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Agrofrostbeispiel in Frankreich

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Agroforstsystem auf der Domaine de Restinclières in Südfrankreich

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Dr. Christoph Müller

Agroforstwirtschaft kombiniert landwirtschaftliche und forstwirtschaftliche Systeme. Im Idealfall können solche Mischsysteme große Synergien freisetzen, die sich positiv auf Wasserhaushalt, Nährstoffhaushalt, Biodiversität, Ernteerträge, Humusbildung und Kohlenstoffbindung auswirken. In vielen Teilen der Welt sind Agroforstsysteme bereits weit verbreitet, in Deutschland jedoch kaum.

ABCDR

Text

Das Projekt ABCDR untersucht warum Agroforstsysteme nicht breiter eingesetzt werden, und wie sich dies in Zukunft ändern könnte. Hierzu analysieren wir die biophyiskalischen Potentiale, die Entscheidungsprozesse der Landwirte, und die Role der Klima- und Landwirtschaftspolitik. Wir arbeiten mit verschiedenen wissenschaftlichen Ansätzen, beziehen das Wissen und die Praxis von Stakeholdern mit ein, und nutzen Computersimulationen um sowohl das biophysikalische Potential als auch mögliche agrar-ökonomischen Zukunftspfade zu erkunden in denen Agroforstsysteme eine größere Rolle spielen als sie es bisher tun.
Das dreijährige Forschungsprojekt ABCDR ist am 1.8.2022 gestartet, und wird von WissenschaftlerInnen des Potsdam Instituts für Klimafolgenforschung und der Universität Bonn durchgeführt. Es ist Teil des Forschungsprogramms CDRterra des Bundesministeriums für Bildung und Forschung.

Projektziele

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Workflow der Entscheidungsanalyse

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Einblicke in das Projekt

ABCDR - CDRterra

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Verbünde

CDRterra

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Fotografische Einblicke in den Themenbereich "Umwelt und Gesellschaft"

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Prof.-Dr.-Ing. Daniela Thrän

Dr. Peter Elsasser

Dr. John Couwenberg

Dr. Nora Szarka

Prof. Christoph Müller

Prof. Dr.-Ing. Jakob Hildebrandt

Dr. Nils Matzner

Wie ist das Potenzial von biobasierten Negativ-Emissions-Technologien, kurz NETs? Und welche Erwartungen werden an sie gestellt? Das Verbundprojekt BioNET analysiert diese Fragen und stellt eine Wissensbasis für die Bewertung biobasierter Technologien bereit.

BioNET

Ein zentrales Element von Politikstrategien, um das Netto-Null-Ziel im Jahr 2050 zu erreichen: Technologien und Konzepte zur Abscheidung von CO₂ unter der Nutzung von Biomasse. Diese biobasierten Negative-Emissionen-Technologien – kurz NETs – können in land- und forstwirtschaftliche Wertschöpfungsketten in unterschiedlichster Weise eingebettet werden. Aufgrund der vielfältigen Risiken in der Machbarkeit und Markteinführung finden diese Konzepte bisher noch keine ausreichend klar handhabbare Anwendung – auch weil eine ganzheitliche Bewertung unter Berücksichtigung lokaler sowie regionaler Gegebenheiten bisher fehlt.
Das Verbundprojekt BioNET will diese Lücke schließen und für Politik, Land- und Forstwirtschaft sowie Wissenschaft eine Informationsplattform mit fundierten Daten zum Potenzial von biobasierten NETs einrichten. Diese sollen die Interessensgruppen befähigen, die biobasierten Negative-Emissionen-Technologien in ihren Arbeiten und Entscheidungen zu berücksichtigen, und ihnen als Orientierungs- und Entscheidungshilfe für einen möglichen Einsatz von NETs dienen. Die Ziele des Vorhabens BioNET sind:
<ol>
<li>Bereitstellung einer transparenten und breit zugänglichen Datenbasis zu biobasierten NETs</li>
<li>neue partizipative Ansätze zur Untersuchung der gesellschaftlichen und institutionellen Machbarkeit und</li>
<li>Entwicklung und ganzheitliche Bewertung von nationalen Szenarien für biobasierte NETs unter Berücksichtigung der Sustainable Development Goals (SDGs).</li>
</ol>
In allen Phasen des Projekts werden Interessensvertretungen in Deutschland eingebunden. In den ausgewählten Fallbeispielregionen im Rhein-Neckar-Raum und in Mecklenburg-Vorpommern arbeitet das BioNET-Projektteam eng mit Praxispartnern aus der Land- und Forstwirtschaft sowie mit der lokalen und regionalen Politik zusammen. So sollen ein gemeinsames Verständnis für Konzepte und Verfahren erreicht und Vertrauen in biobasierte NETs aufgebaut werden. Auch Hemmnisse wie etwa die Sorge vor wirtschaftlichen Verlusten will das Projektteam identifizieren und dabei helfen, diese zu überwinden.

