Ökonomische Aspekte des Climate Engineering

Climate Engineering umfasst sowohl Maßnahmen zur Reduktion der atmosphärischen Kohlenstoffkonzentration (Carbon Dioxide Removal, CDR) als auch Maßnahmen zur direkten Beeinflussung der Strahlungsbilanz (Radiation Management). Diese Maßnahmen werden als mögliche Ergänzung oder sogar als Ersatz zu bzw. von Maßnahmen zur Emissionskontrolle betrachtet. Wirtschaftswissenschaftliche Forschung zu Climate Engineering beschäftigt sich mit den operativen Kosten, den gesamtwirtschaftlichen Kosten und den stragetischen Implikationen für die Klimapolitik.

Operative Kosten des Climate Engineering

Zu den operationalen Kosten der verschiedenen Maßnahmen liegen bislang noch kaum belastbare Informationen vor. Zwar gibt es vorläufige Schätzungen, aber diese berücksichtigen keine Einflüsse wie Preiseffekte oder Skaleneffekte. Bei ersterem kommt es durch entsprechende Auswirkungen auf anderen Märkten zu einer erheblichen Veränderung der Preise für Einsatzgüter für die Maßnahme mit entsprechenden Kostensteigerungen. Auf einigen Rohstoff- und Gütermärkten würde die Nachfrage drastisch ansteigen, so dass entsprechende Preissteigerungen nicht vermeidbar sind. Preiseffekte ergeben sich auch auf der Finanzierungsseite, insbesondere wenn man berücksichtigt, dass mit zahlreichen Maßnahmen erhebliche Investitionsaufwendungen verbunden sind, die auch bei staatlicher Absicherung des Kreditrisikos die Kapitalkosten signifikant erhöhen können. Diese Marktmechanismen haben also zur Folge, dass die Betriebskosten der CE-Technologien bisher unterschätzt werden.

Die Bedeutung der ignorierten Preiseffekte lässt sich beispielsweise anhand der chemischen Verfahren zur marinen Kohlenstoffaufnahme im Ozean illustrieren. Für signifikante Reduktionen der atmosphärischen Kohlenstoffkonzentration würde bei direkter Ausbringung des Kalksteins in pulverisierter Form die zu bewegende Menge etwa 2/3 der jährlichen globalen Steinkohleförderung entsprechen. Die Realisierung dieser Technologien würde also eine massive Ausweitung der Produktionskapazitäten von Ausrüstungsgütern für den Bergbau und der Werften erfordern. Diese Expansion wird erwartungsgemäß von deutlichen Preissteigerungen auf diesen Märkten begleitet.

Neben den nachfrageinduzierten Preissteigerungen können aber auch Skaleneffekte bei den verschiedenen Technologien auftreten. Während bei bewährten technischen Komponenten wie Schiffen oder Flugzeugen erwartet wird, dass die Preiseffekte dominieren, können bei neueren Technologiekomponenten auch die Skaleneffekte dominieren, so dass diese im Zeitablauf zu geringeren Kosten produziert werden können als zu Beginn der Entwicklungsphase. So schätzt z.B. Lackner (2010) , dass bei einer großskaligen Anwendung von Air Capture die Betriebskosten von 200 USD auf bis zu 30 USD pro Tonne CO2 sinken können. Allerdings beschränkt sich diese Einschätzung bei Air Capture auf die Adsorptionstechnologie und berücksichtigt nicht die möglicherweise steigenden Lagerkosten bei einer großskaligen Anwendung.

Hinzu kommen konzeptionelle Probleme. Während die Kosten für CDR Maßnahmen üblicherweise in CO2 Einheiten (d.h. pro Tonne CO2) gemessen werden, misst man die Kosten für RM Maßnahmen in Veränderungen in der Strahlungsbilanz (d.h. in Watt pro Quadratmetern). Dabei werden wichtige Wechselwirkungen nicht berücksichtigt. Zum Beispiel würden großskalige Aufforstungsmaßnahmen dazu führen, dass relative helle Flächen (zum Beispiel Grassflächen) durch relativ dunkle Flächen (eben Wald) ersetzt werden so dass sich die Albedo der Erde verringert. Entsprechend verringert sich auch die Effektivität von Aufforstungsmaßnahmen zur Reduktion der Erdtemperatur, da der positive Einfluss auf die CO2-Konzentration durch den negativen Einfluss auf die Albedo teilweise aufgehoben wird. Umgekehrt wird erwartet dass es beim Einsatz von RM Maßnahmen durch die Kombination aus CO2-Düngeeffekt sowie der Absenkung der Temperatur zu einer erhöhten Aufnahme von CO2 durch die terrestrische Senke kommt. Dementsprechend erhöht sich die Effektivität von RM Maßnahmen da der direkte Einfluss auf die Temperatur zusätzlich durch den senkenden Einfluss auf die atmosphärische CO2-Konzentration ergänzt wird.

