TY - THES A1 - Gohl-Greenaway, Niklas T1 - Essays in public economics T1 - Aufsätze in Public Economics N2 - This cumulative dissertation uses economic theory and micro-econometric tools and evaluation methods to analyse public policies and their impact on welfare and individual behaviour. In particular, it focuses on policies in two distinct areas that represent fundamental societal challenges in the 21st century: the ageing of society and life in densely-populated urban agglomerations. Together, these areas shape important financial decisions in a person's life, impact welfare, and are driving forces behind many of the challenges in today's societies. The five self-contained research chapters of this thesis analyse the forward looking effects of pension reforms, affordable housing policies as well as a public transport subsidy and its effect on air pollution. N2 - In der vorliegenden kumulativen Dissertation werden wirtschafttheoretische Methoden und mikroökonometrische Instrumente und Evaluierungsmethoden eingesetzt, um öffentliche Politikmaßnahmen und ihre Auswirkungen auf das soziale Wohlergehen und individuelles Verhalten zu analysieren. Die Arbeit konzentriert sich insbesondere auf die Analyse von Maßnahmen in zwei verschiedenen Bereichen, die grundlegende gesellschaftliche Herausforderungen im 21. Jahrhundert darstellen: die Alterung der Gesellschaft und das Leben in dicht besiedelten städtischen Ballungsräumen. Gemeinsam prägen diese Bereiche wichtige finanzielle Entscheidungen im Leben eines Menschen, wirken sich auf den Wohlstand aus und sind treibende Kräfte hinter vielen der Herausforderungen, mit denen sich entwickelte Länder konfrontiert sehen. In den fünf in sich abgeschlossenen Forschungskapiteln dieser Arbeit werden die vorausschauenden Auswirkungen von Rentenreformen, Maßnahmen für erschwinglichen Wohnraum sowie einer Subventionierung des öffentlichen Verkehrs und deren Auswirkungen auf die Luftverschmutzung analysiert. KW - pension policy KW - affordable housing KW - public transport KW - air pollution KW - Rentenpolitik KW - bezahlbarer Wohnraum KW - öffentlicher Verkehr KW - Luftverschmutzung Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-609026 ER - TY - THES A1 - Schmitz, Seán T1 - Using low-cost sensors to gather high resolution measurements of air quality in urban environments and inform mobility policy N2 - Air pollution has been a persistent global problem in the past several hundred years. While some industrialized nations have shown improvements in their air quality through stricter regulation, others have experienced declines as they rapidly industrialize. The WHO’s 2021 update of their recommended air pollution limit values reflects the substantial impacts on human health of pollutants such as NO2 and O3, as recent epidemiological evidence suggests substantial long-term health impacts of air pollution even at low concentrations. Alongside developments in our understanding of air pollution's health impacts, the new technology of low-cost sensors (LCS) has been taken up by both academia and industry as a new method for measuring air pollution. Due primarily to their lower cost and smaller size, they can be used in a variety of different applications, including in the development of higher resolution measurement networks, in source identification, and in measurements of air pollution exposure. While significant efforts have been made to accurately calibrate LCS with reference instrumentation and various statistical models, accuracy and precision remain limited by variable sensor sensitivity. Furthermore, standard procedures for calibration still do not exist and most proprietary calibration algorithms are black-box, inaccessible to the public. This work seeks to expand the knowledge base on LCS in several different ways: 1) by developing an open-source calibration methodology; 2) by deploying LCS at high spatial resolution in urban environments to test their capability in measuring microscale changes in urban air pollution; 3) by connecting LCS deployments with the implementation of local mobility policies to provide policy advice on resultant changes in air quality. In a first step, it was found that LCS can be consistently calibrated with good performance against reference instrumentation using seven general steps: 1) assessing raw data distribution, 2) cleaning data, 3) flagging data, 4) model selection and tuning, 5) model validation, 6) exporting final predictions, and 7) calculating associated uncertainty. By emphasizing the need for consistent reporting of details at each step, most crucially on model