Land based climate change mitigation : Modeling bioenergy production, afforestation and avoidance of deforestation ; Landbasierter Klimaschutz : Modellierung von Bioenergie Produktion, Aufforstung und Vermeidung von Entwaldung
Die weltweite Nahrungsmittelnachfrage wird in den kommenden Jahrzehnten aufgrund einer wachsenden und zugleich wohlhabenderen Weltbevölkerung voraussichtlich steigen. Neben der Landwirtschaft könnten im Verlauf des 21. Jahrhunderts ambitionierte Klimaschutzziele die Landnutzung durch den Menschen weiter erhöhen. Bioenergienutzung in Kombination mit Kohlenstoffabschneidung (CCS), Aufforstung und Vermeidung von Entwaldung sind die derzeit am stärksten diskutierten landbezogenen Klimaschutzmaßnahmen. Um diese landbezogenen Maßnahmen bewerten zu können, ist es entscheidend deren Minderungspotenzial und Flächenbedarf unter Berücksichtigung von Interaktionen mit dem traditionellen Agrarsektor zu untersuchen. Zum Beispiel könnten landbezogene Klimaschutzmaßnahmen mit der Nahrungsmittelproduktion um Land konkurrieren und somit Anreize für verstärkte Investitionen in die Agrarforschung zur Ertragserhöhung schaffen. Daher lautet die übergeordnete Fragestellung dieser Dissertation: Wie groß ist das globale Potenzial von landbezogener Kohlenstoff-Emissionsminderung im 21. Jahrhundert, wie groß ist der damit einhergehende Flächenbedarf und was sind die Auswirkungen auf den Agrarsektor? Die übergeordnete Fragestellung ist in fünf spezifische Forschungsfragen untergliedert: (1) Was können globale Wald- und Landschutzprogramme zur Minderung von Kohlenstoff-Emissionen beitragen? (2) Wie viel Bioenergie kann zu welchem Preis angeboten werden, mit und ohne Bepreisung von Treibhausgas-Emissionen aus der Landnutzung? (3) Wie beeinflusst Bewässerung in der Bioenergieproduktion Land- und Wasserressourcen und was sind die Auswirkungen auf Bioenergiepreise? (4) Welches Land wird für Aufforstung und Bioenergienutzung mit CCS für welche Kohlenstoffdioxidentfernung aus der Atmosphäre benötigt? (5) Welche direkten und indirekten Effekte hat moderater Klimawandel auf terrestrische Kohlenstoffspeicher und was sind die Konsequenzen für landbezogene Kohlenstoff-Emissionsminderung? Um diese Forschungsfragen zu beantworten, verwendet diese Dissertation Methoden der modellbasierten Computersimulation und Szenarienanalyse. Von zentraler Bedeutung ist dabei das Modell MAgPIE (Model of Agricultural Production and its Impacts on the Environment), ein räumlich explizites ökonomisches Landnutzungsmodell mit globaler Abdeckung für Simulationen bis zum Jahr 2100. MAgPIE optimiert Landnutzungsmuster mit dem Ziel die globalen landwirtschaftlichen Produktionskosten zu minimieren und berechnet die damit einhergehenden Treibhausgas-Emissionen. Darüber hinaus ermittelt MAgPIE ökonomische Indikatoren, wie z.B. Bioenergiepreise. Die Modellsimulationen unterliegen sozioökonomischen Annahmen wie der zukünftigen Nahrungsmittelnachfrage, und Annahmen zur Klimapolitik wie Bioenergienachfrage und Treibhausgaspreise. Bei der Bepreisung von Emissionen kann das Modell endogen Kohlenstoffdioxid-Emissionen (CO2) aus Entwaldung verringern. Für diese Dissertation wurde das existierende Modell um großskalige Aufforstung als Option zur Kohlenstoffdioxidentfernung erweitert. (1) Die MAgPIE-Ergebnisse zeigen, dass die Bepreisung von CO2-Emissionen aus Entwaldung Landnutzungsänderungen und damit verbundene CO2-Emissionen substanziell verringern kann. Allerdings sind die Emissionen aus Landnutzungsänderungen immer noch beträchtlich, da die landwirtschaftliche Expansion teilweise auf andere Landtypen als Wald verlagert wird. Umfangreichere Landschutzprogramme können die Emissionen aus Landnutzungsänderungen weiter reduzieren, erfordern jedoch höhere Produktivitätssteigerungen im Agrarsektor. (2) Ohne Bepreisung von Treibhausgas-Emissionen steigen die Angebotspreise für moderne Bioenergie annährend linear mit der Bioenergienachfrage. Bei Bepreisung von Treibhausgas-Emissionen aus der Landnutzung wird dieser Zusammenhang nichtlinear, da der Preis auf CO2-Emissionen die Verfügbarkeit von Wäldern für die landwirtschaftliche Expansion verringert. (3) Ein Verbot von bewässerter Bioenergieproduktion kann zusätzlichen Druck auf die globalen Wasserressourcen in Flüssen und Seen verringern, erhöht jedoch den Flächenbedarf für Bioenergieproduktion beträchtlich, was sich in höheren Angebotspreisen für Bioenergie widerspiegelt. (4) Das kumulative Potenzial für Kohlenstoffdioxidentfernung pro Flächeneinheit ist bei Bioenergienutzung mit CCS etwa 4 bis 5 Mal höher als bei großskaliger Aufforstung, da ein Stück Land mehrmals für Bioenergieproduktion, aber nur einmal für Aufforstung benutzt werden kann. Allerdings ist Bioenergienutzung mit CCS nur bei relativ hohen CO2-Preisen kosteneffizient. (5) Moderater Klimawandel (RCP2.6) ist vorteilhaft für die globalen landwirtschaftlichen