Die Schäden des Klimawandels und die Kosten des Klimaschutzes
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Die Schäden des Klimawandels und die Kosten des Klimaschutzes – Einsichten über die Steuerung in gefährlichen Engen Dr. Ottmar Edenhofer Dr. Hermann Held Potsdam Institut für Klimafolgenforschung (PIK) http://www.pik-potsdam.de Gliederung • Zwei (konkurrierende?) Analysen des Klimaproblems – aus Sicht der Klimawissenschaft – aus Sicht der Ökonomie • Realitätsbezug der Ein-AkteursBetrachtung – Verhältnis zur Multi-Akteurs-Betrachtung – Kopplung von Staats- und Unternehmensebene Seit 250 Jahren ... • Wohlstand(ssteigerung) CO2- Emissionen • Verbrennung von Holz, Kohle, Öl & Gas Die Kausalkette der globalen Erwärmung Größere & häufigere Impacts von globaler Erwärmung Erhöhung der globalen Mitteltemperatur Erhöhung der CO2-Konzentration in der Atmosphäre CO2-Emissionen Adopted from H. Held Klima-/Ökosystemmodelle rechnen CO2-Emissionen in den Temperaturanstieg um CO2-Emission → Temperaturanstieg Kein Klimaschutz Etwas Klimaschutz 1800 1900 2000 2100 1800 1900 2000 IPCC (Intergovernmental Panel of Climate Change) WG I (2001) 2100 • Ökosysteme • Wetter-Extremereignisse • Verbreitung auf der Erde • Wirtschaftliche Schäden • Abrupte Effekte European 2003 summer temperatures: normal by 2040s, cool by 2060s Temperature anomaly (wrt 1961-90) °C 2060s observations HadCM3 Medium-High (SRES A2) 2003 2040s 2005: All-Time Record Year for Hurricans • 26 Tropical Storms in the Caribbean • 14 Hurricanes (≥117 km/h) • 5 Events in Categories IV & V „Wilma“ Generating • Lowest-Ever Air Pressure (882 mb) • Highest-Ever Gale Speeds (340 km/h) • „Vince“ and „Delta“ Reaching Europe The 2005 Hurricane Season Central European Floods 2002 • Ökosysteme • Wetter-Extremereignisse • Verbreitung auf der Erde • Wirtschaftliche Schäden • Abrupte Effekte Ausgewählte Achillesfersen des Klima-Biosphären-Systems (nach Schellnhuber & Held 2001; Held et al. in Vorbereitg.) Gemeinsame Eigenschaften System-Zustand Globale Mitteltemperatur Beginn einer abrupten Änderung Abrupte Klimaänderungen in der Vergangenheit • “…so etwas hat es schon gegeben…” Abrupte Temperaturänderungen auf Grönland ∆t = 10 Jahre Holozän Grootes Grootes et et al. al. (1993) (1993) vor 100 000 Jahren vor 10 000 Jahren heute Versteppung der Sahel-Sahara-Region • Kleine kontinuierliche Änderung der Sonnen-Einstrahlung • Abrupte Versteppung De Menocal, P. J. et al. (2000). Quaternary Science Reviews 19: 347-361. Achillesfersen im Eis-Ozean-System Ausgewählte Achillesfersen des Klima-Biosphären-Systems West Antarctic Ice Sheet February 2002 Oppenheimer, Nature 1998) • Wird ausgelöst bei 2-4°C • 4-6m Meeresspiegelanstieg • ...über 1000 Jahre Ausgewählte Achillesfersen des Klima-Biosphären-Systems (nach Schellnhuber & Held 2001; Held et al. in Vorbereitg.) Melting of Ice over Greenland 2002 Melt Extent 5 7x10 1992 Melt Extent Maximum melt extent (km2) Trend: 0.7% / year 5 6x10 5x105 5 4x10 5 3x10 5 2x10 1980 1985 1990 1995 2000 Greenland ice sheet melt area increased on average by 16% from 1979 to 2002. The smallest melt extent was observed after the Mt. Pinatubo eruption in 1992 Data from Konrad Steffen and Russell Huff, University of Colorado