BioNET - CDRterra

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Prof. Dr. Benno Pokorny

Jun.-Prof. Dr. Christian Baatz

Matthias Honegger

Claire Fyson

Dennis Taenzler

Das Projekt CDR-PoEt untersucht Politikinstrumente für die Kohlendioxid-Entfernung (CDR) aus der Atmosphäre und deren Fairness-Implikationen – auf Basis anerkannter Politik-Prinzipien und Stakeholder-Deliberationen.

CDR-PoEt

Im Zentrum des CDR-PoEt Projekts steht die Erforschung möglicher politischer Instrumente für die Kohlendioxid-Entfernung (Carbon Dioxide Removal = CDR) und deren Fairness-Implikationen. Konkret untersucht das Projekt in fünf Arbeitspaketen die wirtschaftliche, sozio-kulturelle und institutionelle Machbarkeit von CDR. Diese Untersuchungen dienen als Basis für Politikempfehlungen auf lokaler und (inter-)nationaler Ebene.
Dabei bezieht sich CDR-PoEt bei der Ausarbeitung konkreter Politikoptionen auf anerkannte Politikprinzipien und berücksichtigt Ansichten zentraler Stakeholder, welche über einen deliberativen Prozess der öffentlichen Beratung in alle Forschungsschritte einfließen: die Identifizierung und Formulierung von Governance-(Regierungs)-Prinzipien, die Operationalisierung von Bewertungskriterien, die Definition und Bewertung von CDR-Politikinstrumenten und Szenarien für eine faire Verteilung der Verantwortung für die Durchführung von CDR.
So werden mögliche praktische Wege aufgezeigt, welche deliberatives Politiklernen erlauben und damit eine Grundlage für eine verantwortungsvolle Gestaltung von Politiken sowie von Forschung und Innovation bieten. Das Projektteam wendet die konzeptionellen Überlegungen auf drei CDR-Fälle an: Auf die direkte CO₂-Entnahme aus der Luft (DACCS), die Nutzung von Biomasse mit CO₂-Speicherung sowie auf Agroforst-Ansätze. Unsere vergleichende und evidenzbasierte Analyse hilft, Schlüsselelemente und verteilungspolitische Implikationen zu identifizieren.
Wir arbeiten Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen CDR-Politiken heraus, die sich in der Politikgestaltung sowie in technologie-spezifischen Politikelementen widerspiegeln sollten. Eine soziotechnische Systemperspektive einnehmend, welche über ökonomische und technische Berechnungen von Kosten und Potenzialen hinausgeht, soll diese Forschungsarbeit zur Verfeinerung des Verständnisses von „CDR-Machbarkeit&#8220; oder „Potenzialen&#8220; beitragen. Mit dieser Perspektive auf Akzeptanz und Akzeptabilität sowie Fairness wird ein alternativer, sozialverträglicher Weg zur Bestimmung von Gestaltung und Potenzial erfolgreicher Politikinstrumente aufgezeigt, die sowohl die Forschung als auch den diskursiven Austausch von Argumenten in der Politik fördern sollen.

