Modelle für den Klimawandel

Mit einer umfangreichen Computer-Simulation von Klima, globaler Wirtschaft und globalem Energiesystem haben Forscher des PSI gemeinsam mit Kollegen aus den USA, China, Irland, Finnland und Schweden unterschiedliche Möglichkeiten für eine Klimawende analysiert. Derzeit stößt die Menschheit 42 Milliarden Tonnen Kohlendioxid pro Jahr aus. Nur noch rund 300 bis 600 Milliarden Tonnen dürfen laut Berechnungen des Weltklima­rates IPCC seit 2020 noch dazu kommen, sonst wird das Ziel, die globale Erwärmung auf 1,5 Grad Celsius zu beschränken, kaum noch erreichbar sein. Dieser Schlussfolgerung schließt sich auch Evangelos Panos vom Labor für Energie­system­analysen des PSI an: „Es könnte knapp werden, denn in siebzig Prozent unserer Szenarien überschreitet die Welt in den nächsten fünf Jahren die 1,5-Grad-Celsius-Marke.“

Vor dem Hintergrund des Klimawandels sind zahlreiche politische, wirtschaftliche und gesellschaftliche Entscheidungen zu treffen. Diese sind allerdings mit zahlreichen Unsicherheiten behaftet. Verständlich, wenn Verantwortliche nach belastbaren Grundlagen für beispielsweise eine der zentralen Fragen suchen: Welche Massnahmen haben den größten Effekt und sind zudem ökonomisch vorteilhaft, um das Netto-Null-Emissionsziel zu erreichen, wie es sich etwa die Schweiz vorgenommen hat?

Antworten liefert nun eine grosse Computer-Simulation, die zu diesem Thema entwickelt wurde. Sie koppelt Klimamodelle mit ökonomischen Modellen und 1200 Technologien zur Bereitstellung und zur Nutzung von Energie sowie zur Reduktion der Emission von Treibhausgasen. Ein Supercomputer berechnete im Rahmen der Studie 4000 Szenarien für 15 Regionen der Erde und berücksichtigte dabei jeweils die möglichen Entwicklungen in Zehnjahres­schritten bis ins Jahr 2100. „Dafür braucht es ausgefeilte Datenanalyse- und Visualisierungs­techniken“, ergänzt Mitautor James Glynn, Leiter der Analyse­plattform für die Modellierung von Energiesystemen an der Columbia University in den USA. Die finale Datei umfasst 700 Gigabyte.

Was die Arbeit von Evangelos Panos und den Co-Autoren so besonders macht: Ihre integrierten Bewertungsmodelle berücksichtigen erstmals viele der Unsicherheiten, die in den Modellen stecken. Bisherige Szenarien gehen in der Regel davon aus, dass alle Parameter für die Zukunft bekannt wären, etwa, wann welche Technologien zur Verfügung stehen und was sie kosten oder wie gross die Ausbau­potenziale für erneuerbare Energien sind. Berechnungen des IPCC fokussieren zudem allein auf Technologie­optionen, also auf die Frage, welche Auswirkungen die Wahl bestimmter Technologien für das Klima hat.

Die Unsicherheiten in Klimamodellen und wie das Klima auf das Wirtschafts­wachstum reagiert, bleiben dabei ebenso außen vor wie viele weitere Unsicherheiten, etwa bezüglich Bevölkerungs­entwicklung oder politischer Maßnahmen. „Der wichtigste Beitrag unserer Forschungsarbeit besteht darin, dass er die politischen Entscheidungs­träger in die Lage versetzt, konkrete Entscheidungen über Klimamaßnahmen zu treffen, und zwar in voller Kenntnis der bestehenden Unsicherheiten“, betont Mitautor Brian Ó Gallachóir vom University College Cork.

Wenn Forscher Szenarien durchrechnen wollen, die viele Variablen und Unsicherheiten enthalten, greifen sie oft zur Monte-Carlo-Methode. Die Monte-Carlo-Methode sagt nicht die Zukunft voraus. „Sie spannt vielmehr eine Art Datenlandkarte mit Was-wäre-wenn-Entscheidungs­pfaden auf“, so Evangelos Panos. So auch in der aktuellen Studie: Das Team variierte für jedes Szenario 72.000 Variablen. „Wir haben 18 Unsicherheits­faktoren berücksichtigt, darunter das Bevölkerungs- und Wirtschafts­wachstum, die Klima­sensitivität, das Ressourcen­potenzial, die Auswirkungen von Veränderungen in der Land- und Forstwirtschaft, die Kosten für Energie­technologien und die Entkopplung von Energiebedarf und wirtschaftlicher Entwicklung“, erläutert James Glynn von der Columbia University.

Um einzelne Szenarien mit Fokus auf politische und ökonomische Fragen auf die unterschiedlichen nationalen Pfade zur Energiewende herunter zu brechen, müssen zusätzliche, national­spezifische Parameter berücksichtigt werden. „Ein Energiesystem, das den Übergang zu einer kohlenstoff­freien Wirtschaft ermöglicht, ist kapitalintensiv und erfordert die Mobilisierung von Ressourcen aller Akteure“, resümiert Panos. Dafür seien maßgeschneiderte Analysen auf nationaler Ebene erforderlich: „Unsere Studie liefert hierfür eine fundierte Basis.“

PSI / DE

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  E. Panos et al.: Deep decarbonisation pathways of the energy system in times of unprecedented uncertainty in the energy sector, Energy Policy, online 29. Juni 2023; DOI: 10.1016/j.enpol.2023.113642
• Labor für Energiesystemanalysen (R. McKenna), Paul Scherrer Institut, Villigen, Schweiz