selection, validation, and performance, this work pushed forward with the effort towards standardization of calibration methodologies. In addition, with the open-source publication of code and data for the seven-step methodology, advances were made towards reforming the largely black-box nature of LCS calibrations. With a transparent and reliable calibration methodology established, LCS were then deployed in various street canyons between 2017 and 2020. Using two types of LCS, metal oxide (MOS) and electrochemical (EC), their performance in capturing expected patterns of urban NO2 and O3 pollution was evaluated. Results showed that calibrated concentrations from MOS and EC sensors matched general diurnal patterns in NO2 and O3 pollution measured using reference instruments. While MOS proved to be unreliable for discerning differences among measured locations within the urban environment, the concentrations measured with calibrated EC sensors matched expectations from modelling studies on NO2 and O3 pollution distribution in street canyons. As such, it was concluded that LCS are appropriate for measuring urban air quality, including for assisting urban-scale air pollution model development, and can reveal new insights into air pollution in urban environments. To achieve the last goal of this work, two measurement campaigns were conducted in connection with the implementation of three mobility policies in Berlin. The first involved the construction of a pop-up bike lane on Kottbusser Damm in response to the COVID-19 pandemic, the second surrounded the temporary implementation of a community space on Böckhstrasse, and the last was focused on the closure of a portion of Friedrichstrasse to all motorized traffic. In all cases, measurements of NO2 were collected before and after the measure was implemented to assess changes in air quality resultant from these policies. Results from the Kottbusser Damm experiment showed that the bike-lane reduced NO2 concentrations that cyclists were exposed to by 22 ± 19%. On Friedrichstrasse, the street closure reduced NO2 concentrations to the level of the urban background without worsening the air quality on side streets. These valuable results were communicated swiftly to partners in the city administration responsible for evaluating the policies’ success and future, highlighting the ability of LCS to provide policy-relevant results. As a new technology, much is still to be learned about LCS and their value to academic research in the atmospheric sciences. Nevertheless, this work has advanced the state of the art in several ways. First, it contributed a novel open-source calibration methodology that can be used by a LCS end-users for various air pollutants. Second, it strengthened the evidence base on the reliability of LCS for measuring urban air quality, finding through novel deployments in street canyons that LCS can be used at high spatial resolution to understand microscale air pollution dynamics. Last, it is the first of its kind to connect LCS measurements directly with mobility policies to understand their influences on local air quality, resulting in policy-relevant findings valuable for decisionmakers. It serves as an example of the potential for LCS to expand our understanding of air pollution at various scales, as well as their ability to serve as valuable tools in transdisciplinary research. N2 - Luftverschmutzung ist seit hundert Jahren ein anhaltendes globales Problem. Während sich die Luftqualität in einigen Industrieländern durch strengere Vorschriften verbessert hat, hat sie sich in anderen Ländern im Zuge der schnell fortschreitenden Industrialisierung verschlechtert. Die Aktualisierung der von der WHO für das Jahr 2021 empfohlenen Grenzwerte für die Luftverschmutzung spiegelt die erheblichen Aus-wirkungen von Schadstoffen wie Stickstoffdioxid (NO2) und Ozon (O3) auf die menschliche Gesundheit wider, da neuere epidemiologische Erkenntnisse darauf hindeuten, dass Luft-verschmutzung selbst bei niedrigen Konzentrationen erhebliche langfristige gesundheitliche Auswirkungen hat. Parallel zu den Entwicklungen in unserem Verständnis der gesundheitlichen Auswirkungen von Luftverschmutzung wurde die neue Technologie der Low-Cost-Sensoren (LCS) sowohl von der Wissenschaft als auch von der Industrie als neue Methode zur Messung der Luftverschmutzung aufgegriffen. Vor allem aufgrund ihrer geringeren Kosten und kleineren Größe können sie in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, u. a. bei der Entwicklung von Messnetzen mit höherer räumlicher Auf-lösung, bei der Identifizierung von Quellen und bei der Messung