CO2-Abscheidung und Speicherung

Abb. 1: Aufzucht von Bäumen.^B1

Erdgebundener (terrestrischer) Kohlendioxidentzug

Ein Wald kann der Atmosphäre durch Fotosynthese Kohlendioxid (CO₂) entziehen und so die Menge von CO₂ in der Atmosphäre verringern. Durch Aufforstung, also Anpflanzung von Wald auf vorher nicht bewaldeten Flächen oder nach Kahlschlag (Wiederaufforstung) kann dieser Effekt gezielt genutzt und verstärkt werden. Diese forstwirtschaftlichen Maßnahmen gehören zu den Methoden der Entnahme von CO₂ aus der Atmosphäre mit langfristiger Speicherung (engl. Carbon Dioxide Removal (CDR)). Die gegenwärtige CO₂-Aufnahme durch CDR-Methoden wird auf rund 2 Gt CO₂/Jahr geschätzt.¹ Dabei haben gegenwärtig Aufforstung und Wiederaufforstung die größte Bedeutung (Tab. 1).

Nebenwirkungen durch Aufforstung und Wiederaufforstung

Bäume entziehen der Atmosphäre CO₂ durch Fotosynthese und speichern es in Stämmen und Wurzeln relativ langfristig. Das Pflanzen von Bäumen kann daher einen wertvollen Beitrag leisten, den Klimawandel abzuschwächen. Aber auch zahlreiche weitere Leistungen (Ökosystemleistungen) des Waldes sind wertvoll und wichtig (Abb. 2). Wälder spenden Schatten und Kühle bei Hitze, nehmen bei Starkniederschlägen Wasser auf und verhindern so Erosion und Hochwasser. Wiederaufforstung in Gebieten mit geringer Bodenfruchtbarkeit erhöht zudem die biologische Vielfalt, verbessert die Wasserfilterung als auch die Neubildung von Grundwasser. Besonders einheimische Arten fördern diese positiven Effekte. Auch in Städten mildern Bäume die Folgen von extremen Wetterereignissen ab. Bäume sind hier z.B. ein guter Schutz gegen hohe Temperaturen oder starke Überschwemmungen.²

Abb. 2: Ökosystemleistungen des Waldes am Beispiel von Deutschland.^B2

(Wieder-)Aufforstung in bestimmten Regionen kann jedoch auch zu erheblichen Problemen für Ökosysteme und menschliche Gemeinschaften führen. Probleme treten besonders dann auf, wenn nicht-heimische Bäume dort gepflanzt werden, wo normalerweise kein Wald ist. Das ist zum Beispiel bei Grasländern, Buschland oder Savannen der Fall. Grasländer, Buschland oder Savannen sind in ihrer natürliche Umgebung besser in der Lage CO₂ zu binden als neu angepflanzte Bäume. Neue Bäume können hier sogar die natürlichen Ökosysteme (zer-)stören und die Biodiversität bedrohen. Werden Bäume in offenen Landschaften (das sind oft Grasländer, Buschland oder Savannen) mit geringem Niederschlag gepflanzt, kann der hohe Wasserbedarf der Bäume den Abfluss und die Grundwassererneuerung in diesen Gebieten reduzieren. Auch bei Feuern können Bäume sich negativ auswirken, wenn z.B. Feuer in Savannen und Grasländern von Grass-Feuern zu Baum-Feuern werden und damit mehr CO₂-Emissionen bewirken.^1,2

Großflächige Aufforstung kann auch zu erheblichen sozialen Problemen führen, wenn Land für die mögliche Aufforstung auch von anderen Nutzern wie der Landwirtschaft gebraucht wird. Die Wissenschaftler Doelmann und andere³ haben berechnet, dass wenn 410 Gigatonnen (Gt) CO₂  insgesamt durch Aufforstung bis 2100 gespeichert werden sollen, dafür eine Fläche von 1100 Mio. ha (das entspricht knapp einer Fläche von 1541 Mio Fußballfeldern) nötig ist.

Auf- und Wiederaufforstung kann am besten in den Tropen zur CO₂-Reduzierung in der Atmosphäre beitragen. Doch hier bestünde gleichzeitig die große Gefahr, dass die damit verbundene Reduzierung der landwirtschaftlich genutzten Flächen die Ernährungssicherheit gefährdet. Weltweit könnten durch die hohe Konkurrenz zwischen den Flächennutzungen die Nahrungsmittelpreise sogar bis zu vier mal so teuer werden, wie sie aktuell sind⁴. Die Aufforstung selbst ist hingegen im Vergleich zu anderen Maßnahmen zum Schutz des Klimas verhältnismäßig billig.

