Sverige har som ambition att uppnå nettonollutsläpp av fossilt CO2 till år 2045. För att lyckas med detta ska landet minska sina utsläpp med 85%, samtidigt som så kallade kompletterande åtgärder kommer vidtas för att kompensera för resterande 15%. Denna studie utreder Sveriges arbete med negativa utsläpp som kompletterande åtgärd med fokus på teknikerna bio-energy for carbon capture and storage (Bio-CCS på svenska), Direct air capture for carbon capture and storage (DACCS) och biokol. Även carbon capture and storage (CCS), som kan bidra till att göra anläggningar CO2-neutrala, har studerats. Under arbetets gång har en litteraturstudie samt intervjuer med forskare, politiker, bransch- och företagsrepresentanter samt myndigheter genomförts.  För CCS och Bio-CCS, som innefattar avskiljning av CO2 från punktutsläpp, finns fyra olika avskiljningsstrategier som kallas post-, pre-, och oxyfuel combustion samt chemical looping. I fallet med DACCS tillämpas antingen absorption eller adsorption för att avskilja koldioxiden från atmosfären. Biokol produceras genom förbränning av biomassa i en pyrolysanläggning och kan sedan användas som jordförbättringsmedel och kolsänka. Det finns idag en inhemsk biokolsproduktion på kommersiell skala vilket gör att biokol skiljer sig från de övriga tre teknikerna som inte kommit lika långt i sin utveckling. Däremot finns det ett flertal pilotprojekt inom CCS och Bio-CCS i Sverige.  Sveriges väletablerade bioekonomi gör att det finns goda förutsättningar för biokol och Bio- CCS att bidra till negativa utsläpp ur ett 2045-perspektiv. DACCS anses däremot inte aktuellt som kompletterande åtgärd till år 2045. Efter intervjuer framgår att det råder en god samstämmighet mellan olika aktörer kring vilka faktorer som behöver behandlas för att implementera teknikerna. Gemensamt för alla tekniker är att det krävs ekonomiska incitament för att möjliggöra storskalig implementering. För CCS-teknikerna krävs även regulatoriska förändringar för att underlätta transporten av CO2. / Sweden's ambition is to achieve net zero emissions of fossil CO2 by the year 2045. To reach this target, Sweden aims to reduce its emissions by 85%, while so-called supplementary measures will be taken to compensate for the remaining 15%. This study investigates Sweden's work with negative emissions as a complementary measure with a focus on the technologies bio-energy for carbon capture and storage (Bio-CCS in Swedish), Direct air capture for carbon capture and storage (DACCS) and biochar. Carbon capture and storage (CCS), which can help make industrial plants CO2-neutral, has also been studied. During the project, a literature study and interviews with researchers, politicians, industry and company representatives as well as authorities were carried out, which formed the basis of the report.  For CCS and Bio-CCS, which include separation of CO2 from point source emissions, there are four different separation strategies called post-, pre-, and oxyfuel combustion as well as chemical looping. Among these, post combustion is highlighted as the most developed. In the case of DACCS, either absorption or adsorption is applied to separate CO2 from the atmosphere. CCS, Bio-CCS and DACCS all have in common that the captured CO2 must be stored in deep geological formations once it has been separated. Biochar is produced by heating biomass in a pyrolysis plant and can be used as a soil improver and carbon sink. Today Sweden has a domestic biochar production on a commercial scale, which means that biochar differs from the other three technologies that have yet to reach that stage of development. However, there are several pilot projects within Bio-CCS and CCS in Sweden.  Sweden's well-established bioeconomy means that the conditions are good for biochar and Bio-CCS to contribute to negative emissions in relation to the 2045 target. DACCS, on the other hand, is not considered relevant as a supplementary measure to the year 2045 due to its technical immaturity and high cost. From interviews with researchers, authorities, companies, industry organizations and politicians, it is clear that there is a consensus between the different actors on which factors need to be addressed in order to enable large-scale implementation of the technologies. Common to all technologies is that financial incentives are required to enable large-scale implementation. The CCS technologies also require regulatory changes to facilitate the transport of CO2.

