Kohlendioxidentzug durch Aufforstung

Abb. 1: Totholz im Laubwald

Terrestrischer Kohlendioxidentzug

Aufforstung und Wiederaufforstung sind in der Lage, erhebliche Mengen an Kohlendioxid, das der Mensch zuvor emittiert hat, der Atmosphäre durch Photosynthese wieder zu entziehen. Die forstwirtschaftlichen Maßnahmen gehören zu den Methoden der Entnahme von Kohlendioxid aus der Atmosphäre mit langfristiger Speicherung (engl. Carbon Dioxide Removal (CDR)), zu denen etwa auch die Speicherung von CO₂ in Holzprodukten, der Anbau von Energiepflanzen mit anschließender Speicherung von CO₂ in geologischen Schichten (Bioenergy with carbon dioxid capture and storage, BECCS), die Ausbringung von Biokohle auf Ackerflächen oder die direkte CO₂-Entnahme aus der Atmosphäre mit anschließender geologischer Speicherung (Direct air capture with carbon storage, DACCS) zählen. Neben diesen terrestrischen Formen der Speicherung von CO₂ aus der Atmosphäre gibt es auch verschiedene marine CDR-Verfahren, bei denen Kohlendioxid im Meer gespeichert wird.

Der Weltklimarat IPCC definiert CDR folgendermaßen: CDR bezieht sich auf anthropogene Aktivitäten, die CO₂ aus der Atmosphäre entfernen und es dauerhaft in geologischen, terrestrischen oder ozeanischen Reservoirs oder in Produkten speichern. Es umfasst die bestehende und potenzielle anthropogene Verstärkung biologischer, geochemischer oder chemischer CO₂-Senken, schließt jedoch die natürliche CO₂-Aufnahme aus, die nicht direkt durch menschliche Aktivitäten verursacht wird. Unter der natürlichen CO₂-Aufnahme wird dabei eine Speicherung von Kohlendioxid verstanden, die nicht durch direkte menschliche Maßnahmen, sondern vor allem durch den höheren CO₂-Gehalt der Atmosphäre ('CO₂-Düngung') oder günstigere klimatische Bedingungen in höheren Breiten infolge des Klimawandels (höhere Temperaturen und längere Wachstumszeiten) bedingt ist. Unter Aufforstung versteht man die Ansiedlung von Wäldern oder Plantagen dort, wo für mindestens 50 Jahre kein natürlicher Waldbewuchs stattgefunden hat (Afforestation), als Wiederaufforstung wird die Anlage neuer Wälder auf Flächen verstanden, die in den letzten 50 Jahren entwaldet wurden (Reforestation).

Tab. 1: Aktuelle und zukünftige CO₂-Entnahme durch CDR-Methoden. Werte nach: 1) Powis et al. (2023); 2) IPCC AR6, WGIII (2022): Table TS.7; 3) IPCC AR6, WGIII (2022): 7.4.5.3

Die gegenwärtige CO₂-Aufnahme durch CDR-Methoden wird auf rund 2 Gt CO₂/Jahr geschätzt, bei fast 40 GtCO₂-Emissionen vor allem durch die Nutzung fossiler Energieträger. Fast die gesamte CO₂-Aufnahme durch CDR erfolgt gegenwärtig durch Aufforstung und Wiederaufforstung. Daneben spielt noch die Verwertung in Holzprodukten wie Möbel oder Bauholz eine gewisse Rolle. Technisch-basierte Methoden wie BECCS und DACCS tragen aktuell nur äußerst gering zur CO₂-Aufnahme aus der Atmosphäre bei (Tab. 1). Letzteres soll sich schon in den nächsten Jahren ändern. Nach Powis et al. (2023) befinden sich zahlreiche technik-basierte CDR-Projekte, in erster Linie BECCS-Maßnahmen, gegenwärtig im Entwicklungsstadium. Falls diese Projekte im Laufe dieses Jahrzehnts ihren Betrieb aufnehmen und keine neuen Projekte hinzukommen, können folgende Annahmen über die CO₂-Entnahme aus der Atmosphäre gemacht werden: BECCS könnte schon im Jahr 2024 auf ca. 11 Mio. t CO₂/Jahr ansteigen. Der Grund wäre fast ausschließlich die Fertigstellung des Summit Carbon Solutions BECCS-Projekts (USA), wozu die Inbetriebnahme von 30 gekoppelten Ethanolproduktions-Anlagen und die damit verbundene geologische Speicherung gehören. Bis 2030 könnten weitere Projekte und deren Ausbau die gesamte CO₂-Entnahme durch technik-basierte CDR-Maßnahmen wie BECCS und zunehmend auch DACCS auf über 22 Mio. t CO₂/Jahr erhöhen (Tab. 1). Für 2050 liegen die oberen und unteren Schätzungen des IPCC größtenteils weit auseinander. Der Grund sind unterschiedliche Kriterien bei der Berechnung wie z.B. technische Realisierbarkeit, Kosten, gesellschaftliche Akzeptanz etc.

