferner wird das Projekt zu besserem Verständnis und besserer Quantifizierung von Unsicherheiten von tCDR-Effekten unter zukünftigem Klima beitragen. Hierzu untersucht es modellstrukturbedingte Unterschiede, Wachstum und Mortalität von tCDR-Pflanzungen unter wärmeren und CO2-reicheren Bedingungen und Wechselwirkungen zwischen tCDR-bezogenen Landnutzungsaktivitäten und Klima. Schließlich wird CE-LAND+ in Kooperationen innerhalb des Schwerpunktprogramms und mit einer repräsentativen Auswahl von Szenarien zur Evaluierung tCDR-bedingter Tradeoffs aus umweltethischer Sicht beitragen.
Aktuelle sektorübergreifende Szenarienarbeiten des Umweltbundesamtes zeigen, dass mit einer ambitionierten Minderungsstrategie Treibhausgasneutralität bis 2045 theoretisch noch ohne die Technologie der Kohlenstoffabscheidung und -einlagerung möglich ist. Werden ergänzend technische Maßnahmen in die Transformation integriert, werden robust Treibhausgasneutralität und schon 2045 Netto-Negativemissionen ermöglicht. Ein moderater Hochlauf der technischen Negativemissionen in einer Größenordnung von -6 Mio. t CO 2 bis 2045 scheint angemessen. Die festgelegten Ziele für den Sektor LULUCF können in 2045 noch erreicht werden. Gelingen kann dies mit einer Offensive für Wälder, Moorböden und Agroforst, die zu den wichtigsten Elementen des Instrumenten- und Maßnahmenspektrums zählen. Veröffentlicht in Fact Sheet.
In dem beantragten Vorhaben soll eine bereits erprobte, effiziente und für die Synthese von eFuels ausgelegte DAC-Technologie des ZSW, die bislang als Demonstrator im Maßstab 1 kg/h CO2 (DAC1) validiert wurde, aufgegriffen in Kooperation mit den Projektpartnern ela und atmosfair industrialisiert und erstmalig in den Maßstab 100 kg/h CO2 (DAC100) umgesetzt werden. Die Wäscher-basierte Technologie zeichnet sich durch eine kontinuierliche Betriebsweise, Nutzung von Prozessabwärmen (Elektrolyse bzw. nachgelagerte Synthese) und insbesondere eine einfache Skalierbarkeit aus. Beim Engineering des DAC100-Prototypen sollen insbesondere auch für die Industrialisierung relevanten Aspekte wie Fertigbarkeit in Serie, Robustheit und Recyclingfähigkeit der eingesetzten Materialien berücksichtigt werden. Ziel des Vorhabens ist es, die Technologie im Maßstab DAC100 in realer Einsatzumgebung im e-gas-Anlagenkomplex in Werlte zu betrieben und durch Vermessung der Performancedaten zu validieren. Hierzu wird die Technologie zur CO2-Bereitstellung in den Produktionsstandort für regeneratives Methan und LNG des Projektpartners ela integriert und im Demonstrationsbetrieb über mehrere Tausend Stunden betrieben. Ziel des Projektes und der begleitenden Wirtschaftlichkeitsanalysen ist es, die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens nachzuweisen und die nächsten Skalierungsschritte in den energietechnischen relevanten Tonnen-Maßstab vorzubereiten. Es ist geplant, dass die Anlage nach Projektende im e-gas-Anlagenkomplex in Werlte weitergetrieben und regeneratives Luft-CO2 für die dortigen Syntheseprozesse bereitstellt.
Für Treibhausgasneutralität und im Einklang mit dem Übereinkommen von Paris, sind primär Minderungsmaßnahmen (Vermeidung und Substitution) umzusetzen und die verbleibenden Emissionen auf ein Minimum zu reduzieren. Zum Ausgleich der langfristig entstehenden unvermeidbaren Treibhausgasemissionen ist die Entnahme von CO2 aus der Atmosphäre notwendig (vgl. UBA-Publikationen zum RESCUE-Projekt). Die bisherigen europäischen Klimaschutzziele lassen diese Trennung bei der Zielerreichung noch weitgehend offen. Das Vorhaben fokussiert die europäische Ebene und soll konzeptionelle Fragen zur Einbindung negativer Emissionen in die Klimaschutzziele klären. Als Ausgangspunkt sollen bestehende konzeptionelle und regulatorische Ansätze der einzelnen EU-Mitgliedstaaten analysiert werden. Weiterhin ist der zunehmende ad-hoc Beratungsbedarf in diesem Themenfeld zu decken.
