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Negative Emissionen
Negative Emissionen – auch als Greenhouse Gas Removal (GGR) bezeichnet – sind Ansätze zur Entnahme von Treibhausgasen aus der Atmosphäre.
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Begriff und Bedeutung
Negative Emissionen, auch Greenhouse Gas Removal (GGR), sind Verfahren, die Treibhausgase aus der Atmosphäre entfernen. Sie sind für eine Treibhausgasbilanz von Netto-Null wichtig: Nicht vermeidbare Restemissionen aus menschlichen Aktivitäten werden durch menschlich verursachte negative Emissionen vollständig und Metrik-gewichtet ausgeglichen.
Negative-Emissionen-Technologien (NET oder NETs) umfassen natürliche sowie technische Ansätze. Biologische, physikalische und chemische Prozesse sollen die Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosphäre senken. Die Entnahme von CO₂ heißt Carbon Dioxide Removal (CDR, Kohlendioxidentnahme) und ist eine Untergruppe negativer Emissionen. Übersteigen negative Emissionen die Resttreibhausgasemissionen, liegen netto-negative Treibhausgasemissionen vor. Wegen ihres Umfangs und ihrer Wirkungen werden die Verfahren teils dem Geoengineering zugerechnet.
Klimawirksam ist eine Entnahme nur, wenn das gebundene Treibhausgas langfristig nicht wieder in die Atmosphäre gelangt. Diese permanente Entnahme soll durch robuste Zertifizierungsinstrumente gesichert werden. Die Abscheidung und Speicherung von CO₂ erfordert Endlager für Kohlenstoffmengen, die den aus der Erde gewonnenen Mengen ähnlich sind.
Klimapolitischer Hintergrund
Klimawissenschaftler arbeiten mit einem CO₂-Budget: Wird es überschritten, können unvorhersehbare Folgen eintreten, etwa ein Zustand des „Treibhauses Erde“ mit für Menschen lebensfeindlichen Bedingungen. Bei einem durchschnittlichen Ausstoß von etwa 40 Gigatonnen CO₂-Äquivalenten (Gt CO₂eq) pro Jahr im Jahr 2017 wären bei unveränderten Emissionen je nach Budget nur noch ungefähr 20 bis 30 Jahre bis zur Ausschöpfung geblieben. Weil das Erdsystem Treibhausgase nur über Jahrtausende sehr langfristig absorbiert, dürften danach keine Treibhausgase mehr ausgestoßen werden.
Für das im Paris-Abkommen angestrebte 1,5-Grad-Ziel reichen nach der Darstellung sehr schnelle Dekarbonisierung und Energieeinsparungen voraussichtlich nicht aus. Zusätzlich muss der Atmosphäre CO₂ entzogen werden. Es geht damit nicht nur um das Vermeiden künftiger, sondern um das Rückgängigmachen vergangener Emissionen. Auch in den meisten Szenarien zur Einhaltung des Zwei-Grad-Ziels waren 2016 negative Emissionen und ein großtechnischer Einsatz von NET erforderlich. Ob sie für das 1,5-Grad-Ziel notwendig sind, hängt jedoch von Annahmen ab: Bei weiterem Wirtschaftswachstum weisen Studien auf ihre Notwendigkeit hin; in Degrowth-Szenarien spielen sie eine geringere Rolle.
2022 erschien das 1,5-Grad-Ziel laut Scientific American und dem Emissions Gap Report der UNO kaum mehr realistisch. 2024 war absehbar, dass das maximale Budget überschritten und ein später abzubauender Emissionsüberschuss entstehen würde. Integrierte Bewertungsmodelle prägen als Grundlage der Arbeitsgruppe 3 des Weltklimarats die politischen Szenarien. Forschung aus den Science and Technology Studies betont, dass solche Modelle und negative Emissionen nicht wertneutral sind, sondern mit Machtverhältnissen, Institutionen und Vorstellungen über mögliche Zukünfte verbunden sind.
Der aktuelle Umfang technischer CO₂-Entnahme wurde 2023 weltweit auf zwei Millionen Tonnen pro Jahr geschätzt. Das sind etwa 0,005 % der jährlichen CO₂-Emissionen. Aufforstung, Wiederaufforstung und nachhaltige Waldbewirtschaftung entfernen etwa den Faktor 1000 mehr CO₂, lassen sich aber nicht beliebig ausweiten. Schädigen steigende Temperaturen und Trockenheit die Wälder weiter, gewinnen geologische und andere technische Verfahren an Bedeutung.
