Klimarechner EU-Calculator: Entscheidungshilfe für die Klimazukunft

Projekt: Klimarechner EU-Calculator

Der Online-Klimarechner „EU Calculator", kurz EUCalc, wurde im April 2020 als Projekt von ÖGUT und zwölf weiteren Forschungspartnern aus neun europäischen Ländern fertiggestellt. In welchen Sektoren setzen wir uns beim Klimaschutz ambitionierte Ziele? Ist der gewählte Zielpfad für die Emissionsreduktion mit den Langfristzielen des Pariser Klimaabkommens konform? Und wie erreichen wir die klimaneutrale Gesellschaft bis 2050? - Diese Fragen soll das Modell helfen zu beantworten. Hannes Warmuth ist bei der ÖGUT in den Themenfeldern Energie und Innovatives Bauen tätig, beim Projekt EUCalc leitete er die Bereiche Industrie und Technologieentwicklung. Mit der ÖGUT-News-Redaktion hat er über Funktionsweise und Kernaussagen des Modells sowie Abläufe und Challenges der interdisziplinären Zusammenarbeit gesprochen. 

Einführung in Emissionspfade und Szenarien: siehe Ende des Artikels

Levers und levels – wie das Modell funktioniert und was es kann

“Promises clearly don’t move the world. We need to design a concrete pathway for deep transformation. We need to know the big levers to get rid of emissions and then decide on their prioritization.” So wird die Vorstellung des Calculators in einem Kurzvideo eingeleitet. EUCalc ist ein Klimamodell, das Systemdynamiken darstellt. Es zeigt, was in einem Sektor passiert, wenn darin oder in einem anderen Sektor ein Hebel verändert wird. 

Klimamodelle sind vereinfachte Beschreibungen von Vorgängen im Klimasystem. Mit ihnen kann man Hypothesen bezüglich Mechanismen von Klimaänderungen quantitativ überprüfen.

60 hoch 40 – so viele mögliche Szenarien liefert das Modell. Mit der Auswahl der levers (der „Stellschrauben“, links im Bild), in Kombination mit dem jeweiligen Ambitionslevel stellt man das gewünschte Szenario ein. Die Stellschrauben sind in die Bereiche „key behaviours“ (Reisen, Wohnen, Ernährung und Konsum), „technology and fuels“, „resources and land use“ sowie “boundary conditions” gruppiert. Beim Wohnen wirkt sich z.B. Wohnfläche pro Person, Heizen und Kühlen sowie die Anzahl der Haushaltsgeräte aus. Bei der Ernährung geht es neben der Art der Ernährung (vegetarisch etc.) auch um die Menge an Kalorien, denn die Empfehlung der Weltgesundheitsorganisation (WHO) für ein gesundes Leben liegt bei einem Drittel des derzeit durchschnittlich konsumierten Nährwerts in westlichen Industrie-Ländern. Jeder Maßnahme wird anschließend ein Ambitionslevel von 1 bis 4 (1 = business as usual, 4 = sehr ambitioniert) zugeordnet. Das Referenzszenario wurde mit bestehenden EU-Szenarien abgestimmt.

EUCalc birgt gegenüber anderen Klimamodellen zwei entscheidende Vorteile, so Hannes Warmuth: “Es liefert Echtzeit-Ergebnisse, was im Vergleich zu anderen Modellen innovativ ist und es ist vollkommen transparent, da Annahmen dokumentiert sind und darüber hinaus verändert werden können.” [im Vgl. z.B. zum PRIMES-Modell der EU]

Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Klimamodellen: Umfangreiche Systemmodelle, die ein “big picture” liefern, dafür mit hohem Aggregationsniveau, und sektorale Modelle (Bsp. Verkehr, Gebäude), die genaue Ergebnisse liefern, aber hochkomplex sind und keine Auswirkungen auf andere Sektoren zeigen. Diese sind langsam – ein Rechenvorgang kann Monate dauern. Es wurde daher entsprechend viel Zeit darauf verwendet, das Modell hinsichtlich Geschwindigkeit zu optimieren. “Die Rechenvorgänge für die Vielzahl an Szenarien im Vorhinein zu hinterlegen dauerte mehrere Monate”. Die Module (thematische Teile des Modells) sind außerdem parallel statt nacheinander geschalten – auch das erhöht die Geschwindigkeit.

Der EU Calculator kann “eine Zahl in Aktivitäten bzw. in Maßnahmen in verschiedensten Bereichen übersetzen”, z.B. was man für das EU-Erneuerbaren-Ziel von 40 % bis 2030 tun müsste. “Aufgrund der Transparenz der Annahmen stellen wir uns gezielt dem (wissenschaftlichen) Diskurs, der eine Diskussion der Ambition von Annahmen zulässt. Gleichzeitig bietet das Modell eine gemeinsame Grundlage für einen transparenten, offenen Dialog zwischen beispielsweise Umwelt-NGOs und Unternehmen bzw. Wirtschaftsverbänden.”