Versucht man nun die Kosten entsprechend umzurechnen, d.h. zum Beispiel die Kosten für CDR Maßnahmen in Einheiten der Strahlungsbilanz auszudrücken, ergibt sich das Problem einen angemessen Vergleichszeitraum zu definieren. Während vereinfacht gesagt eine Tonne CO2 nur "einmal" aus der Atmosphäre entnommen werden muss, bedarf es im Gegensatz dazu den Einsatz von RM Maßnahmen so lange durchzuführen bis sich diese Tonne CO2 natürlich abgebaut hat. Daher muss man RM Maßnahmen, trotz derer positiver Rückkopplung auf die natürliche CO2-Aufnahme, deutlich länger durchführen als CDR Maßnahmen. Aus diesem Grund kommt es bei einem zu kurzen Vergleichszeitraum zu einer Unterschätzung der Kosten für RM Maßnahmen. Die Royal Society (2009) berücksichtigt in ihrer Studie zum Beispiel nur einen Zeitraum bis Jahr zum 2100 und ignoriert damit die Kosten für RM Maßnahmen, die über diesen Zeitraum hinaus notwendig sind, sollte es zu keiner Reduktion der Emissionen kommen.

Solche Überlegungen zeigen, dass die Abschätzungen über die operativen Kosten verschiedener Maßnahmen des Climate Engineering noch mit erheblichen Unsicherheiten verbunden sind. Allerdings kann man aufgrund des verschiedenen Ansatzes der beiden Maßnahmengruppen sehr wohl einige grundsätzliche Überlegungen ableiten. Es existieren verschiedene CDR Maßnahmen (Aufforstung, Herstellung von Biokohle, Eisendüngung im Ozean) deren Kosten in etwa vergleichbar sind mit den Kosten herkömmlicher Maßnahmen zur Einschränkung der CO2-Emission. Damit sich aber spürbare Auswirkungen im Klima ergeben, müssen relativ große Mengen CO2 aus der Atmosphäre entfernt werden (einige hundert Gigatonnen CO2). Im Gegensatz dazu gibt es verschiedene RM Maßnahmen (z.B. Schwefelinjektion in die Stratosphäre) bei denen relativ geringe Mengen (weniger als 100 Megatonnen SO2) bewegt werden müssen, damit es zu einer spürbaren Veränderung im Klima kommt. Dementsprechend können solche RM Maßnahmen in etwa um den Faktor 1000 günstiger sein als CDR Maßnahmen. Diese Einschätzung ist aber nur gültig wenn man über die operativen Kosten spricht und die gesamtwirtschaftlichen Kosten außer Acht lässt.

Gesamtwirtschaftliche Kosten des Climate Engineering

Insbesondere in der umweltökonomischen Analyse erfordern effiziente Entscheidungen die Berücksichtigung der gesamtwirtschaftlichen Kosten. Die gesamtwirtschaftlichen Kosten ergeben sich aus der Summe der operativen Kosten und der Kosten, die mit externen Effekten verbunden sind. Solche externen Effekte können sowohl negativ als auch positiv sein, d.h. entweder mit zusätzlichen Kosten oder eben auch Erträgen verbunden sein.

Bei den externen Effekten des Climate Engineerings kann man zusätzlich zwischen direkten und indirekten externen Effekten unterscheiden. Die direkten externen Effekte beziehen sich zum Beispiel auf die Schäden, die sich durch die Ausbringung eines Materials auf die Umwelt ergeben. Unter den indirekten externen Effekten werden Wirkungen verstanden, die sich durch Rückkopplungseffekte des Klimasystems ergeben und regional unterschiedlich ausfallen können. Diese indirekten klimatischen externen Effekte treten bei den RM-Technologien auf.

Die direkten externen Effekte ergeben sich bei RM Maßnamen also zum Beispiel durch das Ausbringungsmaterial. Bringt man Schwefel- oder andere Partikel in die Strasphäre ein um einfallendes Sonnenlicht zu reflektieren wird natürlich auch das optische Erscheinungsbild des "Himmels" beeinflusst und es kommt zu einem "weniger blauen" Himmel, aber dafür stärkeren und häufigeren "roten" Sonnenuntergängen . Auch würde die Ausbringung von Schwefelpartikeln den Wiederaufbau der Ozonschicht verlangsamen, so dass sich die Schließung des Ozonlochs über der Arktik um bis zu 70 Jahre verzögern könnte .

