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Berechnung anthropogener Emissionen in Deutschland für Ozonsimulationen : Modellentwicklung und Sensitivitätsstudien
(2001) Wickert, Burkhard; Friedrich, Rainer (Prof. Dr.-Ing.)
Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein hochauflösendes Emissionsmodell für Deutschland zu entwickeln. Durch Sensitivitätsrechnungen mit einem gekoppelten Emissions- und Chemie-Transportmodell soll herausgefunden werden, wie groß die Auswirkungen von Unsicherheiten im Emissionsmodell auf die Ergebnisse der atmosphärischen Modellierung sind. Um diese Ziele zu erreichen, wird zunächst ein räumlich, zeitlich und stofflich hochauflösendes Emissionsmodell für Deutschland entwickelt, um die erforderlichen Emissionsdatensätze in höchster Genauigkeit bereitstellen zu können. Verbesserungen gegenüber bestehenden Ansätzen betreffen vor allem das Verkehrsmodell sowie die Methoden zur räumlichen und zeitlichen Verteilung, die hier erstmals auf das Gebiet der gesamten Bundesrepublik angewendet werden. Die Ergebnisse der Emissionsberechnung für 1994 sowie eine Szenariorechnung für 2010 werden ausführlich diskutiert. Variationen des Emissionsmodells liefern die zu den Sensitivitätsrechnungen benötigten Eingangsdatensätze für ein Chemie-Transport-Modell, das aus Emissionen, Landnutzung, Orographie und meteorologischen Daten die Konzentrationen von bodennahem Ozon und anderen Spurengasen simuliert. Es werden Fälle zu verschiedenen Emissionsstärken der Ozonvorläufersubstanzen untersucht, aber auch Änderungen in der räumlichen Verteilung der Emissionen, in der zeitlichen Lage und im stündlichen Verlauf sowie in der Zusammensetzung der VOC-Komponenten. Darüber hinaus werden die unterschiedlichen Auswirkungen von Variationen der NMVOC-Emissionen aus biogenen bzw. anthropogenen Quellen analysiert. Die Ergebnisse der Sensitivitätsrechnungen zeigen für die betrachtete Episode, dass Unsicherheiten in den Emissionsdaten hohen Einfluss auf die Ergebnisse der Chemie-Transport-Modellierung haben können. Große Bedeutung kommt der richtigen Erfassung der NOx-Emissionen und der Einbeziehung wichtiger Einzelemittenten als Punktquellen zu.
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Entwicklung und Anwendung von Methoden und Modellen zur Berechnung von räumlich und zeitlich hochaufgelösten Emissionen in Europa
(2014) Thiruchittampalam, Balendra; Friedrich, Rainer (Prof. Dr.-Ing.)
Räumlich und zeitlich hochauflösende Modelle sind essentiell für die Beantwortung vieler Fragestellungen der Luftreinhaltung und der Klimamodellierung. Hochauflösende Emissionsdaten werden benötigt, um die Konzentration von Schadstoffen mittels Chemie-Transportmodellen zu bestimmen und die Auswirkungen auf Mensch und Natur zu quantifizieren, sowie insbesondere adäquate Gegenmaßnahmen zu entwickeln. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Methoden zur Modellierung von räumlich und zeitlich hochaufgelösten Emissionen weiterzuentwickeln und diese am Beispiel der EU27- und der EFTA-Länder in einer 1km × 1km und stündlichen Auflösung für das Jahr 2008 anzuwenden. Die Herleitung und Weiterentwicklung der Methoden der räumlichen und zeitlichen Auflösung mit zugehörigen detaillierten Gleichungen sind zwei der wesentlichen Verbesserungen, welche im Zuge dieser Arbeit durchgeführt wurden. Die Weiterentwicklungen der räumlichen Verteilung der Emissionen aus den Quellgruppen Energiebereitstellung, Industrie und Abfallwirtschaft betrifft das Berücksichtigen von diffusen Emissionsanteilen bei punktquellrelevanten Sektoren. Die Neuerungen bei der räumlichen Verteilung von Emissionen aus Haushalten beinhalten insbesondere eine energieträgergewichtete Verteilung. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Verbesserung der räumlichen Verteilung der Straßenverkehrsemissionen. Aufgrund der schwer zugänglichen Verkehrszähldaten auf europäischer Ebene wurden neue Methoden entwickelt, welche trotz schlechter Datenlage belastbare Emissionen auf Gitterebene liefern. Die Fortschritte bei der räumlichen Verteilung der Landwirtschaftsemissionen sind bei der Berechnung von diffusen Anteilen unter Berücksichtigung von Anlagen zur Intensivhaltung oder Aufzucht von Tieren zu finden. Neben der räumlichen Verteilung steht die zeitliche Emissionsauflösung im besonderen Fokus der Weiterentwicklung von hochauflösenden Emissionsmodellen, da der Stand des Wissens bei der zeitlichen Auflösung von Emissionen