Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5698
Main Title: The economics of vehicle CO2 emissions standards and fuel economy regulations
Subtitle: rationale, design, and the electrification challenge
Translated Title: Eine ökonomische Analyse von CO2-Grenzwerten und Kraftstoffeffizienzvorgaben für Pkw
Translated Subtitle: Begründung, Ausgestaltung und neue Herausforderungen durch strombasierte Antriebe
Author(s): Elmer, Carl-Friedrich
Advisor(s): Hirschhausen, Christian von
Referee(s): Hirschhausen, Christian von
Meran, Georg
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Climate change concerns have set the transportation sector under increasing pressure to reduce its fuel consumption and greenhouse gas (GHG) emissions. At the same time, economists and policy makers are concerned with the so-called energy efficiency paradox or energy efficiency gap: the notion of a gap between observed and supposedly cost-effective levels of energy efficiency. Besides environmental externalities, a number of further explanations—barriers to energy efficiency—for this seemingly suboptimal energy efficiency adoption behavior as well as policy recommendations to overcome these barriers have been brought forward. We review the academic literature on this issue and apply it to the domain of light-duty vehicle (LDV) fuel economy. The bottom line is that both theory and empirics suggest, although not entirely uncontended, that the market for fuel economy is characterized by several externalities as well as internalities (that is, welfare reductions—due to fuel cost undervaluation—consumers impose on themselves), leading to suboptimally low fuel economy levels and therefore providing a rationale for policy interventions. This thesis focusses on a policy instrument that is specifically dedicated to improving vehicle fuel efficiency and enjoys high popularity among policy-makers: mandatory standards for either fuel economy or specific carbon dioxide (CO2) emissions of passenger vehicles, which are key tools in many major automobile markets for meeting CO2 mitigation targets, for reducing dependence on oil imports, and increasing the welfare of motorists. By means of a theoretical model, we assess the relative favorability of different standard designs—uniform standards and manufacturer-specific standards based on a reference attribute such as weight (EU policy) or size (U.S. policy)—as well as the implications of credit trading across manufacturers. Uniform standards ignore heterogeneity in manufacturers’ abatement costs; thus, in the absence of a credit trading mechanism, they impair the cost-effectiveness of achieving the fleetwide efficiency target and cause perceived inequities. By differentiating the manufacturer-specific emissions targets, weight- or size-based standards may then improve the economic efficiency of the regulation and balance the cost distribution through a more equitable allocation of required abatement efforts, but they distort the decision among different available abatement options. This distortion can possibly offset the gains from differentiating emissions targets to a large extent or even worsen the overall cost-effectiveness. We emphasize the crucial impact of the choice of the reference attribute on the magnitude of distortion-induced welfare losses and the regulation’s overall economic efficiency properties. Making fuel efficiency standards tradable tends to improve their cost-effectiveness; yet, in case of distortionary attribute-based standards, and under certain circumstances, introducing tradability may actually have a deteriorating effect. Conducting numerical simulations, we identify the role of several structural factors (e.g., market concentration rates, technology cost structures, heterogeneity among vehicle manufacturers) for the relative cost-effectiveness and distributional equity of each kind of standard. We briefly contrast the U.S. and European policy approaches in the light of our theoretical results, arguing against the appropriateness of vehicle weight as reference parameter for attribute-based CO2 emissions or fuel economy standards. The subsequent chapters deal with the challenges arising from the upcoming, stepwise, and for ambitious GHG cuts indispensable electrification of the LDV fleet. Given growing market shares of electric drivetrains (battery-electric vehicles, plug-in hybrids, fuel cell electric vehicles), the currently widespread tailpipe CO2 emissions standards become increasingly inappropriate. With tailpipe standards implemented, electric vehicles (EV) have a large leverage on the (required) fuel economy of conventional internal combustion engine vehicles; as a consequence, uncertainty about the future market penetration of EV jeopardizes both GHG abatement targets as well as the realization of beneficial fuel cost savings. Thus, we assess potential alternative metrics for regulating vehicle efficiency—with well-to-wheel GHG standards and energy consumption standards appearing particularly promising, despite methodological challenges remaining to be resolved. In addition, we examine the interactions of vehicle efficiency standards with the broader climate policy framework—emissions trading schemes with varying sectoral scope, in particular—under consideration of different standards metrics and uncertain LDV electrification scenarios. Finally, we explore the interplay of LDV efficiency standards with other policy instruments specifically dedicated to improving new vehicles’ CO2 performance or fuel economy. We show that—contingent upon the precise design of the efficiency standards—the implementation of such complementary policies can worsen the effectively realized fuel efficiency of the fleet. The simultaneous use of multiple instruments may still be beneficial and unfold synergies, however, if the regulator is aware of the instrumental interplay and adjusts the standards as well as the complementary policy instruments accordingly.
