Research and reflections on European air pollution policy support models
Doktorsavhandling, 2019

European emissions to air of SO2, NOx, PM2.5, NH3 and NMVOC still today cause harm to human health and the environment. These pollutants are associated with the premature death of ~400 000 people annually in the EU (25 000 perished in traffic accidents 2017). Improvements are expected but problems will persist. To abate these effects European countries are engaged in several international agreements, all dependent on interaction between science and policy. For some 15 years scientific decision support to policy-makers was based on integrated assessment models (IAM) combined with quantification of economic benefits in cost-benefit analysis (CBA) of proposed policies. However, in 2013 the European Commission changed approach and used CBA to model socio-economic optimal emission levels and used these levels as basis for a policy proposal. This new approach puts higher demand on model coverage and reliability. It can also be methodologically controversial.

This thesis presents research and reflections on the robustness of air pollution policy support models used by the European Commission, with focus on IAM and CBA. Robustness over climate metrics is analysed with cost-effectiveness analysis of air pollution control options, with sensitivity analysis of metric choice. An SO2 decomposition analysis indicates if consideration of end-of-pipe control options is enough. Robustness of emission control strategies with respect to investment parameters is analysed with IAM, and CBA provides estimates of whether options to reduce emissions from international shipping should be considered in the modelling. Methodological issues are also reviewed.

The results indicate that the models are robust with respect to climate metrics used and the focus on end-of-pipe SO2 options. The modelling of emission control can be sensitive to investment parameters and to the current exclusion of control options on ships. The methodological foundation of CBA is criticised but since environmental policies depend on support also from arenas outside science it remains unclear if CBA-shortcomings impairs the air pollution policy process. Regardless, there are arguments for inter alia complementing CBA with analyses based on non-economic decision rationales. Finally, the thesis provides insights and suggestions for air pollution policy modelling and research that should be considered in the future.

Economic perspectives

Decomposition analysis

Policy support modelling

Short-lived Climate Pollutants

Climate metrics

Air pollution

International shipping

Economic methodology

Integrated assessment modelling

Cost-benefit analysis

Hörsalsvägen 14, HC1
Opponent: Xiliang Zhang, Tsinghua University, China

Författare

Stefan Åström

Chalmers, Rymd-, geo- och miljövetenskap, Fysisk resursteori

The impact of Swedish SO2 policy instruments on SO2 emissions 1990–2012

Environmental Science and Policy,; Vol. 77(2017)p. 32-39

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Investment perspectives on costs for air pollution control affect the optimal use of emission control measures

Clean Technologies and Environmental Policy,; Vol. 21(2019)p. 695-705

Artikel i vetenskaplig tidskrift

The costs and benefits of a nitrogen emission control area in the Baltic and North Seas

Transportation Research Part D: Transport and Environment,; Vol. 59(2018)p. 223-236

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Åström, S., A methodological reflection on the European Commissions’ 2013 use of CBA for air pollution policy, manuscript in preparation

Denna avhandling sammanfattar min forskning och mina reflektioner kring de datormodeller som används för att ge direkt stöd till framtagande av internationella luftföroreningsavtal. Mer specifikt har det främsta syftet med forskningen varit att studera pålitligheten i de policyrekommendationer som ges från främst kostnadsnyttoanalyser av åtgärder för att minska utsläpp av luftföroreningar. Men först ut i denna sammanfattning gäller det att förklara omfattning och begrepp, och jag börjar med det enklaste först.

De luftföroreningar som är aktuella i denna forskning är gaserna svaveldioxider, kväveoxider, ammoniak, lätt-omvandlade (volatila) organiska kolväten, samt små fasta partiklar med en diameter på mindre än 2,5 mikrometer (ett hårstrå är ca 20–100 mikrometer i diameter). När det är tillämpligt inkluderas även utsläpp av växthusgaserna koldioxid och metan i analyserna. Dessa luftföroreningar kan sprida sig mycket långt i atmosfären och orsakar tillsammans och var för sig ett flertal effekter på miljö och hälsa. Mest uppmärksammat är försurning, övergödning, för tidiga dödsfall, samt växtskador orsakat av höga halter marknära ozon. Som exempel kan nämnas att luftföroreningar ligger till grund för cirka 400 000 dödsfall i EU genom påverkan på främst hjärta och lungor, medan olyckor i trafiken orsakar cirka 25 000 dödsfall. På grund av att luftföroreningar sprider sig över nationsgränser behöver utsläppen regleras i internationella miljöavtal. Vilken effekt, och hur stor effekt det blir av ett utsläpp är beroende på var och när utsläppet sker. Det är dessutom så att möjligheten att minska utsläpp varierar beroende på länders ekonomiska utvecklingsnivå samt industriell struktur. Att förstå effekten av en utsläppsändring är helt enkelt svårt, men vi vet att internationella miljöavtal baserade på lika stor utsläppsminskning i alla länder riskerar leda till insatser som är samhällsekonomiskt ineffektiva.

