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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

Wenn Landwirte auf einem Stück Land sowohl Bäume anpflanzen als auch Ackerbau oder Viehhaltung betreiben, kann das nicht nur Ertragsvorteile bringen. Diese Vorgehensweise erhöht auch die Kohlenstoffspeicherung in Pflanzen und im Erdreich. Agroforstwirtschaft ist somit ein wichtiges Verfahren zur Kohlendioxidentnahme. Während es in anderen Ländern bereits weiter verbreitet ist, wird es in Deutschland bisher kaum genutzt. Woran das liegt und was sich ändern müsste, erforscht das Verbundprojekt ABCDR.

ABCDR

Text

Als Agroforstwirtschaft werden Verfahren bezeichnet, bei denen Landwirte land- und forstwirtschaftliche Anbaumethoden kombinieren, um ein Stück Land möglichst produktiv, vielseitig und nachhaltig zu nutzen. Durch die richtige Kombination von Bäumen, Sträuchern, Nutzpflanzen und Vieh lassen sich viele Vorteile generieren: Hitzeempfindliche Nutzpflanzen wie Vanille und Kaffee beispielsweise wachsen im Schatten von Bäumen besser als in der prallen Sonne; Rinder und Schafe suchen bei Wärme ebenfalls kühlenden Schatten. Sollten es Obst- oder Nussbäume sein, die diesen spenden, bieten sie dem Landwirt obendrein eine zweite Einnahmequelle.
Im Idealfall wirken sich agroforstwirtschaftliche Verfahren auch positiv auf den Wasser- und Nährstoffgehalt des Bodens aus, auf seine Humusbildung und Kohlenstoffbindung sowie auf die biologische Artenvielfalt der entsprechenden Anbauflächen. In vielen Teilen der Welt, insbesondere in den Tropen, werden sie deshalb umfangreich genutzt, in Deutschland jedoch kaum.
Das Projekt ABCDR untersucht, warum agroforstwirtschaftliche Verfahren in Deutschland und dem Rest der Welt nicht breiter eingesetzt werden und wie man dies in Zukunft ändern könnte. Das Projektteam geht dazu drei Kernfragen nach: Im ersten Themenschwerpunkt befragen die Forschenden Landwirte in Deutschland, wer oder was sie bislang daran hindert, agroforstwirtschaftliche Verfahren einzuführen. Die Antworten sollen helfen, rechtliche, technische oder institutionelle Hürden zu identifizieren und Lösungen zu entwickeln. Ergänzt werden diese Forschungsarbeiten durch Computermodellierungen. Dabei simulieren die Forschenden einen Einsatz verschiedener agroforstwirtschaftlicher Verfahren in Deutschland, um Vorhersagen über die zu erwartenden Ergebnisse hinsichtlich des Klima- und Artenschutzes sowie der wirtschaftlichen Rentabilität machen zu können.
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Was tun wir genau und warum?

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Workflow der Entscheidungsanalyse

Im zweiten Themenschwerpunkt analysiert das Projektteam mithilfe globaler Computersimulationen, wie viel Kohlenstoff durch einen großflächigen Einsatz der Agroforstwirtschaft aus der Atmosphäre entnommen werden könnte und welche Folgen ein solcher Einsatz für den Wasserkreislauf sowie für den Nährstoff- und Kohlenstoffgehalt der Böden weltweit hätte. Drittens analysieren die Forschenden mithilfe eines agrarökonomischen Computermodells, wie sich der weitflächige Einsatz der Agroforstwirtschaft auf das globale Landsystem auswirken könnte. Hierbei stehen insbesondere die indirekten Effekte im Vordergrund, die durch Flächenkonkurrenz und -verdrängung entstehen können. Betrachtet werden sollen die Effekte auf den Nährstoffkreislauf, auf die Treibhausgase sowie auf die Artenvielfalt.
Aus den Ergebnissen der drei Forschungsschwerpunkte leitet das Projektteam im Anschluss Handlungsempfehlung für Landwirte sowie für politische Entscheider ab.

