Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-11366
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Main Title: Environmental impact assessment in energy-economy-climate models
Translated Title: Umweltfolgenabschätzung in Energie-Wirtschaft-Klima-Modellen
Author(s): Rauner, Sebastian
Advisor(s): Luderer, Gunnar
Referee(s): Luderer, Gunnar
Minx, Jan Christoph
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Has Part: 10.14279/depositonce-11812
10.14279/depositonce-11813
10.14279/depositonce-11867
Language Code: en
Abstract: Climate change is one of, if not the, most important issues faced by the global society in the 21st century. The effects of climate change are visible on all continents and oceans already today and a business-as-usual will lead to severe consequences on the earth system, the economy and public health. Keeping these risks in check, the international community signed the Paris Agreement, stating the goal to limit the global mean temperature rise at the end of the century to well below 2 \degree Celsius above pre-industrial levels pursuing efforts to limit it to 1.5\degree C. This is one of the first incidents of human kind acknowledging that the current development is not sustainable and the earth's limits would be reached in a time span of a few generation. Achieving the Paris Agreement goals requires greenhouse gas emission net neutrality around mid century, implying a limited remaining greenhouse gas emission budget. This necessitates an unprecedented transformation of the energy system, land-use sector and, if economic development and energy demand are not decoupled, deprioritization of economic growth. However, the remaining emission budget is currently over-exploited by countries acting independently according to their own self-interest, free-riding on the mitigation efforts of the others, a case of the Tragedy of the Global Commons. In this context, climate change has also been called the biggest market failure since the emitters of greenhouse gases seldom face the associated cost. In the absence of a price reflecting climate change impacts, climate policies are required. Policymakers establish policies to achieve the transformation, crucially informed by scenarios from integrated energy-economy-climate models. The common approach is to model economically optimal scenarios while constraining greenhouse gas emissions to meet a set radiative forcing target. This transformation intersects with other sustainability goals which can lead to positive, called co-benefits, or negative effects, called adverse side effects. However, the common approach lacks accounting for other co-benefits and adverse side effects associated with the infrastructure and the operation of the energy system. These include air pollution - public health effects, water–energy–land nexus and biodiversity conservation. Consequently, for a holistic sustainability assessment it is necessary to endeavour beyond an isolated consideration of greenhouse gas emissions as the unique metric. The research question this dissertation is tackling is therefore: What are the co-benefits and adverse side effects of energy and climate policy? The three main chapters assess this topic with different foci. The first chapter focuses on the specific consideration of one of the most important externality of the energy system, air pollution induced public health effects. In the second chapter a comprehensive life cycle based assessment of impacts for a subsystem, the electricity system in Germany, is performed. Here, the sustainability dimension is evaluated against the economic cost through a multi criteria optimization. Finally we do a comprehensive analysis of different global climate policy scenarios with the focus on the policy of a global coal exit. Our main result is that the co-benefits of climate policy are in the same order of magnitude as the mitigation cost, if a comprehensive analysis is applied, confirming its relevance. Especially major emitters of greenhouse gas emissions such as India and China benefit the most from climate mitigation efforts, this can function as an early entry point for climate mitigation policies. In contrast to climate policies the human health and environmental co-benefits are local and intra-generational. This can help tackle the described Tragedy of the Global Commons of climate mitigation. We show that renewable energies not only emit the lowest greenhouse gases they also outperform fossil fuel based technologies on most of the other sustainability criteria. However, our results show that the co-benefits consideration needs to be comprehensive as climate policies can lead to challenges for example in land-use and resource depletion that need further attention. We further show that including the whole life cycle and a system wide analysis are crucial as impacts are shifted from direct to indirect emissions and unintended substitution effects need to be accounted for. Finally we give an outlook for future research directions which should mainly focus on a more detailed modeling of environmental and human health impacts as well as the question on how to integrate the impact assessment into the modeling of transition pathways.