Greenland melt and sea level change gr_con = control gr_low = 2xCO2 gr_mid = 4xCO2 gr_high = 8xCO2 Huybrechts, P. and J. De Wolde (1999). Journal of Climate 12: 2169-2188. Frühere Meeresspiegel ↔ Temperatur David Archer Frühere Meeresspiegel ↔ Temperatur David Archer Meltwater from Greenland Ice sheet response time “is of the order of centuries, not millennia”. Hansen (2005) Volume of GIS: 2.8 x 1015 m3 Time-scale 1000 years ⇒ 2.8 x 1012 m3/yr ≈ 0.1 Sv • ⇒ Potential für Beschleunigungseffekte Ausgewählte Achillesfersen des Klima-Biosphären-Systems Mögliche Folgen des Abschwächens der Thermohalinen Zirkulation • Abkühlung in den nördlichen Breiten (im Wettbewerb mit globaler Erwärmung) • Meeresspiegelanstieg um bis zu 1m in den nördlichen Breiten • Beeinträchtigung der Fischerei • Veränderung der Niederschlagsmuster in den Tropen (→Nahrungsmittelversorgung?) Wann reißt eine Achillessehne? • Modellvorhersagen sehr unterschiedlich ⇒ Neue Idee : Analysiere Fluktuationseigenschaften (Held & Kleinen seit 2001) ... Auf der Zentrumsmannigfaltigkeit : Verstärkung des externen Antriebs Systemzustand Bestimmung der Krümmung? Theorie of Brownian Motion: Unified theorie of deterministic & stochastic forces (Einstein, 1905) Responses to stochastic forces (weathergenerated noise in the climate system) Responses to deterministic forces (Potential) ..are rooted in the same laws of mechanics Anfitten eines Ornstein-Uhlenbeck-Prozesses dy = - (1/τ) y dt + dW 1/τ → 0 an der Bifurkation Analyse-Idee im Frequenzbild Log Power(f) An der Bifurkation Standardfall ≈Log (1/τ) Log f Anwendung bei der Thermohalinen Zirkulation des Nordatlantiks Keine Vorwarnung Fortschreitende Erwärmung Anwendung bei der Thermohalinen Zirkulation des Nordatlantiks Keine Vorwarnung Held & Kleinen, GRL, 2004 • ...Es könnte geschickter sein, auf das Bremspedal zu treten (die Erwärmung zu bremsen). • Das 2°-Ziel der EU-Kommission – Umsetzung des Vorsorgeprinzips – Intellektuell vorbereitet durch den WBGU (wiss. Beirat der Bundesregierung globale Umweltveränderungen) 1997 Was bedeutet dies für die Treibhausgas-Konzentrationen? Schlüsselgröße Klimasensitivität Größere & häufigere Impacts von globaler Erwärmung Erhöhung der globalen Mitteltemperatur X Klimasensitivität Erhöhung der CO2-Konzentration in der Atmosphäre CO2-Emissionen Klimasensitivität → Temperaturerhöhung Bestimmung der Klimasensitivität: Historischer Dreierschritt der Klimaforschung 1. Schritt (bis 2001): • Expertenwissen & die besten Klimamodelle (Standardeinstellungen) • Ergebnis: 1.5 ... 4.5 °C (IPCC, WG I, 2001) 2. Schritt (2001-heute) – Objektivierung des Intervalls: • Systematisches Antasten der Stellschrauben; tausende Modellvarianten • + Bayessches Lernen aus Beobachtungen seit 1850 • Ergebnis: 1.3 ... 9 °C (MIT, Bern, Oxford) Bestimmung der Klimasensitivität: Historischer Dreierschritt der Klimaforschung 1. Schritt (bis 2001): • Expertenwissen & die besten Klimamodelle (Standardeinstellungen) • Ergebnis: 1.5 ... 4.5 °C (IPCC, WG I, 2001) 2. Schritt (2001-heute) – Objektivierung des Intervalls: • Systematisches Antasten der Stellschrauben; 50000 Modellvarianten • + Bayessches Lernen aus Beobachtungen 1850 • Ergebnis: 1.3 ... 