| [미국] 대기에 긍정적 효과와 부정적 효과를 동시에 주는 이산화탄소 저감 정책들
미국의 조지아 대학 및 기타 연구 기관들로 구성된 연구팀은 미국의 이산화탄소 배출 저감 전략들이 미국 전역의 대기 품질에 중요한 영향을 끼칠 것임을 보여주는 결과를 발표하였다. 또한 이산화탄소 저감 정책들이 대기 품질에 긍정적 영향과 부정적 영향을 동시에 제공할 수 있음도 보여주었다. 관련 연구 결과는 환경 저널(Environmental Science & Technology)에 발표되었다.
이 연구에서 연구자들은 4가지 잠재적인 기후 정책들-2개의 기후 세금 시나리오(CT1, CT2), 수송과 에너지 시나리오(TE), 바이오매스 에너지 시나리오(BE)-이 미국 내의 대기 품질에 미치는 영향을 평가하였다. 대기 오염물질의 농도를 시뮬레이션하기 위하여 화학 전달 모델(Chemical transport model, CTM)을 사용하였고 최신의 기후 모사 모델과 개선된 배출 모델링도 이용하였다.
연구팀은 미국 전역의 지역 수준까지 기후 변화를 전산 모사하고 배출 시나리오들을 개발하기 위하여 EPA 자료(EPA US 9-region national database, EPAUS9r)와 마칼(MARKet Allocation, MARKAL) 에너지 시스템 모델을 이용하였다. 마칼 에너지 시스템 모델은 주거, 상업, 산업, 수송 분야들의 지역적 기반의 에너지 서비스들의 수요를 만족시키는 최소 비용을 제공하기 위해 이용가능한 기술들로부터 선택한다. 미국 내의 이산화탄소 저감 전략들의 영향을 조사하기 위해 마칼 모델을 이용한 최초의 사례로 연구팀은 알고 있다.
연구팀은 CMAQ(community multiscale air quality model) 모델을 이용하여 서로 다른 정책들로 인한 오염물의 변화가 대기 품질에 미치는 영향을 분석하였다. 미래의 기상 정보는 GISS(Goddard Institute for Space Studies ModelE2) 모델로부터 WRF(Weather Research Forecasting) 모델을 이용하여 지역 규모까지 확대하여 이용하였다. GISS ModelE2는 2006~2010년과 2048~2052년의 지역 기후 모델의 초기 조건 및 경계 조건을 제공한다.
CT1과 CT2 시나리오는 탄소세의 최대와 최저를 대표하도록 설정되었다. CT1은 2015년 이산화탄소 1톤당 20불에서 2050년 1톤당 90불이다. CT2는 2020년 50불에서 2050년 1,400불이다. TE는 수송 분야에서 70%의 온실가스 배출 감소와 새로운 천연가스 복합 발전의 배출과 비슷하게 이산화탄소 배출 속도는 880 lb/MWh, 이산화황은 0.0058 lb/MWh, 질소산화물은 0.14 lb/MWh로 가정하였다. 전력 분야의 추가적인 제한은 전기 자동차의 증가에 따라 전력 생산으로부터 증가된 배출량을 감소시키기 위함이다. BE는 모든 이용가능한 바이오매스가 에너지 분야에서 사용되는 것으로 가정하였다.
주요 연구 결과는 다음과 같다.
- CT1과 BE 정책들은 2050년 기준 케이스와 비교하여 PM2.5의 농도가 증가하여 대기 품질을 악화시킬 수 있다. CT2와 TE는 대기 품질을 향상시킬 것이다.
- 상대적으로 공격적인 탄소 세금 정책의 시행은 배연 탈황 공정과 탄소 포집 및 저장 기술의 확대로 인해서 PM2.5의 향상을 이끌 수 있다. 그러나 질소 산화물 배출의 증가로 인해서 대기 품질의 저하라는 모순되는 결과가 발생한다.