Diese direkten externen Effekte müssen natürlich berücksichtigt werden, allerdings geht man davon aus, dass insbesondere die indirekten externen Effekte ein erhebliches Potential für die gesamtwirtschaftlichen Kosten aber auch Erträge haben. So kommt es bei dem Einsatz von RM Maßnahmen zu der Herstellung eines künstlichen Klimas, dass wir "so" noch nicht hatten. Zum Beispiel ist es eben möglich bei relativ hoher CO2-Konzentration eine vergleichbare niedrige Temperatur zu haben. Dementsprechend besteht eine große Unsicherheit darüber wie dieses "künstliche" Klima dann wirklich aussieht.

Allerdings geht man davon aus, dass es bei Reduktion der Temperatur durch RM Maßnahmen zu einer verstärkten Reduktion von Niederschlägen kommt. Der Grund ist, dass der hydrologische Kreislauf einmal direkt durch die CO2-Konzentration beeinflusst wird und einmal indirekt durch die mit einer erhöhten CO2-Konzentration verbundenen höheren Temperatur. Der erste Effekt reduziert die Aktivität des hydrologischen Kreislaufs, der zweite Effekt erhöht die Aktivität des hydrologischen Kreislaufs. Der zweite Effekt ist stärker. Entsprechend erwartet man im Rahmen des Klimawandels eine Erhöhung der Niederschläge. Reduziert man aber nun die Temperatur durch den Einsatz von RM-Maßnahmen, bleibt der CO2-Einfluss auf den hydrologischen Kreislauf bestehen und dementsprechend erwartet man eine Reduktion der Niederschläge.

Hinzu kommt, dass die erhöhte CO2 Konzentration einen relativ gleichmäßigen Einfluss auf die Strahlungsbilanz ausübt. Im Gegensatz haben RM-Maßnahmen ihren stärksten Einfluss in Gebieten mit hoher Sonneneinstrahlung. Daher erwartet man, dass es bei einem Einsatz von RM-Maßnahmen zu einer Reduktion des Temperaturgradienten von den Polen zum Äquator kommt und damit auch zu Veränderungen in der Zirkulation von Luftmassen in der Atmosphäre mit entsprechenden Auswirkungen auf regionale Klimaveränderungen. Vereinfacht gesagt, wenn man durch den Einsatz von RM-Maßnahmen sicherstellen will, dass die Temperatur an den Polen auf den vorindustriellen Wert reduziert wird, muss man die Tropen quasi "überkühlen".

Grundsätzlich muss eine solche Reduktion des Temperaturgradienten aber nicht zwingend mit gesamtwirtschaftlichen Kosten verbunden sein. Zahlreiche Studien zeigen, dass es im Hinblick auf Produktivität gewissermaßen eine optimale Temperatur gibt, die in etwa der Temperatur in den mittleren Breiten entspricht. Das bedeutet, dass durch den Einsatz von RM-Maßnahmen möglicherweise mehrere Regionen auf der Erde ein "optimales Klima" bekommen würden.

Solche Aussagen sind natürlich reine Spekulation, da wir sehr wenig darüber wissen, wie sich die Veränderung des Temperaturgradienten und die damit verbundene Veränderung der Zirkulation von Luftmassen in der Atmosphäre regional auswirkt. Allerdings kann man davon ausgehen, dass verschiedene Regionen sehr unterschiedlich beeinflusst werden und dass es Gewinner und Verlierer beim Einsatz von RM-Maßnahmen gibt.

Aber auch mit CDR Maßnahmen sind externe Effekte verbunden. Bei der Aufforstung und der Produktion von Biokohle ergeben sich Verteilungseffekte durch Landnutzungskonflikte. Kostengünstige Aufforstungsmaßnahmen werden über kurz oder lang in Konkurrenz zur Nutzung von fruchtbarem Ackerland für die Nahrungsmittelproduktion treten. Die damit einhergehende Steigerung der Nahrungsmittelpreise würde auch eine Gefahr für die Ernährungssicherheit vieler Regionen darstellen.

Bei der ozeanischen Eisendüngung wird in sensible marine Stoffkreisläufe eingegriffen, die zur Veränderung des marinen Ökosystems führen würden. Diese Veränderungen führen nicht nur dazu, dass zum Beispiel mehr Methan freigesetzt wird und dadurch die Effektivität der Eisendüngung reduziert wird, sondern stellen auch Risiken für die marine Biodiversität dar. Allerdings sind viele der möglichen Konsequenzen noch nicht verstanden und es ist ebenfalls möglich, dass etwa verschiedene Fischbestände oder auch die Walpopulation profitieren könnte.