der Luftverschmutzung. Es wurden zwar erhebliche Anstrengungen unternommen, um LCS mit Hilfe von Referenzinstrumenten und verschiedenen statistischen Modellen genau zu kalibrieren, aber die Genauigkeit und Präzision bleiben durch die variable Sensorempfindlichkeit begrenzt. Darüber hinaus gibt es immer noch keine Standardverfahren für die Kalibrierung, und die meisten proprietären Kalibrierungsalgorithmen sind Blackboxen, die für die Öffentlichkeit nicht zugänglich sind. Mit dieser Arbeit soll die Wissensbasis über LCS auf verschiedene Weise erweitert werden: 1) durch die Entwicklung einer Open-Source-Kalibrierungsmethodik; 2) durch den Einsatz von LCS mit hoher räumlicher Auflösung in städtischen Umgebungen, um ihre Fähigkeit zur Messung kleinräumlicher Veränderungen der städtischen Luftverschmutzung zu testen; 3) durch die Verknüpfung von LCS-Einsätzen mit der Umsetzung lokaler Verkehrsmaßnahmen, um politische Empfehlungen zu den daraus resultierenden Veränderungen der Luftqualität geben zu können. In einem ersten Schritt wurde festgestellt, dass LCS mit Hilfe von sieben allgemeinen Schritten konsistent und mit guter Leistung gegenüber Referenzinstrumenten kalibriert werden können: 1) Bewertung der Rohdatenverteilung, 2) Datenbereinigung, 3) Kenn-zeichnung von Daten, 4) Modellauswahl und -abstimmung, 5) Modellvalidierung, 6) Export der endgültigen Vorhersagen und 7) Berechnung der damit verbundenen Unsicherheit. Durch die Betonung der Notwendigkeit einer konsistenten Berichterstattung über Details bei jedem Schritt, insbesondere bei der Modellauswahl, -validierung und -leistung, hat diese Arbeit die Bemühungen um eine Standardisierung der Kalibrierungs-methoden vorangetrieben. Darüber hinaus wurden mit der Open-Source-Veröffentlichung von Code und Daten für die siebenstufige Methodik Fortschritte bei der Reformierung der weitgehenden Blackbox-Natur von LCS-Kalibrierungen erzielt. Nach der Einführung einer transparenten und zuverlässigen Kalibrierungsmethode wurden die LCS zwischen 2017 und 2020 an verschiedenen Straßen eingesetzt. Unter Ver-wendung von zwei Arten von LCS, Metalloxid (MOS) und elektrochemisch (EC), wurde ihre Leistung bei der Erfassung der erwarteten Muster der NO2- und O3-Belastung in Städten bewertet. Die Ergebnisse zeigten, dass die kalibrierten Konzentrationen der MOS- und EC-Sensoren mit den allgemeinen Tagesmustern der NO2- und O3-Belastung überein-stimmten, die mit Referenzgeräten gemessen wurden. Während sich MOS als unzuverlässig erwies, wenn es darum ging, Unterschiede zwischen den gemessenen Orten inner-halb der städtischen Umgebung zu erkennen, entsprachen die mit kalibrierten EC-Sensoren gemessenen Konzentrationen den Erwartungen aus Modellierungsstudien zur Verteilung der NO2- und O3-Belastung in Straßenschluchten. Daraus wurde der Schluss gezogen, dass LCS für die Messung der Luftqualität in Städten geeignet sind, auch zur Unterstützung der Entwicklung von Luftverschmutzungsmodellen auf städtischer Ebene, und dass sie neue Erkenntnisse über die Luftverschmutzung in städtischen Umgebungen liefern können. Um das letzte Ziel dieser Arbeit zu erreichen, wurden zwei Messkampagnen im Zusammenhang mit der Umsetzung von drei verkehrspolitischen Maßnahmen in Berlin durchgeführt. Bei der ersten handelte es sich um den Bau einer Pop-up-Radweg auf dem Kottbusser Damm als Reaktion auf die COVID-19-Pandemie, bei der zweiten um die vorübergehende Einrichtung eines Gemeinschaftsraums in der Böckhstraße und bei der letzten um die Sperrung eines Teils der Friedrichstraße für den gesamten motorisierten Verkehr. In allen Fällen wurden NO2-Messungen vor und nach der Durchführung der Maßnahme durchgeführt, um die Veränderungen der Luftqualität infolge dieser Maßnahmen zu bewerten. Die Ergebnisse des Experiments am Kottbusser Damm zeigten, dass die NO2-Konzentrationen, denen die Radfahrer ausgesetzt waren, durch den Radweg um 22 ± 19 % gesenkt wurden. In der Friedrichstraße sank die NO2-Konzentration durch die Straßensperrung auf das Niveau des städtischen Hintergrunds, ohne dass sich die Luft-qualität in den Seitenstraßen verschlechterte. Diese wertvollen Ergebnisse wurden den verantwortlichen Ansprechpersonen in der Stadtverwaltung, die für die Bewertung des Erfolgs und der Zukunft der Maßnahmen verantwortlich sind, schnell mitgeteilt, was die Fähigkeit von LCS unterstreicht, politisch relevante Ergebnisse zu liefern. Da es sich um eine neue Technologie handelt, muss noch viel über LCS und ihren Wert für die akademische Forschung im Bereich der Atmosphärenwissenschaften gelernt werden. Dennoch hat diese Arbeit den Stand der Technik in