Nebenwirkungen durch Aufforstung und Wiederaufforstung

Abb. 2: Ökosystemleistungen des Waldes am Beispiel von Deutschland

Bäume entziehen der Atmosphäre CO₂ durch Photosynthese und speichern es in Stämmen und Wurzeln relativ langfristig. Das Pflanzen von Bäumen kann daher einen wertvollen Beitrag leisten, den Klimawandel abzuschwächen. Außerdem reduzieren Bäume zahlreiche Folgen des Klimawandels und bieten eine Reihe anderer Ökosystemleistungen (Abb. 2). Sie spenden Schatten und Kühle gegen Hitzewellen, nehmen bei Starkniederschlägen Wasser auf und verhindern so Erosion und Hochwasser. Wiederaufforstung in stark degradierten Gebieten, besonders wenn sie mit einheimischen Arten erfolgt, erhöht zudem die biologischen Vielfalt, verbessert die Wasserfilterung und die Neubildung von Grundwasser. Auch in Städten mildern Bäume die Folgen von extremen Wetterereignissen ab, die zunehmend als Folge des Klimawandels auftreten, und sind ein guter Schutz gegen hohe Temperaturen und starke Überschwemmungen.

Andererseits kann die (Wieder-)Aufforstung in bestimmten Regionen auch zu erheblichen Problemen für Ökosysteme und menschliche Gemeinschaften führen. Das ist besonders der Fall, wenn es sich um nicht-heimische Arten, besonders Monokulturen, handelt, die in von Natur aus nicht mit Wald bestandenen Ökosystemen wie Grasländern, Buschland oder Savannen angesiedelt werden. Grasländer und Savannen sind in solchen Fällen besser in der Lage, in oberirdischen Pflanzen und in Böden Kohlendioxid zu binden als neu angepflanzte Bäume. Diese zerstören oft die natürlichen Ökosysteme und bedrohen die Biodiversität. Da solche offenen Landschaften sich zumeist in Gebieten mit geringem Niederschlag befinden und Bäume viel Wasser brauchen, verringern neue Bäume auch den Abfluss und reduzieren die Grundwassererneuerung. Außerdem können sie die häufigen Feuer in Savannen und Graslänern von Grass-Feuern zu Baum-Feuern verstärken und damit mehr CO₂-Emissionen bewirken.

Neben ökologischen kann eine großflächige Aufforstung auch zu erheblichen sozialen Problemen führen. Sie erfordert Land, das auch von anderen Nutzungen wie der Landwirtschaft gebraucht wird. Doelmann et al. (2020) gehen bei einer kumulativen CO₂-Speicherung von 410 GtCO₂ durch Aufforstung bis 2100 von einem Flächenbedarf von 1100 Mio. ha aus. Das größte Potential der CO₂-Speicherung durch Aufforstung liegt dabei in den Tropen und könnte hier auch am stärksten die Ernährungssicherheit gefährden. Das Ausmaß ist bislang unklar. Kreidenweis et a. (2016) halten z.B. bei einer großflächigen Aufforstung eine Vervierfachung der globalen Nahrungsmittelpreise für möglich. Die Aufforstung ist im Vergleich zu anderen Maßnahmen zum Schutz des Klimas wie die Elektrifizierung der Industrie, die Dekarbonisierung des Transports und die großskalige Anwendung erneuerbarer Energien verhältnismäßig billig.