CDR-PoEt - CDRterra

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Aufforstung oder Entwaldung als Klimachance

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Prof. Dr. Julia Pongratz

Prof. Dr. Helmuth Trischler

Prof. Dr. Andreas Oschlies, Dr. Hela Mehrtens

Dr. Diana Rechid

Dr. Stefan Schäfer

Dr. Felix Havermann, Dr. Christian Hoiß

Prof. Dr. Jan Minx, Prof. Dr. Sabine Fuss

Prof. Dr. Elmar Kriegler, Dr. Jessica Strefler

Dr. Oliver Geden

Das Synthesevorhaben CDRSynTra führt die Ergebnisse aus den Projekten zusammen. Es bildet auch die zentrale Schnittstelle zur Forschungsmission <a href="https://cdrmare.de/">CDRmare</a>, die marine CDR-Methoden untersucht. Ziel ist es, Potenziale und Nebenwirkungen der verschiedenen Verfahren umfassend und einheitlich zu bewerten. Auf dieser Basis kann ein gesellschaftlich akzeptables, politisch umsetzbares und ökologisch sowie ökonomisch sinnvolles Portfolio an CDR-Methoden entstehen – im Dialog mit Politik, Wirtschaft und Öffentlichkeit.

CDRSynTra

Weltweit und in Deutschland sind Art und Umfang von CDR eine wesentliche Überlegung bei der Entwicklung von Pfaden zur Treibhausgasneutralität. CDR-Maßnahmen umfassen terrestrische, geologische, materialbasierte und marine Ansätze, zu denen der Wissensstand teils sehr unterschiedlich ist. Nicht nur technische Limitierungen der CO₂-Aufnahme müssen erforscht sein, sondern realistische Potenziale abgeschätzt werden, die Konflikte um Ressourcen wie Wasser oder Land vermeiden, gesellschaftliche Prozesse berücksichtigen, ökologisch verträglich sowie ökonomisch und politisch umsetzbar sind. Wie die verschiedenen CDR-Maßnahmen über all diese Dimensionen hinweg zu bewerten sind und sich gegeneinander vergleichen und auch miteinander interagieren, ist essentiell zu wissen, um ihre Rolle in Klimaschutzpfaden zu definieren. Doch bislang fehlt ein solcher einheitlicher Rahmen, der zudem auch eine Abwägung von Konflikten mit anderen Nachhaltigkeitszielen erlauben sollte.
Das dem CDR-Programm übergeordnete Begleit- und Synthesevorhaben CDRSynTra führt die Forschungsergebnisse der Projekte zusammen. Sein Ziel ist es, die Potenziale und Auswirkungen der verschiedenen Methoden umfassend und einheitlich zu bewerten. Damit werden die wissenschaftlichen Grundlagen gelegt, aufgrund derer ein gesellschaftlich akzeptabler und ökologisch sowie ökonomisch sinnvoller Mix an CDR-Methoden entwickelt werden kann. Zu diesem Zweck arbeitet CDRSynTra in drei Forschungssäulen zu Erdsystemanalyse, Klimaschutzpfaden sowie Governance und Politikgestaltung. Ein umfassendes Screening der internationalen CDR-Forschungslandschaft optimiert die Forschungswirkung.
Um sicher zu stellen, dass entworfene Klimaschutzpfade auch umsetzbar sind, wird das ganze Programm hindurch ein intensiver Dialog mit Stakeholdern gepflegt. Bereits die Wahl relevanter Kriterien für einen Bewertungsrahmen kann nur in engem Austausch mit Öffentlichkeit, Wirtschaft und Politik vorgenommen werden. Auch transparente Kommunikation der Forschungsergebnisse in die Öffentlichkeit hinein ist ein Hauptanliegen des Projekts und wird etwa durch Museumsausstellungen und ein Schulprogramm umgesetzt. Wo immer möglich werden dabei nicht nur lineare Formate der Wissenschaftskommunikation genutzt, sondern partizipative und dialog-orientierte Ansätze verfolgt.
CDRSynTra bildet auch die Schnittstelle zur Forschungsmission &#8222;Marine Kohlenstoffspeicher als Weg zur Dekarbonisierung&#8220; der Deutschen Allianz Meeresforschung und wird die wissenschaftliche Gesamtsynthese über landbasierte und marine CDR-Methoden verantworten, die so in Kombination und vergleichend betrachtet werden können.