Klimaneutralität und Fairness von Klimabudgets

Klimaneutralität bedeutet, dass sich Quellen und Senken von Treibhausgasen komplett ausgleichen. „Wenn man das Erreichen der Klimaneutralität nur auf einen bestimmten Zeitpunkt festlegt, wie z.B. auf das Jahr 2050, könnten bis dahin theoretisch noch erhebliche Mengen an Emissionen freigesetzt werden – es wird also nur das Ziel und nicht der Weg dorthin betrachtet. Deshalb wird hier der Budgetansatz gewählt, welcher die Gesamtmenge an Emissionen [in Gt] bis zum Erreichen der Klimaneutralität vorgibt. Wenn das gesetzte Budget aufgebraucht ist, ist das Ziel nicht mehr erreichbar.”

Bevor man die Simulationen in EUCalc startet, kann man das Klimaziel „warming limit” von 1,5 oder 2 °C und den EU-Anteil am weltweiten Klimabudget, auch CO₂- oder Carbon Budget genannt, auswählen. Basis für die CO₂-Budgets sind die Pariser Klimaziele (1,5 und 2 °C). “Wir schauen, wo wir hinkommen müssen. Was bedeutet business as usual – wird es sich ausgehen, wenn wir so weitermachen wie bisher mit Energieverbrauch, Produktion, Konsum, Mobilitätsverhalten etc.?”

Doch welches Budget ist gerecht? Der EU-Anteil am globalen Budget kann nach Bevölkerungszahl oder durchschnittlichem BIP ermittelt werden, was für das 1,5-Grad-Ziel 30 (Bevölkerung) bzw. 60 Gt (BIP) CO₂-Budget bis 2050 ergibt (im Vergleich: das business as usual-Szenario liegt bei 207 Gt). V.a. die Schwellen- und Entwicklungsländer fordern aber zusätzlich eine Berücksichtigung auch der historischen CO₂-Emissionen.

Es gibt in der EU außerdem keine Aufteilung des CO₂-Budgets nach Mitgliedstaaten. Im Calculator kann man auf Länderebene Maßnahmen setzen und beobachten, wie sich das auf das EU-Ziel auswirkt.

EUCalc berücksichtigt in sehr eingeschränktem Ausmaß die CO₂-Abscheidung (Carbon Capture and Storage, CCS) bei industriellen Prozessen für sogenannte negative Emissionen. “Die Technologie ist noch in einem Entwicklungsstadium und nicht wirtschaftlich darstellbar, bis 2050 wird auch allgemein kein entscheidender Beitrag im Hinblick auf die Klimaziele erwartet. Trotzdem ist Carbon Capture in vielen Szenarien vorhanden, weil es ein stark industriegetriebenes Thema ist, um net zero zu erreichen.” Der Erwartungen an die Technologie sind, dass sie in der energieintensiven Industrie und bei der Energieumwandlung direkt an der Quelle ansetzt und daher große Emissionsmengen adressieren könnte.

Trade-offs und Synergien – wie alles zusammenhängt

“Durch EUCalc entwickelt man ein Gespür dafür, welche Maßnahmen in welchen Sektoren mehr oder weniger bringen.” Und man sieht, in welchen Sektoren man mit wenig Aufwand viel erreichen kann, so Hannes Warmuth.

Wie kann man sich das Ziel von EUCalc, intersektorale Trade-offs und Synergien zu zeigen, bildlich vorstellen? Gerade das Industriemodul, für das Hannes Warmuth verantwortlich war, bekommt viele Inputs von der Nachfrageseite bzw. den “Demand-Sektoren” (Transport, Buildings und Behaviours), übersetzt in Produkte und Materialien. Ein Trade-off entsteht beispielsweise durch die Umstellung der heutigen Fahrzeugflotte vom Verbrennungsmotor auf Elektroantrieb, denn “die industrielle Produktion von Batterien und Autos lässt Emissionen im Industriebereich steigen”. Synergien schaffe der Einsatz von mehr ökologischen Baustoffen im Bausektor, z.B. durch Substitution von herkömmlichen (rohöl-basierten) EPS/XPS-Dämmstoffen durch ökologischere Alternativen in der Sanierung. “Dies führe zu einem niedrigeren CO₂-Abdruck der Industrie gesamt, während im Gebäudesektor die Energieeffizienz durch die thermisch energetische Sanierung (mit jeglichem Dämmmaterial) steigt.” 