Lateinamerika und Sub-Sahara-Afrika wären die Regionen mit dem größten Potential zur CO₂-Speicherung durch Aufforstung, da sich hier die größten geeigneten Ländereien befinden, wo durch die vorherrschenden klimatischen Bedingungen die Wälder im Vergleich zur gemäßigten und borealen Klimazone höhere Wachstums- und Speicherungsraten aufweisen. Die Folge wären jedoch höhere Nahrungsmittelpreise und ein erhöhtes Hunger-Risiko. Die durch Hunger gefährdete Bevölkerung könnte sich global durch Aufforstung um 441 Mio. Menschen bis 2100 erhöhen, statt, wie ohne Aufforstung angenommen, sich von ca. 800 Mio. in 2010 auf ca. 200 Mio. zu verringern. Die Mehrheit wäre in Sub-Sahara-Afrika und Südasien betroffen. Das erhöht in diesen Regionen allerdings auch das Risiko für eine langfristigen Bewaldung, zumal die verbreiteten schwachen staatlichen Strukturen eine spätere Umkehr der Landnutzung zurück zur Landwirtschaft kaum verhindern werden können. Gerade in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen können neu angelegte Wälder entgegen der vorherrschenden Meinung aber auch zur Ernährungssicherheit der Bevölkerung beitragen. So kommen Olesen et al. (2022) nach einer Sichtung von 65 Studien zu dem Ergebnis, das Wälder auch eine positive Wirkung auf die in ihnen oder in ihrer Umgebung lebende Bevölkerung haben. Zum einen stellen sie direkt Nahrung aus dem Wald zur Verfügung wie Früchte und wilde Tiere. Zweitens wirken sich Wälder positiv durch Wasserspeicherung und Bodenverbesserung auf die umliegenden Ökosysteme und Anbaulächen aus und verringern die Bodenerosion. Und drittens bieten sie der ansässigen Bevölkerung Verdienstmöglichkeiten durch den Verkauf von Holz und anderen Waldprodukten.

Gefährdung von (Wieder-)Aufforstungen

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, etwa in Indonesien, und verursachen CO₂-Emissionen. Dabei kann allerdings das im verwerteten Holz gespeicherte CO₂ durch eine langfristige Nutzung unter Umständen 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 Kohlendioxid direkt emittiert. Diese auf vorhandene Wälder bezogenen Risiken bestehen ebenso für Wälder, die mit der Absicht angelegt wurden, CO₂ aus der Atmosphäre zu entnehmen. In einer veränderten sozialen Lage kann die Nutzung von Waldflächen von der Politik oder der lokalen Bevölkerung neu bewertet und z.B. die Produktion von Nahrungsmitteln als wichtiger erachtet werden als der Klimaschutz (s.o.). 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 bedingt.

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 Walsflächen 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. Die steigenden CO₂-Konzentrationen wirken zudem als Dünger für die Vegetation. Uneinigkeit besteht noch darüber, wie groß dieser Effekt wirklich ist. In Feldexperimenten wie den „Free Air CO₂-Enrichment projects“ untersuchen Forscher in lokalen Studien die Langzeitwirkung erhöhter CO₂-Konzentrationen auf die Pflanzen und deren Limitierungen (z.B. durch begrenzte Stickstoffverfügbarkeit).

Rückwirkungen von Aufforstung auf das Klima

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

Im Rahmen von Climate Engineering sind Aufforstungen und Wiederaufforstungen primär 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 Kohlendioxid aus der Atmosphäre auf, sondern geben das Treibhausgas durch Verrottung und Veratmung teilweise auch wieder an die Atmsophäre ab. In geringem Maße sind Wälder auch eine Quelle von Methan (CH₄) und Distickstoffoxid (N₂O).

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 durch Wälder gegenüber einer kurzwüchsigen Pflanzenbedeckung. Dieser Effekt bewirkt, dass mehr warme Luft durch Turbulenzen nach oben gemischt wird, wodurch sich die unteren Luftschichten abkühlen.