Gefährdung von (Wieder-)Aufforstung

Die Speicherung von CO₂ ist gegenwärtig auch in schon bestehenden Wäldern durch direkte menschliche Einwirkungen gefährdet. Abholzung im großen Stil, z.B. für die weltweite Bau- und Möbelindustrie, vernichten vor allem Naturwälder in den Tropen (z.B. in Indonesien). Durch die Abholzung werden wiederum CO₂-Emissionen verursacht. Andererseits kann das im verwerteten Holz gespeicherte CO₂ durch eine langfristige Nutzung unter Umständen sogar länger gespeichert bleiben als in lebenden Bäumen.

Beim Abbrennen von großen Waldflächen für Rinderweiden oder den Anbau von Monokulturen, wie es aus dem Amazonasgebiet bekannt ist, werden erhebliche Mengen von CO₂ direkt an die Atmosphäre abgegeben. Dieses Risiko besteht sowohl für vorhandene Wälder als auch für neue Wälder, die eigentlich gezielt zur CO₂ Entnahme aus der Atmosphäre angelegt werden. In einer veränderten sozialen Lage kann die Nutzung von Waldflächen von der Politik oder der lokalen Bevölkerung neu bewertet werden. Zum Beispiel kann die Produktion von Nahrungsmitteln als wichtiger erachtet werden als der Klimaschutz. Ohnehin sind die in den letzten Jahrzehnten neu angelegten Waldflächen nur zu einem geringen Teil mit der Absicht geschaffen worden, CO₂ aus der Atmosphäre zu binden. Andere Gründe wie etwa die Holznutzung oder die Aufgabe von landwirtschaftlichen Flächen durch Modernisierung und Ertragssteigerung der Produktion waren in der Regel viel bedeutender. So ist etwa die deutliche Zunahme der europäischen Waldbedeckung seit dem 2. Weltkrieg um ca. 25% teils durch den Holzmangel in der Nachkriegszeit, teils durch die Aufgabe von landwirtschaftlichen Betrieben nach dem Ende des Sozialismus zu erklären.⁵

Auf alle Komponenten der Aufforstung wirken letztendlich auch noch die Folgen der Klimaerwärmung. Diese können in verschiedenen Regionen positive oder negative Auswirkungen auf neu bewachsene Waldflächen haben. So wird angenommen, dass die Erwärmung zu einer höheren Produktivität der Pflanzenwelt in den hohen Breiten sowie zu einer Verschiebung der Baumgrenze nach Norden führen wird. In den niederen Breiten und Tropen hingegen können Trockenheit und Hitzeperioden die Produktivität erheblich einschränken. Das gilt ebenso für Waldbrände und Insekten-Plagen. Dagegen ist Wasser ein wichtiger Faktor für das Wachstum von Bäumen,und zwar nicht nur der Niederschlag, sondern auch die Bodenfeuchtigkeit, das Grundwasser und der atmosphärische Wasserdampf. Einen erheblichen Einfluss besitzt zudem die CO₂-Konzentration, deren Erhöhung das Pflanzenwachstum stark antreiben kann (der sogenannte CO₂-Dünge-Effekt). Hauptsächlich durch die Zunahme des CO₂-Gehalts der Atmosphäre hat die Brutto-Primärproduktion auf den Landgebieten der Erde zwischen 1951 und 2010 um 2% zugenommen. Ein Zeichen dafür ist, dass sich seit den 1980er Jahren die Fläche der globalen Wälder um 7% ausgedehnt hat, vor allem durch neue Wälder und das Wachstum bestehender Wälder in gemäßigten und borealen Regionen in Asien und Europa. In den 2000er und 2010er kam es dadurch zu einer Netto-Entnahme von Kohlendioxid aus der Atmosphäre von 7,7 GtCO₂/Jahr.⁶

Rückwirkungen von Aufforstung auf das Klima

Im Rahmen von Climate Engineering sind Aufforstungen und Wiederaufforstungen vor allem dafür gedacht, CO₂ aus der Atmosphäre zu entnehmen und möglichst langfristig zu speichern (Tab. 1). Bäume und Wälder besitzen jedoch eine vielfältige Wirkungen auf das Klima, die nicht nur eine Abkühlung zur Folge haben, sondern in manchen Fällen auch eine Erwärmung. Wälder nehmen nicht nur CO₂ aus der Atmosphäre auf, sondern geben das Treibhausgas durch Verrottung und Veratmung teilweise auch wieder an die Atmosphäre ab. In geringem Maße sind Wälder auch eine Quelle von Methan (CH₄) und Distickstoffoxid (N₂O).⁷