Großflächigen Einsatz der Agroforstwirtschaft simulieren

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Einblicke in das Projekt

ABCDR - 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

Welches Potenzial zur Kohlendioxidentnahme haben Ansätze, bei denen Kohlenstoff in Biomasse und Boden gebunden wird? Und wie lassen sich diese Verfahren bestmöglich in Deutschland einsetzen? Das Verbundprojekt BioNET entwickelt dazu ein Informationsportal und Handlungsempfehlungen für Interessierte und Entscheidungstragende aus Wissenschaft, Politik, Industrie, Land- und Forstwirtschaft.

BioNET

Die Kohlendioxidentnahme mithilfe von Biomasse und Böden ist ein zentrales Element der deutschen Klimapolitik, um das Ziel der Treibhausgasneutralität bis zum Jahr 2045 zu erreichen. Biobasierte CO₂-Entnahmeverfahren können über verschiedene Wege realisiert werden.
Das Verbundprojekt BioNET adressiert: 1) Verfahren zur Gewinnung von Bioenergie mit anschließender Kohlendioxidabscheidung und -speicherung, 2) Ansätze zur Wiedervernässung und Reaktivierung der Torfanreicherung sowie der anschließenden Nutzung der Biomasse von nassen Mooren, 3) waldbauliche Maßnahmen, 4) Verfahren für eine nachhaltige Landwirtschaft und Bodennutzung sowie 5) die Entwicklung und Produktion langlebiger Baustoffe aus Naturmaterialien.
All diese Verfahren kann man auf unterschiedliche Weise in land- und forstwirtschaftliche Wertschöpfungsketten einbetten. Doch aufgrund vielfältiger Risiken bei der Umsetzung und Markteinführung gibt es für diese Verfahren bislang noch keine klaren Handlungsanweisungen – auch weil eine ganzheitliche Bewertung unter Berücksichtigung lokaler sowie regionaler Gegebenheiten bisher fehlt.
Das Verbundprojekt BioNET will diese Lücke schließen, indem es die regionale Umsetzbarkeit biobasierter CO₂-Entnahmeverfahren untersucht und ein Informationsportal für Politik, Industrie, Land- und Forstwirtschaft sowie für die Wissenschaft einrichtet. In übersichtlichen Steckbriefen aufbereitet, werden dort fundierte Daten zum Potenzial sowie zur Umsetzung von 25 biobasierten Verfahren zur Kohlendioxidentnahme bereitgestellt. Dieses Wissen benötigen Interessierte, um diese Verfahren in ihren Entscheidungen zu berücksichtigen. Zudem soll das Informationsportal eine Orientierungshilfe für einen möglichen Einsatz dieser Verfahren bieten.
Des Weiteren entwickelt das BioNET-Projektteam nationale Einsatzszenarien biobasierter CDR-Verfahren. Dabei hinterfragt es, welche Vor- und Nachteile sich jeweils ergeben würden, wenn die Umweltwirkung der Methoden sowie die Prioritäten verschiedener Interessensgruppen verstärkt berücksichtigt werden – etwa jene der Industrie, Land- und Forstwirtschaft.
In drei ausgewählten Fallstudienregionen binden die Forschenden in allen Projektphasen Interessenvertretende aus der Politik, Industrie, Land- und Forstwirtschaft ein. Diese Regionen liegen in Mecklenburg-Vorpommern, Mitteldeutschland sowie im Rhein-Neckar-Raum. Durch die enge Zusammenarbeit soll ein gemeinsames Verständnis für die verschiedenen CO₂-Entnahmeverfahren erreicht und Vertrauen in diese aufgebaut werden. Auch Hemmnisse wie etwa die Sorge vor wirtschaftlichen Verlusten oder das Bestehen gesetzlicher Hürden 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

Fairness ist essenziell, damit politische Entscheidungen langfristig von allen mitgetragen werden. Das Verbundprojekt CDR-PoEt untersucht, wie die Politik durch gezielte Maßnahmen zu einer effektiven und fairen Umsetzung der Kohlendioxidentnahme beitragen kann.