9 °C (MIT, Bern, Oxford) • Grund: Daten seit 1850 hierfür wenig informativ. 500 seit Idee! Benötigt wird folgendes Klimamodell: • Eiszeit / Warmzeit - Konsistenz – Es soll Beobachtungs-Daten der letzten Eiszeit (vor ~ 20 000 Jahren) assimilieren können. – Auswertung des aussagekräftigen T / CO2 – Sprungsignals Eiszeit → Warmzeit. • Recheneffizienz – Es sollte ~ 1000 Modellvarianten erlauben. • Glaubwürdigkeit – Es sollte ein dynamisches Atmosphären- u. Ozeanmodell enthalten. • Weltweit 1 Exemplar: PIK´s CLIMBER-2 Idee! Benötigt wird folgendes Klimamodell: • Eiszeit / Warmzeit - Konsistenz – Es soll Beobachtungs-Daten der letzten Eiszeit (vor ~ 20 000 Jahren) assimilieren können. – Auswertung des aussagekräftigen T / CO2 – Sprungsignals Eiszeit → Warmzeit. • Recheneffizienz – Es sollte ~ 1000 Modellvarianten erlauben. • Glaubwürdigkeit – Es sollte ein dynamisches Atmosphären- u. Ozeanmodell enthalten. • Weltweit 1 Exemplar: PIK´s CLIMBER-2 Der 3. Schritt (seit Jan. 2006) • Thomas Schneider von Deimling, Hermann Held, Andrey Ganopolski, Stefan Rahmstorf, Climate Dynamics (2006) • Förderung: BMBF, SFB-555, VolkswagenStiftung, PIK-ANNEX Rechungen mit PIKs CLIMBER-2 Klimasensitivität Trop. Eiszeitdaten Mögliche Modellvarianten Klimasensitivität: 5...95% Quantile 20012005 2001 Klimasensitivität: 5...95% Quantile PIK East Antarctica Tropics Assimilation of Paleo Data 2006 Schneider von Deimling, Held, Ganopolski, Rahmstorf, Clim. Dyn., online Konsequenz 2°C-Ziel ≈ 450ppm-Stabilisierung IPCC WG II (2001) Cost-Benefit Approach to Climate Change Management: Climate Protection Benefits Avoided Damages - = Adaptation Costs - Mitigation Costs 2000 The True Meaning of “Lux”ury 2070 Are there limits to adaptation? Dutch cow ready for sea level rise? Traditional Cost-Benefit-Analysis Marginal Abatement Costs MC MD Marginal Damages E* Optimal Emissions E' Emissions Today Diskussionsstand TAR (=„Third Assessment Report“) des IPCC • Die Klimaschäden sind relativ niedrig = geringe Klimasensitivität und geringe sozio-ökonomische Verletzbarkeit. • Die Vermeidungskosten sind relativ hoch. • Zwischen moderatem Klimaschutz und Wirtschaftswachstum gibt es keinen Zielkonflikt! Aber: Zwischen einem ehrgeizigen Klimaschutz und einem hohen Wirtschaftswachstum gibt es einen erheblichen Zielkonflikt! Cause-Effect Approach to Climate Change Management: Climate Damage = Climate Vulnerability x Climate Change More Climate Protection ? Marginal Abatement Costs MC MD Marginal Damages Increasing Costs E' Tolerable Emissions E Emissions Today Is Adaptation the Only Way ? Marginal Abatement Costs Marginal Damages MC MD MD' Adaptation E' Tolerable Emissions E Emissions The Moral Costs of Adaptation in the BAU-Scenario are Prohibitive Marginal Abatement Costs Marginal Damages MC MD MD' Adaptation E' Tolerable Emissions E Emissions Mitigation ? Marginal Abatement Costs MC MD MC' Marginal Damages Technological Change E'' Optimal Emissions E' Tolerable Emissions E Emissions today Sind die Klimaschäden relativ niedrig? 