För att kunna ge en bild av vilka effekter en given utsläppsminskning kan ge har det internationella forskarsamfundet sedan 80-talet samverkat för att skapa integrerade bedömningsmodeller som stöd till framtagande av internationella miljöavtal. Dessa modeller kan ses som långa sammankopplade ekvationskedjor som i olika steg matas med data om exempelvis naturmiljön, samhällets bränsleanvändning och ekonomisk aktivitet, utsläpp, utsläppsspridning, befolkningsstorlek, tillgängliga åtgärder med mera. Dagens versioner har möjlighet att göra scenarier för framtida luftkvalitet i samtliga europeiska länder och kan till och med räkna ut det billigaste sättet att nå ett givet mål för luftkvalitet, inom vissa tekniska gränser, och även räkna ut förväntad luftkvalitet i en stor del av Europas städer. I början på 90-talet började man på ett strukturerat sätt även räkna pengavärden på miljön och människors hälsa, och koppla dessa värden till förändringar i luftkvalitet. Från en sådan koppling kan man få fram ett ekonomiskt (monetärt) värde av en utsläppsändring. Om man sätter ihop denna monetära värdering med resultat från den ovan nämnda integrerade beslutstödsmodellen kan man beräkna kostnader och nyttor av förslag på utsläppsminskningar, det vill säga göra en kostnadsnyttoanalys. Både integrerad bedömningsmodellering och kostnadsnyttoanalys (och även den mindre komplicerade dekompositionsanalysen) är exempel på beslutstödsmodellering och står i fokus för min forskning och mina reflektioner.

Denna typ av modeller har använts länge för att bedöma om diverse förslag på utsläppsminskningar är försvarbara för samhällsekonomin, och forskarsamfundet samt beslutsfattare är bekanta med modelltypens brister och förtjänster. Men i december 2013 bytte EU-kommissionen det sätt på vilket beslutstödsmodellering användes. EU-kommissionen presenterade då policyförslag för utsläppsminskningar framtagna till stor del med hjälp av modellering - modellen hade satts i förarsätet istället för beslutsfattare. Man gick från att beräkna det mest kostnadseffektiva sättet att nå ett givet mål till att beräkna vilket mål som skulle maximera välfärdseffekter - där välfärd beräknas som besparade pengar att spendera på andra saker. Detta skifte är värt att diskutera då det kräver hög modellprecision och baseras på en ifrågasatt metodik - bland annat ifrågasätts lämpligheten och möjligheten att sätta ett pengavärde på människoliv och natur. 

I min forskning har jag använt mig av samma beslutstödsmodellering som EU-kommissionen använder, om än med snävare geografisk avgränsning. Den röda tråden i forskningen är att den undersöker om modelleringen är stabil med avseende på några av de parametrar som ingår i beräkningarna, och om modelleringskoncepten ger robusta rekommendationer till beslutsfattare. Urvalet av parametrar utgår från ett ekonomiskt perspektiv. Mer specifikt kan sägas att den del av forskningen som inriktar sig på själva metoden studerar fyra parametrar.

1) Kommer det delvis normativa valet av indikator för att representera klimatpåverkan från luftföroreningsutsläpp påverka vilka åtgärder som anses kostnadseffektiva?

2) Är modelleringens fokus på utsläppsrenande tekniker tillräckligt omfattande för att anses representativt för luftföroreningspolicy?

3) Påverkar valet av ekonomiskt perspektiv i modelleringen de tekniker modelleringen anger som mest kostnadseffektiva?

4) Skulle ett inkluderande av åtgärder riktade mot utsläpp från internationell sjöfart ge möjlighet till ännu mer kostnadseffektiv utsläppsminskning?

Resultaten från dessa analyser visar att modelleringen är tillräckligt tillförlitlig vad gäller val av klimatindikator för beräkning av mest kostnadseffektiva åtgärder. Till exempel är det så att oavsett om indikatorn ’Global klimatförändringspotential’ över 100 år (GWP100) eller ’Global temperaturhöjningspotential’ om 20 år (GTP20) används kommer den stora majoriteten av beräkningar för Sverige resultera i att exempelvis ett skifte från vedanvändning till pelletsanvändning för uppvärmning är mer kostnadseffektivt än att täcka över flytgödselbrunnar. Denna robusthet gäller dock inte vid beräkning av välfärdsmaximerande utsläppsminskning. Modelleringen kan även anses robust i dess fokus på utsläppsrenande åtgärder, i alla fall för utsläpp av svaveldioxid. Resultaten av den andra analysen visar att cirka 48 procent av den svenska utsläppsminskningen av svaveldioxid 1990–2012 utgjordes av utsläppsrenande åtgärder - en hög siffra givet att Sverige redan år 1990 kraftigt hade minskat sina utsläpp från 1970 års toppnotering. Då Sverige ligger före andra länder vad gäller utsläppsminskning av svaveldioxid bör det således finnas gott om utrymme för ökad användning av reningsteknik i andra länder. Däremot riskerar valet av ekonomiskt perspektiv vid beräkningarna påverka vilka tekniker som anses kostnadseffektiva, och framtida analyser bör därför kontrollera detta innan rekommendationer till beslutsfattare ges. Det vore även bra att i fortsättningen låta beslutstödsmodelleringen inkludera utsläppsminskande åtgärder i den internationella sjöfarten.