nach wie vor in einem rudimentären Zustand ist. Infolgedessen war es notwendig die zeitliche Auflösung von Emissionen in Europa auf eine belastbare Grundlage zu stellen, auf deren Basis die Hauptemissionsquellen: Strom- und Wärmeversorgung, Haushalte, Gewerbe, Handel und Dienstleistungen, Straßenverkehr und Landwirtschaft stündlich aufgelöst werden können. Methodische Erweiterungen wie die verstärkte Integration von Temperaturdaten und anderer Parameter sind wesentliche Schwerpunkte dieser Arbeit. Das Ziel bei der zeitlichen Auflösung ist es, temperaturabhängige Funktionen zu entwickeln, auf deren Grundlage die Zeitprofile auch für zukünftige Jahre bestimmt werden können. Auf der Basis der entwickelten Methoden wurde erstmalig das Ergebnis von stündlichen Emissionen für Europa auf einer 1km × 1km-Auflösung aufgezeigt. Eine detaillierte und quantitative Unsicherheitsbetrachtung der räumlichen und zeitlichen Emissionsverteilung bedarf eines enormen Rechen- und Zeitaufwands, weswegen es notwendig war, häufig verwendete Methoden der Unsicherheitsbetrachtung auf die Anwendbarkeit für hochauflösende Emissionsmodelle zu prüfen und Empfehlungen abzugeben. Zudem wurde anhand von Beispielen aufgezeigt, wie die räumliche und zeitliche Unsicherheitsanalyse durchgeführt werden kann.
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Ermittlung und Analyse der Emissionen und Potenziale zur Minderung primärer anthropogener Feinstäube in Deutschland
(2006) Pregger, Thomas; Friedrich, Rainer (Prof. Dr.-Ing.)
Aufgrund von neuen Erkenntnissen der Wirkungsforschung seit Mitte der 90er Jahre sind anthropogene Feinstäube wieder verstärkt ein Thema der Luftreinhaltung, nachdem die bisher ergriffenen Maßnahmen zur Minderung der Gefahren und Beeinträchtigungen durch Staubemissionen in den 80er Jahren und der ersten Hälfte der 90er Jahre ausreichend erschienen. Aufgrund dieser Maßnahmen gingen die atmosphärischen Gesamtstaubkonzentrationen in den letzten Jahren und Jahrzehnten stark zurück. Nun werden auch den derzeit in Deutschland gemessenen, im Vergleich zu früher deutlich niedrigeren Staubkonzentrationen in der Außenluft beträchtliche gesundheitliche Wirkungen zugesprochen. Für diese Wirkungen sollen vor allem feine lungengängige Partikel und ihre Bestandteile verantwortlich sein. Um eine wirksame Strategie für weitere Minderungsmaßnahmen entwickeln zu können, sind zunächst die wesentlichen Emissionsquellen dieser Partikel zu identifizieren. Im Gegensatz zu früheren Arbeiten stehen nun die Feinstaubfraktionen PM10 und PM2,5 im Mittelpunkt, so dass die jeweilige Partikelgrößenverteilung der Emissionen zu betrachten ist und einen großen Einfluss auf die lufthygienische Bewertung einer Quellgruppe hat. Ausgehend von einem detaillierten Quelleninventar können die Wirksamkeit und die Potenziale von technischen Möglichkeiten zur Emissionsminderung quantifiziert und analysiert werden. Die vorliegende Arbeit hatte die Zielsetzung, eine umfassende Datengrundlage für eine solche Analyse zu schaffen. Die Kenntnislücken bei der Quantifizierung von primären anthropogenen Partikelemissionen und der Charakterisierung hinsichtlich Partikelgröße und ausgewählten Inhaltsstoffen konnten durch die Zusammenstellung und Anwendung des derzeitigen Stands des Wissens verkleinert werden. Dadurch konnte eine möglichst vollständige Emissionsdatenbasis für Deutschland für die Partikelfraktionen PM10 und PM2,5 entwickelt und über zeitliche Projektionen ein Trendszenario der zu erwartenden Emissionen im Jahr 2010 erstellt werden. Die Ergebnisse zeigen als relevante Quellen für die Entstehung von Feinstäuben vor allem den Betrieb von Dieselmotoren im Verkehr, die Verfeuerung der festen Brennstoffe Kohle und Holz und einige Prozesse in der Primärindustrie. Eine ausführliche Betrachtung und Bewertung möglicher technischer Optionen und ihrer spezifischen Wirksamkeit zur Minderung von Feinstaubemissionen stellte eine weitere Grundlage der Arbeit dar. Als wirksame technische Maßnahmen, die sich auch für die Minderung der feinen und ultrafeinen Partikel eignen, sind insbesondere Dieselpartikelfilter und Erdgasfahrzeuge im Verkehr und optimierte Filteranlagen, emissionsarme Holzfeuerungen und Brennstoffsubstitutionen bei den stationären Anlagen zu nennen. Ausgehend von diesen Grundlagen wurden die Minderungspotenziale bei relevanten Quellgruppen abgeschätzt und Schlussfolgerungen für eine zukünftige Minderungsstrategie abgeleitet.
