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Air quality models are important tools which are utilized for a large field of application. When combined with data from observations, models can be employed to create a comprehensive estimation of the past and current distribution of pollutants in the atmosphere. Moreover, projections of future concentration changes due to changing emissions serve as an important decision basis for policymakers. For the determination of atmospheric concentrations of air pollutants by means of numerical modelling it is essential to possess a model which is able to create anthropogenic and biogenic emissions with a temporally and spatially high resolution. The emission data is needed as input for a chemistry transport model which calculates transport, deposition, and degradation of air pollutants. To evaluate the impact of changing emissions on the environment a flexible emission model with the capability to create diverse emission scenarios is needed. Further, it is important to always take into account a variety of different species to properly represent the major chemical reactions in the atmosphere (e.g. ozone chemistry, aerosol formation). Currently there are only a few high resolution emission datasets available for Europe. The amount of substances included in these datasets, however, is limited. Moreover, they can not be used as basis for the creation of new emission scenarios. To enable the creation of emission scenarios in the course of this doctoral thesis the American emission model SMOKE was adopted and modified. On the basis of a multitude of different georeferenced datasets, official statistics, and further model results the newly created emission model “SMOKE for Europe” is capable of creating hourly emission data for the European continent with a spatial resolution of up to 5x5km2. In order to demonstrate the universal applicability of the emission model the carcinogenic species benzo[a]pyrene (BaP) was exemplarily implemented into the model. BaP belongs to the group of polycyclic aromatic hydrocarbons. Because of its high toxicity the European Union introduced an annual target value of 1 ng/m3 in January 2010. SMOKE for Europe was used to create a variety of emission scenarios for the years 1980, 2000, and 2020. These emission scenarios were then used to determine the impact of emission changes on atmospheric concentrations of BaP and to identify regions which exceed the European target value. Additionally the impact of different legislation and fuel use scenarios on the projected atmospheric concentrations in 2020 was investigated. Furthermore, additional use cases for a flexible emission model are pointed out. The SMOKE for Europe model was used to simulate the transport of volcanic ash after the eruption of the Icelandic volcano Eyjafjallajokull in March 2010. By comparison of modelled concentrations for different emission scenarios with observations from remote sensing and air plane flights distribution and concentration of the volcanic ash over Europe was estimated. The results of this thesis have been presented in four scientific papers published in international peerreviewed journals. The papers are reprinted at the end of this thesis.
Eine der kolumbianischen Strategien zur Diversifizierung und Dekarbonisierung des Energiesektors ist die Förderung der Nutzung unkonventioneller erneuerbarer Ressourcen (NCRR). Zu diesem Zweck erließ die Regierung am 2014 das Gesetz 1715 zur Förderung von NCRR und Verbesserungen der Energieeffizienz in diesem Sektor. Obwohl dies vermutlich dazu beitragen wird, die internationale und nationale Verpflichtung zur Reduzierung der CO2-Emissionen um 20 % im Jahr 2030 zu erreichen, kann diese Annahme nicht auf breiterer Basis getestet werden, ohne die Umweltauswirkungen zu berücksichtigen, die solche Initiativen im Haushaltssektor, dem größten Stromverbrauchssektor in Kolumbien, haben können.
In dieser Arbeit wird der Umwelt Rebound-Effekt (ERE) gemessen, wenn der Anteil der Windenergie im kolumbianischen Stromnetz im Haushaltssektor erhöht wird. Zu diesem Zweck wurden eine prozessbasierte Ökobilanz (P-LCA), ein erweitertes Umwelt-Input-Output-Modell (EEIO) und Re-spending-Modelle (nahezu ideales Nachfragesystem AIDS) verwendet.
Der direkte Rebound-Effekt wurde anhand der Preiselastizität der Stromnachfrage gemessen; außerdem wurden die Umwelteinsparungen bei einer Erhöhung des Anteils der Windenergie im Netz mittels P-LCA berechnet. Zu diesem Zweck wurde eine P-LCA für einen Windpark in Kolumbien durchgeführt, während die Informationen für andere Energieressourcen (Wasser, Kohle, Gas, Solar und Wärme) aus der Ecoinvent 3.4 Datenbank entnommen wurden.