Biomasseplantagen und Aufforstung zur terrestrischen Kohlenstoffdioxid-Entfernung werden derzeit als Möglichkeit diskutiert um dem anthropogenen Treibhauseffekt entgegenzuwirken. Für die Bewertung solcher Maßnahmen ist ein umfassendes Verständnis ihrer Nachhaltigkeit und möglichen Konsequenzen erforderlich. In dieser Arbeit werden biogeochemische und hydrologische Auswirkungen von Biomasseplantagen und Aufforstung quantitativ und im Kontext der Planetarischen Grenzen (PG) analysiert. Simulationen mit einem globalen Vegetationsmodell zeigen, dass die Auswirkungen von Biomasseplantagen auf die Biosphäre nicht zu vernachlässigen sind und die der historischen landwirtschaftlichen Bodennutzung noch überschreiten können. Außerdem werden Szenarien zur räumlichen Verteilung von Biomasseplantagen unter Berücksichtigung von regionalen und globalen PG für biogeochemische Flüsse, Intaktheit der Biosphäre, Landnutzungswandel und Süßwassernutzung evaluiert. Unter Einhaltung regionaler PG können nur marginale Potentiale erzielt werden. Unter kompletter Ausnutzung des Risikobereichs könnten 1.4-6.9 GtC/a entzogen werden, abhängig von Biomasseverwertungs- und Kohlenstoffspeicherungseffizienzen. Die Relevanz von koevolutionärer Dynamik zwischen dem Kohlenstoffkreislauf und gesellschaftlichem Eingreifen wird mit einem konzeptionellen Modellierungsansatz im Kontext der PG aufgezeigt. Eine Fokussierung auf das Klimaproblem ohne die ganzheitliche Berücksichtigung von erdsystemischen Interaktionen kann ungewollte Überschreitung anderer PG zur Folge haben. Die Kombination von Bevölkerungswachstum und Nahrungsmittelbedarf mit der Minimierung von Kohlenstoff- und Biodiversitätsverlusten zeigt Möglichkeiten und Grenzen für terrestrische Kohlenstoffspeicherung auf. Räumliche Umverteilung in hochproduktive Regionen sowie substantielle landwirtschaftliche Produktivitätssteigerungen ermöglichen die Ernährung von 9 Milliarden Menschen sowie ein Kohlenstoffspeicherungspotential von bis zu 98 GtC. / Terrestrial carbon dioxide removal (tCDR) via afforestation or biomass plantations are discussed as options to counteract anthropogenic global warming. Therefore, it is important to understand sustainability limits and implications of tCDR in the context of Earth system dynamics. This thesis provides a model based assessment of biogeochemical and hydrological side-effects of biomass plantations and afforestation in the context of planetary boundaries (PBs), delimiting a safe operating space for humanity. Simulations with a global vegetation model indicate considerable biogeochemical and hydrological consequences of biomass plantations which are even larger than those of historical agricultural land use. Further, land use scenarios of biomass plantations are developed with a multi-objective optimisation model considering the PBs for biogeochemical flows, biosphere integrity, land system change and freshwater use. Respecting PBs yields almost zero tCDR potential. The transgression of PBs into a zone of increasing risk of feedbacks at the planetary scale can provide considerable tCDR potentials of 1.4-6.9 GtC/a, depending on efficiency of biomass conversion and carbon capture and storage. The importance of co-evolutionary dynamics of the Earth''s carbon cycle and societal interventions through tCDR is demonstrated with a conceptual modelling approach in the context of carbon-related PBs. A focus on climate change without an integrated trade-off assessment may lead to navigating the Earth system out of the safe operating space due to collateral transgression of other PBs. Integrating population growth and food demand while minimising carbon and biodiversity loss demonstrates opportunities and limitations for tCDR. Substantial improvements of crop and livestock productivities and the displacement of agricultural production into regions of high productivity yield sustainable terrestrial carbon sequestration potentials of up to 98 GtC while feeding 9 billion people.