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Externe Kosten des Verkehrs: Grenz- und Gesamtkosten durch Luftschadstoffe und Lärm in Deutschland
(2005) Schmid, Stephan; Friedrich, Rainer (Prof. Dr.-Ing.)
Die vorliegende Arbeit stellt für Deutschland repräsentative Werte der externen Grenzkosten und der externen Gesamtkosten des Straßen-, Schienen-, Flug- und Binnenschiffsverkehrs bereit, die durch Luftschadstoff- und Lärmemissionen verursacht werden. Die externen Kosten durch Luftschadstoffe basieren auf den Berechnungsschritten Emissionsberechnung, Luftschadstoff-Ausbreitungsrechnung einschließlich Ozon und NOx/SOx Chemie sowie primäre und sekundäre Partikel, und in Folge die Berechnung der Auswirkungen auf Gesundheit, Material und Feldpflanzen mit einer abschließenden monetären Bewertung. Treibhausgasemissionen sind mit einem Vermeidungskostenansatz bewertet. Mit in die Berechnungen einbezogen sind vor- und nachgelagerte Prozesse wie z.B. Kraftstoff- und Fahrzeugbereitstellung sowie die Strombereitstellung beim Schienenverkehr. Zur Berechnung der externen Kosten von Verkehrslärm wird ein Wirkungspfadansatz entwickelt, der die Kette kausaler Beziehungen nachbildet, angefangen von den Geräuschemissionen, der Ausbreitung und Exposition der Bevölkerung bis hin zur Berechnung der Wirkungen mittels Expositions-Wirkungsbeziehungen. In Erweiterung früherer Arbeiten werden verschiedene Stufen der Belästigung, Gesundheitswirkungen einschließlich Herzinfarkt und Bluthochdruck, und Minderung der Schlafqualität explizit quantifiziert und bewertet. Die Expositions-Wirkungsbeziehungen hängen von der Art des Lärms ab und werden daher spezifisch für Straßen-, Schienen- und Fluglärm eingesetzt. Grenzkosten werden für verschiedene Technologien und Situationen berechnet, um Unterschiede zwischen Fahrzeugkategorien, Verkehrssituationen, Innerorts-/Außerortsverkehr sowie das Fahren zu verschiedenen Tageszeiten im Kontext von Lärm herauszuarbeiten. Addiert man die externen Grenzkosten zu den privaten, internen Kosten, so erhöhen sich die Kosten je nach Verkehrsmittel, Technologie und Situation sehr wenig und maximal bis zu etwa einem Viertel. Die externen Gesamtkosten werden erstmalig ebenfalls mit einem Bottom-up Ansatz und der gleichen Detaillierung wie Grenzkosten berechnet. Die Gesamtkosten belaufen sich auf 1,7 % des Bruttoinlandsprodukts Deutschlands mit Luftverschmutzung als wichtigstem Problem, dicht gefolgt von Lärm und an dritter Stelle von Treibhausgasen.
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Grüne Bilanzierung - Internalisierung von Umwelt- und Gesundheitsschäden im Rahmen der Input-Output-Rechnung
(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, 2016) Genius, Wolf; Friedrich, Rainer (Prof. Dr.-Ing.)
Als Maß für den Wohlstand einer Gesellschaft werden wirtschaftliche Kennzahlen, insbesondere das Bruttoinlandsprodukt verwendet. Allerdings wird die Wohlfahrt einer Gesellschaft auch von anderen Indikatoren wie z. B. dem Zustand von Gesundheit, Umwelt und Klima bestimmt. In dieser Arbeit wird daher eine Methodologie entwickelt und angewandt, mit deren Hilfe ein Ökoinlandsprodukt abgeschätzt werden kann, das neben der wirtschaftlichen Leistungsfähigkeit auch Gesundheits- und Umweltschäden sowie Klimaänderungen durch Umwelteinwirkungen enthält. Dazu werden für ca. 130 Wirtschaftssektoren in Deutschland, Frankreich und der EU-27 die relevantesten Umwelteinwirkungen (Emissionen) bestimmt. Anschließend werden die aus diesen Einwirkungen entstehenden Umwelt-, Gesundheits- und Klimaschäden berechnet und u.a. unter Verwendung von Zahlungsbereitschaftsanalysen in monetäre Werte transformiert. Diese Werte werden dann mit verschiedenen Ansätzen in die volkswirtschaftliche Gesamtrechnung integriert. Durch die Einbeziehung der Gesundheits-, Umwelt- und Klimaschäden wird das Bruttoinlandsprodukt um ca. 5 bis 6 % reduziert.