Einblicke ins Projekt

CDRSynTra - CDRterra

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Die Übersicht vom Forschungsteam von CDRterra

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DAC-TALES_4c

Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt.Ing. Niklas von der Aßen

Eine vielversprechende Technologie für negative Emissionen ist die direkte Abscheidung von CO₂ aus der Luft mit anschließender Speicherung. In DAC-TALES wird das Potenzial dieser Technologie mit einem interdisziplinären Bewertungsansatz abgeschätzt.

DAC-TALES

Die direkte Abscheidung von CO₂ aus der Atmosphäre mit anschließender Speicherung (englisch: Direct Air (Carbon) Capture and Storage, DACCS) wird in Politik und Wissenschaft als Maßnahme diskutiert, um sehr schwer oder nur sehr kostenintensiv zu vermeidende Restemissionen zu kompensieren. Derzeit sind bereits erste kommerzielle DACCS-Anlagen in Betrieb. Um in den kommenden Jahren die richtigen Weichen in Politik und Forschung hinsichtlich des Einsatzes von DACCS stellen zu können, ist es wichtig, die Potenziale sowie die Risiken und Herausforderungen für einen großtechnischen Einsatz zu kennen.
Es gibt bereits Untersuchungen, die sich mit der Bewertung von DACCS auf Basis von technologischen, ökologischen, ökonomischen oder gesellschaftlichen Aspekten befassen. Jedoch wurden diese Aspekte bisher meist getrennt voneinander betrachtet. Für einen großtechnischen Einsatz von DACCS ist allerdings eine integrierte, transdisziplinäre Bewertungsmethode über mehrere Skalen hinweg notwendig.
Zunächst werden basierend auf Daten aus Laborexperimenten DAC-Modelle erstellt, um zum Beispiel für verschiedene Betriebsweisen und Materialien den Energiebedarf der CO₂-Abscheidung vorherzusagen. Diese Modelle werden anschließend mit der Speicherung von CO₂ verbunden und in ein Energiesystemmodell integriert. Somit können systemweite Effekte entlang der gesamten Wertschöpfungskette von DACCS untersucht werden. Durch eine Lebenszyklus- und techno-ökonomische Analyse werden die ökologischen und ökonomischen Auswirkungen des Einsatzes von DACCS in klimarelevanter Größenordnung bewertet. Darüber hinaus wird die soziale Akzeptanz von DACCS untersucht, um gesellschaftliche Hürden frühzeitig zu identifizieren. Die Ergebnisse aus der Akzeptanzforschung werden kontinuierlich in die technische Entwicklung zurückgespiegelt. Anhand einer klima-ökonomischen Bewertung wird der gesellschaftliche Nutzen von DACCS unter vielfältigen Risiken aus einer globalen Perspektive ermittelt.
Mit dem zu entwickelnden transdisziplinären Bewertungsansatz in DAC-TALES kann bestimmt werden, in welcher Größenordnung und wie schnell der Einsatz von DACCS erfolgen muss, um einen wirkungsvollen Einfluss auf den Klimawandel zu nehmen. Somit leistet DAC-TALES einen wichtigen Beitrag zur Gestaltung der zukünftigen Politik und Forschungsagenda hinsichtlich des Einsatzes von DACCS.

DAC-TALES - CDRterra

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DACCUS_4C

Dr. Erik Frank

Kolja Kuse

DACCUSS pre (Direct Air Carbon Capture, Utilization and Safe Storage) untersucht die Absorption und Fixierung von CO₂ in Baumaterial aus Hartgestein, biogenen Carbonfasern und Biokohle. Dies soll die Speicherung von Kohlenstoff in dauerfester Form ermöglichen.