Erträge, was den landwirtschaftlichen Flächenbedarf und somit die Entwaldung verringert. Daher haben direkte Klimawirkungen auf landwirtschaftliche Erträge indirekte Effekte auf die terrestrische Kohlenstoffbilanz. Allerdings erhöhen solche vorteilhaften Klimawirkungen auf terrestrische Kohlenstoffspeicher das Potenzial von landbezogener Kohlenstoff-Emissionsminderung nur marginal, da das Potenzial bereits ohne weiteren Klimawandel groß ist. ; Global food demand is projected to increase in the coming decades due to a growing and more affluent world population. In addition to agriculture, ambitious climate targets could further increase anthropogenic land-use in the course of the 21st century. Currently, bioenergy use in combination with Carbon Capture and Storage (CCS), afforestation and avoidance of deforestation are the most discussed land-based mitigation options. To evaluate these land-based options, it is crucial to investigate their mitigation potential and land requirement under consideration of interactions with the traditional agricultural sector. For instance, land-based mitigation might compete for land with food crop production, which could trigger investments in agricultural R&D targeted at yield increases. Thus, the overarching research question of this thesis is: What is the global potential of land-based carbon mitigation in the 21st century, what are the associated land requirements and what are the implications for the agricultural sector? The overarching research question is subdivided into five specific research questions: (1) What is the carbon mitigation potential of global forest and land-use protection schemes? (2) How much bioenergy can be supplied at what price, with and w/o GHG emissions pricing in the land system? (3) How does irrigation in bioenergy production affect land and water resources, and what are the impacts on bioenergy prices? (4) How much land do afforestation and bioenergy with CCS require for how much carbon dioxide removal (CDR) from the atmosphere? (5) What are the direct and indirect effects of moderate climate change on terrestrial carbon stocks and what are the implications for land-based carbon mitigation? To answer these research questions, this thesis employs methods of model-based computer simulation and scenario analysis. Central to this thesis is the Model of Agricultural Production and its Impacts on the Environment (MAgPIE), a spatially explicit economic land-use model with global coverage for simulations up to the year 2100. MAgPIE optimizes land-use patterns with the objective of minimizing global agricultural production costs and calculates the associated GHG emissions. Furthermore, MAgPIE derives economic indicators, e.g. bioenergy prices. The model simulations are subject to socio-economic assumptions, such as future food demand, and climate policy assumptions, such as bioenergy demand and GHG prices. Under carbon pricing, the model features endogenous abatement of carbon dioxide (CO2) emissions through reduced deforestation. For this thesis, the existing model has been extended by large-scale afforestation as option for CDR. (1) The MAgPIE results indicate that a price on CO2 emissions from deforestation substantially reduces land-use change emissions. However, due to partial displacement of agricultural expansion to nonforest land types, land-use change emissions are still considerable. More comprehensive land-use protection schemes can further reduce land-use change emissions, but require larger productivity increases in the agricultural sector. (2) Without GHG emissions pricing, supply prices for modern bioenergy increase almost linearly with bioenergy demand. This relationship becomes non-linear under GHG emissions pricing in the land system since the price on CO2 emissions reduces the availability of forests for agricultural expansion. (3) Prohibition of irrigated bioenergy production can avoid additional pressure on global blue water resources, but considerably increases land requirements for bioenergy production, which is reflected in higher bioenergy supply prices. (4) The cumulative CDR per unit area from bioenergy use with CCS is 4-5 times higher compared to large-scale afforestation, since one unit of land can be used several times for bioenergy production but just once for afforestation. However, bioenergy with CCS is only cost-effective at relatively high carbon prices. (5) Moderate climate change (RCP2.6) has beneficial effects on global agricultural yields, which reduces agricultural land requirements and in consequence deforestation. Thus, direct climate impacts on agricultural yields indirectly affect the terrestrial carbon balance. However, such beneficial climate impacts on terrestrial carbon stocks only marginally increase the potential of land-based carbon mitigation since the potential is already large without further climate change.