CDR-PoEt

Fairness in der Klimapolitik ist ein komplexes Feld – vor allem in Bezug auf die internationale Verteilung von Klimaschutzanstrengungen. Industriestaaten haben durch ihren Treibhausgasausstoß bislang in einem viel höheren Maße zum Klimawandel beigetragen als Entwicklungsländer und verfügen in der Regel über eine bessere technologische Basis, um Emissionen und Klimarisiken zu verringern.
Doch auch Entwicklungsländer müssen sich anstrengen. Ein ähnliches Ungleichgewicht zeigt sich innerhalb vieler Staaten: Während Menschen mit hohem Einkommen meist den größeren CO₂-Fußabdruck haben, leiden arme Bevölkerungsgruppen viel stärker unter den Klimafolgen und steigenden Klimaschutzkosten.
Wie also kann die Politik CDR-Methoden sinnvoll, gerecht und nachhaltig auf den Weg bringen? Welche Vor- und Nachteile haben die verschiedenen Instrumente? Und wie groß sollten die Anstrengungen der einzelnen Staaten sein?
Diese Fragen stehen im Zentrum des Projekts CDR-PoEt: Konkret untersucht es die wirtschaftliche, sozio-kulturelle und institutionelle Machbarkeit gezielter Politikmaßnahmen für Verfahren zur Kohlendioxidentnahme. Der Fokus liegt dabei auch auf einer fairen Verantwortungsverteilung.
Diese Untersuchungen dienen als Basis für Politikempfehlungen auf lokaler und (inter-)nationaler Ebene. Bei der Ausarbeitung und Bewertung konkreter Politikoptionen bezieht sich das Projektteam auf anerkannte Politikprinzipien und berücksichtigt die Ansichten zentraler Interessensgruppen wie den Kommunen, Unternehmen, Nichtregierungsorganisationen oder den Parlamenten auf Landes- und Bundesebene. Deren Standpunkte fließen über einen öffentlichen Beratungsprozess in alle Forschungsschritte ein.
Das Projektteam wendet die konzeptionellen Überlegungen auf drei CDR-Verfahren an: auf die direkte Kohlendioxidentnahme aus der Luft (DACCS), die Nutzung von Biomasse mit Kohlendioxidspeicherung sowie auf Agroforstansätze. Durch eine Analyse der Fairness, gesellschaftlichen Akzeptanz und Annehmbarkeit verschiedener politischer Optionen, wollen die Forschenden herausfinden, mit welchen Maßnahmen sich eine gezielte Kohlendioxidentnahme erfolgreich, auf faire und sozialverträgliche Weise sowie mit breiter Unterstützung der Öffentlichkeit umsetzen ließe.

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

Sinnvolle Pläne für einen CDR-Einsatz in Deutschland zu entwerfen, erfordert eine fundierte Wissensbasis, die mögliche CDR-Maßnahmen umfassend bewertet. Das Synthese-Projekt CDRSynTra bündelt die Ergebnisse aus den Forschungsprogrammen CDRterra und <a href="https://cdrterra.de/forschungsprogramm/partnerforschungsprogramm/">CDRmare</a> und bewertet die verschiedenen  CO₂-Entnahmemethoden. Ziel ist es, im Dialog mit Wissenschaft, Politik und Öffentlichkeit ein risikoarmes Portfolio an CDR-Maßnahmen zu entwickeln.