Wichtige Verfahren
Vorgeschlagen werden biologische, chemische und physikalische Verfahren. Nach einer Einschätzung von 2013 waren viele davon langsam oder müssten wahrscheinlich länger als 100 Jahre im Großmaßstab eingesetzt werden, um die atmosphärische CO₂-Konzentration deutlich zu senken.
Zu den biologischen und landbasierten Ansätzen gehören Aufforstung und Wiederaufforstung, die Herstellung von Biokohle beziehungsweise Pflanzenkohle, die unterirdische Einlagerung von Holz sowie die Nutzung von Holz und Karbonmaterialien anstelle von Beton und Stahl in Neubauten. Weitere Vorschläge sind Bioenergie mit CO₂-Abscheidung und -Speicherung (BECCS), bei der Biomasse zur Energiegewinnung genutzt und das dabei entstehende CO₂ gespeichert wird, und Pyrogene CO₂-Abscheidung und -Speicherung (PyCCS), die auch in kleinem Maßstab möglich ist.
Technische und geochemische Ansätze sind Direct Air Carbon Capture and Storage (DACCS): CO₂ wird aus der Umgebungsluft gewonnen, abgeschieden und gelagert. Hinzu kommen modifizierte oder beschleunigte Verwitterung (Enhanced Weathering), Ozeandüngung, etwa mit Eisen, elektrochemische Entnahme von CO₂ aus Meerwasser sowie CO₂-Speicherung in Betongranulat für Beton aus Sekundärrohstoffen. Unter bestimmten Bedingungen kann auch Power-to-Gas negative Emissionen erzielen: CO₂ wird aus der Luft für die Methanisierung entnommen; das synthetische Methan wird später in einem Kraftwerk mit CO₂-Abscheidung und -Speicherung verbrannt.
Gebäude müssten nach der Annahme führender Klimawissenschaftler zur Einhaltung des Zwei-Grad-Ziels ab 2030 CO₂-neutral oder CO₂-negativ errichtet werden. Möglich wären emissionsfreier Beton oder Stahl oder deren Ersatz durch Stoffe wie Holz oder Gestein. Beton kann durch Karbonatisierung im Lauf der Zeit CO₂ aus der Luft aufnehmen. Negative Emissionen wären dabei nur möglich, wenn die Energie für die Zementherstellung emissionsfrei ist und das prozessbedingt entstehende CO₂ dauerhaft gespeichert wird. In der Schweiz wurden wegen der weiten Verbreitung von Recyclingbeton Verfahren entwickelt, die CO₂ im Betongranulat speichern. Verfahren zur direkten Methanentnahme aus der Atmosphäre waren bis Mitte der 2020er-Jahre lediglich konzeptionelle Ideen oder vereinzelte kleine Experimente.
Chancen, Speicher und Risiken
Meere und Biosphäre nehmen gegenwärtig ungefähr die Hälfte der menschlichen CO₂-Emissionen rasch aus der Atmosphäre auf. Das bremst den Anstieg der CO₂-Konzentration, führt aber zur Versauerung der Meere und beeinflusst das Pflanzenwachstum. Sinkt die CO₂-Konzentration durch CDR, geben Meere und Biosphäre einen Teil ihres gespeicherten CO₂ wieder ab. Wegen dieses Rebound-Effekts muss für eine gewünschte Verringerung der atmosphärischen CO₂-Menge ungefähr die doppelte CO₂-Menge entfernt werden.
Entscheidend ist das Speicherreservoir. Permanent heißt ein Reservoir, wenn Kohlenstoff darin mindestens über zehntausende Jahre eingeschlossen bleibt. Geologische Reservoirs können Kohlenstoff permanent speichern; land- und ozeanbasierte Reservoirs gelten nicht als permanent. Nicht-permanente Speicherung verzögert die Erderwärmung eher, als sie zu verhindern. Bei Böden und der Biosphäre besteht zusätzlich das Risiko, dass der Klimawandel CO₂ wieder schneller freisetzt. Geologische und ozeanische Reservoirs könnten mehrere tausend Gt Kohlenstoff aufnehmen, landbasierte grob 200 Gt. Zum Vergleich betrugen die energiebedingten CO₂-Emissionen 2017 etwa 32,5 Gt CO₂ beziehungsweise ungefähr 8,9 Gt Kohlenstoff.