Im Rahmen der Bemühungen um eine Begrenzung der globalen Klimaerwärmung gerät der Verkehrssektor zunehmend unter Druck, seinen Energieverbrauch und seine Treibhausgas-Emissionen zu verringern. Zugleich findet in Wissenschaft und Politik eine Diskussion um das sogenannte Energy Efficiency Gap (Energieeffizienzlücke) oder Energieeffizienz-Paradoxon statt. Das Energy Efficiency Gap beschreibt eine systematische Abweichung des tatsächlich realisierten vom vermeintlich optimalen bzw. kosteneffizienten Energieeffizienz-Niveau. Für dieses scheinbar suboptimale Verhalten hinsichtlich Energieeffizienzinvestitionen werden neben Umweltexternalitäten noch eine Reihe weiterer Gründe, sogenannte Energieeffizienz-Hemmnisse, sowie Politikempfehlungen für deren Überwindung diskutiert. In dieser Arbeit wird die wissenschaftliche Literatur zum Energy Efficiency Gap aufgearbeitet und auf den Bereich Personenkraftwagen (Pkw) angewendet. Sowohl Theorie als auch Empirie deuten darauf hin, dass der Pkw-Markt durch eine Vielzahl von Externalitäten als auch durch Internalitäten (d.h. eine dem rationalen Eigeninteresse zuwider laufende Unterbewertung der zukünftigen Kraftstoffkostenbelastung) gekennzeichnet ist, auch wenn dieser Befund nicht unumstritten ist. Resultiert hieraus eine gesamtwirtschaftlich zu geringe Kraftstoffeffizienz der Pkw-Flotte, erwächst eine grundsätzliche Legitimation für staatliche Eingriffe. Der Fokus dieser Arbeit richtet sich auf ein Politikinstrument, das gezielt die Effizienz von Pkw adressiert und in der regulatorischen Praxis weit verbreitet ist: Verbindliche Grenzwerte für den spezifischen CO2-Ausstoß bzw. den Kraftstoffverbrauch von Pkw sind in zahlreichen Ländern implementiert oder in der Planung, um die Treibhausgas-Emissionen des Verkehrssektors zu mindern, die Abhängigkeit von Ölimporten zu reduzieren und die Konsumentenwohlfahrt zu erhöhen. Mittels eines theoretischen Modells werden verschiedene Designs solcher Pkw-Effizienzstandards miteinander verglichen und bewertet. Zu unterscheiden sind hierbei insbesondere Standards mit einheitlichem Grenzwert und solche Ausgestaltungsformen, bei denen herstellerspezifische Zielwerte auf Basis eines Referenzattributs—wie beispielsweise das Fahrzeuggewicht in der EU oder der „Fahrzeug-Fußabdruck“ (d.h. das Produkt von Spurweite und Radstand) in den USA—zugewiesen werden. Zudem werden die Implikationen der Einführung eines sogenannten Baseline-and-Credit-Handelsmechanismus untersucht. Standards mit einheitlichem Grenzwert vernachlässigen die Heterogenität in den Vermeidungskosten zwischen den Fahrzeugherstellern. Dies beeinträchtigt—bei Fehlen eines Credit-Handelsmechanismus—die Kosteneffizienz, mit der das flottenweite Emissionsziel erreicht wird, und kann überdies zur Wahrnehmung einer ungerecht verteilten Kostenbelastung führen. Attributbasierte Standards, die—nach Fahrzeuggewicht oder „Fahrzeug-Fußabdruck“ differenzierte—herstellerspezifische Grenzwerte zuweisen, können durch eine ausgewogenere Allokation der geforderten Verbrauchsreduktionen zu einer Verbesserung der ökonomischen Effizienz der Regulierung und einer als gerechter empfundenen Kostenverteilung beitragen. Allerdings verzerren attributbasierte Standards die Entscheidung der Hersteller zwischen verschiedenen Optionen zur Verbrauchs- bzw. Emissionsreduktion. Diese Verzerrung kann die Effizienzgewinne, die zunächst aus einer verbesserten Allokation der geforderten Reduktionsleistungen resultieren, weitgehend neutralisieren oder sogar überkompensieren, sodass sich die Kosteneffizienz letztlich insgesamt verschlechtert. Die Analyse unterstreicht die zentrale Bedeutung der Wahl des Referenzattributs für die Höhe verzerrungsbedingter Wohlfahrtsverluste und die Gesamteffizienz der Regulierung. Der Handel mit Credits (bei Über- bzw. Unterschreitung der herstellerspezifischen Vorgaben) führt grundsätzlich zu einer Verbesserung der Kosteneffizienz. Im Falle verzerrender attributbasierter Standards kann die Einführung eines Handelsmechanismus unter bestimmten Bedingungen jedoch auch zu einer Verschlechterung führen. Mittels numerischer Simulationen wird der Einfluss verschiedener