CDRSynTra

Überlegungen zur gezielten Kohlendioxidentnahme spielen eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von Strategien, mit denen sich das Ziel der Treibhausgasneutralität erreichen lässt – sowohl in Deutschland als auch weltweit. Die verfügbaren CDR-Maßnahmen umfassen terrestrische, geologische, materialbasierte und marine Ansätze, zu denen der Wissensstand teils sehr unterschiedlich ist. Nicht nur technische Grenzen der Kohlendioxidaufnahme müssen erforscht sein. Es gilt zudem, realistische Entnahme- und Machbarkeitspotenziale abzuschätzen, welche mögliche Konflikte um Ressourcen wie Wasser oder Land vermeiden, gesellschaftliche Prozesse berücksichtigen, ökologisch und sozial verträglich sowie ökonomisch und politisch umsetzbar sind.
Es ist essenziell zu wissen, wie die verschiedenen CDR-Maßnahmen über all diese Dimensionen hinweg zu bewerten sind, welche Unterschiede es zwischen den einzelnen Verfahren gibt und wie sie bei einem gemeinsamen Einsatz gegebenenfalls miteinander interagieren. Nur so kann ihre Bedeutung für künftige Klimaschutzmaßnahmen bestimmt werden. Bislang fehlt jedoch ein solcher einheitlicher Rahmen, der zudem auch eine Abwägung von Konflikten mit anderen Nachhaltigkeitszielen erlauben sollte.
Das dem CDRterra-Programm übergeordnete Begleit- und Synthesevorhaben CDRSynTra führt die Forschungsergebnisse der verschiedenen Verbundprojekte 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: Erdsystemanalyse, Klimaschutzpfade sowie regulatorischer Rahmen (Governance) und Politikgestaltung. Das Projektteam analysiert außerdem, welche Institutionen international zu CDR-Methoden forschen, welche Themenaspekte diese bearbeiten und wo sich noch Forschungs- und Wissenslücken auftun, die es zu schließen gilt.
Um sicher zu stellen, dass entworfene Klimaschutzstrategien auch umsetzbar sind, pflegen die Forschenden das ganze Programm hindurch einen intensiven Dialog mit Stakeholdern. Bereits die Wahl relevanter Kriterien für einen Bewertungsrahmen nehmen sie in engem Austausch mit Öffentlichkeit, Wirtschaft und Politik vor. Mit Museumsausstellungen und einem Bildungsprogramm sorgen die Wissenschaftler:innen für transparente Kommunikation ihrer Forschungsergebnisse in die Öffentlichkeit – ein weiteres Hauptanliegen von CDRSynTra. Wo immer möglich nutzen sie dabei nicht nur lineare Formate der Wissenschaftskommunikation, sondern teilhabe- und dialogorientierte Ansätze.
CDRSynTra bildet die Schnittstelle zur <a href="https://cdrterra.de/forschungsprogramm/partnerforschungsprogramm/">Forschungsmission &#8222;Marine Kohlenstoffspeicher als Weg zur Dekarbonisierung&#8220; der Deutschen Allianz Meeresforschung</a> 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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Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt.Ing. Niklas von der Aßen

Die direkte Abscheidung von Kohlendioxid aus der Luft mit anschließender Speicherung ist eine CDR-Technologie, deren Einsatz vergleichsweise wenig Land in Anspruch nimmt. Im Verbundprojekt DAC-TALES untersuchen Forschende entsprechende Verfahren und beurteilen deren technische Machbarkeit sowie mögliche Vor- und Nachteile für Mensch, Umwelt und Klima.

DAC-TALES

Kohlendioxid direkt aus der Luft abzuscheiden und anschließend auf unterschiedliche Weise zu speichern, birgt im Vergleich zu anderen CDR-Verfahren einen wichtigen Vorteil: Die Methode lässt sich auf kleinem Raum umsetzen. Ihr Flächenverbrauch ist somit gering, ganz ungeachtet ihres hohen Entnahmepotenzials.
Erste kommerzielle Anlagen für DACCS (englisch: Direct Air (Carbon) Capture and Storage) sind bereits in Europa, Kanada sowie in den USA in Betrieb. In den kommenden Jahren gilt es, die richtigen politischen und wissenschaftlichen Weichen hinsichtlich eines DACCS-Einsatzes im industriellen Maßstab zu stellen. Hierzu ist es wichtig zu wissen, wie viel Kohlendioxid der Atmosphäre mittels DACCS entzogen und anschließend gespeichert werden könnte und welche Risiken und Herausforderungen damit verbunden sind.
Es gibt bereits zahlreiche Studien, die technologische, ökologische, ökonomische oder gesellschaftliche Aspekte eines DACCS-Einsatzes untersuchen und bewerten. Jedoch wurden diese Aspekte bisher meist getrennt voneinander betrachtet. Für einen großtechnischen und klimarelevanten DACCS-Einsatz wird allerdings eine integrierte, disziplinenübergreifende Bewertungsmethode über mehrere Größen- und Zeitskalen hinweg benötigt.
Im Verbundprojekt DAC-TALES stellen sich Forschende dieser Aufgabe. Basierend auf Daten aus Laborexperimenten erstellen sie im ersten Schritt Computermodelle von DACCS, mit denen sich beispielsweise der Energiebedarf der Kohlendioxidabscheidung für verschiedene Betriebsweisen berechnen lässt. Diese Modelle werden anschließend in ein Energiesystemmodell integriert. Auf diese Weise kann das Projektteam systemweite Effekte entlang der gesamten DACCS-Wertschöpfungskette untersuchen. Mithilfe einer Lebenszyklus- und techno-ökonomischen Analyse werden die ökologischen und ökonomischen Auswirkungen des DACCS-Einsatzes in großskaliger und klimarelevanter Größenordnung untersucht.
Darüber hinaus erforschen die Wissenschaftler:innen, inwiefern die Bevölkerung einen solchen Einsatz akzeptieren würde. Gesellschaftliche Hürden sollen so frühzeitig erkannt werden. Anhand einer klima-ökonomischen Bewertung wird anschließend der gesellschaftliche Nutzen von DACCS unter vielfältigen Risiken aus einer globalen Perspektive ermittelt.
Mit dem geplanten Bewertungsansatz kann bestimmt werden, in welcher Größenordnung und wie schnell der DACCS-Einsatz erfolgen muss, um den Klimawandel wirkungsvoll einzudämmen. Somit leistet DAC-TALES einen wichtigen Beitrag zur Gestaltung der zukünftigen Politik und Forschungsagenda hinsichtlich eines DACCS-Einsatzes im industriellen Maßstab.