DACCUSS-Pre

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algentraeger

Doppel-T-Träger aus Algen als Stahlersatz

Algenträger als Stahlersatz

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DACCUSS untersucht die Speicherung von natürlichem Kohlenstoff in nachhaltig gebundener Form auf Basis neuer Materialsysteme aus Carbonfasern (C-Fasern) und Hartgestein für die Entwicklung einer neuen Struktur für selbsttragende Hauswandelemente mit innovativer Isolation aus Biokohle. 
Die technische Speicherung von CO₂ in festen Materialien wie Carbonfasern aus biogenen Quellen (Algenöl) war mit dem „Green Carbon Projekt“ an der TU München Gegenstand einer Förderung des BMBF. Die grüne C-Faser wurde in Kombination mit Hartgestein und Harz zu Carbonfaser-Stein (CFS®) verarbeitet. 
In DACCUS wird demonstriert, mit welcher Effizienz das CO₂ für die Algenproduktion direkt aus der Luft gefiltert werden kann. Am Beispiel von passiven CO₂-Filtern (Mechanical Trees®) soll die gesamte Wertschöpfungskette vom CO₂ aus der Umgebungsluft bis hin zu Fertigbauelementen für die Bauindustrie erfasst werden.
Die Wand wird aus CFS® entwickelt, gebaut und getestet. Das CO₂-Bindungspotential ist in allen Bestandteilen dieser Hauswand enthalten: in der C-Faser, dem Stein und der Isolationsschicht.
Die grüne C-Faser hat die gleichen Kennwerte wie die aus fossilen Quellen stammenden PAN-basierten Fasern und speichert 3,5kg CO₂-Äquivalente je kg C-Casern dauerhaft, wenn diese nicht wie bisher nach Gebrauch verbrannt werden. 
Die Verwitterung des verwendeten Gesteins trägt zusätzlich zur CO₂-Bindung bei. Die geschnittenen Platten der CFS-Wand führen bei der Verwitterung der Oberflächen zur CO₂-Entnahme und der beim Schneiden anfallende Gesteinsstaub kann beispielsweise als mineralischer Dünger in der Landwirtschaft verwendet werden. Die dadurch im Boden entstehende beschleunigte Verwitterung (Enhanced Weathering) führt zusätzlich große Mengen an CO₂ in den geologischen Kreislauf zurück.
Die erwartete CO₂-Gesamtbilanz der Wand ist negativ.
Partner im Projekt sind DITF (Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung), Labor für Stahl- und Leichtmetallbau GmbH, TechnoCarbonTechnologies, Universität Hamburg und die AHP GmbH &amp; CoKG, welche die gesamte Prozesskette einer LCA und einer techno-ökonomischen Analyse (TEA) unterziehen wird, sowie als assoziierte Partner die TU München/WSSB, GvU GmbH und die Fa. Carbon Collect Ltd (Irland).

DACCUSS-Pre - CDRterra

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Gartenanlage vor blauem Himmel

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GONASIP_4c

Prof. Dr. Erik Gawel

Viele Faktoren beeinflussen die Ökosystemleistungen und die Gewinne, die aus der Landnutzung entstehen, wenn Kohlenstoff in Böden gespeichert wird. Das Projekt GONASIP untersucht diese Einflüsse, um zu verstehen, wie nur begrenzt verfügbare Landressourcen für natürliche CDR-Methoden genutzt werden können, die den gesellschaftlichen Nutzen erhöhen.

