Über die Erreichbarkeit ambitionierter Klimaschutzziele : eine Analyse des Beitrags des Verkehrssektors und von variablen erneuerbaren Energien mit Hilfe von Energie-Wirtschafts-Klima-Modellen

Der anthropogene Klimawandel gefährdet das Wohlergehen der Menschheit. Aus diesem Grund haben Politiker wiederholt das Ziel formuliert, die Erhöhung der mittleren globalen Temperatur auf weniger als 2◦C über dem vorindustriellen Wert zu begrenzen. Dazu müssen die globalen Treibhausgasemissionen nahezu vollständig vermieden werden. Da das heutige globale System zur Energienutzung auf fossilen Rohstoffen beruht, erfordert die Reduktion von Treibhausgasemissionen eine fundamentale Umgestaltung unseres Energiesystems. Diese Arbeit erforscht die ökonomischen Anforderungen und Folgen von ambitionierten Klimaschutzzielen. Sie beginnt mit einer allgemeinen Analyse der charakteristischen Dekarbonisierungsmuster des globalen Energiesystems. Diese identifiziert zwei besonders relevante Aspekte von Klimaschutzszenarien: die Nutzung von variablen erneuerbaren Energien (VRE) für Emissionsminderungen im Stromsektor, sowie die Schwierigkeit der Dekarbonisierung des Verkehrssektors. Eine vertiefende Analyse der beiden Solartechnologien Photovoltaik (PV) und solarthermische Kraftwerke (CSP) mit dem IAM REMIND bestätigt die fundamentale Rolle dieser VRE für den Stromsektor. Aufgrund der in der letzten Dekade erreichten Kostensenkung ist PV mittlerweile in Regionen mit hohem mittäglichem Strombedarf und starker Sonneneinstrahlung konkurrenzfähig zu anderen Kraftwerksneubauten. Die Abbildung der Systemintegrationskosten in REMIND hat einen deutlichen Einfluss auf den Wettbewerb zwischen PV und CSP: CSP mit thermischem Speicher und Wasserstoff-Co-Feuerung kann gesicherte Leistung bereitstellen und hat deshalb niedrigere Integrationskosten als PV, wodurch CSP bei hohen Anteilen an VRE konkurrenzfähig wird. Eine modellübergreifende Studie zum Verkehrssektor bestätigt, dass dieser nur schwach auf CO2-Preise unter 100€/t CO2 Höhe reagiert: Bis 2050 hinken relative Emissionsreduktionen im Verkehrssektor 10–30 Jahre hinter denen in anderen Sektoren her, und Flüssigtreibstoffe bleiben Hauptenergieträger. Auf längere Sicht bis 2100 stellt der Verkehrssektor jedoch kein unüberwindbares Hindernis für ambitionierte Klimaschutzziele dar: Bei höheren CO2-Preisen zeigen die Modelle deutliche Reduktionen der Verkehrsemissionen, entweder mittels Wasserstoff-Brennstoffzellen bzw. batteriebetriebene Elektromobile oder mittels Biotreibstoffen der zweiten Generation (möglicherweise mit CCS). Die abschließende Studie beschäftigt sich mit dem Zusammenhang zwischen der Strenge eines Klimaschutzziels und den damit verbundenen technischen und ökonomischen Anforderungen und Folgen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Umgestaltung des globalen Energiesystems, die zur Einhaltung des 2◦C-Zieles mit einer Zweidrittel-Wahrscheinlichkeit notwendig ist, zu moderaten ökonomischen Kosten erreichbar ist. Dieses Resultat ist abhängig von der zeitnahen Umsetzung umfassender globaler Emisssionsminderungsmaßnahmen sowie der Verfügbarkeit verschiedener Technologien, die die Marktreife noch nicht gänzlich erreicht haben. Verzögert man die Einführung starker Klimaschutzpolitik, so erhöhen sich die Kosten substantiell, was das Erreichen ambitionierter Klimaschutzziele gefährdet. In dieser Arbeit wurde eine umfassende Analyse ambitionierter Klimaschutzszenarien und ihrer ökonomischen Anforderungen und Folgen durchgeführt, wobei ein besonderer Fokus auf der Nutzung erneuerbarer Energien einerseits und Emissionsreduktionen im Verkehr andererseits lag. Auf Basis umfangreicher eigener Modellrechnungen und globaler Modellvergleiche liefert die Arbeit entscheidende Erkenntnisse und Strategien für das Erreichen ambitionierter Klimaschutzziele.Anthropogenic climate change is threatening the welfare of mankind. Accordingly, policy makers have repeatedly stated the goal of slowing climate change and limiting the increase of global mean temperature to less than 2 °C above pre-industrial times (the so-called “two degree target”). Stabilizing the temperature requires drastic reductions of greenhouse gas (GHG) emissions to nearly zero. As the global system of energy supply currently relies on fossil fuels, reducing GHG emissions can only be achieved through a full-scale transformation of