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A rapid and deep decarbonization of power supply worldwide is required to limit global warming to well below 2 degrees C. Beyond greenhouse gas emissions, the power sector is also responsible for numerous other environmental impacts. Here we combine scenarios from integrated assessment models with a forward-looking life-cycle assessment to explore how alternative technology choices in power sector decarbonization pathways compare in terms of non-climate environmental impacts at the system level. While all decarbonization pathways yield major environmental co-benefits, we find that the scale of co-benefits as well as profiles of adverse side-effects depend strongly on technology choice. Mitigation scenarios focusing on wind and solar power are more effective in reducing human health impacts compared to those with low renewable energy, while inducing a more pronounced shift away from fossil and toward mineral resource depletion. Conversely, non-climate ecosystem damages are highly uncertain but tend to increase, chiefly due to land requirements for bioenergy.

Germany has an ambitious climate target for 2030 that cannot be achieved without reducing the high share of coal in power generation. In the face of this, the country has set up a commission to phase out coal. A UK-style carbon price floor is one of the options being considered. Yet implementing such a policy comes with important risks related to the following two aspects: (1) the price level necessary to reduce emissions to reach the 2030 climate target; and (2) the waterbed effect that arises from such a policy under the EU Emissions Trading Scheme (ETS) cap. In this paper, we quantify these risks using the numerical electricity market model LIMES-EU, and consider their implications as well as different options for dealing with them. Our results show that under baseline assumptions a carbon price floor of around 33 €/tCO2 would be sufficient to reach the 2030 target. Under unfavourable conditions, an appropriate price floor may be nearly twice as high (57 €/tCO2). The waterbed effect and related risks for the EU ETS could be reduced substantially in the mid-term (2030) through the recently introduced cancellation of allowances through the Market Stability Reserve (MSR), or through a larger coalition of countries. Germany could even fully alleviate the waterbed effect by cancelling 1.1 GtCO2 of certificates. In the long-term (until 2050), emission reductions leading up to 2030 would be almost completely (91%) offset at the EU level. Accordingly, it is essential that the national price initiates a policy sequence that leads to the EU level.

In 2015, the international community committed to limiting global warming well below 2°C. Since 2015, however, and before the coronavirus pandemic stroke, GHG emissions have continued on their growing track and the achievement of ambitious climate targets has become even more arduous. In order to rein in global warming well below 2°C, energy systems must reach net-zero emissions by mid-century. The energy supply, in particular the electricity sector, offers a great potential for reducing emissions. But in the absence of large transformations on the energy demand side, achieving the Paris Agreement’s target would necessitate an extensive recourse to debated negative emission technologies. The interest in demand-side solutions has therefore risen over the last few years. Today, buildings account for 28% of CO2 emissions in the energy system. This sector is therefore an essential building block of any successful mitigation strategy. The aim of this thesis is to investigate the contribution of buildings to limit climate change. The widespread view on the role of buildings is that there is a large and cost-effective potential for energy demand reductions, and that this potential remains unexploited due to some barriers, which policies should remove. This thesis relies on energy modeling to shed a new light on that widespread view. It uses the strengths of both an energy simulation model and of an integrated assessment model representing the energy, economy and climate systems. In order to assess the role of buildings in climate policies, the thesis addresses the following complementary questions: How will buildings energy consumption evolve in the future? What is the technological and behavioral potential for demand reductions? What are optimal climate change mitigation pathways for the buildings sector in the context of the overall energy system, and when the energy efficiency gap is taken into account? This thesis shows that the landscape of buildings energy demand will undergo major changes in the 21st century: while cooking and other heating purposes account for the bulk of the demand today; space cooling, appliances and lighting will represent the lion’s share tomorrow. Similarly, despite its current weight in demand, traditional biomass will gradually leave the stage. Against this background, radical