mehrfacher Hinsicht verbessert. Erstens wurde eine neuartige Open-Source-Kalibrierungsmethode entwickelt, die von LCS-Anwender*innen für verschiedene Luftschadstoffe verwendet werden kann. Zweitens wurde die Beweisgrundlage für die Zuverlässigkeit von LCS zur Messung der Luftqualität in Städten gestärkt, indem durch neuartige Einsätze in Straßenschluchten festgestellt wurde, dass LCS mit hoher räumlicher Auflösung zum Verständnis der Dynamik der Luftverschmutzung auf kleinräumlicher Ebene eingesetzt werden kann. Schließlich ist es die erste Studie dieser Art, die LCS-Messungen direkt mit verkehrspolitischen Maßnahmen verknüpft, um deren Einfluss auf die lokale Luftqualität zu verstehen, was zu politisch relevanten Erkenntnissen führt, die für Entscheidungsträger*innen wertvoll sind. Die Studie ist ein Beispiel für das Potenzial von LCS, unser Verständnis von Luftverschmutzung in verschiedenen Maßstäben zu erweitern, sowie für ihre Fähigkeit, als wert-volle Werkzeuge in der transdisziplinären Forschung zu dienen. T2 - Verwendung kostengünstiger Sensoren zur Erfassung hochauflösender Messungen der Luftqualität in städtischen Umgebungen und zur Information über die Mobilitätspolitik KW - air pollution KW - urban KW - low-cost sensor KW - transdisciplinary KW - sustainability KW - mobility KW - policy KW - Luftverschmutzung KW - Mobilität KW - Politik KW - Nachhaltigkeit KW - Transdisziplinarität KW - Städte Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-601053 ER - TY - THES A1 - Mahata, Khadak Singh T1 - Spatiotemporal variations of key air pollutants and greenhouse gases in the Himalayan foothills T1 - Raumzeitliche Variationen der wichtigsten Luftschadstoffe und Treibhausgase in den Ausläufern des Himalaya N2 - South Asia is a rapidly developing, densely populated and highly polluted region that is facing the impacts of increasing air pollution and climate change, and yet it remains one of the least studied regions of the world scientifically. In recognition of this situation, this thesis focuses on studying (i) the spatial and temporal variation of key greenhouse gases (CO2 and CH4) and air pollutants (CO and O3) and (ii) the vertical distribution of air pollutants (PM, BC) in the foothills of the Himalaya. Five sites were selected in the Kathmandu Valley, the capital region of Nepal, along with two sites outside of the valley in the Makawanpur and Kaski districts, and conducted measurements during the period of 2013-2014 and 2016. These measurements are analyzed in this thesis. The CO measurements at multiple sites in the Kathmandu Valley showed a clear diurnal cycle: morning and evening levels were high, with an afternoon dip. There are slight differences in the diurnal cycles of CO2 and CH4, with the CO2 and CH4 mixing ratios increasing after the afternoon dip, until the morning peak the next day. The mixing layer height (MLH) of the nocturnal stable layer is relatively constant (~ 200 m) during the night, after which it transitions to a convective mixing layer during the day and the MLH increases up to 1200 m in the afternoon. Pollutants are thus largely trapped in the valley from the evening until sunrise the following day, and the concentration of pollutants increases due to emissions during the night. During afternoon, the pollutants are diluted due to the circulation by the valley winds after the break-up of the mixing layer. The major emission sources of GHGs and air pollutants in the valley are transport sector, residential cooking, brick kilns, trash burning, and agro-residue burning. Brick industries are influential in the winter and pre-monsoon season. The contribution of regional forest fires and agro-residue burning are seen during the pre-monsoon season. In addition, relatively higher CO values were also observed at the valley outskirts (Bhimdhunga and Naikhandi), which indicates the contribution of regional emission sources. This was also supported by the presence of higher concentrations of O3 during the pre-monsoon season. The mixing ratios of CO2 (419.3 ±6.0 ppm) and CH4 (2.192 ±0.066 ppm) in the valley were much higher than at background sites, including the Mauna Loa observatory (CO2: 396.8 ± 2.0 ppm, CH4:1.831 ± 0.110 ppm) and Waligaun (CO2: 397.7 ± 3.6 ppm, CH4: 1.879 ± 0.009 ppm), China, as well as at an urban site Shadnagar (CH4: 1.92 ± 0.07 ppm) in India. The daily 8 hour maximum O3 average in the Kathmandu Valley exceeds the WHO recommended value during more than 80% of the days during the pre-monsoon period, which represents a significant risk for human health and ecosystems in the region. Moreover, in the measurements