struktureller Faktoren (bspw. Marktkonzentration, relative Kosten verschiedener Vermeidungstechnologien, Heterogenität der Fahrzeughersteller) auf die relative Kosteneffizienz der untersuchten Standard-Designs und auf deren distributive Wirkungen analysiert. Schließlich werden in knapper Form die europäischen und die US-amerikanischen Effizienz-Standards für Pkw vor dem Hintergrund der zuvor abgeleiteten theoretischen Erkenntnisse miteinander verglichen. Hierbei ist insbesondere die—angesichts einer starken Verzerrungswirkung—mangelhafte Eignung des Fahrzeuggewichts als Referenzparameter der europäischen Regulierung hervorzuheben. Die nachfolgenden Kapitel beschäftigen sich mit den Herausforderungen, die aus der schrittweisen, klimapolitisch langfristig notwendigen Elektrifizierung des Pkw-Verkehrs erwachsen. Mit steigenden Marktanteilen elektrischer Antriebe (batterie-elektrische, Plug-in-Hybrid-, Brennstoffzellen-Fahrzeuge) wird der gegenwärtig weit verbreitete Tailpipe-Ansatz, d.h. die Regulierung der während des Betriebs im Fahrzeug selbst anfallenden CO2-Emissionen, zunehmend ungeeignet. Bei einer Regulierung durch Tailpipe-Standards hat die Zulassungszahl von Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb eine starke Hebelwirkung auf die (geforderte) Kraftstoffeffizienz konventioneller Pkw mit Verbrennungsmotor. Unsicherheit hinsichtlich der künftigen Marktdurchdringung elektrischer Antriebe gefährdet somit einerseits die Erschließung aus gesellschaftlicher Perspektive und aus Konsumentensicht wirtschaftlicher Potenziale zur Verbesserung der Kraftstoffeffizienz und andererseits, dass die gesteckten Klimaziele erreicht werden. Daher werden im Anschluss an die kritische Bewertung des Tailpipe-Ansatzes potenzielle alternative Metriken zur Regulierung der Fahrzeugeffizienz auf ihre Eignung geprüft. Energieverbrauchs- und sogenannte Well-to-Wheel-Standards, bei denen die über den gesamten Lebenszyklus des Kraftstoffs anfallenden Treibhausgas-Emissionen erfasst werden, erscheinen dabei—trotz noch zu lösender methodischer Probleme—als vielversprechendste Alternativen. Für verschiedene Metriken und unter besonderer Berücksichtigung der Unsicherheiten von Pkw-Elektrifizierungs-Szenarien wird zudem untersucht, wie Fahrzeugeffizienz-Standards mit dem breiteren klimapolitischen Rahmen—insbesondere Emissionshandelssystemen mit unterschiedlicher sektoraler Abdeckung—interagieren. Abschließend wird das Zusammenspiel von Pkw-Effizienzstandards mit anderen Politikinstrumenten, deren explizites Ziel ebenfalls die Verringerung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs bzw. der spezifischen Treibhausgas-Emissionen ist (z.B. CO2-basierte Kfz-Steuern, F&E-Förderung, Verbrauchsinformationen), beleuchtet. Es wird gezeigt, dass—in Abhängigkeit vom jeweiligen Design der Pkw-Effizienzstandards—die Implementierung solch komplementärer Instrumente letztlich sogar zu einer Verschlechterung des tatsächlich erreichten Effizienzniveaus der Fahrzeugflotte führen kann. Ist sich der Regulierer des instrumentellen Wechselspiels bewusst und stimmt die Effizienzstandards sowie die komplementären Maßnahmen adäquat aufeinander ab, können durch den parallelen Einsatz verschiedener Politikinstrumente hingegen Synergien erzeugt werden.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6123
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5698
Exam Date: 15-Dec-2015
Issue Date: 2016
Date Available: 25-Jan-2017
DDC Class: DDC::300 Sozialwissenschaften::330 Wirtschaft::333 Boden- und Energiewirtschaft
DDC::300 Sozialwissenschaften::380 Handel, Kommunikation, Verkehr::388 Verkehr; Landverkehr
Subject(s): energy efficiency policy
fuel economy regulation
CO2 emissions standards
electrification of road transport
climate policy
Energieeffizienzpolitik
Kraftstoffeffizienzvorgaben
CO2-Grenzwerte
Straßenverkehr-Elektrifizierung
Klimapolitik
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 7 Wirtschaft und Management » Institut für Volkswirtschaftslehre und Wirtschaftsrecht (IVWR) » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
elmer_carl-friedrich.pdf9,08 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.