Der Klimawandel ist eine der, wenn nicht gar die wichtigste Herausforderung der Menschheit im 21. Jahrhundert. Die Auswirkungen des Klimawandels sind auf allen Kontinenten und Ozeanen bereits heute sichtbar und ein weiter wie bisher hätte schwerwiegenden Folgen für die Umwelt, Wirtschaft und öffentliche Gesundheit. Um diese Risiken in Schach zu halten, unterzeichnete die internationale Gemeinschaft das Pariser Übereinkommen, in dem sie sich darauf einigte, den globalen Anstieg der mittleren Temperatur bis zum Ende des Jahrhunderts auf deutlich unter 2◦Celsius über dem vorindustriellen Niveau zu begrenzen und Anstrengungen zu unternehmen, um ihn auf 1,5◦C zu begrenzen. Dies ist einer der ersten Ereignisse in der die Menschheit anererkennt, dass die gegenwärtige Entwicklung nicht nachhaltig ist und die Grenzen der Erde in einer Zeitspanne von wenigen Generationen erreicht werden würden. Um die Pariser Ziele zu erreichen, muss um die Mitte des Jahrhunderts netto Neutralität von Treibhausgasen erreicht werden was ein verbleibendes Emissionsbudget impliziert. Dies erfordert eine beispiellose Transformation des Energiesystems, des Landnutzungssektors und, wenn wirtschaftliche Entwicklung und Energienachfrage nicht entkoppelt werden, die Entpriorisierung vonWirtschaftswachstum. Das verbleibende Emissionsbudget wird derzeit von Ländern übermäßig ausgeschöpft, die nach ihrem eigenen Eigeninteresse handeln und von Minderungsbemühungen der anderen profitieren, ein Fall der Tragödie der Global Commons. Folglich wird der Klimawandel auch als das größte Marktversagen bezeichnet, da die Emittenten von Treibhausgasen selten mit den damit verbundenen Kosten konfrontiert sind. Dem Marktversagen zu begegnen erfordert das Eingreifen der Politik. Die politischen Entscheidungsträger legen dazu Maßnahmen fest, die auf detaillierten Abschätzungen ihrer Auswirkungen basieren. Dabei werden sie durch Szenarienanalysen von Integrated Assessment und Energiesystemmodellen informiert. Der gängige Ansatz besteht darin, wirtschaftlich optimale Szenarien zu modellieren und gleichzeitig die Treibhausgasemissionen zu begrenzen, um ein festgelegtes Erwärmungsziel zu erreichen. Die Dekarbonisierung unseres Wirtschaftens überschneidet sich aber mit einer Vielzahl anderen Nachhaltigkeitszielen, was zu Zusatznutzen oder negativen Effekten führen kann. Dem gängigen Ansatz fehlt es jedoch an der Berücksichtigung dieser Zusatznutzen und Nebenwirkungen im Zusammenhang mit der Infrastruktur und dem Betrieb des Energiesystems. Dazu gehören unter anderem die durch Luftverschmutzung verursachten Auswirkungen auf die öffentliche Gesundheit, der Nexus zwischenWasser, Energie und Land und der Schutz der biologischen Vielfalt. Für eine ganzheitliche Nachhaltigkeitsbewertung ist es daher notwendig, über eine isolierte Betrachtung der Treibhausgasemissionen als alleinige Kennzahl hinauszugehen. Die Forschungsfrage, der sich diese Dissertation widmet, ist daher: Was sind die Zusatznutzen und negativen Effekte von Energie- und Klimapolitik? Die drei Hauptkapitel beleuchten diese Themenfeld mit unterschiedlichen Schwerpunkten. Das zweite Kapitel konzentriert sich auf die spezifische Berücksichtigung einer der wichtigsten Externalität des Energiesystems, durch Luftverschmutzung induzierte Auswirkungen auf die öffentliche Gesundheit. Im dritten Kapitel wird eine umfassende lebenszyklusbasierte Bewertung der Auswirkungen für ein Subsystem, das Elektrizitätssystem in Deutschland, durchgeführt. Die Nachhaltigkeitsdimension wird hierbei durch eine multikriterielle Optimierung mit den wirtschaftlichen Kosten verglichen. Schließlich führen wir eine umfassende Analyse verschiedener globaler klimapolitischer Szenarien durch, wobei der Schwerpunkt auf der Politik eines globalen Kohleausstiegs liegt. Unser Hauptergebnis ist, dass die Zusatznutzen der Klimapolitik bei einer umfassende Analyse in der gleichen Größenordnung liegen wie die Minderungskosten. Vor allem große Emittenten von Treibhausgasemissionen wie Indien und China profitieren am meisten von den Bemühungen um den Klimaschutz, dies kann als früher Einstieg in Klimaschutzpolitik dienen. Im Gegensatz zur Klimapolitik sind die Vorteile für die menschliche Gesundheit und die Umwelt lokal und zeitnah. Dies kann dazu beitragen, die beschriebene Tragödie der Global Commons von Klimapolitik zu bewältigen. Wir zeigen weiter, dass erneuerbare Energien nicht nur die niedrigsten Treibhausgasemissionen ausstoßen, sondern auch einen geringere Auswirkung auf die meisten anderen Nachhaltigkeitskriterien als auf fossilen Brennstoffen basierenden Technologien haben. Unsere Ergebnisse zeigen jedoch, dass die Betrachtung der Zusatznutzen umfassend sein muss, da Klimapolitik zu Herausforderungen zum Beispiel bei der Landnutzung und der Ressourcenverknappung führen kann, die weitere Aufmerksamkeit erfordern. Wir zeigen ferner, dass die Einbeziehung des gesamten Lebenszyklus und eine systemweite Analyse entscheidend sind, da die Auswirkungen von direkten auf indirekte Emissionen verlagert werden und unbeabsichtigte Substitutionseffekte berücksichtigt werden müssen. Schließlich geben wir einen Ausblick auf zukünftige Forschungsfelder, die sich vor allem auf eine detaillierterere Modellierung der Auswirkungen auf die Umwelt und die menschliche Gesundheit sowie auf die Frage konzentrieren sollten, wie die Folgenabschätzung in die Modellierung von Transformationspfaden integriert werden kann.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/12547
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-11366
Exam Date: 27-Oct-2020
Issue Date: 2021
Date Available: 19-Mar-2021
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften
Subject(s): integrated assessment
climate change
life cycle assessment
sustainable development
holistic assessment
integrierte Analyse
Klimawandel
Lebenszyklusanalyse
nachhaltige Entwicklung
ganzheitliche Analyse
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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