DAC-TALES - CDRterra

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DACCUS_4C

Dr. Erik Frank

Kolja Kuse

Im Verbundprojekt DACCUSS pre entwickeln Forschende ein neues Leichtbaumaterial aus Hartgestein, pflanzlichen Carbonfasern und Biokohle. Mit ihm wollen sie Kohlenstoff nicht nur für lange Zeit speichern, sondern auch mehr Kohlendioxid binden als bei der Herstellung freigesetzt wird.

DACCUSS-Pre

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Doppel-T-Träger aus Algen als Stahlersatz

Algenträger als Stahlersatz

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Die Idee dahinter: CFS-Bauelemente bieten gleich dreifach die Möglichkeit, CO₂ zu binden:
1) Die Carbonfasern werden aus kohlenstoffreicher Biomasse hergestellt, etwa aus Algen. So wird Kohlenstoff im neuen Baustoff gespeichert.
2) Das Hartgestein bietet zusätzliches CO₂-Aufnahmepotenzial, denn bei der Herstellung der Steinplatten entsteht Steinstaub. An dessen großer Oberfläche wird die Verwitterung des Gesteins beschleunigt, sodass Kohlendioxid aus der Umgebungsluft durch chemische Reaktionen im Gestein gebunden wird.
3) Als Isolationsschicht zwischen den Steinplatten dient Biokohle, ebenfalls ein langlebiges kohlenstoffreiches Material aus Pflanzenteilen.
Ziel des Projekts ist es, ein Hauswandelement aus diesem neuen Verbundstoff zu entwickeln. Sicher unterscheidet sich seine Kohlenstoffbilanz von jener herkömmlicher Bauelemente aus konventionellem Stahlbeton. Doch zentrale Fragen dabei sind: Ist diese Bilanz am Ende – wie von den Forschenden vermutet – sogar CO₂-negativ? Und lassen sich die neuen Bauelemente zu einem konkurrenzfähigen Preis in Serie herstellen?
Die Forschenden konzentrieren sich hierbei nicht nur auf die Herstellung der Bauelemente an sich, sondern untersuchen zudem, mit welcher Effizienz man das Kohlendioxid für das Algenwachstum direkt aus der Luft filtern kann, um auch bei der Algenproduktion die Effizienz zu steigern. Geplant ist, mithilfe passiver Kohlendioxidfilter, sogenannten mechanischen Bäumen (Mechanical Trees®), die gesamte Wertschöpfungskette abzudecken – angefangen bei der Kohlendioxidentnahme aus der Umgebungsluft bis hin zu den Wandelementen für die Bauindustrie.

DACCUSS-Pre - CDRterra

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Gartenanlage vor blauem Himmel

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GONASIP_4c

Prof. Dr. Erik Gawel

Wo der Mensch Industriebrachen aufforstet, Moore wiedervernässt oder humusaufbauende Landwirtschaft betreibt, hilft er der Natur oftmals, leistungsfähiger zu werden – insbesondere als Kohlenstoffsenke. Allerdings sind diese Areale dann unter Umständen nicht mehr für andere Zwecke nutzbar, weisen geringere Erträge auf oder erfordern zusätzliche Ausgaben. Ist der Einsatz landbasierter CDR-Methoden also eine weise Entscheidung? Und welche Anreize müssen gesetzt werden, damit Landnutzer und -eigentümer ihre Flächen für Klimaschutzzwecke verwenden?