of the vertical distribution of particulate matter, which were made using an ultralight aircraft, and are the first of their kind in the region, an elevated polluted layer at around ca. 3000 m asl. was detected over the Pokhara Valley. The layer could be associated with the large-scale regional transport of pollution. These contributions towards understanding the distributions of key air pollutants and their main sources will provide helpful information for developing management plans and policies to help reduce the risks for the millions of people living in the region. N2 - Südasien ist eine sich schnell entwickelnde, dicht besiedelte und stark umweltbelastete Region, die mit den Auswirkungen der zunehmenden Luftverschmutzung und des Klimawandels konfrontiert ist, und dennoch bleibt sie wissenschaftlich gesehen eine der am wenigsten untersuchten Regionen der Welt. In Anerkennung dieser Situation liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Untersuchung (i) der räumlichen und zeitlichen Variation der wichtigsten Treibhausgase (CO2 und CH4) und Luftschadstoffe (CO und O3) und (ii) der vertikalen Verteilung der Luftverschmutzung (PM, BC) in den Vorgebirgen des Himalayas. Fünf Standorte wurden im Kathmandu-Tal, der Hauptstadtregion Nepals, sowie zwei Standorte außerhalb des Tals in den Distrikten Makawanpur und Kaski ausgewählt und im Zeitraum 2013-2014 und 2016 wurden Messungen durchgeführt. Diese Messungen werden in dieser Arbeit analysiert. Die CO-Messungen an mehreren Standorten im Kathmandu-Tal zeigten einen klaren Tagesablauf: Die Werte am Morgen und am Abend waren hoch, mit einem Rückgang am Nachmittag. Es gibt leichte Unterschiede in den Tageszyklen von CO2 und CH4, wobei die Mischungsverhältnisse von CO2 und CH4 nach dem Nachmittagsdip bis zu den höchsten Werten am nächsten Morgen zunehmen. Die Höhe der nächtlichen stabilen planetaren Grenzschicht ist relativ konstant (~ 200 m), danach geht sie tagsüber in eine konvektive Mischschicht über und die MLH ("Mixing layer height") steigt am Nachmittag auf bis zu 1400 m an. So werden Schadstoffe vom Abend bis zum Sonnenaufgang des folgenden Tages weitgehend im Tal gefangen, und die Schadstoffkonzentration steigt durch nächtliche Emissionen an. Während des Nachmittags werden die Schadstoffe aufgrund der Zirkulation durch die Talwinde nach dem Aufbrechen der Mischschicht verdünnt. Die Hauptemissionsquellen für GHGs und Luftschadstoffe im Tal sind der Verkehrssektor, das Kochen in privaten Haushalten, Ziegeleien, die Müllverbrennung und die Verbrennung von landwirtschaftlichen Reststoffen. Die Ziegelindustrie ist in der Winter- und Vormonsunzeit von großer Bedeutung für die Emissionen von Ruß. Der Beitrag der regionalen Waldbrände und der Verbrennung von landwirtschaftlichen Reststoffen ist besonders wichtig in der Vormonsunzeit. Darüber hinaus wurden auch am Talrand (Bhimdhunga und Naikhandi) relativ hohe CO-Werte beobachtet, was auf den Beitrag der regionalen Emissionsquellen hinweist. Dies wurde auch durch das Vorhandensein höherer Konzentrationen von O3 während der Vormonsunzeit unterstützt. Die Mischungsverhältnisse von CO2 (419,3 ±6,0 ppmv) und CH4 (2.192 ±0,066 ppmv) im Tal waren viel höher als an bekannten Hintergrundstandorten, darunter das Observatorium Mauna Loa (CO2: 396,8 ± 2,0 ppmv, CH4:1.831 ± 0,110 ppmv) und Waligaun (CO2: 397,7 ± 3,6 ppmv, CH4: 1,879 ± 0,009 ppmv), China, sowie an einem städtischen Standort Shadnagar (CH4: 1,92 ± 0,07 ppmv) in Indien. Der tägliche 8-stündige maximale O3-Durchschnitt im Kathmandu-Tal übersteigt den WHO-Empfehlungswert an mehr als 80% der Tage während der Vormonsunzeit, was ein erhebliches Risiko für die menschliche Gesundheit und die Ökosysteme in der Region darstellt. Darüber hinaus wurde bei den Messungen der vertikalen Verteilung der Feinstaubpartikel, die mit einem Ultraleichtflugzeug durchgeführt wurden und die ersten ihrer Art in der Region sind, eine höherliegende verschmutzte Schicht, ca. 3000 m über dem mittleren Meeresspiegel über dem Pokhara-Tal, festgestellt. Die Schicht könnte mit dem großräumigen regionalen Transport von Schadstoffen in Verbindung gebracht werden. Diese Beiträge zum Verständnis der Verteilung der wichtigsten Luftschadstoffe und ihrer Hauptquellen werden hilfreiche Informationen für die Entwicklung von Mitigationsplänen und -strategien liefern, die dazu beitragen, die Risiken für die Millionen von Menschen, die in der Region leben, zu verringern. KW - Air pollution KW - Greenhouse gases KW - Himalayan foothills KW - Luftverschmutzung KW - Treibhausgase KW - Ausläufer des Himalaya Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-519910 