Die verstärkte Umwandlung von Biomasse in hochwertige Energieträger und hier vor allem in Wasserstoff wird in den nächsten Jahren eine entscheidende Rolle in der Erreichung der nationalen Ziele zur Emissionsreduktion spielen. Durch die Verwendung von biogenen Rest- und Abfallstoffen zur Produktion von Biogas wird bereits ein wichtiger Beitrag geleistet. Das resultierende Biogas wird durch seine Verbrennung jedoch fast ausschließlich für die Erzeugung von Strom und Wärme verwendet, wodurch somit erneut CO2 freigesetzt wird. Ein entscheidender Beitrag für die Reduktion der Treibhausgasemission kann mithilfe dieses Vorgehens folglich nicht geleistet werden. Aus diesem Grund ist das Ziel des Projekts die Entwicklung eines energieautarken Plasma-Pyrolyse Moduls zur Erzeugung von grünem Wasserstoff aus Biomasse mit gleichzeitiger CO2-Entnahme in Form von immobilisiertem Kohlenstoff. Hierfür wird innerhalb der Projektarbeiten eine innovative Verfahrenskette aus Biogasaufbereitung, Umsetzung des Biomethans zu Wasserstoff über einen Mikrowellen-Pyrolysereaktor und die Reinigung des Wasserstoffs entwickelt. Zusätzlich wird die Stromerzeugung für den Spaltungsprozess über ein angegliedertes BHKW entwickelt und dieses Gesamtverfahren zu einer Pilotanlage zusammenführt. Durch die Kopplung des Reaktors an Biogasanlagen wird erstmals die Möglichkeit einer dezentralen Wasserstoff-Produktion mit negativem CO2-Fußabdruck geschaffen und praxisnah demonstriert.
Im Rahmen des beantragten Vorhabens Air2Fuel soll eine effiziente und für die Synthese von eFuels ausgelegte DAC-Technologie des ZSW umgesetzt werden. Die Technologie wurde bereits im Maßstab 1 kg/h CO2 (DAC1) an einem Demonstrator validiert und soll im Rahmen des Projektes in Kooperation mit den Projektpartnern industrialisiert und erstmalig in den Maßstab 100 kg/h CO2 (DAC100) überführt werden. Die Wäscher-basierte Technologie besteht aus einem Ab- und Desorber und nutzt eine Polyethyleniminlösung als Sorbens. Die Technologie zeichnet sich durch eine kontinuierliche und robuste Betriebsweise, der Einbindung und Nutzung von Prozessabwärmen (Elektrolyse bzw. nachgelagerte Synthese) sowie einer einfachen Skalierbarkeit aus. Bei der Konzeption und technischen Entwicklung des DAC100-Prototypen sollen insbesondere auch für die Industrialisierung relevante Aspekte wie Serienfertigung, Robustheit und Recyclingfähigkeit der eingesetzten Materialien berücksichtigt werden. Dies betrifft insbesondere das bislang eingesetzte CO2-Sorbens, das in dem ZSW-Teilvorhaben weiterentwickelt werden soll.