GONASIP

Einige landnutzungsbasierte Verfahren zur CO₂-Entnahme tragen nicht nur zum Klimaschutz bei, sie stärken auch wesentliche Funktionen der Natur. Das gilt zum Beispiel für die Wiederaufforstung, die Wiedervernässung von Mooren oder landwirtschaftliche Methoden zur Steigerung des Humusgehaltes in Böden. Gesündere Ökosysteme wiederum leisten mehr für Mensch und Umwelt: Sie bieten mehr Raum für Erholung, reinigen und kühlen die Luft, speichern mehr Wasser und liefern verlässlicher Rohstoffe und Nahrung.
Eine solche Nutzung von Flächen steht allerdings womöglich in Konkurrenz mit der intensiven landwirtschaftlichen Produktion oder städtischen Landnutzungsmöglichkeiten wie dem Wohnungsbau. Daher zögern Landbesitzer oft, landnutzungsbasierte CDR-Maßnahmen umzusetzen – auch weil die Kosten für eine Umsetzung meist bei ihnen liegen, während der Nutzen allen zugutekommt und sich nicht direkt monetarisiert. Wie also kann man Einzelpersonen, aber auch Kommunen und Unternehmen überzeugen, ihr Land dem Natur- und Klimaschutz zu widmen und so den bestmöglichen Gewinn für die Gesellschaft zu erzeugen?
Das Forschungsprojekt GONASIP geht dieser Frage nach. Es untersucht für sechs verschiedene landnutzungsbasierte CDR-Methoden, welche Vorteile, Kosten und Zielkonflikte mit ihrem Einsatz verbunden sind und wie viel Kohlendioxid gebunden werden könnte. Dazu zählen: 1) der regelmäßige Anbau von Zwischenfrüchten, 2) der Einbau von Hülsenfrüchten oder mehrjährigen Kulturen in die Fruchtfolge, 3) die Anlage von Kurzumtriebsplantagen, 4) die Anlage von Agroforstsystemen, 5) die Wiedervernässung ehemaliger Moorböden mit einem Wechsel von Ackerbau zu extensiver Grünlandnutzung sowie 6) die Aufforstung landwirtschaftlicher Marginalflächen und urbaner Industriebrachen.
Außerdem erfragen die Wissenschaftler:innen, welchen Wert betroffene Akteursgruppen den Kosten und dem Nutzen dieser Maßnahmen beimessen. Die Forschenden wollen zudem herausfinden, wie europäische und nationale Gesetze, Vorschriften und Anreizinstrumente (Steuern, Subventionen etc.) die Entscheidung für oder gegen den Einsatz landnutzungsbasierter CDR-Maßnahmen beeinflussen und wie man diesen regulatorischen Rahmen verbessern könnte, damit landnutzungsbasierte Klimaschutzmaßnahmen künftig häufiger mit klarem Mehrwert für Menschen und Natur umgesetzt werden, als es bislang der Fall ist.

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Urbaner Wald / Güterbahnhof Plagwitz

GONASIP - CDRterra

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NETPEC_4C

Dr. Matthias May

Prof. Dr. Kira Rehfeld

Mithilfe der künstlichen Photosynthese ist es theoretisch möglich, Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu entnehmen und den enthaltenen Kohlenstoff in langfristig lagerfähige Produkte umzuwandeln. Im Verbundprojekt NETPEC entwickeln Forschende ein solches Verfahren.