Negative Emissionen dürfen nach den angeführten Einschätzungen keine Alternative zur schnellen Emissionsminderung sein. Bereits 2016 wurde davor gewarnt, auf künftige Technologien wie BECCS zu hoffen, statt rasch und weitreichend zu dekarbonisieren. BECCS könnte wegen Problemen wie sehr hohem Flächenbedarf nicht großflächig einsetzbar sein. Eine Review-Studie von 2016 fand keine Technologie, mit der das Zwei-Grad-Ziel ohne erhebliche Nachteile für Flächen, Energie, Wasser, Nährstoffe, Kosten oder durch Eingriffe in die Albedo erreichbar sei. Plan A müsse daher die sofortige und schnelle Reduzierung heutiger Emissionen sein.
Kritiker befürchten außerdem, NET könnten bisherige Lebens- und Produktionsweisen rechtfertigen, Kapital binden und den Übergang zu klimaneutralem Wirtschaften verlangsamen. Vorgeschlagen wurden deshalb unter anderem das Verursacherprinzip für Großunternehmen und Industrie sowie staatliche Unterstützung für Verbreitung und Innovation. Eine Arbeitsgruppe von Science for Future empfiehlt wegen schwindender natürlicher Kohlenstoffsenken ein sofortiges Ziel für negative Emissionen: bis zur Mitte des Jahrhunderts 10 Gt und bis zum Ende des Jahrhunderts 1000 Gt CO₂. Für Deutschland sieht sie besonders beschleunigte Verwitterung als rasch umsetzbar an; außerdem Wiedervernässung von Mooren, Humusaufbau, Pflanzenkohle, Aufforstung und Begrünung.
Kosten und Größenordnungen
Die Kosten unterscheiden sich stark nach Verfahren und Annahmen. Ein Review von 2016 nannte für direkte CO₂-Abscheidung aus der Luft (DAC) 1.600–2.080 US-Dollar je Tonne CO₂eq. Für BECCS wurde für 2100 bei großen Schwankungen ein Mittelwert von 132 US-Dollar je Tonne CO₂eq ermittelt. Aufforstung und Wiederaufforstung sollten 2100 zwischen 65 und 108 US-Dollar je Tonne CO₂eq kosten, im Mittel 87 US-Dollar. Künstliche Verwitterung wurde mit etwa 88 bis 2120 US-Dollar je Tonne CO₂eq angegeben. Eine Studie von 2018 schätzte künstliche Verwitterung mit Dunit auf 60 US-Dollar und mit Basalt auf 200 US-Dollar je Tonne CO₂.
Für DACCS errechnete Carbon Engineering 2018 Kosten von 94–232 US-Dollar pro aufgenommene Tonne CO₂. Zuvor hatte die American Physical Society 2011 für die Entnahme aus normaler Luft 600 US-Dollar geschätzt. Climeworks gab an, in fünf bis zehn Jahren unter 100 US-Dollar kommen zu können; aktuell lägen die Kosten noch bei 600 US-Dollar. Selbst 94 US-Dollar liegen laut Artikel über dem aktuellen Marktpreis für CO₂-Einsparungen und sind nicht rentabel. Für 2024 verfügbare Abscheidungsverfahren bezifferte die Boston Consulting Group die Entfernung des CO₂ eines Fluges Europa–Malediven je Passagier auf 1.800 bis 3.000 Dollar. Auch bei sinkenden Preisen könnten ein halbes bis ein Prozent der weltweiten Wirtschaftsleistung für negative Emissionen nötig sein.
Die Tabelle nennt folgende Größenordnungen: (Wieder-)Aufforstung hat ein Potential von 0,5–10 Gt CO₂/Jahr, Kosten von 0–50 US$/t und Speicherzeiten von Dekaden bis Jahrhunderten. BECCS erreicht 0,5–11 Gt, 100–200 US$/t und Jahrtausende Speicherung. Für Ozean-Alkalisierung sind 1–100 Gt, 14–500 US$/t und Jahrhunderte angegeben; für beschleunigte Verwitterung etwa von Basalt 2–4 Gt, 50–200 US$/t und Jahrhunderte. PyCCS liegt bei 0,3–6,6 Gt, 30–120 US$/t und Jahrhunderten. Veränderte Landnutzung liegt bei 2–5 Gt, 0–100 US$/t und Jahren bis Jahrzehnten. DACCS wird mit 5–40 Gt, 100–300 US$/t und Jahrtausenden Speicherungsdauer angegeben.