GONASIP

Es gibt sowohl technische als auch natürliche Methoden, um klimaschädliches CO₂ (Kohlendioxid) aus der Atmosphäre zu entfernen. Beispiele für Maßnahmen zur natürlichen Kohlenstoffspeicherung in Böden sind die kommunale Aufforstung in Städten, wie etwa Baumanpflanzungen auf entsiegelten Industriebrachen, oder die Kohlenstoffspeicherung in landwirtschaftlichen Böden. Diese natürlichen CDR-(Carbon Dioxide Removal)-Maßnahmen können neben einem Beitrag zum Klimaschutz weitere gesellschaftliche Mehrwerte durch erhöhte Ökosystemleistungen schaffen, wie zum Beispiel die Verbesserung der Wasserspeicherung im Boden oder ein gesteigerter Naherholungswert der Landschaft.
Gleichzeitig können natürliche CDR-Maßnahmen auch Opportunitätskosten verursachen, also andere produktive Nutzungsmöglichkeiten einschränken. Mit natürlichen CDR-Maßnahmen sind zum Beispiel intensive Landwirtschaft oder neue Flächen für Wohn- und Geschäftsgebäude unter Umständen nicht vereinbar. Zudem fallen die Kosten für die Umsetzung natürlicher CDR-Maßnahmen in der Regel bei den Landbesitzern an, während der Nutzen von Ökosystemleistungen häufig ein öffentliches Gut ist, so dass der Anreiz für Landbesitzer, natürliche CDR-Maßnahmen umzusetzen, oft zu gering ist.
Sowohl die gesellschaftlichen Mehrwerte als auch die Opportunitätskosten der Landnutzung variieren jedoch je nach CDR-Maßnahme. Weitere Faktoren, wie etwa Raum und Akteure, kommen für die Bewertung hinzu. 
Angesichts dieser heterogenen Faktoren stellt sich die Frage, wie begrenzte Landressourcen so für natürliche CDR-Maßnahmen genutzt werden können, dass sie den gesellschaftlichen Nutzen effektiv erhöhen.
Die Forschungsarbeit des Projekts GONASIP soll zur Beantwortung dieser wichtigen Praxis-Frage beitragen und wird vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ), dem Leibniz-Zentrum für Europäische Wirtschaftsforschung (ZEW) und dem Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) durchgeführt. Ziele des Projektes sind:
das Potenzial unterschiedlicher natürlicher CDR-Maßnahmen für die Kohlenstoffspeicherung und Ökosystemleistungen für standortspezifische Voraussetzungen zu bewerten, 
die mit der Umsetzung von natürlichen CDR-Maßnahmen verbundenen standort- und akteursspezifischen gesellschaftlichen Mehrwerte und Kosten zu identifizieren und zu bewerten und 
zu analysieren, wie der regulatorische Rahmen, das heißt, die relevante europäische und nationale Gesetzgebung, etwa im Bereich des Agrar-, Umwelt- und Raumplanungsrechts, die Entscheidungen für oder gegen den Einsatz natürlicher CDR-Maßnahmen beeinflusst. Auch soll erforscht werden, wie die vielfach heterogenen Eigenschaften natürlicher CDR-Maßnahmen bei der Weiterentwicklung des regulatorischen Rahmens berücksichtigt werden könnten, um Anreize für die effiziente Nutzung von Landressourcen für natürliche CDR-Maßnahmen zu setzen. 
Das Projekt GONASIP fokussiert seine Analysen auf ausgewählte Maßnahmen der Kohlenstoffspeicherung in der Landwirtschaft und die kommunale Aufforstung.
Die Forschenden verwenden dafür Stakeholder-basierte Bewertungsansätze. Hierbei werden wichtige Akteursgruppen in Workshops und Befragungen zur Unterstützung der Folgenabschätzung des Einsatzes natürlicher CDR-Maßnahmen sowie zur ökonomischen Bewertung der gesellschaftlichen Mehrwerte natürlicher CDR-Maßnahmen einbezogen.
GONASIP leistet auf diese Weise einen Beitrag zur Erweiterung des Wissens über die Potenziale und Risiken natürlicher CDR-Maßnahmen, zur Abschätzung des Ausmaßes der Heterogenität ihrer Kosten und gesellschaftlichen Mehrwerte sowie zu Nutzungsmöglichkeiten dieser Erkenntnisse für die Weiterentwicklung des regulatorischen Rahmens.

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Urbaner Wald / Güterbahnhof Plagwitz

GONASIP - CDRterra

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NETPEC_4C

Dr. Matthias May

Prof. Dr. Kira Rehfeld

Das NETPEC-Konzept sieht vor, mittels künstlicher Photosynthese CO₂ aus der Atmosphäre zu entnehmen, und in langfristig lagerfähige Produkte umzuwandeln. Es wird ein erstes Verfahren entwickelt und auf Effizienz und Einsatzfähigkeit getestet.

NETPEC

Wenn negative Emissionen in dem Maßstab realisiert werden müssen, der sich derzeit abzeichnet, werden neben den Kosten auch Aspekte wie die langfristige Lagerbarkeit und der Flächenverbrauch große Bedeutung gewinnen. Der im Projekt untersuchte Ansatz der künstlichen Photosynthese erlaubt es zumindest theoretisch, Flächenverbrauch und damit einhergehende Herausforderungen zu minimieren. Ähnlich der natürlichen Photosynthese wird hier CO₂ mittels der Energie aus Sonnenlicht in einen anderen Stoff umgewandelt. Über die Wahl des photoelektrochemisch erzeugten Produkts kann die Lagerfähigkeit angepasst werden. Hier werden zunächst Oxalat und Kohleflocken untersucht.