ER - TY - THES A1 - Weger Coenen, Lindsey T1 - Exploring potential impacts from transitions in German and European energy on GHG and air pollutant emissions and on ozone air quality N2 - Energy is at the heart of the climate crisis—but also at the heart of any efforts for climate change mitigation. Energy consumption is namely responsible for approximately three quarters of global anthropogenic greenhouse gas (GHG) emissions. Therefore, central to any serious plans to stave off a climate catastrophe is a major transformation of the world's energy system, which would move society away from fossil fuels and towards a net-zero energy future. Considering that fossil fuels are also a major source of air pollutant emissions, the energy transition has important implications for air quality as well, and thus also for human and environmental health. Both Europe and Germany have set the goal of becoming GHG neutral by 2050, and moreover have demonstrated their deep commitment to a comprehensive energy transition. Two of the most significant developments in energy policy over the past decade have been the interest in expansion of shale gas and hydrogen, which accordingly have garnered great interest and debate among public, private and political actors. In this context, sound scientific information can play an important role by informing stakeholder dialogue and future research investments, and by supporting evidence-based decision-making. This thesis examines anticipated environmental impacts from possible, relevant changes in the European energy system, in order to impart valuable insight and fill critical gaps in knowledge. Specifically, it investigates possible future shale gas development in Germany and the United Kingdom (UK), as well as a hypothetical, complete transition to hydrogen mobility in Germany. Moreover, it assesses the impacts on GHG and air pollutant emissions, and on tropospheric ozone (O3) air quality. The analysis is facilitated by constructing emission scenarios and performing air quality modeling via the Weather Research and Forecasting model coupled with chemistry (WRF-Chem). The work of this thesis is presented in three research papers. The first paper finds that methane (CH4) leakage rates from upstream shale gas development in Germany and the UK would range between 0.35% and 1.36% in a realistic, business-as-usual case, while they would be significantly lower - between 0.08% and 0.15% - in an optimistic, strict regulation and high compliance case, thus demonstrating the value and potential of measures to substantially reduce emissions. Yet, while the optimistic case is technically feasible, it is unlikely that the practices and technologies assumed would be applied and accomplished on a systematic, regular basis, owing to economics and limited monitoring resources. The realistic CH4 leakage rates estimated in this study are comparable to values reported by studies carried out in the US and elsewhere. In contrast, the optimistic rates are similar to official CH4 leakage data from upstream gas production in Germany and in the UK. Considering that there is a lack of systematic, transparent and independent reports supporting the official values, this study further highlights the need for more research efforts in this direction. Compared with national energy sector emissions, this study suggests that shale gas emissions of volatile organic compounds (VOCs) could be significant, though relatively insignificant for other air pollutants. Similar to CH4, measures could be effective for reducing VOCs emissions. The second paper shows that VOC and nitrogen oxides (NOx) emissions from a future shale gas industry in Germany and the UK have potentially harmful consequences for European O3 air quality on both the local and regional scale. The results indicate a peak increase in maximum daily 8-hour average O3 (MDA8) ranging from 3.7 µg m-3 to 28.3 µg m-3. Findings suggest that shale gas activities could result in additional exceedances of MDA8 at a substantial percentage of regulatory measurement stations both locally and in neighboring and distant countries, with up to circa one third of stations in the UK and one fifth of stations in Germany experiencing additional exceedances. Moreover, the results reveal that the shale gas impact on the cumulative health-related metric SOMO35 (annual Sum of Ozone Means Over 35 ppb) could be substantial, with a maximum increase of circa 28%. Overall, the findings suggest that shale gas VOC emissions could play a critical role in O3 enhancement, while NOx emissions would contribute to a