Ein anderes Beispiel ist der Wasserverbrauch in der Stromerzeugung, der in einer “water stress map” dargestellt wird. Man kann nicht viel Strom aus Wasser produzieren, wenn wenig Niederschlag vorhanden ist. Ein rotes Rufzeichen im Modell zeigt Ressourcenknappheit an, denn Ressourcen sind nur begrenzt verfügbar. Luftschadstoffe aus der Feinstaubbelastung der Sektoren Verkehr und Industrie bewirken eine höhere Mortalitätsrate. Dies wird im Luft-Modul angezeigt. 

Lifestyles vs. technologische Entwicklung – überraschendes Ergebnis

“Die Annahme, dass Lifestyles hinsichtlich der Emissionsreduktion viel weniger beitragen können als technologische Entwicklung, ist trügerisch.” Produkte können zB intelligenter designt werden, was zu weniger Abfall und Energieverbrauch in der Produktion führt oder fossile Energieträger durch Erneuerbare ersetzt werden. EUCalc zeigt, dass sich Veränderungen im persönlichen Lebensstil bedeutend auswirken. Dennoch: “Die größten Emittenten sind immer noch Unternehmen. Grundsätzlich geben jene Unternehmen, die sich heute schon darum bemühen, ihren CO₂-Fußabdruck zu verbessern, die richtige Richtung vor. Am Ziel sind wir da aber noch lange nicht.”

Hilfe für Entscheidungsträger*innen 

EUCalc will Entscheidungsträger*nnen erreichen, die wenig Zeit haben, doch auf Basis von wissenschaftlich abgesichertem Wissen entscheiden oder in einen Dialog gehen wollen. Das Modell schafft daher eine Entscheidungshilfe, nicht nur hinsichtlich der Ambitionslevels, sondern auch bezüglich der notwendigen Geschwindigkeit zur Umsetzung von Maßnahmen, erklärt Hannes Warmuth. 

Kommunikationswelten, Ambitionslevels und Datenlücken – ein Blick hinter die (Projekt-)Kulissen

„Es hat uns anfangs schon Kopfzerbrechen bereitet, wie man ein interdisziplinäres Projekt mit 13 Forschungspartnern aus Sozial-, Natur- und Geisteswissenschaften und einer so komplexen Aufgabenstellung management-mäßig löst”, erinnert sich Hannes Warmuth.

“Im Projektkonsortium gab es wöchentlich mehrstündige Telefonkonferenzen mit bis zu 40 TeilnehmerInnen, denn es war notwendig, Detailfragen in der großen Gruppe zu diskutieren. Die Sicht verschiedener wissenschaftlicher Disziplinen musste in den Modulen berücksichtigt werden.” Zusätzlich gab es intersektorale Abstimmungsmeetings, um beispielsweise Annahmen und Berechnungslogiken zu diskutieren.

“Die größte Challenge war, ein gemeinsames Verständnis unterschiedlicher wissenschaftlicher Disziplinen zu entwickeln. Ingenieur*innen vertrauen auf technische Grund- und Leitsätze, während ökonometrische Modelle eine Vielzahl an Annahmen und Gleichgewichtsbedingungen annehmen müssen und die Geschwindigkeit bei der Umsetzung von Maßnahmen oft eher konservativ einschätzen.” Disruptive Technologien oder notwendige politische Zielsetzungen zur Erreichung des Klimaziels von Paris findet man in ökonomischen Modellen daher meist nicht abgebildet. Kurz: “Ambitionslevel 4 ist für einen Ingenieur anders als für eine Ökonomin. Es hat enorm viel Zeit und Kommunikation beansprucht, bis sich das Team gefunden und eine gemeinsame Sprache entwickelt hat”. 

Zusätzlich wollte man auch die interessierte Fachöffentlichkeit einbinden und deren Feedback einholen. Als Teil des umfangreich angelegten Beteiligungsprozesses fanden innerhalb der Module Workshops statt, zu denen je maximal 25 Expert*innen als Teilnehmer*innen eingeladen wurden. Im Industriemodul waren das Vertreter*innen aus europäischen und nationalen Industrie-Verbänden, NGOs und Forschung. Als weiteres Element wurde die Beta-Version des EUCalc während des Projekts im Rahmen eines “call for evidence” online gestellt, die Öffentlichkeit konnte ihre Meinung beitragen und Annahmen hinterfragen. In sechs europaweiten Townhall-Meetings wurde EUCalc lokalen Stakeholdern vorgestellt, die im Zuge dessen die vorgeschlagenen Stellschrauben (levers) und Ambitionen (levels) bewerten und kommentieren konnten. “Wir haben nach jedem Workshop überlegt, welche Inputs wir berücksichtigen können, wofür auch eine gut dokumentierte Datenbasis vorhanden war.”