Schematische Darstellung der einzelnen Teilschritte des NETPEC-Projekts. 

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Teilschritte des NETPEC-Projekts in schematischer Form

Da das Konzept noch neu ist, untersucht das NETPEC-Projekt, welche der Produkte das größte Potenzial bezüglich der langfristig sicheren Lagerfähigkeit besitzen und welche Konversionseffizienzen tatsächlich erreicht werden können. Zu diesem Zweck werden angepasste Katalysatoren und Solarzellen entwickelt und zu einer photoelektrochemischen Kohlenstoffsenke kombiniert.
Weiter werden die klimatischen Rahmenbedingungen modelliert und die Nachhaltigkeit der gesamten Prozesskette evaluiert. Das Projekt wird eine erste Beurteilung erlauben, ob und inwieweit photoelektrochemische Ansätze eine sinnvolle Ergänzung zu den bisher hauptsächlich untersuchten Methoden der terrestrischen Kohlendioxid-Entnahme sein könnte.

Auf der Suche nach dem größten Potenzial

NETPEC - CDRterra

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PyMiCCS_4c

Prof. Dr. Jens Hartmann

Zwei effektive Methoden, Kohlendioxid der Atmosphäre zu entziehen, sind bereits hinlänglich bekannt: der Einsatz von Pflanzenkohle und die sogenannte beschleunigte Verwitterung. Die Forschenden im PyMICCS-Projekt untersuchen, wie man beide Verfahren optimal miteinander kombiniert. Ziel ist es, die CO2-Bindung sowie die Qualität landwirtschaftlicher Böden zu verbessern.

PyMICCS

Pflanzenkohle gewinnt man durch die Pyrolyse von Biomasse, wie beispielsweise Stroh, Grünschnitt oder Mist. Dabei wird Biomasse unter Luftabschluss erhitzt. In den Boden eingebracht, bindet sie dauerhaft Kohlenstoff. Sie kann in der Landwirtschaft vielfältig eingesetzt werden – als Speicher für Wasser, Träger für Nährstoffe sowie Habitat für Mikroorganismen. 
Bei der beschleunigten Verwitterung von Gesteinen nutzt man ihre natürlichen Eigenschaften: Das CO2 wird im Regenwasser gelöst und greift das Gestein an. Dabei entstehen gelöste Karbonatverbindungen im Wasser. Dieser Prozess lässt sich künstlich beschleunigen – zum Beispiel, indem man das Gestein fein zermahlt und auf landwirtschaftlich genutzten Böden der Witterung aussetzt.
Basalt eignet sich besonders dafür: Es ist, da es eines der häufigsten Gesteine der Erde und auf jedem Kontinent verfügbar. Auf dem Feld bindet Basalt nicht nur Kohlendioxid. Der Staub kann auch die Fruchtbarkeit und damit die Ernteerträge verbessern – denn er versorgt den Boden mit wichtigen Nährstoffen wie zum Beispiel Kalium. Die entstandenen Karbonatverbindungen werden über Flüsse ins Meer transportiert, wo sie der Versauerung der Ozeane entgegenwirken.
Das Projekt PyMICCS (Pyrogenic carbon and carbonating minerals for enhanced plant growth and carbon capture and storage) will nun herausfinden, ob die gemeinsame Anwendung von Pflanzenkohle und beschleunigter Verwitterung positive Synergieeffekte hat – zum Beispiel eine Verbesserung der Bodeneigenschaften. Dies liegt nahe, da beide Methoden ähnlich positive Auswirkungen auf Böden haben. Biokohle muss beispielweise vor dem Einsatz mit Kompost oder Gülle behandelt werden. In purer Form bindet sie nämlich Nährstoffe, sodass diese den Pflanzen nicht mehr zur Verfügung stehen würden. Durch eine Mischung mit Gesteinsmehl könnte dieser Zusatzaufwand entfallen.
Doch wie kombiniert man die beiden Methoden am sinnvollsten? Welches Gestein oder welche Kohleart ist am besten geeignet? Und wann soll der Gesteinsstaub zur Pflanzenkohle hinzugefügt werden – bereits bei der Pyrolyse oder erst nach der Aufbringung auf dem Feld? Diese Detailfragen werden die Forschenden im Rahmen von PyMiCCS untersuchen – erst im Labor, später im Gewächshaus, auf dem Feld und letztlich in Ökosystemmodellen, um damit globale Potenziale zur CO2-Bindung und Bodenverbesserung berechnen zu können. Dabei berücksichtigen die Forschenden auch Rückkopplungseffekte zwischen Vegetation und Boden sowie deren Auswirkung auf CDR-Potenziale. Koppelt man neu erzeugte Kohlenstoffsenken an einen Preis, könnten Landwirte damit auch zusätzliches Einkommen generieren.