Zur Berechnung des indirekten Umwelt Rebound-Effekts wurden die für die Umwelteffizienz erzielten monetären Einsparungen berechnet. Zu diesem Zweck wurde eine AIDS-Methode angewandt, um die marginalen Budgetanteile (MBS) zu erhalten. Durch Kombination der ermittelten MBS mit dem EEIO-Modell wurden die monetären Einsparungen in Umweltindikatoren umgerechnet.
Der ERE wird für zehn Wirkungskategorien dargestellt (Klimawandel (CC), Versauerung (A), Ökotoxizität (E), marine Eutrophierung (MEUT), terrestrische Eutrophierung (TEUT), karzinogene Wirkungen (CE), nicht karzinogene Wirkungen (NCE), Abbau der Ozonschicht (OD), photochemische Ozonbildung (POC) und anorganische Wirkungen auf die Atemwege (RES)). Darüber hinaus wurde eine empfindliche Analyse durchgeführt, um die Variabilität der ERE bei verschiedenen Werten des direkten Rebound-Effekts und verschiedenen Prozentsätzen der Preiseffizienz zu messen.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Einbeziehung des Umwelt Rebound-Effekts im Allgemeinen eine nicht vernachlässigbare Auswirkung auf die gesamten Umweltindikatoren in allen untersuchten Jahren hat. Diese Auswirkungen reichen von 5 % (Eutrophierung) bis 6,109 % (Bildung photochemischer Oxidantien) für das kombinierte Modell, während die Werte für das Einzelmodell zwischen 1 % (Eutrophierung) und 9,277 % (Bildung photochemischer Oxidantien) liegen. Eine Sensitivitätsanalyse der Preiselastizität des Stroms und des Strompreises zeigt außerdem, dass die ERE auf unterschiedliche Weise variiert, d.h. Änderungen dieser Parameter könnten die Auswirkungen um bis zu <1% bzw. 38% verändern. Backfire-Effekte sind für 8 der 10 untersuchten Umweltauswirkungen in unterschiedlicher Größenordnung über die Jahre hinweg vorhanden, was im Wesentlichen von den für Re-Investitionen verfügbaren Einsparungen abhängt.
Schlüsselwörter. Umwelt-Rebound-Effekt, Verbesserung der Umwelteffizienz, nicht-konventionelle erneuerbare Ressourcen, LCA, STIRPAT.
Human activities have become a major driver of global change, so that global society and economy are facing consequences such as climate change, increasing scarcity of resources, environmental pollution and degradation as well as disturbances of ecosystem functioning and services.In order to meet these main challenges in an appropriate way, adequate starting points and solutions must be pursued at all levels to shift the current socio-economic pathway from an unsustainable to a safe operating and thus sustainable development within the planetary boundaries. One of the application concepts in industrial contexts is Industrial Symbiosis (IS), which deals with the set-up of advanced circular/cascading systems, in which the energy and material flows are prolonged for multiple material and energetic (re-)utilization within industrial systems in order to increase resource productivity and efficiency, while reducing environmental impacts. The overarching goal of the research project was to identify and develop approaches to enable the evolution of Industrial Symbiosis (IS) in Industrial Parks (IPs). Industrial Symbiosis (IS) is a collaborative cross-sectoral approach to connect the resource supply and demand of various industries in order to optimize the resource use through exchange of materials, energy, water and human resources across different companies, while generating ecological, technical, social and economic benefits. Many Information Communication Technology (ICT) tools have been developed to facilitate IS, but they predominantly focus on the as-is analysis of the IS system, and do not consider the development of a common desired target vision or corresponding possible future scenarios as well as conceivable transformation paths from the actual to the defined (sustainability) target state. This gap shall be addressed in this work, presenting the software requirements engineering results for a holistic IT-supported IS tool covering system analysis, transformation simulation and goal-setting. This study also aims to present the conceptual IT-supported IS tool and its corresponding prototype, developed for the identification of IS opportunities in IPs. This IS tool serves as an IS facilitating platform, providing transparency among market players and proposing potential cooperation partners according to selectable criteria (e.g. geographical radius, material properties, material quality, purchase quantity, delivery period). Therefore a quantitative indicator system was compiled and recurring patterns were identified to utilize this knowledge in the comprehensive IT-supported IS tool. So this IS tool builds the technology-enabled environment for the processes of first screening of IS possibilities and initiation for further complex business-driven negotiations and agreements for long-term IS business relationships.
