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 -