19 50 19 52 19 54 19 56 19 58 19 60 19 62 19 64 19 66 19 68 19 70 19 72 19 74 19 76 19 78 19 80 19 82 19 84 19 86 19 88 19 90 19 92 19 94 19 96 19 98 20 00 20 02 20 04 Damages in Mio. US Dollar (in numbers of 2002) 140000 Economic Damages 120000 Insured Damages Trend Insured Damages Trend Economic Damages 100000 80000 60000 40000 20000 0 Year Source: Munich Re 2005 Economic Damages in % of GDP 40 Natural Scientists Kemfert-high 35 30 In % ofin GDP % GDP 25 Environmental Scientists 20 Nordhaus 15 Kemfert-low 10 Social Scientists 5 Tol 0 -5 1 2 3 4 5 6 Temperature Temperature Increase Source: OECD (2003) and Kemfert (2004) Die Abschätzung der Klimaschäden wurde seit dem TAR ständig nach oben korrigiert! Mitigation gap for WBGU clim. window Mitigation costs Present value of world GWP loss [%] 3 2.5 AIM A1B MARIA A1T MARIA A1B MiniCAM A1Fl 2 1.5 1 0.5 0 300 400 500 600 700 CO2 stabilization level [ppmv] 800 Models in the IMCP Technological detail Calculus Top Down Welfare maximization Optimal growth models ENTICE-BR FEEM-RICE DEMETER-1CCS AIM/Dynamic-Global MIND 1.1 Cost minimization Bottom Up Energy system models MESSAGE-MACRO GET-LFL DNE21+ Initial value problems Simulation models E3MG Static equilibrium + recursive dynamics Computational general equilibrium models (CGE) IMACLIM-R Department of Global Change & Social Systems Source: Edenhofer, Lessmann et al. 2006 Mitigation Costs with ITC Kosten und Schäden • Die Kosten des Klimaschutzes belaufen sich in einer Größenordnung von 0,5 % des weltweiten Sozialproduktes, wenn 450 ppm erreicht werden sollen: Das entspricht etwa 15,2 Billionen US $ (nicht diskontiert). • Die Schäden sind um einen Faktor 10 größer, etwa 150 Billionen US $ bis zum Jahr 2100 (nicht diskontiert), wenn die GMT um 3,5 ° C steigt. • Eine Abdiskontierung ändert das Größenverhältnis nicht wesentlich. • Bereits konservative Schadensabschätzungen führen zu einer Stabilisierung in der Nähe des 2°C Zieles. Does Climate Uncertainty matter for the State-of-the-Art Economic Model MIND? ⇒ ∆GDP-Loss ≈ ½% * ∆CS [°C ] Optimal Emissions vs Climate Sensitivity BAU CS[°C]= 1.5 2.8 3.2 3.5 CS does matter! Ziel: Optimierung unter Unsicherheit • Zunächst: Probabilistische Leitplanken • Nicht-additive Unsicherheitsmaße („Imprecise Probabilities“, Kriegler & Held, 2005) – Kompromiss zwischen Bayesscher Schule & reiner Intervall-Propagation The Options for Climate Policy Burning Fossil Fuels Carbon Cycle Mitigation I Mitigation II - Efficiency - Substitution Industrial Carbon Management Radiation Balance Climate Change Geo-Engineering Adaptation An Overview of Geo-Engineering Options (here: including Carbon Management) Source: IEA (2000): Experience Curves for Energy Technology Policy; p. 21 The Carbon Problem Carbon Management Permit Prices Source: Edenhofer et al. 2006 Energy System and Hybrid Models Carbon capturing and sequestration (CCS) Carbon Capturing and Sequestration over the course of the century Source: Edenhofer, Lessmann et al. 2006 The Role of TC in the Extraction Sector cubic quadratic linear Functional dependency of cumulative extraction and their costs Size of the resource base [GtC] Emissions Trading / R&D Beyond Kyoto? Energy-Related CO2 Emissions by Region 2003 India 4% O ther 11% 2030 India 6% M ENA 6% Other 16% M ENA 8% China 16% China 19% T ransition e conomie s 11% O ECD 52% 24 Gt Transition e conomie s OECD 42% 9% 37 Gt Global emissions grow by just over half between 2003 & 2030, with the bulk of the