PyMICCS - CDRterra

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Ökosystem an Land

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STEPSTEC_4C

Ökosysteme an Land stehen im Fokus schnell einsetzbarer Methoden zur Entnahme von Kohlendioxid aus der Atmosphäre. Dies erfordert eine vergleichende Bewertung von Maßnahmen unter Berücksichtigung sozio-ökologischer Einschränkungen.

STEPSEC

Aufforstung und Wiederaufforstung, Waldbewirtschaftung und der Anbau von Pflanzen, die Kohlendioxid (CO₂) speichern und später für die Kohlenstoffabscheidung und -speicherung sowie Energiegewinnung verbrannt werden (engl.: bioenergy with carbon capture and storage/ BECCS) zählen zu den viel diskutierten Maßnahmen zur CO₂-Aufnahme und Speicherung, da sie teils als „naturnahe Lösungen“ gelten. Zudem könnten sie relativ schnell zum Einsatz gebracht werden. Die Entwicklung von Klimaschutzpfaden erfordert jedoch Abschätzungen dessen, wie viel CO₂ diese terrestrischen Maßnahmen der Atmosphäre entziehen.
Die Potenziale müssen daher gegen die Nebeneffekte eines Einsatzes solcher Maßnahmen abgewogen werden, insbesondere gegen unerwünschte Auswirkungen auf das Erdsystem wie Flächen- und Ressourcenkonkurrenz mit der Nahrungsmittelproduktion und Wassernutzung, Einfluss auf Biodiversität und Veränderungen des Klimas durch Störung der Energie- und Wasserbilanz. Darüber hinaus stellen gesellschaftliche Prozesse oft Barrieren für die Umsetzung von CO₂-Entnahmemethoden dar. Derzeit existiert allerdings noch keine Machbarkeitsbewertung, die diese Erwägungen im Vergleich der wichtigsten terrestrischen Carbon Dioxide Removal-(CDR)-Maßnahmen zusammenbringt. Diese wird das Projekt STEPSEC liefern.

STEPSEC geht über frühere Studien hinaus, indem es die CDR-Potenziale von (Wieder-)Aufforstung, Waldbewirtschaftung und BECCS auf der Grundlage von Simulationen mit mehreren Dynamischen Globalen Vegetationsmodellen abschätzt und neue Prozessdetails, wie etwa die Einflüsse von Wetterextremen, integriert. Das Projekt kontrastiert erwartete CDR-Potenziale mit ihren unerwünschten Auswirkungen auf das Erdsystem und identifiziert so Synergien sowie Zielkonflikte mit anderen Zielen nachhaltiger Entwicklung, insbesondere den Nachhaltigkeitszielen der Vereinten Nationen (SDG).
STEPSEC verzahnt dabei eng die naturwissenschaftliche Bewertung von CO₂-Entnahmemethoden mit Aspekten sozioökonomischer Machbarkeit.
Das Projekt wird alle betrachteten sozio-ökologische Indikatoren integrieren, bestehende Rahmenbedingungen für Machbarkeitsbewertungen erweitern und um ethische Kriterien der Wünschbarkeit und Akzeptanz ergänzen. Auf diese Weise wird STEPSEC methodisch und quantitativ zu einer umfassenden interdisziplinären Bewertung von terrestrischen CDR-Methoden beitragen, die für eine fundierte Entscheidungsfindung in Deutschland benötigt wird.

CDR-Potenziale von (Wieder-)Aufforstung

STEPSEC - CDRterra

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