NETPEC

In der Klimadebatte stellt sich immer häufiger die Frage, wie eine umfangreiche Kohlendioxidentnahme mithilfe landbasierter CDR-Verfahren gelingen kann – denn die dafür benötigten Flächen sind rar. Ein theoretischer Lösungsansatz wäre der Einsatz der sogenannten künstlichen Photosynthese. Wie bei der natürlichen Photosynthese wird hierbei Kohlendioxid mithilfe von Energie aus Sonnenlicht in ein speicherbares und stabiles Endprodukt umgewandelt. Dieses kann anschließend eingelagert werden. Weil die künstliche Photosynthese jedoch viel effizienter Kohlenstoff bindet als ihr natürliches Vorbild, würde man beim Einsatz dieses neuen Verfahrens deutlich weniger Fläche und Wasser verbrauchen als bei konventionellen CDR-Methoden wie der Bioenergiegewinnung mit Kohlendioxidabscheidung und -speicherung.

Schematische Darstellung der einzelnen Teilschritte des NETPEC-Projekts. 

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Teilschritte des NETPEC-Projekts in schematischer Form

Um künstliche Photosynthese mit möglichst hohen Umwandlungsraten zu ermöglichen, entwickeln Forschende im Verbundprojekt NETPEC neuartige Katalysatoren. Diese sollen mit speziell angepassten Solarzellen zu einer photoelektrochemischen Zelle kombiniert werden. Je nachdem, welches Kohlenstoffprodukt diese Zellen erzeugen, kann es dann auf unterschiedliche Weise eingelagert werden.
Denkbar wären etwa eine Speicherung in ehemaligen Tagebauarealen oder aber eine Einlagerung in unterirdischen Kavernen oder Gesteinsschichten. Welche geologischen Voraussetzungen für eine solche Einlagerung gegeben sein müssen, untersucht das Projektteam für ausgewählte Produkte wie Oxalat und Kohleflocken. Außerdem simulieren die Forschenden eine großflächige Anwendung der künstlichen Photosynthese in Computermodellen und analysieren, welche Folgen diese Nutzung für das lokale Klima hätte.
Bei allen Arbeiten haben die Forschenden stets die gesamte Prozesskette der künstlichen Photosynthese im Blick. Auf diese Weise wird NETPEC eine erste Beurteilung erlauben, ob und inwieweit photoelektrochemische Ansätze eine sinnvolle Ergänzung zu den konventionellen Methoden der CO₂-Entnahme sein können.

Künstliche Photosynthese: 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 wird aus Abfällen wie Holzresten, Sägespänen, Stroh und anderer pflanzlicher Biomasse hergestellt. Diese werden unter Luftabschluss auf Temperaturen von vielen 100 Grad Celsius erhitzt. Pyrolyse nennt man diesen Prozess, bei dem ein kohlenstoffreicher Bodenverbesserer entsteht. Mithilfe von Pflanzenkohle speichert der Untergrund mehr Wasser und Nährstoffe. Zudem wird im Boden enthaltener Kohlenstoff langsamer abgebaut. Einmal auf dem Feld ausgebracht, erfüllt Pflanzenkohle diese Funktionen jahrzehnte-, mitunter sogar jahrtausendelang.
Die beschleunigte Verwitterung von Gesteinen basiert auf einer natürlichen Kettenreaktion. Bilden sich Regentropfen, nehmen diese auf dem Weg Richtung Erdboden stets etwas Kohlendioxid aus der Atmosphäre auf. Das Gas löst sich im Wasser und es entsteht Kohlensäure. Diese Säure greift Gesteine an, wenn der Regen darauf prasselt. Dabei lösen sich die Minerale des Gesteins auf und ihre Bestandteile werden in Grund- und Flusswasser abtransportiert. In einem weiteren Schritt reagieren diese Bestandteile weiter und es bilden sich Karbonatminerale. Oder vereinfacht gesagt: Es entsteht neues Gestein, in dem Teile des einstig atmosphärischen Kohlendioxids fest und dauerhaft gebunden sind. Dieser Prozess lässt sich künstlich beschleunigen – etwa indem man das Gestein fein zermahlt, auf Äckern verteilt und der Witterung aussetzt. Das Gesteinsmehl kann auch die Bodenfruchtbarkeit und damit die Ernteerträge verbessern, denn es versorgt den Boden mit Nährstoffen wie Kalium.
Im Verbundprojekt PyMiCCS wollen Forschende herausfinden, ob die gemeinsame Anwendung von Pflanzenkohle und beschleunigter Verwitterung zusätzliche Vorteile bringt – etwa verbesserte Bodeneigenschaften und mehr Pflanzenwachstum. Doch wie kombiniert man die beiden Methoden am sinnvollsten? Welches Gesteinsmehl und welche Pflanzenkohle eignen sich am besten? Diesen Fragen werden die Forschenden zunächst im Labor und später auf dem Feld nachgehen. Ihre Ergebnisse lassen sie anschließend in Ökosystemmodelle einlaufen. Mit diesen wollen sie berechnen, wie viel Kohlendioxid der Atmosphäre entzogen und in welchem Ausmaß sich die Böden verbessern würden, wenn beide CDR-Verfahren weltweit gemeinsam zum Einsatz kämen.