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Health impact assessment of pesticide use in Europe
(2012) Fantke, Peter; Friedrich, Rainer (Prof. Dr.-Ing.)
Technology assessments in Europe have mainly focused on air quality management with respect to energy conversion and road transport. However, other environmental media must also be considered to arrive at an integrated perspective for developing strategies towards more sustainability and an improved human welfare. Consequently, bioaccumulation of pollutants in the environment, in food crops and in animal food products leads to human ingestion exposure that must be accounted for. In addition, growing crops for use as energy, biofuels and non-energy raw materials becomes more and more important in the context of current policy. Unfortunately, only little is known about how the health of the general population is affected by current agriculture in Europe, especially with respect to the use of pesticides. Over the last three decades, European policy has developed towards a large legislation body regulating the marketing and use of pesticides as well as their residues in drinking water and various food items. Nonetheless, residues are still reported to reach levels where they can harm humans or the environment. Especially effects of pesticides on human health have lead to a continuously concerned general public. Existing regulations are therefore under constant revision by steadily evaluating the negative consequences of pesticide application based on continuously required scientific support. Thereby, evaluating exposure to pesticides and related health effects must build upon a deterministic understanding of the pathways from substance application via loss to the environment and uptake into the different food crops to finally human intake. However, current assessment tools are still challenged by the inherent complexity of plant uptake and translocation mechanisms as well as by an insufficient understanding of substance-specific chemical transformation, post-harvest food processing and health effects. The present work, hence, aims at improving existing health impact assessments of pesticide use by contrasting pathways of human exposure to pesticides. Main challenges were to consider characteristics of different food crops, to characterize individual pesticide-crop combinations and to simplify a complex dynamic model for incorporation into existing assessment tools to also account for the pesticide fraction that directly reaches the target crops. To address these challenges, a new operational modeling approach was developed for quantifying health impacts from exposure to pesticide residues in multiple directly treated food crops based on transparent matrix algebra. From analyzing its functioning and uncertainty, the system was parameterized for use in existing models, thereby keeping crops and substances disaggregated. In a case study, the new approach was applied to estimate health impacts and related damage costs caused by the five most extensively used pesticides in each of 25 European countries in 2003. Results indicate a high variation of impacts between countries as a function of the amount applied and substance toxicity. Total health impacts amount to 1672 DALY (disability-adjusted life years), to which the fraction reaching the target crops and the fraction lost to the environment during application contribute with 97% and 3%, respectively. Spain with 485, Italy with 442 and France with 370 DALY show the highest impacts per country. If translated into costs, damages amount to 67 million Euro in Europe in 2003. Results demonstrate the importance of considering pesticide residues in treated food crops for estimating overall human health impacts as integral part of evaluating current pesticide use in Europe.
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A hybrid dispersion modelling approach for quantifying and assessing air quality in Germany with focus on urban background and kerbside concentrations
(2012) Torras Ortiz, Sandra; Friedrich, Rainer (Prof. Dr.-Ing.)
Air pollution control strategies have helped to improve air quality over Europe over the last thirty years. Despite this success, the improvements have been insufficient to protect health of those who spend most of their time within urban areas and particularly near major roads. Considering that an urban street network is a structuring component of the city, a detailed analysis of its interaction with the environment and inhabitants is relevant for assessing policy measures aiming at improving urban air quality. However, given the inherent complexity of urban environments and the incomplete understanding of the physical and chemical processes involved in pollutant dispersion, it is a challenging task to estimate urban air quality. The objective of this thesis was to develop a modelling approach to resolve not only the long-range pollution dispersion but also to capture the higher pollutant concentrations commonly found within urban areas and at kerbside for assessing the localized effects associated to vehicle-related pollutants. A major challenge was to provide estimates not only for specific streets and cities but for the major road network and all streets within major cities in Germany. For this purpose, a hybrid dispersion modelling approach was developed for predicting air quality across different spatial scales: from regional to urban and kerbside scale, accounting for the intrinsic and distinctive urban morphology of urban areas. The hybrid dispersion modelling approach was used for estimating annual concentrations of PM10, PM2.5, and NO2 for all urban areas with more than 50 000 inhabitants in Germany for the reference year 2005. The results showed that there are large differences on air quality levels across urban areas in Germany, which may be relevant when planning or evaluating emission control strategies. Furthermore, an empiric regression function was also developed to estimate the number of days exceeding the daily limit value of 50 µg/m3 of PM10 by means of the annual mean PM10 concentrations. The air quality reference scenario was also applied to estimate health and climate change impacts associated to road vehicle activities in Germany in the year 2005. The modelling approach enabled a differentiation not only by vehicle types and technologies but also across urban areas within a geographically referenced framework. The results indicate that the total health damages attributed to road vehicle operation in Germany in the year 2005 account for almost 70 thousand Disability Adjusted Life Years (DALYs). Furthermore, the urban areas with the largest total DALYs attributed to vehicle use are located in the Essen-Dortmund area, Cologne-Bonn, and Berlin, followed by Hamburg, Frankfurt, Munich, and Stuttgart. The total health and climate change costs attributed to road vehicle operation in Germany in the year 2005 were estimated to be around 5.5 thousand millions EURO2000. Whereas heavy duty vehicles did only 8% of the total mileage, they are responsible for 27% of the total costs. On the other hand, both diesel and petrol passenger account for about 86% of the total mileage and they are responsible for two thirds of the total costs.