increase coming from developing countries, Source IEA Comparing emission allowances Allowances China Reaction Function Europe Allowances Europe Comparing emission allowances Allowances China Reaction Function Europe Reaction Function China Allowances Europe Hobbesian World View Allowances China Reaction Function Europe Hobbes Reaction Function China Allowances Europe Comparing emission allowances Allowances China Kant Reaction Function Europe Hobbes Kantian China Reaction Function China Kantian Europe Allowances Europe Substantial Modification 2 • Europe has already expressed that it will achieve ambitious climate protection targets. Therefore, it adapts to China‘s abatement behaviour. • The countries do not differ in costs and damages but only in their capability to execute power Comparing emission allowances Allowances China Kant Reaction Function Europe Machiavelli Hobbes Machiavelli China Kantian China Reaction Function China Kantian Europe Allowances Europe 70 25000 RD&D budget vs. Crude Oil Prices all data are in 2004 real USD JAN 06 avg. 60 20000 50 15000 40 30 10000 20 5000 10 0 - 1970 1973 Conservation Nuclear Fusion 1976 1979 1982 1985 1988 Fossil Fuels Power & Storage technologies 1991 1994 Renewable Energy Other 1997 2000 2003 Nuclear Fission Real Crude Oil Prices Source: IAE 2006 Damage Compensation Emissions Trading / R&D Global Climate & Energy Governance Kosten des Klimawandels: kumuliert ca. 46 Billionen Dollar (2002) In 2050 50000 45000 40000 in Mrd. US Dollar 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 Japan China USA Afrika Rest Canada Europa Dav.D Russland Latein Amerika Asien Mittlerer Osten Summe Global Competition Damage Compensation Emissions Trading Gobal Governance Comparative Advantage for Wind Power ... For Solarthermal Power Plants ... And Photovoltaik Investment in Infrastructure Global Competition Damage Compensation Emissions Trading / R&D Global Governance Cumulative Energy Investment 2004-2030 OECD North America OECD Europe OECD Pacific Transition economies China Other Asia Latin America North Africa Other Africa Middle East 0 1 000 2 000 3 000 4 000 billion dollars (2004) Oil Gas Electricity Coal The power sector absorbs more than 60% of developing countries’ investment needs, Source: IAE, World Investment Outlook Investment in Infrastructure Global Competition Damage Compensation Emissions Trading / R&D Towards Bretton Woods II? Bretton Woods Atmospheric Stabilization Carbon Capturing & Sequestration (CCS) An Option to „Buy Time“ (to Switch to Renewables)? Carbon Emissions 2010-2050 C-Deposits 2050 Fat C-Cycle BAU (business as usual) Natural C-Cycle Slim Cycle Renewables Option No CCS Leakage CCS Strong CCS Leakage Geological Formation Slim Cycle Super-fat Cycle ⇒ CCS may make it better or worse... Qualitative Effekte unter Sozialer Optimierung CCS-begünstigende Faktoren • Impacts von Treibhausgasemissionen • Kosten erneuerbarer Energieträger • Lernrate d. fossilen Sektors CCS-dämpfende Faktoren • Natürliche Abbauprozesse von atmosph. CO2 • CCS-Leckage • Nebenwirkungen von CCS • Energiekosten von CCS ... Energiekosten von CCS • ~ + 25% (gegenüber atmosph. Emission ) für Abscheidung & Lagerung • ⇒ CCS nur wirtschaftlich unter einem prononcierten