Neben diesen biogeochemische Prozessen wirken Wälder aber vor allem auch durch biogeophysikalische Prozesse auf das Klima (Abb. 3). Mit der Anlage von Wäldern ändert sich etwa die Albedo (bzw. das Rückstrahlungsvermögen) der Erdoberfläche. Wälder besitzen eine dunkle Oberfläche und absorbieren daher in der Regel mehr Sonneneinstrahlung als landwirtschaftliche Flächen oder Savannen und Grasländer, wodurch sich die Umgebungsluft erwärmt. Der Unterschied der Albedo ist besonders groß auf verschneiten Flächen in hohen Breiten und übertrifft hier oft die Abkühlung durch die CO₂-Aufnahme. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die höhere Verdunstung durch Wälder, die durchgehend abkühlend wirkt. Dieser Effekt spielt in den hohen Breiten wegen der geringen Verdunstungsleistung nur eine geringe Rolle, verstärkt in den Tropen aber den Abkühlungseffekt durch die CO₂-Aufnahme. Hinzu kommt die höhere Bodenrauigkeit von Wälder gegenüber einer kurzwüchsigen Pflanzenbedeckung. Dieser Effekt bewirkt, dass mehr warme Luft durch Turbulenzen nach oben gemischt wird, wodurch sich die unteren Luftschichten abkühlen.

Abb. 3: Klimawirkungen von Aufforstung und Wiederaufforstung: Durch die Aufnahme von CO₂ wird das globale Klima abgekühlt, ebenso durch eine erhöhte Verdunstung, die sich in den kalten hohen Breiten allerdings nur wenig auswirkt. Die dunkle Fläche von Wäldern verringert die Reflexion von Sonnenstrahlen und bewirkt damit eine Erwärmung, besonders in den hohen Breiten. +/-: Erwärmung/Abkühlung.^B3

Szenarien und Potentiale

Im Pariser Abkommen von 2015 zur Vermeidung eines gefährlichen Klimawandels durch den Menschen wurde beschlossen, die globale Erwärmung bis zum Ende des 21. Jahrhunderts deutlich unter 2 °C und möglichst sogar auf 1,5 °C gegenüber dem vorindustriellen Niveau zu begrenzen. Um die Klimaziele von Paris zu erreichen, ist eine deutliche Reduzierung der anthropogenen Treibhausgasemissionen, vor allem der Emissionen von Kohlendioxid, unabdingbar. Auch wenn um die Mitte des Jahrhunderts Treibhausgas-Emissionen aus der Verbrennung fossiler Energieträger durch erneuerbare Energien gänzlich ersetzt sein sollten, so verbleiben doch schwer zu vermeidende Restemissionen:

1. von Nicht-CO₂-Gasen wie Methan und Distickstoffoxid aus der Landwirtschaft und
2. von CO₂, das bei industriellen Prozessen wie in der Zement- und Stahlindustrie anfällt.

Diese Emissionen lassen sich bei einem Festhalten an den Pariser Klimazielen nach heutigem Kenntnisstand kaum anders ausgleichen als durch Verfahren, die CO₂ aus der Atmosphäre entnehmen und möglichst langfristig speichern.⁸ Aufforstung und Wiederaufforstung sind gegenwärtig die mit großem Abstand wirksamsten Methoden der CO₂-Entnahme aus der Atmosphäre (Tab. 1). Auch wenn ihre relative Bedeutung in Zukunft aufgrund der begrenzten Flächenressourcen abnehmen wird, werden sie auch in den kommenden Jahrzehnten ihre herausragende Stellung beibehalten (Tab. 2).