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Integrated assessment of atmospheric environmental management in China
(2018) Huang, Ganlin; Friedrich, Rainer (Prof. Dr.-Ing.)
China is facing severe challenges of air pollution and greenhouse gas (GHG) emissions with rapid economic development, industrialization and urbanization. Continued reductions in air pollutants and GHG emissions are critical, as they pose serious threats to human health and the environment. Air pollution and climate change are largely affected by similar sources and may interact with each other through atmospheric chemical reactions. This study developed a methodology to analyse the integrated impacts of atmospheric environmental policies on human health and climate change in China. Emission estimation, air quality modelling, health impact assessment, and economic evaluation are synthesized following the full-chain impact pathway from sources of emissions via environmental quality changes to physical and economic impacts. A quantitative assessment of the economic health and climatic benefits from emission reduction of air pollutants and GHG under different present and future scenarios in China is presented. Sensitivity and uncertainty analyses are conducted to provide information on the robustness of the results. The modelling results show that the years of life lost (YOLL) attributable to PM2.5 exposure are 8.2 and 13.4 million in 2010 and 2030 considering current legislation in China. The corresponding damage costs amount to about 3.9 and 5.2% of China’s gross domestic product (GDP) in 2010 and 2030, respectively. Aggressive control policies will lead to significant benefits in the aspects of health and climate change mitigation. The integrated benefits of the three investigated policy scenarios are estimated to be 239.9 (95% CI: 41.5, 1387.8), 353.1 (32.9, 3789.4), and 619.5 (87.2, 4403.5) billion EUR2010 in 2030, respectively. Clear provincial disparities on emissions, concentration levels, and attainable benefits from policy measures exist in China. Higher per capita benefits from policy measures are estimated for provinces with high population density and energy intensity. The integrated assessment methodology developed in this study enables simultaneous consideration of air pollution induced health effects and GHG related climatic effects in the process of environmental policy development in China. The reduction potential and integrated benefits from policy measures estimated in this study provide valuable policy insights for China and other developing countries.
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Long-term exposure of European population subgroups to PM2.5 and NO2
(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, 2020) Li, Naixin; Friedrich, Rainer (Prof. Dr.-Ing.)
Numerous epidemiological studies have demonstrated the damaging influence of air pollutants on human health. However, the environmental health studies up to now use urban background concentrations in the ambient air to estimate the health risks, while the inhalation of toxic substances, i.e. the concentration of pollutants, where the exposed person breathes, is the relevant indicator for estimating the health impacts. The main objective of this thesis is to assess the long-term exposure to fine particles and nitrogen dioxide for different European subgroups that are characterised by certain features including age, gender, region and socio-economic status. The exposure simulation is realised by developing a probabilistic model that incorporates an air quality model for estimating the ambient pollutant concentration, a mass-balance model for assessing the concentration of indoor micro-environments and a life course trajectory model for predicting retrospectively the transition between socio-economic states. The results of the exposure modelling are subsequently incorporated with exposure response functions (ERFs), aggregation factors and monetary values to assess health impacts and damage costs.
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Modelling the exposure to fine particles and its impacts on human health in Europe
(2012) Gens, Alexandra; Friedrich, Rainer (Prof. Dr.-Ing.)