the energy system. This thesis investigates the economic requirements and implications of different scenarios that achieve stringent climate mitigation targets. It starts with the analysis of characteristic decarbonization patterns and identifies two particularly relevant aspects of mitigation scenarios: deployment of variable renewable energies (VRE) and decarbonization of the transport sector. After investigating these fields in detail, we turned towards one of the most relevant questions for policy makers and analyzed the trade-off between the stringency of a climate target and its economic requirements and implications. All analyses are based on the improvement, application, comparison, and discussion of large-scale IAMs. The novel “mitigation share” metric allowed us to identify the relevance of specific technology groups for mitigation and to improve our understanding of the decarbonization patterns of different energy subsectors. It turned out that the power sector is decarbonized first and reaches lowest emissions, while the transport sector is slowest to decarbonize. For the power sector, non-biomass renewable energies contribute most to emission reductions, while the transport sector strongly relies on liquid fuels and therefore requires biomass in combination with carbon capture and sequestration (CCS) to reduce emissions. An in-depth investigation of the solar power technologies photovoltaics (PV) and concentrating solar power (CSP) in REMIND confirms the dominant role of these variable renewable energies for the decarbonization of the power sector. Recent cost reductions have brought PV to cost-competitiveness in regions with high midday electricity demand and high solar irradiance. The representation of system integration costs in REMIND is found to have significant impact on the competition between PV and CSP in the model: the low integration requirements of CSP equipped with thermal storage and hydrogen co-firing make CSP competitive at high shares of variable renewable energies, which leads to substantial deployment of both PV and CSP in low stabilization scenarios. A cross-model study of transport sector decarbonization confirms the earlier finding that the transport sector is not very reactive to intermediate carbon price levels: Until 2050, transport decarbonization lags 10-30 years behind the decarbonization of other sectors, and liquid fuels dominate the transport sector. In the long term, however, transportation does not seem to be an insurmountable barrier to stringent climate targets: As the price signals on CO2 increase further, transport emissions can be reduced substantially - if either hydrogen fuel cells or electromobility open a route to low-carbon energy carriers, or second generation biofuels (possibly in combination with CCS) allow the use of liquid-based transport modes with low emissions. The last study takes up the fundamental question of this thesis and analyses the trade-off between the stringency of a climate target and the resulting techno-economic requirements and costs. We find that transforming the global energy-economy system to keep a two-thirds likelihood of limiting global warming to below 2 °C is achievable at moderate economic implications. This result is contingent on the near-term implementation of stringent global climate policies and full availability of several technologies that are still in the demonstration phase. Delaying stringent policies and extending the current period of fragmented and weak action will substantially increase mitigation costs, such that stringent climate targets might be pushed out of reach. Should the current weak climate policies be extended until 2030, the transitional mitigation costs for keeping the 2 °C target would increase three-fold compared to a world in which global cooperative action is decided on in 2015 and where first deep emission reductions are achieved in 2020. In case of technology limitations, the urgency of reaching a global climate agreement is even higher. In this thesis, we performed a comprehensive analysis of stringent mitigation scenarios and their economic implications, with a special focus on VRE deployment and transport decarbonization. Based on extensive modeling work and global cross-model analyses, this thesis provides crucial insights and identifies strategies for achieving stringent mitigation targets