Deutschland misst nach – das Integrierte Treibhausgas-Monitoring-System (ITMS)

Ein Editorial von Dr. Christoph Gerbig,  Gruppenleiter der Forschungsgruppe Flugzeuggestützte Spurengasmessungen und mesoskalige Modellierung (ATM) am Max-Planck-Institut für Biogeochemie.

Deutschland entwickelt derzeit ein neues, wegweisendes System zur Überwachung seiner Treibhausgas-emissionen. Das Integrierte Treibhausgas-Monitoringsystem (ITMS) soll die Quellen und Senken der drei langlebigen Treibhausgase Kohlendioxid (CO₂), Methan (CH₄) und Lachgas (N₂O) in Deutschland künftig präzise und unabhängig voneinander quantifizieren.

Das Ziel ist ebenso klar wie anspruchsvoll: Im Zeitalter der Pariser Klimaziele ist es erforderlich, Emissionen nicht nur rechnerisch zu erfassen („bottom-up“ Ansatz). Sie müssen auch zeitnah und unabhängig überprüft werden können. Dazu müssen Treibhausgasflüsse raum-zeitlich hoch aufgelöst, wissenschaftlich belastbar und transparent bestimmt werden – und das in einer Form, die als unabhängiges Verifikationssystem für die deutsche Klimapolitik dient. Auf Grundlage von Messungen der Treibhausgase in der Atmosphäre – bodenbasiert, mit Satelliten und aus Flugzeugen – werden mithilfe von Modellen und meteorologischen Daten die Quellen und Senken dieser Gase unabhängig voneinander ermittelt.

Das ITMS-Projekt vereint ein breites Netzwerk aus Forschungseinrichtungen, Universitäten, Behörden und Datenzentren. Koordiniert wird ITMS gemeinsam vom Deutschen Wetterdienst (DWD) und dem Max-Planck-Institut für Biogeochemie (MPI-BGC). Mit dabei sind unter anderem das Thünen-Institut, das Umweltbundesamt, das Deutsche Klimarechenzentrum, sowie mehrere Helmholtz-Zentren und Partner aus dem Europäischen Integrierten Kohlenstoff-Beobachtungssystem ICOS.

ITMS ist für drei Arbeitsphasen geplant:

• Aufbau eines Demonstrator-Systems für CO₂ und CH₄ (Phase 1, 2021–2026)
• First-Generation-System mit regelmäßiger Bereitstellung von Informationen über Treibhausgasemissionen auf der Grundlage zahlreicher Beobachtungsdatenströme (Phase 2, 2026–2030) und
• Übergang in den operationellen Betrieb am DWD zur kontinuierlichen Überwachung, Berichterstattung und Überprüfung (MRV, Monitoring, Reporting and Verification) sowie Bereitstellung öffentlicher Datenprodukte (Phase 3).

Die ersten beiden Phasen wurden in enger Abstimmung mit dem Bundesministerium für Verkehr (BMV) durch das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) im Rahmen der FONA-Strategie (Forschung für Nachhaltigkeit) und der Hightech Agenda Deutschland gefördert. In der dritten Phase soll die Förderung vom BMV übernommen werden, das gemeinsam mit dem DWD für den langfristigen Betrieb verantwortlich ist.

Das ITMS-Projekt ist modular aufgebaut: Modul B („Beobachtung“) liefert kontinuierlich Messdaten höchster Qualität von bodenbasierten Stationen, Flugzeugen und Satelliten. Es wird vom Institut für Umweltphysik der Universität Bremen koordiniert. Darüber hinaus werden aber auch Techniken zur Quantifizierung lokaler Emissions-Hotspots entwickelt und eingesetzt. Modul Q&S („Quellen und Senken“), das vom Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Atmosphärische Umweltforschung (IMK-IFU) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) koordiniert wird, beschreibt mit Hilfe verbesserter Emissionsinventare die a-priori Emissionen mit hoher räumlich-zeitlicher Auflösung. Diese Beschreibung erfolgt ergänzend zum vom Umweltbundesamt (UBA) berichteten Treibhausgasinventar. Dabei kommen sowohl Prozessmodelle, als auch datengetriebene Machine-Learning-Modelle zum Einsatz. Modul M („Modellierung“) entwickelt unter Koordination des MPI-BGC hochauflösende Transport- und Inversionsmodelle. Diese kombinieren die Messdaten mit a priori Flussabschätzungen, um Emissionen und Senken quantitativ abzuleiten.

Die so entstehenden Informationen sind weit mehr als reine Forschungsdaten: Sie bilden die Grundlage für eine operationelle Klimabeobachtung. Erste Pilotstudien – etwa zu den Methanemissionen in Deutschland – zeigen, dass ITMS die Überprüfung nationaler Emissionsinventare ermöglicht. Für die dafür nötigen komplexen Modellrechnungen steht der Supercomputer Levante am DKRZ bereit.

ITMS ist somit ein Meilenstein für das deutsche Treibhausgas-Monitoring. Es ermöglicht eine bessere wissenschaftliche Einordnung der nationalen Emissionen und stärkt die Glaubwürdigkeit deutscher Klimapolitik im internationalen Kontext. Denn eines ist klar: Nur was gemessen wird, kann auch wirklich gesteuert werden. Mit ITMS entsteht ein Instrument, das Transparenz stärkt – wissenschaftlich fundiert, politisch relevant und mit direktem Nutzen für Gesellschaft und Klima. ITMS zeigt, dass Klimaschutz nicht nur eine Frage der Ziele, sondern auch der Messbarkeit, Nachvollziehbarkeit und Verantwortung ist.

Über den Autor

Dr. Christoph Gerbig ist seit 2004 Leiter der Forschungsgruppe „Flugzeuggestützte Spurengasmessungen und mesoskalige Modellierung (ATM)“ am Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena. Seine Forschungsschwerpunkte liegen u.a. in der atmosphärischen Beobachtung klimarelevanter Spurengase (insbesondere CO₂) und der Entwicklung und Optimierung hochpräziser Flugzeugmessungen.