Den ekonomiska metodik som ligger till grund för kostnadsnyttoanalys är däremot mer problematisk. Det ramverk som ligger till grund för kostnadsnyttoanalys har lite stöd i systemvetenskapliga teorier, vilka snarare visar hur det vi idag vet om ekonomisk utveckling innebär att det finns många olika framtidsbilder (alla rimliga) för framtida utsläpp redan innan effekten av en luftvårdspolicy studeras. Att ur denna mångfald av framtidsbilder analysera en effekt av en luftvårdspolicy blir därmed omöjligt om full hänsyn tas till det ekonomiska systemets komplexitet. Framtiden är med andra ord genuint osäker och en jämförelse mellan en framtid med policy och en utan policy blir precis lika osäker och otydlig. Dessutom, ekonomisk rationalitet såsom den brukar beskrivas i kostnadsnyttoanalys (asocial, köpslående, självcentrerad, nyttomaximerande), har sedan årtionden visats kunna leda till beslutsförslag som går på tvären mot dagens norm kring rationella beslut inom miljöområdet (social, hänsynsfull, hållbar). Vidare är det så att psykologiska och ekonomiska experiment kunnat visa upp fler och fler exempel på när individers och gruppers beslutsfattande skiljer sig från ekonomiskt rationellt beslutsfattande, vilket i sin tur innebär att en kostnadsnyttoanalys av ett policyförslag i praktiken riskerar vara en dålig representation av påverkan på individers välfärd. All denna kritik är giltig kritik mot den kostnadsnyttoanalys som EU-kommissionen lät använda för att ta fram ett förslag på ny luftvårdspolicy i EU.

Men denna kritik måste vägas mot andra viktiga aspekter. För det första, när bästa tillgängliga teorier visar en framtid som kan bli lite hur som helst behövs ytterligare antaganden och förenklingar för att kunna ge stöd från vetenskapen till beslutsfattare. På så sätt är en kostnadsnyttoanalys, även om den inte är den bästa representationen av en framtida verklighet, användbar då antaganden och teori sedan länge har blivit klargjorda och diskuterade. Den utgår dessutom från ett teoribygge som EU sedan många år haft som ledstjärna: kostnadseffektivitet. För det andra måste man sätta in beslutstödsmodelleringen i sitt sammanhang som en kugge i ett stort policymaskineri. En genomgång av den nästan treåriga policyprocess som följde på EU-kommissionens förslag antyder att beslutstödsmodelleringen främst är en startpunkt för förhandlingar. Aspekter som modelleringen inte tar hänsyn till kan bli representerade under påföljande förhandlingar. Till sist, ekonomiska konsekvensanalyser är inskrivna i EU-lagstiftning, och ovanstående kritik innebär inte att kostnadsnyttoanalyser bör skrotas. Den vetenskapliga processen möjliggör ju att beslut slipper grundas på förutsägelser baserade på någon som har spått i tenn, kastat tärning, lekt expert, eller känt vartåt vinden blåser. EU-kommissionens skifte innebar trots allt en utökad användning av tillgänglig kunskap och analyskapacitet för att ge stöd till beslutsfattare.

Men det finns fortfarande alternativ till det angreppssätt som användes. Det första och mest självklara är att forskarsamfundet måste fortsätta sina ansträngningar att ta fram en metodik som är mer realistisk och samtidigt klarar av att behålla logisk stringens och tydlighet. Det måste även tas fram en modellering som kan visa hur redan uppsatta politiska mål för miljö och hälsa kan nås i en snar framtid. I väntan på detta kan forskarsamfundet bidra med analyser till beslutsfattare baserade på flera typer av rationalitet än endast ekonomisk. Även om kostnadsnyttoanalys i fortsättningen kommer bidra med analyser av socio-ekonomiskt önskvärda utsläppsnivåer så bör det kompletteras med analyser som visar vilka utsläppsnivåer som skulle kunna säkerställa att uppställda mål nås, samt med analyser av vilka utsläppsnivåer som ger en jämnare fördelning avseende åtgärdskostnader och/eller miljökvalitet. Denna typ av kompletterande analyser ger beslutsfattare ett större underlag som bättre svarar mot olika politiska prioriteringar, samtidigt som pålitligheten i teori och modeller tillåts ligga inom rimliga gränser.

Ämneskategorier

Transportteknik och logistik

Annan geovetenskap och miljövetenskap

Nationalekonomi

Miljöledning

Energisystem

Klimatforskning

ISBN

978-91-7905-121-1

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4588

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

Hörsalsvägen 14, HC1

Opponent: Xiliang Zhang, Tsinghua University, China

Mer information

Senast uppdaterat

2019-05-14