Klimaschutz-Ziel Quantitative Bestimmung des „sozialen Optimums“ unter CCS • Analyse mittels endogenen Wachstumsmodells MIND – (PIK; Edenhofer et al., Ecological Economics, 2005) • ... zunächst für stilisierte „mittlere geologische Formation“. • → Modellvergleich für EmissionsVermeidungskosten Mitigation costs Present value of world GWP loss [%] 3 2.5 AIM A1B 2 MARIA A1T MARIA A1B 1.5 MiniCAM A1Fl 1 MIND CPP 0.5 0 300 400 500 600 700 800 CO2 stabilization level [ppmv] Auflösung des Zielkonflikts „Klimaschutz“ vs „Wohlfahrt“ (aus Edenhofer et al., Ecological Economics, 2005) [% per year] Schlüsselgröße „Leckage-Rate“ Wir benötigen ein Anreizsystem, • um die Leckage-Raten individueller Formationen zu bestimmen, • um Sequestrierung in besonders dichten Formationen zu begünstigen. CCS Bonds as Incentive for Secure Formations 2010 ... 2015 ... ... 2030 CCS Bonds as Incentive for Secure Formations 2010 ... 2015 ... ... 2030 CCS Bonds as Incentive for Secure Formations 2010 ... 2015 ... ... 2030 Vor- und Nachteile dieses Bondsystems • • • • „+“ Markt als „demokratische Röntgenkanone“ der Zuverlässigkeit Regionale Flexibilität Falls Formation dicht: Frühzeitige Fluidität des Unternehmens Falls Formation undicht: Unterstützung der Erneuerbaren Vor- und Nachteile dieses Bondsystems • • • • „+“ Markt als „demokratische Röntgenkanone“ der Zuverlässigkeit Regionale Flexibilität Falls Formation dicht: Frühzeitige Fluidität des Unternehmens Falls Formation undicht: Unterstützung der Erneuerbaren „-“ • Falls kollektiv Dichtigkeitsprobleme auftreten (Versagen des Risk-Poolings): Mögliche Verletzung der Emission-Cap Version II: Ein Cap-Bond-Schema Wie Version I bis auf ... •Für CCS, anstelle eines Bonds, erwerbe zunächst ein Emissionszertifikat. •Wenn die ungünstigsten Leckage-Raten nach und nach u. nach auszuschließen sind („}“), sukzessive Freischaltung des Zertifikats für atmosphäreische Emissionen. Low leakage High leakage High leakage Use Emission Certificates as Bonds 2010 ... 2015 ... ... 2030 CCS-Bond-Version I vs II: Wer trägt das Restrisiko? „Akteur“ Mechanismus Version I Klima Globales Ausgasen Version II Wirtschaft Hoher Zertifikatspreis Vorschlag: Adiabatischer Übergang zwischen beiden Bondsystemen Version I: Lokalexperimentig, Innovationsphase Version II: Großräumig, Diffusionsphase Zusammenfassung • Das „Klimaschutzfenster“ ist zu moderaten volkswirtschaftlichen Kosten einzuhalten. • Abhängig von Leckage- u. Lernraten ist das „soziale Optimum“ durch einen CCS-Anteil von kumulativ mehreren Hundert Gt C charakterisiert. • Wir schlagen zwei Bondsysteme vor, die lokalen Akteuren Anreize für Sequestrierung in besonders sicheren Formationen bieten. • Beide Systeme sehen vor, dass vertrauenswürdige Unternehmen frühzeitig liquide werden. Zusammenfassung • Das „Klimaschutzfenster“ ist zu moderaten volkswirtschaftlichen Kosten einzuhalten. • Abhängig von Leckage- u. Lernraten ist das „soziale Optimum“ durch einen CCS-Anteil von kumulativ mehreren Hundert Gt C charakterisiert. • Wir schlagen zwei Bondsysteme vor, die lokalen Akteuren Anreize für Sequestrierung in besonders sicheren Formationen bieten. • Beide Systeme sehen vor, dass vertrauenswürdige Unternehmen frühzeitig liquide werden.