Für Hannes war der Büroalltag von Recherchearbeiten geprägt. Er sah sich EU-Roadmaps (Fahrpläne) verschiedener Industriesektoren an und ging dabei der Frage nach: “Wie kann sich der Industriesektor bis 2040/50 in Richtung Dekarbonisierung entwickeln?” Unzählige Papers mussten gelesen werden, um Stellschrauben zu qualitativen Aussagen zuzuordnen und die Entwicklung in Werten abzuleiten. Absolut-Zahlen, wie z.B. ein zukünftiger Grenzwert in Gramm pro Kilometer seien ideal, verglichen mit häufig anzutreffenden Formulierungen, wie etwa ausgehend “vom heutigen Stand der Technik”. Diese Zahlen müssten aber oft abgeleitet und mit mehreren Annahmen unterstützend festgelegt werden. “Man muss viel Übersetzungsarbeit leisten. Denn vielfach sind die verwendeten Einheiten und Reduktionsziele nicht in jedem Papier eindeutig ablesbar bzw. nur über Umwege darstellbar”. Viele der Inputs konnte das Projektteam der ÖGUT aus zahlreichen Vorprojekten des Unternehmens, wie etwa KomKlimA zu Technologiebewertung, aufbauen.

Datenverfügbarkeit sei außerdem ein großes Thema gewesen. Als EU-weites Projekt waren regelmäßig aktualisierte, kostenfreie, für die EU zentrale Datenbanken als Datenquelle notwendig; Eurostat war die Hauptquelle. “Die Zeitreihen mussten immer bis 1990 zurückgehen”, da sich viele heutige Ziele auf 1990 als Ausgangsjahr beziehen. Doch für mehrere EU-Länder waren Daten erst ab 2000 vorhanden oder lückenhaft, “dann mussten fehlende Jahre durch lineare Interpolation ergänzt werden. Besonders schwierig sind Handelsstatistiken, weil sie teilweise nur auf Schätzungen basieren”. 

Handelsdaten seien relevant, denn “Europa ist keine Insel”. Für alle Produkte und Materialien wurde die Importquote recherchiert, welche in den Sektor-Beschreibungen nachzulesen ist. Ländern wurden unterschiedliche Emissionsfaktoren zugeordnet, z.B. wurde Kohlestrom aus China im Vergleich zu dem aus Kanada oder USA schlechter bewertet. Zur Verfügbarkeit v.a. von seltenen bzw. kritischen Rohstoffen gab es oft nur Abschätzungen.

Wie es weitergeht

“Das wichtigste ist der wissenschaftliche Record und hier stehen wir erst am Anfang. Wenn das Modell an wissenschaftlicher Reputation gewinnt, werden es Entscheidungsträger*innen auch nachfragen”. Das bedeutet, wissenschaftliche Papers zu schreiben, das Modell mit anderen Modellen zu vergleichen und zu schauen, ob man zu ähnlichen Ergebnissen kommt, wenn man deren Parameter in den Calculator eingibt.“

Es ist wichtig zu zeigen, dass EUCalc nicht nur sektorale Ergebnisse liefert, sondern ein detailliertes Gesamtbild, das Synergien und Trade-offs zwischen den Sektoren aufzeigt. Am Ende ist es entscheidend, “das Modell auf Ebene der Entscheidungsträger*innen in die Breite zu tragen.” Wenn EUCalc als Entscheidungshilfe für die Klimapolitik dienen kann, hat es sein Ziel erfüllt. 

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Das Interview mit Hannes Warmuth wurde am 16. September 2020 in der ÖGUT durchgeführt. Von der ÖGUT waren die Bereiche Energie, Innovatives Bauen und Gender am Projekt beteiligt.

Einführung in Emissionspfade und Szenarien:
Emissionspfade ergeben sich aus Szenarien und beschreiben die mögliche Entwicklung der Emissionen in einem Land oder auch global. Ein solcher Pfad kann mit dem Pariser Klimaziel (2015) von deutlich unter 2 °C/1,5 °C Erwärmung kompatibel sein oder auch nicht. Ein Land kann sich für einen bestimmten Pfad als Orientierung für die eigene Politik entscheiden. Jeder Pfad beruht auf Annahmen bzgl. Technologien (+ Policies und Verhaltensweisen), die hinterfragt werden können, wenn diese in Realität nicht vorhanden oder nicht unterstützt werden, bzw. politische Reduktionsziele zu kurz führen. Der Weltklimarat (IPCC) hat globale Emissionspfade entwickelt. Globale CO₂-Emissionen müssten 2050 null erreichen, um die 1,5 °C-Grenze einzuhalten - ohne negative Emissionen (= Entfernen von CO₂ aus der Atmosphäre) schon 2037. 1,5 °C-kompatible Pfade sehen bis 2100 negative Emissionen von wenigen Prozent bis hin zu 50% der heutigen globalen CO₂-Emissionen vor. (siehe: https://newclimate.org/wp-content/uploads/2019/03/Deutschland_1.5_Web.pdf)