lesser extent. Thus, the results indicate that stringent regulation of VOC emissions would be important in the event of future European shale gas development to minimize deleterious health outcomes. The third paper demonstrates that a hypothetical, complete transition of the German vehicle fleet to hydrogen fuel cell technology could contribute substantially to Germany's climate and air quality goals. The results indicate that if the hydrogen were to be produced via renewable-powered water electrolysis (green hydrogen), German carbon dioxide equivalent (CO2eq) emissions would decrease by 179 MtCO2eq annually, though if electrolysis were powered by the current electricity mix, emissions would instead increase by 95 MtCO2eq annually. The findings generally reveal a notable anticipated decrease in German energy emissions of regulated air pollutants. The results suggest that vehicular hydrogen demand is 1000 PJ annually, which would require between 446 TWh and 525 TWh for electrolysis, hydrogen transport and storage. When only the heavy duty vehicle segment (HDVs) is shifted to green hydrogen, the results of this thesis show that vehicular hydrogen demand drops to 371 PJ, while a deep emissions cut is still realized (-57 MtCO2eq), suggesting that HDVs are a low-hanging fruit for contributing to decarbonization of the German road transport sector with hydrogen energy. N2 - Energie ist der Kern der Klimakrise—aber auch der Kern jeglicher Bemühungen zur Eindämmung des Klimawandels. Der Energieverbrauch ist heute für ungefähr drei Viertel der weltweiten Treibhausgasemissionen verantwortlich. Grundlegend für einen ernsthaft gemeinten Plan eine Klimakatastrophe abzuwenden ist daher eine umfassende Umgestaltung des weltweiten Energiesystems von fossilen Brennstoffen weg in Richtung zukünftige Netto-Null-Emissionen. Angesichts der Tatsache, dass fossile Brennstoffe auch eine Hauptquelle für Luftschadstoffemissionen sind, hat die Energiewende wichtige Auswirkungen auf die Luftqualität und damit auch auf die Gesundheit von Mensch und Umwelt. Sowohl Europa als auch Deutschland haben sich zum Ziel gesetzt, bis 2050 treibhausgasneutral zu werden und zeigen darüber hinaus ihr tiefes Engagement für eine umfassende Energiewende. Zwei der wichtigsten Entwicklungen in der Energiepolitik im letzten Jahrzehnt waren das Interesse an der Ausweitung von Schiefergas und Wasserstoff, das entsprechend großes Interesse und große Diskussionen in der Öffentlichkeit, im Privaten und in der Politik erzeugt hat. In diesem Zusammenhang können fundierte wissenschaftliche Informationen eine wichtige Rolle spielen, indem sie Interessenvertreter und zukünftige Forschungsinvestitionen informieren und evidenzbasierte Entscheidungen unterstützen. Diese Doktorarbeit untersucht die Umweltauswirkungen möglicher, relevanter Veränderungen im europäischen Energiesystem, um wertvolle Erkenntnisse zu vermitteln und kritische Wissenslücken zu schließen. Insbesondere werden mögliche zukünftige Schiefergasentwicklungen in Deutschland und im Vereinigten Königreich (UK) sowie ein hypothetischer, vollständiger Übergang zur Wasserstoffmobilität in Deutschland untersucht. Darüber hinaus werden die Auswirkungen auf die Treibhausgas- und Luftschadstoffemissionen sowie auf die Luftqualität von troposphärischem Ozon (O3) bewertet. Die Analyse wird durch die Erstellung von Emissionsszenarien und die Durchführung von Luftqualitätsmodellen über die Chemie-Version des "Weather Research and Forecasting Model" (WRF-Chem) erleichtert. Die Forschung dieser Doktorarbeit wird in drei wissenschaftlichen Artikeln vorgestellt. Der erste Artikel beschreibt, dass die Methan (CH4)-Leckraten aus einer vorgelagerten Schiefergasproduktion in Deutschland und Großbritannien in einem gewöhnlichen Fall zwischen 0.35% und 1.36% liegen würden, während sie in einem optimistischen, streng regulierten Fall signifikant zwischen 0.08% und 0.15% niedriger wären, und zeigt damit die Bedeutung und das Potenzial von Maßnahmen zur wesentlichen Reduzierung der Emissionen auf. Obwohl der optimistische Fall technisch machbar ist, ist es aufgrund der Wirtschaftlichkeit und der begrenzten Überwachungsressourcen unwahrscheinlich, dass die angenommenen Praktiken und Technologien systematisch und regelmäßig angewendet und durchgeführt werden. Die in dieser Studie geschätzten realistischen CH4-Leckraten sind vergleichbar mit Werten, die in Studien in den USA und anderswo angegeben wurden. Im Gegensatz dazu ähneln die optimistischen Raten den offziellen CH4- Leckraten aus der vorgelagerten Gasproduktion in Deutschland und Großbritannien. In Anbetracht des