The aims of this thesis were to model personal exposure to fine particles via modelling the concentration in different micro-environments (home, work, travel, outdoors) including sources of pollution within indoor air and including a street increment, to include this exposure modelling into the impact pathway / full chain approach, and to apply the methodology to a case study about the impacts of climate mitigation measures on a European level regarding exposure and health effects. The case study indicated that climate policies reduce health effects if only looking at sources of pollution within outdoor air (decrease in emissions and, subsequently, outdoor air concentration; less infiltration indoors). They lead to additional health effects if sources of pollution within indoor air are included (accumulation of sources of pollution within indoor air due to air-tighter buildings as a consequence of better insulation to save energy for heating purposes). Sources of pollution within indoor air constitute a large part of the total exposure, especially environmental tobacco smoke. The largest part of the exposure is furthermore experienced at home.The rural background concentration contributes about 85% to the total exposure, with the urban and street increment not being negligible. The difference of the exposure between subgroups (split by age, gender and working status) is not big. The results indicate that those groups staying at home longest tend to have a slightly higher exposure than others, especially if exposed to environmental tobacco smoke. The uncertainty analysis shows that the results (exposure, health effects, DALYs and damage costs) seem to be close to being lognormally distributed. The geometric standard deviation squared (GSD2) - the range between the geometric mean times the GSD2 and the geometric mean divided by the GSD2 indicating the 95% confidence interval - is about 3 for exposure and DALYs and about 3.5 for damage costs if all sources are considered. For sources of pollution within outdoor air only, it is lower. There is great potential for further improvements of the methodology, but even more for reducing the lack of information which is the reason for many critical uncertainties.
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Quantifizierung von Umweltschäden als Beitrag zu Umweltökonomischen Gesamtrechnungen
(2005) Droste-Franke, Bert; Friedrich, Rainer (Prof. Dr.-Ing.)
Ziel dieser Arbeit ist es, ausgehend von vorhandenen Ansätzen, ein geschlossenes Konzept für die Berücksichtigung von Schäden durch die Schadstoffbelastung der Umwelt als Ergänzung von Volkswirtschaftlichen Gesamtrechnungen, sogenannten Umweltökonomischen Gesamtrechnungen (UGR), abzuleiten und dieses anhand der Umweltbelastung durch Luftschadstoffe und toxische Substanzen durchzuführen. Ausgehend von der Diskussion der beiden übergeordneten Ziele für eine umweltverträgliche wirtschaftliche Entwicklung, Effizienz und Nachhaltigkeit, werden zunächst Unterziele in Form von Prioritäten aufgestellt. Aus ihnen wird dann auf der Basis vorhandener Konzepte zu Indikatoren und UGR ein System von aggregierten Indikatoren entwickelt. Zur Berechnung der Indikatoren wird die Methodik des erweiterten Wirkungspfadansatzes vorgestellt. Neben der detaillierten Diskussion von Konzentrationswerten und Gesamtschäden für 1990 und 1998 erfolgt eine Analyse des zeitlichen und räumlichen Imports und Exports von Schäden sowie der Schäden, die durch unterschiedliche wirtschaftliche Aktivitäten in Deutschland entstehen. Zusätzlich werden mit Hilfe der Indikatoren die Nachhaltigkeit der wirtschaftlichen Entwicklung und die Effizienz definierter Umweltziele beispielhaft für das Jahr 2005 untersucht. Zur Demonstration der Anwendbarkeit der berechneten Ergebnisse im Rahmen von UGR werden unter anderem beispielhaft Korrekturen der Wirtschaftsindikatoren durchgeführt, wie sie von Projekten der Europäischen Kommission und Aktivitäten der Vereinten Nationen in diesem Bereich vorgeschlagen werden. Die ermittelten gesamten Schadenskosten für die Jahre 1990 und 1998 in den EU-15 Staaten und Deutschland betragen mehrere Prozent des jeweiligen Bruttoinlandsprodukts. Die Analyse des Jahres 2005 hat gezeigt, dass die politischen Ziele für 2010 größtenteils bereits in 2005 eingehalten werden können. In einigen Ländern sind effiziente Minderungen über die Einhaltung der Ziele hinaus möglich.
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Soziale Kosten der Stromerzeugung
(2021) Preiss, Philipp; Friedrich, Rainer (Prof. Dr.-Ing.)