Um in diesem Jahrhundert die globale Mitteltemperatur unter 2 °C gegenüber dem vorindustriellen Niveau zu begrenzen (die aktuelle Erwärmung liegt bereits bei 1,2 °C) müssten bis zum Jahr 2100 zusätzlich zu einer deutlichen Minderung der Emissionen in der Summe etwa 700 Gt CO₂ aus der Atmosphäre entnommen werden. Da Aufforstung und Wiederaufforstung sehr viel Land brauchen und somit mit der Nahrungsmittelproduktion konkurrieren, wird deren Bedeutung als CO₂-Speicher in der 2. Hälfte des 21. Jahrhunderts abnehmen und zusammen mit anderen landbasierte traditionellen CDR-Methoden auf insgesamt 360 Gt CO₂ geschätzt, während 400 GtCO₂ durch neuere Methoden wie BECCS und DACCS angenommen werden.¹ 2030 müssten durch CDR im Vergleich zu 2020 zusätzlich 1 GtCO₂/Jahr aus der Atmosphäre mehr entnommen werden, um das 2- oder 1,5-Grad-Ziel einzuhalten. Die Zusagen der Staaten in ihren Mitteilungen an die UNFCCC (Klimarahmenkonvention der Vereinten Nationen) liegen jedoch bei nur etwa 0,5 GtCO₂/Jahr zusätzlicher CO₂-Entnahme. 2050 müssten es 4,8 GtCO₂/Jahr sein, während die Staaten nur etwa 2 GtCO₂/Jahr zugesagt haben. Die CDR-Klimapolitik der Staaten steckt noch in den Kinderschuhen.¹

Für die Einschätzung des zukünftigen Potentials von landbasierten Verfahren, CO₂ aus der Atmosphäre zu entnehmen und langfristig zu speichern, werden außer Szenarien-Berechnungen, die sich an der globalen Mitteltemperatur orientieren, auch die technischen Möglichkeiten und die ökonomischen Kosten berücksichtigt. Tab. 2 zeigt sowohl das technische Potential bis zur Mitte des 21. Jahrhunderts als auch das ökonomische Potential, die grob im Verhältnis 2:1 stehen.⁹ Aktiv geschützte und gezielt angelegte Wälder und andere Ökosysteme wären demnach in der Lage, um 2050 technisch machbare 13 Gt CO₂ pro Jahr aus der Atmosphäre aufzunehmen. Mit Rücksicht auf die Kosten der Maßnahmen, die auf 100 US$ begrenzt werden, reduziert sich die Speicherleistung auf etwas mehr als die Hälfte. Dabei wird dem Schutz von bestehenden Wäldern (u.a. Ökosystemen) eine höhere CO₂-Entnahme zugeschrieben als der Anlage neuer Wälder.

Weblinks

• Miniwälder in Städten: Eine Klimaanlage fürs Viertelhttps://www.tagesschau.de/wissen/klima/miniwaelder-klimawandel-staedte-hamburg-101.html

Anmerkungen

1. Smith, S.M., O. Geden, G. Nemet et al. (2023): The State of Carbon Dioxide Removal - 1st Edition
2.  IPCC AR6, WGII (2022): Climate Change 2022. Impacts, Adaptation and Vulnerability, FAQ 2.6: Can tree planting tackle climate change?
3. Doelman, J.C., E. Stehfest, D.P. van Vuuren et al. (2020): Afforestation for climate change mitigation: Potentials, risks and trade‐offs. Glob. Change Biol., 26(3), 1576–1591, doi:10.1111/gcb.14887
4. Kreidenweis, U., F. Humpenöder, M. Stevanović et al. (2016): Afforestation to mitigate climate change: Impacts on food prices under consideration of albedo effects. Environmental Research Letters, 11, 085001
5. Palmero-Iniesta, M., J. Pino, L. Pesquer et al. (2021): Recent forest area increase in Europe: expanding and regenerating forests differ in their regional patterns, drivers and productivity trends. Eur J Forest Res
6. IPCC AR6, WGII (2022):Impacts, Adaptation and Vulnerability, Ch. 2, 2.4.4.5
7. Popkin, G. (2019): The forest question, Nature 565, 280-282
8. Fuss, S., F. Gruner, J. Hilaire u.a. (2021): CO₂-Entnahmen: Notwendigkeit und Regulierungsoptionen. Studie im Auftrag der Wissenschaftsplattform Klimaschutz. Berlin
9. IPCC AR6, WGIII (2022): Climate Change 2022. Mitigation of Climate Change, Table 7.3 und 7.4.2.2

Bildnachweise

B1. Bild von Monika auf Pixabay Frei zu verwenden unter der Pixabay-Lizenz.
B2. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) (2021): Pressegraphiken, Infographik Ökosystemleistungen 
Lizenz: Die Verwendung der angebotenen Grafiken und Fotos ist für redaktionelle Zwecke honorarfrei. Abdruck bitte, wenn nicht anders angegeben, unter Quellenangabe: "Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR)".
B3. Eigene Darstellung, Idee nach  : B. Gordon, Bonan (2008): Forests and climate change: forcings, feedbacks, and the climate benefits of forests, Science 320 (Issue 5882) 1444–1449; Lizenz: CC BY-SA