Es ist bekannt, dass Vulkanausbrüche das Klima auf verschiedene Weise beeinflussen. Diese reichen von kurzfristigen Auswirkungen wie Sulfat-Injektionen, die die einfallende Sonnenstrahlung reduzieren und zu Abkühlung führen, bis zu mittelfristigen Auswirkungen wie Erwärmung durch Kohlendioxid-Entgasung. Langfristig können Auswirkungen wie eine verstärkte Verwitterung eingelagerter Basalte zu einer Entfernung von Kohlendioxid und damit Abkühlung führen. Lange Perioden intensiven Vulkanismus, die als Large Igneous Provinces (LIPs) bekannt sind, können besonders tiefgreifende Auswirkungen auf das Klima haben, wobei mehrere LIPs entweder mit der globalen Erwärmung oder Abkühlung in der Erdgeschichte sowie mit Massenaussterben in Verbindung gebracht werden. Das Paläozän-Eozän-Temperaturemaximum (PETM), eine 200.000 Jahre lange Periode intensiver globaler Erwärmung vor ca. 56 Millionen Jahren, ereignete sich zur gleichen Zeit wie die Entstehung eines LIP, der North Atlantic Igneous Province (NAIP). Die NAIP-Entstehung wurde als Ursache für das PETM vorgeschlagen, da während des Vulkanismus Kohlendioxid und Methan freigesetzt werden, welches zu einer schnellen Erwärmung führt. Es wurde auch vermutet, dass die Ablagerung von Vulkanasche während des NAIP das Klima abgekühlt hat. Als solches ist das PETM eine ideale Periode, um die Auswirkungen des Vulkanismus auf das Erdsystem zu untersuchen. Expedition 396 des International Ocean Discovery Program (IODP) hat erfolgreich eine Reihe von langen Sedimentsequenzen aus dem PETM-Zeitalter am norwegischen Rand geborgen. In diesem Projekt beabsichtige ich, detaillierte deskriptive, geochemische und modellbasierte Untersuchungen mit den Sedimenten der Expedition 396 durchzuführen, um die Rolle des NAIP-Vulkanismus im PETM zu dokumentieren. Erstens wird die Intensität des Vulkanismus durch neue Schätzungen der Kohlendioxid-, Methan- und Sulfatemissionen bewertet, um die Rolle der Gase auf den Klimawandel zu bestimmen. Durch detaillierte geochemische Untersuchungen werden die Auswirkungen der Ascheablagerung auf den Kohlenstoffkreislauf bewertet mit Schwerpunkt auf der Rolle der Asche als Nährstofflieferant für Phytoplankton liegt. Die potenziellen Auswirkungen der Ascheablagerung auf die Speicherung von Kohlenstoff im Sediment werden ebenfalls geochemisch und isotopisch untersucht. Abschließend werden die Ergebnisse unter Verwendung von Erdsystemmodelle kombiniert, um die genaue Rolle des Vulkanismus im PETM zu bestimmen. Die erwarteten Ergebnisse werden uns neue Erkenntnisse über die Rolle der LIP-Entstehung und der Ablagerung von Vulkanasche beim Klimawandel geben. Sedimente von Expedition 396 bieten eine einzigartige Gelegenheit, den geochemischen Abdruck des Vulkanismus hochauflösend zu untersuchen. Die Ergebnisse dieser Arbeit werden zu einer erheblichen Verbesserung unseres Verständnisses des PETM führen.
Die verstärkte Umwandlung von Biomasse in hochwertige Energieträger und hier vor allem in Wasserstoff wird in den nächsten Jahren eine entscheidende Rolle in der Erreichung der nationalen Ziele zur Emissionsreduktion spielen. Durch die Verwendung von biogenen Rest- und Abfallstoffen zur Produktion von Biogas wird bereits ein wichtiger Beitrag geleistet. Das resultierende Biogas wird durch seine Verbrennung jedoch fast ausschließlich für die Erzeugung von Strom und Wärme verwendet, wodurch somit erneut CO2 freigesetzt wird. Ein entscheidender Beitrag für die Reduktion der Treibhausgasemission kann mithilfe dieses Vorgehens folglich nicht geleistet werden. Aus diesem Grund ist das Ziel des Projekts die Entwicklung eines energieautarken Plasma-Pyrolyse Moduls zur Erzeugung von grünem Wasserstoff aus Biomasse mit gleichzeitiger CO2-Entnahme in Form von immobilisiertem Kohlenstoff. Hierfür wird innerhalb der Projektarbeiten eine innovative Verfahrenskette aus Biogasaufbereitung, Umsetzung des Biomethans zu Wasserstoff über einen Mikrowellen-Pyrolysereaktor und die Reinigung des Wasserstoffs entwickelt. Zusätzlich wird die Stromerzeugung für den Spaltungsprozess über ein angegliedertes BHKW entwickelt und dieses Gesamtverfahren zu einer Pilotanlage zusammenführt. Durch die Kopplung des Reaktors an Biogasanlagen wird erstmals die Möglichkeit einer dezentralen Wasserstoff-Produktion mit negativem CO2-Fußabdruck geschaffen und praxisnah demonstriert.
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