Der Wirkungspfadansatz erlaubt es, bei der Bewertung von Stromerzeugungstechnologien nicht nur die Stromerzeugungskosten, sondern auch externe Effekte, insbesondere Umweltbelastungen zu berücksichtigen. Die ganzheitliche Bewertung berücksichtigt die drei Ziele: • Reduktion der Folgen des Klimawandels durch Treibhausgasemissionen, • Reduktion der Gesundheitsrisiken und Umweltschäden durch Umwelteinwirkungen, • geringe Stromgestehungskosten im Energiemix. Zu diesem Zweck wird der gesamte Lebenszyklus der Technologien berücksichtigt, und somit werden auch Emissionen und Kosten berücksichtigt, die außerhalb von Deutschland entstehen. Es gibt Sachbilanzen zu Emissionen durch die Herstellung und den Betrieb der Technologien, aber auch durch die vor- und nachgelagerten Prozesse. Da der Vergleich der Emissionen zu keinen eindeutigen Aussagen führt, müssen diese Daten bewertet werden. Dies ist durch die Berechnung von Schäden und der anschließenden monetären Bewertung der Schäden möglich. Die Ziele der Arbeit lassen sich in drei Teile unterteilen: • methodische Weiterentwicklung des Wirkungspfadansatzes, • die Anwendung der Methodik zur Berechnung der externen und sozialen Kosten von Stromerzeugungstechnologien, die im Jahr 2030 neu installiert werden, • die Einordnung der Ergebnisse in den Kontext der nachhaltigen Entwicklung. Die Verbesserungen der Methodik umfassen insbesondere: • die integrierte Bewertung von Klimawandel und Luftschadstoffen, • die Verwendung eines neuen regionalen Ausbreitungsmodells für Luftschadstoffe: o verbesserte Bewertung der sekundären Schadstoffe Ozon und anorganische Aerosole o räumliche Ausdehnung der Modellierung von Luftschadstoffen auf die nördliche Hemisphäre o Verwendung verschiedener Hintergrundemissionsszenarien o Anwendung verschiedener meteorologischer Jahre o Implementierung eines „Generators lokaler meteorologischer Daten“ für die lokale Ausbreitungsmodellierung • eine Bewertung der Auswirkungen auf Ökosysteme und Biodiversität, • die Verwendung eines globalen Ausbreitungsmodells für Luftschadstoffe, • die Implementierung der Bewertung von toxischen Stoffen und Radionukliden, • die Berücksichtigung der Zeitabhängigkeit der monetären Bewertung, • die Bewertung von schweren Unfälle und Risikoaversion, • die Berücksichtigung von Backup-Kosten, • eine Einschätzung der sozialen Kosten von „Power-to-Gas“. Mit der verbesserten Methodik werden externe und soziale Kosten verschiedener Stromerzeugungstechnologien berechnet. Die Ergebnisse und das Wissen über externe Kosten können zur Unterstützung der Entscheidungsprozesse bei Investitionen in verschiedene Stromtechnologien genutzt werden. Es wurden Daten für neue, erst in der Zukunft verfügbare Technologien ausgewertet. Im Mittelpunkt steht die Stromerzeugung für die Inbetriebnahme im Jahr 2030. Ergebnisse: Photovoltaik (PV), Windenergie, Wasserkraftwerke und Kernkraft in Form eines EPR weisen die geringsten sozialen Kosten auf. PV und Wind benötigen dabei Backup-Systeme zur Bereitstellung von Strom, wenn die Sonne nicht scheint und der Wind nicht weht. Deren Kosten sind in den sozialen Kosten mit enthalten. Auch Braunkohlekraftwerke mit Abscheidung und Speicherung von Kohlendioxid, sogenanntes „Carbon Capture and Storage“ (CCS) haben noch relativ geringe soziale Kosten. Zu beachten ist, dass Deutschland bis 2038 aus der Kohle und schon bis 2022 aus der Kernenergie austeigen will und, dass CCS bisher nicht akzeptiert wird. Somit können die entsprechenden Technologien nur im Ausland betrieben werden. Mit der in dieser Arbeit entwickelten methodischen Verbesserungen und Erweiterungen konnten neue, genauere soziale Kosten von Stromerzeugungstechniken berechnet werden. Die ermittelten Ergebnisse können zur Unterstützung von Entscheidungen zur Gestaltung des zukünftigen Stromerzeugungssystems im Rahmen der Energiewende herangezogen werden.
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Straßenverkehrsemissionen in Europa - Emissionsberechnung und Bewertung von Minderungsmaßnahmen
(2012) Kugler, Ulrike; Friedrich, Rainer (Prof. Dr.-Ing.)
Im Rahmen dieser Arbeit werden technische und nichttechnische Minderungsmaßnahmen für Emissionen aus dem Straßenverkehr auf ihre Effektivität und Effizienz hin untersucht. Ein Basisszenario für Luftschadstoff-, Treibhausgas- und Schwermetallemissionen in der EU wird bis 2030 aufgestellt, dazu werden Emissionsfaktoren für Feinstaub aus der Wiederaufwirbelung und für Schwermetalle aus Abgasen sowie aus Reifen- und Bremsenabrieben entwickelt. Minderungspotentiale und -kosten für 8 technische und 10 nichttechnische Maßnahmen werden ermittelt. Diese werden zunächst in eine Rangfolge gebracht nach ihrer Minderungseffektivität je Schadstoff. Anschließend wird eine Kosten-Nutzen-Analyse mit Hilfe vermiedener externer Kosten durchgeführt. Die zusätzliche Berücksichtigung von Nutzenverlusten und ÖPNV-Subventionen aus dem Umstieg von Pkw auf den ÖPNV führt dazu, dass zwei nichttechnische Maßnahmen sich nun als ineffizient erweisen. Die effizienten Maßnahmen werden zu einem Reduktionsszenario zusammengefasst, welches zeigt, dass der Straßenverkehr auch weiterhin seinen Beitrag zum Gesundheits- und Klimaschutz zu vertretbaren Kosten leisten kann.