Bei auf chemischen Prozessen basierenden Maßnahmen, wie dem ozeanischen Alkalinitätsmanagement oder dem Air Capture, erwartet man vergleichsweise geringe Nebeneffekte. Wie oben angesprochen können diese Maßnahmen zwar erhebliche gesamtwirtschaftliche Kosten haben, allerdings erwartet man keine oder nur geringe ökologische Auswirkungen. Im Gegenteil, ozeanisches Alkalinitätsmanagement hätte den Vorteil die ozeanische Versauerung einzudämmen und damit zumindest in dieser Hinsicht keine externen Kosten, sondern externe Erträge zu verursachen.

Climate Engineering und Klimapolitik

Aufgrund der Unsicherheit über die gesamtwirschaftlichen Kosten gibt es bislang kaum quantitative Analysen zum Einsatz vom Climate Engineering. Zwar gibt es einige Studien, die den Einsatz von Climate Engineering im Rahmen des DICE-Modells (Integrated Assessment Modell zur Analyse von Klimapolitik von William Nordhaus (Homepage of William Nordhaus)) untersuchen, allerdings sollten die Ergebnisse dieser Studien ebenfalls nur qualitiv interpretiert werden. Darüber hinaus beschäftigten sich die meisten Studien mit RM-Maßnahmen. Daher folgt jetzt eine kurze Einschätzung der CDR-Maßnahmen, bevor ebenfalls etwas ausführlicher auf die RM-Maßnahmen eingegangen wird.

Das Potential von CDR-Maßnahmen ist zu klein als dass es der Einsatz dieser Maßnahmen erlauben würde, dass die Gesellschaft auf Emissionskontrolle verzichten könnte. Nichtsdestotrotz kann der Einsatz von CDR-Maßnahmen relativ teure Maßnahmen zur Emissionskontrolle ersetzen und damit flexiblere und kostengünstigere Emissionspfade erlauben. Der Einsatz von CDR-Maßnahmen erlaubt es zum Beispiel "Zeit zu kaufen" um effiziente Maßnahmen zur Emissionskontrolle und -vermeidung zu implementieren oder eben auch einen effektiven Einfluss auf die atmosphärische CO2-Konzentration in Rahmen eines nicht-globalen Ansatzes zur Emissionskontrolle zu haben.

Während damit CDR-Maßnahmen die optimale Klimapolitk nur wenig verändern, stellen RM-Maßnahmen eine fundamental neue Option für die Klimapolitik dar. RM-Maßnahmen sind so effektiv, dass sie es zum einen erlauben würden, dass nur ein Land oder eine kleine Gruppe von Ländern die Kontrolle über das Klima übernimmt und zum anderen, dass das Klima sehr schnell beeinflusst werden kann. Insbesondere die schnelle Beeinflussung des Klimas verändert das Klimaproblem insofern als dass mit den RM-Maßnahmen gewissermaßen eine Versicherung gegen katastrophalen Klimawandel zur Verfügung steht.

Moreno-Cruz und Keith (2012) untersuchen diese Frage mit Hilfe eines intertemporalen Modells, bei dem zu einem späteren Zeitpunkt die Unsicherheit über die Klimasensitivität aufgehoben wird und entsprechend mit einem Einsatz von RM reagiert werden kann. Ohne RM sind deutlich größere Emissionsreduktionen notwendig als bei der Verfügbarkeit dieser RM-Maßnahmen. Sie zeigen, dass die Verfügbarkeit von RM-Technologien als eine Form der Versicherung gegen unsicheren, beziehungsweise abrupten, also unerwarteten Klimawandel angesehen werden kann.

Dabei ist der optimale Umfang der RM-Maßnahmen umso höher (und entsprechend das Ausmaß der Vermeidung umso niedriger), je geringer der Schaden der RM-Maßnahmen ist, und je höher ihre Effektivität ist. Aber auch wenn die Effektivität der gewählten RM-Technologie gering ist und die direkt damit verbundenen Schäden durch Nebeneffekte hoch sind, bleibt es optimal, RM bei hoher Klimasensitivität einzusetzen, wenn die Schäden durch den Klimawandel konvex zunehmen. Allerdings verliert der Versicherungscharakter von RM an Bedeutung, wenn die Unsicherheit über dessen Effektivität und Schäden zunimmt. Dementsprechend werden die Emissionen wieder stärker reduziert. Es entsteht also ein Trade-off zwischen dem Risiko eines möglicherweise katastrophalen Klimawandels und dem Risiko möglicherweise weitreichender Nebeneffekte durch den RM-Einsatz. Im Hinblick auf die Kombination aus Politiken der Kontrolle von Emissionen und von RM, argumentieren Moreno-Cruz und Keith (2012), dass es sich bei den beiden Maßnahmen um Risikokomplemente handelt.