In order to study how to reach different climate targets, scientists and policymakers rely on results from computer models known as Integrated Assessment Models (IAMs). These models are used to quantitatively study different ways of achieving warming targets such as the Paris goal of limiting warming to 1.5-2.0 °C, deriving climate mitigation pathways that are optimal in some sense. However, when applied to the Paris goal many IAMs derive pathways that overshoot the temperature target: global temperature temporarily exceeds the warming target for a period of time, before decreasing and stabilizing at the target. Although little is known with certainty about the impacts of overshooting, recent studies indicate that there may be major risks entailed. This thesis explores two different ways of including overshoot risk in a simple IAM by introducing stochastic elements to it. Then, algorithms from Reinforcement Learning (RL) are applied to the model in order to find pathways that take overshoot risk into consideration. In one experiment we apply standard risk-neutral RL to the DICE model extended with a probabilistic damage function and carbon dioxide removal technologies. In the other experiment, the model is further augmented with a probabilistic tipping element model. Using risk-constrained RL we then train an algorithm to optimally control this model, whilst controlling the conditional-value-at-risk of triggering tipping elements below a user-specified threshold. Although some instability and convergence issues are present during training, in both experiments the agents are able to achieve policies that outperform a simple baseline. Furthermore, the risk-constrained agent is also able to (approximately) control the tipping risk metric below a desired threshold in the second experiment. The final policies are analysed for domain insights, indicating that carbon removal via temporal carbon storage solutions could be a sizeable contributor to negative emissions on a time-horizon relevant for overshooting. In the end, recommended next steps for future work are discussed. / För att studera hur globala klimatmål kan nås använder forskare och beslutsfattare resultat från integrerade bedömningsmodeller (IAM:er). Dessa modeller används för att kvantitativt förstå olika vägar till temperaturmål, så som Parisavtalets mål om att begränsa den globala uppvärmningen till 1.5-2.0 °C. Resultaten från dessa modeller är så kallade ”mitigation pathways” som är optimala utifrån något uppsatt kriterium. När sådana modellkörningar görs med Parismålet erhålls dock ofta optimala pathways som överskjuter temperaturmålet tillfälligt: den globala temperaturen överstiger målet i en period innan den sjunker och till slut stabiliseras vid det satta målet. Kunskapen om vilken påverkan en överskjutning har är idag begränsad, men flertalet nyligen gjorda studier indikerar att stora risker potentiellt kan medföras. I denna uppsats utforskas två olika sätt att inkludera överskjutningsrisk i en enkel IAM genom användandet av stokastiska element. Därefter används Förstärkande Inlärning på modellen för att erhålla modellösningar som tar hänsyn till överkjutningsrisk. I ett av experimenten utökas IAM:en med en stokastisk skadefunktion och tekniker för koldioxidinfångning varpå vanlig Förstärkande Inlärning appliceras. I det andra experimentet utökas modellen ytterligare med en stokastisk modell för tröskelpunkter. Med hjälp av risk-begränsad Förstärkande Inlärning tränas därefter en modell för att optimalt kontrollera denna IAM samtidigt som risken att utlösa tröskelpunkter kontrolleras till en nivå satt av användaren. Även om en viss grad av instabilitet och problem med konvergens observeras under inlärningsprocessen så lyckas agenterna i båda experimenten hitta beslutsregler som överträffar en enkel baslinje. Vidare lyckas beslutsregeln som erhålls i det andra experimentet, med den risk-begränsade inlärningen, approximativt kontrollera risken att utlösa tröskelpunkter till det specificerade värdet. Efter träning analyseras de bästa beslutsreglerna i syfte att finna domänmässiga insikter, varav en av dessa insikter är att temporära kollager kan ge betydande bidrag för koldioxidinfångning i en tidshorisont relevant vid överskjutning. Slutligen diskuteras möjliga nästa steg för framtida arbeten inom området.