PyMiCCS

PyMICCS - CDRterra

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Ökosystem an Land

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STEPSTEC_4C

Nach wie vor bestehen große Wissenslücken, welche Mengen Kohlendioxid durch landbasierte Maßnahmen auf ökologisch und sozial nachhaltige Weise der Atmosphäre entzogen und langfristig gespeichert werden könnten. Im Verbundprojekt STEPSEC erforschen Fachleute diese Potenziale für Deutschland und global. Dabei berücksichtigen sie sowohl unerwünschte Auswirkungen auf Mensch und Umwelt – darunter auch die biologische Vielfalt – als auch mögliche gesellschaftliche Hürden für deren Einsatz.

STEPSEC

Zu den vieldiskutierten CDR-Maßnahmen zählen aktuell vor allem die (Wieder-)Aufforstung von Wäldern, eine nachhaltige Forstwirtschaft sowie der Anbau schnell wachsender Pflanzen, die für die Energiegewinnung verbrannt werden, wobei das anfallende Kohlendioxid abgeschieden und gespeichert wird (BECCS).
Bevor solche Maßnahmen in Klimaschutzprogramme aufgenommen und effektiv eingesetzt werden können, sollten ihre Potenziale und ihr möglicher Nutzen sorgfältig gegen mögliche Nebeneffekte abgewogen werden. Dazu gehören unerwünschte Auswirkungen auf das lokale Klima, ein Rückgang der Artenvielfalt sowie ein zunehmender Wettstreit um landwirtschaftliche Anbauflächen und Wasser. Hinzu kommt bei der Energiegewinnung aus Biomasse die Notwendigkeit, Kohlendioxid abzuscheiden und gegebenenfalls im Untergrund zu speichern – ein Ansatz, der in Deutschland sehr kontrovers diskutiert wird. Er zeigt beispielhaft auf, welche gesellschaftlichen und ethischen Herausforderungen mit dem Einsatz von CDR-Methoden verbunden sind. Bislang blieben diese kritischen Faktoren bei vergleichenden Analysen der Maßnahmen aber weitgehend unberücksichtigt.
Das Verbundprojekt STEPSEC geht nun diesen Schritt: Die Forschenden simulieren die großflächigen Potenziale von (Wieder-)Aufforstung, Forstwirtschaft und BECCS mit mehreren globalen, dynamischen Vegetationsmodellen – weltweit und mit einem Fokus auf Deutschland. Dabei werden die vielfältigen unerwünschten Auswirkungen sowie die Einflüsse von Wetterextremen unter verschiedenen zukünftigen Klimaszenarien direkt miteinbezogen. Auf diese Weise identifizieren die Fachleute zusammen mit Entscheidungstragenden sowohl Synergien als auch Konflikte mit anderen Zielen einer nachhaltigen Entwicklung, etwa im Hinblick auf die Nachhaltigkeitsziele der Vereinten Nationen.
STEPSEC bewertet die einzelnen CDR-Verfahren also grundsätzlich nicht nur aus naturwissenschaftlicher Perspektive, sondern fragt auch, ob gesellschaftliche Prozesse Barrieren für ihre Umsetzung darstellen. Die Forschenden erweitern dafür die Rahmenbedingungen für die Machbarkeitsbewertung von CDR-Methoden und fügen Kriterien der gesellschaftlichen Akzeptanz und ethischen Wünschbarkeit hinzu. Auf diese Weise trägt STEPSEC zu einer umfassenden interdisziplinären Bewertung landbasierter CDR-Methoden bei, die für eine fundierte Entscheidungsfindung in Deutschland und anderen Regionen benötigt wird.

STEPSEC - CDRterra

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