Projektionen

Tab. 2: Technisches und ökonomisches Potential landbasierter CO₂-Speicherung für 2050. 1) Technisches Potential: die Möglichkeiten bei Anwendung der gegenwärtig zur Verfügung stehenden Technologien, 2) Ökonomisches Potential: das ökonomisch Machbare bei Kosten von 100 $ für die Abscheidung einer t CO₂. 3) IPCC AR6, WGIII (2022): Climate Change 2022. Mitigation of Climate Change, 7.4.2.2

Wo kann terrestrisches CDR stattfinden und was sind die Folgen?
Durch Aufforstung wird also nicht nur die Charakteristik der Landschaft durch die erneute Landnutzungsänderung geprägt, sondern vielmehr die Funktionsweise des Ökosystems Wald erheblich verändert. Um diese Auswirkungen abschätzen zu können, werden aufwendige Computersimulation erstellt, die bestimmten Landnutzungsszenarien in die Zukunft folgen. Hier stellt sich zuerst die Frage: Wo können diese großskaligen Aufforstungsgebiete liegen? Land- und Wasserresourcen sind knapp und sehr begehrt.

Die neuen RCP-Szenarien folgen detaillierten Annahmen über u.a. Bevölkerungswachstum, Energieverbrauch und Landnutzungsmuster zwischen 2006 und 2100. In RCP4.5 werden zum Beispiel Landwirtschaftsflächen durch Produktivitätssteigerungen aufgegeben, welche dann zur Aufforstung genutzt werden können.

Weiterhin werden neue idealisierte Szenarien entwickelt, um ein großes Spektrum an möglichen zukünftigen Landnutzungsformen und -mustern abzudecken, welche im Rahmen des Climate Engineerings eingesetzt werden könnten. Diese werden zum Beispiel mit dem Dynamischen Vegetationsmodell LPJmL (Lund-Potsdam-Jena managed Land Dynamic Global Vegetation and Water Balance Model) simuliert. Dieses Modell kann nicht nur die natürliche Vegetation, sondern auch Landnutzung (u.a. Landwirtschaft und Bioenergiepflanzenanbau) in Abhängigkeit von Wasser- und Klimakonditionen berechnen. Die zugrunde liegenden Annahmen können dabei völlig utopisch sein (z.B. unbegrenzte Bewässerung und Düngung oder die Wiederbewaldung sämtlicher historischer Waldflächen), um die maximalen Potentiale der terrestrischen Biomasseproduktion am Ende des 21sten Jahrhunderts bestimmen zu können. Da wir von CDR als eine „Notmaßnahme“ im Rahmen des Klimaengineerings absehen, werden alle Aufforstungsmuster nur zwischen den Jahren 2040 und 2060 graduell eingeführt und dann bis 2100 bewirtschaftet.

Diese Szenarien werden dann durch spezielle Einschränkungen begrenzt. Diese Begrenzungen berücksichtigen unter anderem die Sicherstellung der Ernährung der Weltbevölkerung, den Biodiversitäts- und Ökosystemschutz, die Vermeidung negativer biogeophysikalischer Effekte (z.B. die Herabsetzung der borealen Albedo, Taiga-Tundra-Feedback, siehe Abb. 2), sowie länderspezifische Bestimmungen (z.B. durch das wirtschaftliche System und technischen Fortschritt). Dieser Szenarienraum erlaubt es dann, möglichst viele Facetten der Mensch-Ökosystem-Interaktionen und Transitionen zu beleuchten, um die Auswirkungen auf das Erdsystem verstehen zu können (sie auch [Rockström 2009]). Die Wechselwirkungen mit dem Klima, die durch die Aufforstung selbst (u.a. durch die Änderung der Albedo und Feuchteflüsse, sowie Landnutzungsemissionen) und das aufgenommene CO₂ entstehen, werden zudem mit komplexen globalen Klimamodellen simuliert und ausgewertet. (Max Planck Institute Earth System Model, MPI-ESM.

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Kontakt: Dieter Kasang