Das Risiko eines Einsatzes von RM bezieht sich aber nicht nur auf deren Effektivität oder mögliche Nebenwirkungen, sondern auch auf die Möglichkeit einer Unterbrechung der Maßnahmen. Der Abbruch von CDR-Maßnahmen würde zwar wegen des möglicherweise hohen Kapitaleinsatzes wirtschaftliche Verluste verursachen, hätte aber keine unmittelbaren Auswirkungen auf das Klima. Im Gegensatz dazu führt ein Abbruch von RM zu einem relativ schnellen und drastischen Klimawandel. Mit der Absicherung gegen Klimarisiken entstehen entsprechende neue Abhängigkeiten; denn die RM-Maßnahmen müssen, wenn sie einmal begonnen wurden, über lange Zeit aufrechterhalten werden (lock-in-Effekt).

Diese qualtitativen Überlegungen basieren auf Wohlfahrtsveränderungen auf globaler Ebene. Wie aber bereits oben angesprochen, würde ein Einsatz von RM-Maßnahmen zu einer regional unterschiedlichen Veränderung von Klimavariablen führen. Dementsprechend beschäftigten sich ökonomische Analysen auch mit den Verteilungseffekten von RM-Maßnahmen. Moreno-Cruz et al. (2010) untersuchen inwieweit es durch den Einsatz von RM möglich ist eine Verbesserung der globalen Wohlfahrt herzustellen, bei der keine Region auf der Welt schlechter gestellt ist als in einer Situation mit Klimawandel aber ohne den Einsatz von RM-Maßnahmen (Pareto-Verbesserung). In ihrer Analyse berücksichtigen Moreno-Cruz sowohl Veränderungen in der regionalen Temperatur, als auch in regionalen Niederschlägen und identifizieren einen Level von RM Einsatz der bei etwa 70 bis 80 Prozent des optimalen Levels liegen würde, bei dem allerdings keine Region schlechter gestellt wäre im Vergleich zum vorindustriellen Klima.

Allerdings berücksichtigen Moreno-Cruz et al. (2012) in ihrer Studie nur die regionale Veränderung in Klimavariablen und nicht deren ökonomische Auswirkungen. So ist es nicht unwahrscheinlich, dass einzelne Regionen viel stärker von Niederschlagsveränderungen beeinträchtigt sind, während für andere Regionen eher Veränderungen der Temperatur bedeutend sind. Außerdem berücksichtigen sie in ihrer Analyse keine Anpassungs- und Markteffekte. Wie bereits oben angesprochen, lassen sich die gesamtwirtschaftlichen Kosten erst unter Berücksichtigung der Markteffekte richtig abschätzen. So könnte es zwar sein, dass der Klimawandel in Afrika zu einer Verringerung der Agrarproduktion führt, dass die damit verbundenen Preissteigerungen für Agrargüter aber im Endeffekt dazu führt, dass diese Region von moderatem Klimawandel sogar profitiert. Ähnliche Effekte sind in anderen Regionen zu erwarten, wo zum Beispiel durch den Rückgang von Eisbedeckung neue Rohstoffquellen erschlossen werden. Dementsprechend muss bei regionalen Wohlfahrtsabschätzung auch die Existenz von "Klimawandel-Gewinnern" berücksichtigt werden, die bei einem moderaten Klimawandel sicherlich kein Interesse an einem Einsatz von RM-Maßnahmen hätten.

Diese Überlegungen sind aber nur ein sehr kleiner Ausschnitt aus der Climate Engineering Debatte. Nicht nur sind hier zahlreiche ökonomische Überlegungen verkürzt dargestellt worden, sondern die Debatte um eine mögliche Vorteilhaftigkeit verschiedener Climate Engineering und insbesondere RM-Maßnahmen bedarf natürlich auch der Berücksichtung von Argumenten aus den Sozial-, Rechts-, Politikwissenschaften und wirft nicht zuletzt auch zahlreiche ethische Fragen auf. Die ökonomische Analyse kann einen wichtigen Beitrag für die Debatte leisten, insbesondere wenn es darum geht verschiedene Argumente gegeneinander abzuwägen. Daher ist es besonders wichtig, dass zukünftige ökonomische Analysen vor allem verbesserte integrated assessment Modelle entwickeln, die es erlauben die regional unterschiedliche Veränderung verschiedener Klimavariablen in gesamtwirtschaftlichen Kosten zu bewerten.