Mangels an systematischen, transparenten und unabhängigen Berichten, die die offziellen Werte stützen, unterstreicht diese Studie die Notwendigkeit weiterer Forschungsanstrengungen in diese Richtung. Im Vergleich zu den Emissionen des nationalen Energiesektors deutet diese Studie darauf hin, dass die Schiefergasemissionen flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) erheblich sein könnten, andere Luftschadstoffe jedoch relativ unbedeutend bleiben. Ähnlich wie bei CH4 könnten Maßnahmen zur Reduzierung der VOC-Emissionen wirksam sein. Der zweite Artikel beschreibt, dass VOC- und Stickoxidemissionen (NOx) einer zukünftigen Schiefergasindustrie in Deutschland und Großbritannien potenziell schädliche Folgen für die europäische O3-Luftqualität sowohl auf lokaler als auch auf regionaler Ebene haben. Die Ergebnisse zeigen einen Spitzenanstieg des maximalen täglichen 8-Stunden-Durchschnitts von O3 (MDA8) im Bereich von 3.7 µg m-3 bis 28.3 µg m-3. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Schiefergasaktivitäten zu zusätzlichen Grenzwertüberschreitungen des MDA8 bei einem erheblichen Prozentsatz der regulatorischen Messstationen sowohl vor Ort als auch in Nachbar- und entfernten Ländern führen können, wobei bei bis zu etwa einem Drittel der Stationen in Großbritannien und einem Fünftel der Stationen in Deutschland zusätzliche Überschreitungen auftreten. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse, dass die Auswirkungen von Schiefergas auf die kumulative gesundheitsbezogene Metrik SOMO35 (jährliche Summe des Ozonmittel über 35 ppb) mit einem maximalen Anstieg von ca. 28% erheblich sein könnten. Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die VOC-Emissionen von Schiefergas eine entscheidende Rolle bei der O3-Erhöhung spielen könnten, während die NOx-Emissionen in geringerem Maße dazu beitragen würden. Unsere Ergebnisse zeigen daher, dass eine strenge Regulierung der VOC-Emissionen im Falle einer künftigen europäischen Schiefergasentwicklung wichtig ist, um schädliche gesundheitliche Folgen zu minimieren. Der dritte Artikel beschreibt, dass ein hypothetischer, vollständiger Übergang der deutschen Fahrzeugflotte zur Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie wesentlich zu Deutschlands Klima- und Luftqualitätszielen beitragen kann. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass bei einer Erzeugung des Wasserstoffs durch erneuerbare Wasserelektrolyse (grüner Wasserstoff) die Emissionen des deutschen Kohlendioxidäquivalents (CO2eq) jährlich um 179 MtCO2eq sinken würden. Wenn die Elektrolyse jedoch mit dem aktuellen Strommix betrieben würde, würden sich die Emissionen stattdessen um jährlich 95 MtCO2eq erhöhen. Die Ergebnisse zeigen im Allgemeinen einen bemerkenswerten Rückgang der Luftschadstoffemissionen in Deutschland. Weiterhin legen sie nahe, dass der Wasserstoffbedarf von Fahrzeugen 1000 PJ pro Jahr beträgt, was zwischen 446 TWh und 525 TWh für Elektrolyse, Wasserstofftransport und -speicherung erfordern würde. Wenn nur das Segment der Schwerlastfahrzeuge (HDVs) auf grünen Wasserstoff umgestellt wird, zeigen unsere Ergebnisse, dass der Wasserstoffbedarf der Fahrzeuge auf 371 PJ sinkt, während immer noch eine tiefgreifende Emissionsreduzierung erzielt wird (-57 MtCO2eq). Dies zeigt, dass die Umstellung der HDVs auf grünen Wasserstoff einen entscheidenden Beitrag zur Dekarbonisierung des deutschen Straßenverkehrs leisten kann. T2 - Erforschung möglicher Auswirkungen von Veränderungen deutscher und europäischer Energie auf Treibhausgas- und Luftschadstoffemissionen sowie auf die Ozonluftqualität KW - European energy KW - Emission scenarios KW - Greenhouse gas mitigation KW - Air quality modeling KW - Air pollution KW - Ozone KW - Shale gas KW - Hydrogen economy KW - German road transport KW - Fuel cell electric vehicle KW - Europäische Energie KW - Emissionsszenarien KW - Treibhausgasminderung KW - Luftqualitätsmodellen KW - Luftverschmutzung KW - Ozon KW - Schiefergas KW - Wasserstoffwirtschaft KW - Deutscher Straßenverkehr KW - Brennstoffzellenfahrzeug Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-496986 ER - TY - RPRT T1 - Kurzbericht zur Luftgüte des Jahres 2005 T2 - Materialien zur Umwelt KW - Report KW - Mecklenburg-Vorpommern KW - Ökologie KW - Luftverschmutzung Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-bbdig-92 IS - 1 CY - Güstrow ER - TY - RPRT T1 - Kurzbericht zur Luftgüte des Jahres 2006 T2 - Materialien zur Umwelt KW - Report KW - Mecklenburg-Vorpommern KW - Ökologie KW - Luftverschmutzung Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-bbdig-102 IS - 1/2007 CY - Güstrow ER -