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Strategien zur wirksamen Minderung von Fluglärm in Deutschland - Minderungsmaßnahmen und langfristige Perspektiven
(2015) Ohlau, Katrin; Friedrich, Rainer (Prof. Dr.-Ing.)
Im Rahmen dieser Arbeit werden eine Analyse, Entwicklung und Bewertung von Maßnahmen vorgenommen und hieraus Strategien zur wirksamen Minderung von Fluglärm an deutschen Flughäfen unter Einhaltung der von der Weltgesundheitsorganisation (WHO)empfohlenen Zielwerte abgeleitet. Zunächst werden für drei Beispielflughäfen die Änderungen des Lärmpegels für das Jahr 2010 mit Modellrechnungen und den daraus vorliegenden Ergebnissen die Expositionen der Personen ermittelt. Anschließend wird eine Hochrechnung für den Flugverkehrslärm in Deutschland vorgenommen und für das Prognoseszenario 2020 wiederholt. Die Auswirkungen der Minderungsmaßnahmen werden in Minderungsszenarien abgeschätzt. Dabei werden für alle berechneten Szenarien Belästigungswirkungen sowie Gesundheitsschäden und daraus die monetären Werte (Lärmschadenskosten) bestimmt. Danach werden drei Strategien (mit Zeithorizont: kurz-, mittel-, und langfristig) abgeleitet. Als Ergebnis lässt sich festhalten, dass die langfristigen Lärmschutzziele v.a. für große Verkehrs- und Frachtflughäfen nur dann einzuhalten sind, wenn eine neue Form der Fluglärmminderung bis 2050 angestrebt wird.
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Unsicherheiten bei der rechnerischen Ermittlung von Schadstoffemissionen des Straßenverkehrs und Anforderungen an zukünftige Modelle
(2004) Kühlwein, Jörg; Friedrich, Rainer (Prof. Dr.-Ing.)
Die Komplexität der Modelle zur Berechnung von Schadstoffemissionen aus dem Straßenverkehr hat in den letzten Jahren aufgrund der Verfügbarkeit wesentlich detaillierterer Eingangsdaten erheblich zugenommen. Über die Qualität der modellierten Emissionsdaten lagen bislang jedoch nur unzureichende Kenntnisse vor. Mit der vorliegenden Arbeit werden die Unsicherheiten der Modellierungen von gasförmigen Emissionen des Straßenver-kehrs für den deutschsprachigen Raum eingehend untersucht und quantifiziert. Grundlage der hier durchgeführten Fehlerbetrachtungen ist ein Emissionsmodell, wie es zur Erstellung von zeit-lich und räumlich hoch aufgelösten Emissionskatastern verwendet wird. Um Aussagen über Fehlerbandbreiten von modellierten Emissionsdaten treffen zu können, wurden durch geeignete Methoden statistische Vertrauensbe-reiche der Eingangsdaten ermittelt und diese über Sensitivitätsuntersuchungen und statistische Fehlerrechnung zu einem Gesamtfehler verknüpft. Aus den Ergebnissen der Unsicherheitsberechnungen wurden diejenigen Ein-gangsdaten ermittelt, deren Fehler am stärksten zum Fehler der Gesamtemissionen beitragen und deren Genauig-keit im Rahmen einer zukünftigen Modifizierung des Berechnungsmodells vorrangig verbessert werden sollten. Neben den statistischen Fehlerbetrachtungen wurden experimentelle Messungen von Emissionen unter realen Bedingungen aus der Literatur und unter eigener Beteiligung herangezogen, um durch Vergleiche mit modellier-ten Emissionsdaten Rückschlüsse auf die tatsächlichen Fehler - also die Differenzen zwischen den wahren und den modellierten Emissionen - zu ziehen. Die statistischen Betrachtungen des komplexen Emissionsmodells und die Auswertungen von verfügbaren expe-rimentellen Studien haben ergeben, dass bei Anwendung derzeit verfügbarer Verkehrsdaten und Emissionsfakto-ren selbst bei Modellierungen mit höchstem Differenzierungsgrad mit teilweise erheblichen statistischen und systematischen Fehlern zu rechnen ist. Bei der Ermittlung großräumiger Emissionsdaten des Straßenverkehrs (z.B. Jahresemissionen von Bundesländern) stellen die Emissionsfaktoren in allen Quellbereichen den größten Unsicherheitsfaktor dar. Mit zunehmender räumlicher und zeitlicher Disaggregierung der Emissionsdaten gewin-nen die Fehler von verkehrs- und straßenbezogenen Parametern (Aktivitäten) an Bedeutung.