- TE는 자동차의 질소산화물 배출을 저감시켜 오존 농도를 감소시킨다. 이 시나리오는 미국 대부분의 PM2.5도 저감시킨다. 그러나 연료의 전환과 관련된 PM2.5, OC, EC의 증가는 미국 주요 도시들에서 PM2.5를 증가시킨다.
- 비록 TE 시나리오가 유일하게 실현된 배출 저감 정책이지만 모델의 한계가 존재하며 이로 인해서 연료 전환의 영향이 대기 품질에 영향을 끼치게 된다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 4월 16일]
[원문보기]
Georgia Tech study projects potential mixed impacts of climate change policies on air quality
Results of a study by a team from Georgia Tech and their colleagues at NASA Goddard Institute for Space Studies and Northeast States for Coordinated Air Use Management show that national CO2emissions reductions strategies will play an important role in impacting air quality over the US. The results also show that CO2 emission reduction policies can have mixed positive and negative impacts on air quality. A paper on the study is published in the ACS journal Environmental Science & Technology.
In the study, the researchers assessed the impact of four potential climate mitigation policies—two climate tax scenarios (CT1 and CT2); a combined transportation and energy scenario (TE); a biomass energy (BE) scenario; plus a reference case—on air quality in the US in 2050 using a chemical transport model (CTM) to simulate air pollutant concentrations and applying recent climate downscaling and emissions modeling advancements.
•They used the EPA US 9-region national database (EPAUS9r) with the MARKet Allocation (MARKAL) energy system model to develop emissions scenarios and spectral nudging to downscale global climate to the regional scale over the US. The MARKAL energy system model selects from available technologies to provide the least-cost path that satisfies specified demands in the residential, commercial, industrial and transportation sectors for regionally based energy services.
To the team’s knowledge, this is the first study to use MARKAL to investigate the effect of CO2 reduction strategies on air quality in the US.
•They used CMAQ (community multiscale air quality model) to analyze the impact of emissions changes from the different policies on regional air quality in 2050 in the contiguous United States.
•Future meteorology was downscaled from the Goddard Institute for Space Studies (GISS) ModelE2 General Circulation Model (GCM) to the regional scale using the Weather Research Forecasting (WRF) model with spectral nudging. The GISS ModelE2 provides the initial and boundary conditions to a regional climate model for the years 2006−2010 and 2048−2052.
The CT1 and CT2 scenarios, applied economy-wide and in nominal dollars, are intended to represent an upper and lower end of carbon tax options. CT1 begins in 2015 at $20 per ton CO2 and reaches $90 per ton in 2050. The more aggressive CT2 begins in 2020 at $50 per ton and reaches $1,400 per ton in 2050.
TE assumes a 70% greenhouse gas reduction from transportation sectors and an additional electricity sector emission rate limit of 880 lb/MWh for CO2, 0.0058 lb/MWh for SO2 and 0.14 lb/MWh for NOx—similar to that of new combined cycle natural gas power plants. The purpose of the additional limit on the electricity sector is to mitigate increased emissions from electric generation due to increased use of electric vehicles.
BE assumes that all available biomass will be used in the energy sector.
Among their findings were:
•Policies CT1 and BE can lead to worse air quality in the form of increased PM2.5 concentrations compared to the 2050 reference case and the two policies that lead to improvements compared to the 2050 reference case (CT2 and TE).
•The implementation of relatively aggressive carbon taxes can lead to improvements in PM2.5 air quality compared to the 2050 reference case due to the increased incentives to install FGD (flue gas desulfurization) process technologies and CCS (carbon capture and storage) technologies. However, there is an air quality trade-off because NOx emissions increase in states not subject to the Clean Air Interstate Rule’s NOx cap, and O3 increases as a result.
•TE leads to reduced emissions of mobile source NOx, thus reducing O3 levels. This scenario leads to reduced PM2.5 concentrations over most of the US. However, increased primary PM2.5, OC and EC emissions associated with fuel switching leads to increased annual ambient PM2.5 in many major US cities.
Although the TE scenario is only one realization of emissions, which is subject to the limitations of the models, the results stress the impact of fuel switching in the energy market on air quality and the differences in air quality responses at different spatial scales (i.e., regional vs urban).
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