changes in technologies and behaviors could lead to a halving of energy demand. The decarbonization of the sector however does not only pass through energy demand reductions. In the scenarios presented in this thesis, most of the decarbonization is attributed to the decline in the emissions per unit of energy consumed—a topic under-represented in the literature dealing with buildings energy demand. In light of the thesis’ results, and supported by the literature, we challenge the widespread view on the role of buildings in climate change mitigation. Indeed, the widespread narrative focuses mostly on energy demand reductions and does not embrace the strategy consisting in decreasing the amount of emissions per unit of energy — in particular via electrification and fuel switching. This strategy accounts however for a substantial part of the sector’s decarbonization. We therefore propose an alternative narrative: Two complementary and interacting strategies can lead to a deep decarbonization of buildings energy demand: reducing energy demand and decreasing the carbon content of energy demand through energy supply decarbonization and fuel switching. Virtually all energy services in buildings could be provided by carbon-free energy carriers. However market incentives as well as barriers do not allow for a widespread uptake of clean energy carriers and efficient technologies. Policies should remove barriers to the uptake of efficient and low-carbon technologies, and design markets to give the right incentives in favor of these options. Im Jahr 2015 hat sich die internationale Gemeinschaft verpflichtet, die globale Erwärmung deutlich unter 2°C zu begrenzen. Seit 2015 und vor der Corona-Krise sind die Treibhausgasemissionen jedoch weiter gestiegen und derWeg zu ehrgeizigen Klimazielen ist noch beschwerlicher geworden. Um die globale Erwärmung deutlich unter 2°C einzudämmen, müssen die Energiesysteme bis Mitte des Jahrhunderts Netto-Null-Emissionen erreichen. Die Energieversorgung, insbesondere der Elektrizitätssektor, bietet ein großes Potenzial für Emissionsreduktionen. Ohne große Veränderungen auf der Seite der Energienachfrage, würde es einen umfangreichen Rückgriff auf die umstrittenen Technologien zur CO2-Entnahme erfordern, um das Ziel des Pariser Abkommens zu erreichen. Das Interesse an Lösungen auf der Seite der Nachfrage ist daher in den letzten Jahren gestiegen. Heute sind Gebäude für 28% der gesamten Emissionen im Energiesystem verantwortlich. Dieser Sektor ist daher ein wesentlicher Baustein jedes erfolgreichen Klimaschutzes. Das Ziel dieser Dissertation besteht darin, den Beitrag zu untersuchen, den Gebäude zur Begrenzung des Klimawandels leisten könnten. Die weit verbreitete Sichtweise zur Rolle von Gebäuden beim Klimaschutz lässt sich wie folgt zusammenfassen: Es gibt ein großes und kostenwirksames Potenzial für die Verringerung der Energienachfrage, und dieses Potenzial bleibt aufgrund einiger Hindernisse ungenutzt. Die Politik sollte diese Hindernisse beseitigen. Diese Dissertation beruht auf Energie- und Integrated Assessment Modellen, um ein neues Licht auf diese verbreitete Sicht zu werfen. Um die Rolle von Gebäuden in der Klimapolitik zu bewerten, befasst sich die Arbeit mit den folgenden ergänzenden Fragen: Wie wird sich der Energiebedarf im 21. Jahrhundert entwickeln? Was ist das technologische und verhaltensbedingte Potenzial für die Reduzierung des Energiebedarfs in Gebäuden? Was sind optimale Wege zur Eindämmung des Klimawandels für den Gebäudesektor im Kontext des Gesamtenergiesystems, und wenn die Energieeffizienzlücke berücksichtigt wird? Diese Dissertation zeigt, dass sich die Energienachfragelandschaft der Gebäude im 21. Jahrhundert stark verändern wird: Während heute Kochen und andere Heizbedarfe den Großteil der Nachfrage ausmachen, werden zukünftig Raumkühlung, Geräte und Beleuchtung den Löwenanteil des Bedarfs ausmachen. In ähnlicher Weise wird die traditionelle Biomasse trotz ihres derzeitigen Gewichts bei der Nachfrage allmählich die Bühne verlassen. Vor diesem Hintergrund könnten radikale Veränderungen der Technologien und Verhaltensweisen zu einer Halbierung des Energiebedarfs führen. Die Dekarbonisierung des Sektors geht jedoch nicht nur über die Reduzierung der Energienachfrage. Die in dieser Dissertation vorgestellten Szenarien zeigen, dass der größte Teil der Dekarbonisierung darauf zurückzuführen ist, dass weniger Kohlenstoff pro Einheit verbrauchter Energie emittiert wird — ein Thema, das in der Fachliteratur zur Energienachfrage im Gebäudesektor unterrepräsentiert ist. Anhand der in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse und unterstützt durch die Literatur stellen wir die konventionelle Sichtweise in Frage. Tatsächlich konzentriert sich die verbreitete Erzählung auf die Reduzierung der Energienachfrage und geht nicht auf die Strategie ein, die darin besteht, den Kohlenstoffgehalt der Energie zu verringern, insbesondere durch Brennstoffwechsel. Diese Strategie macht jedoch einen wesentlichen Teil der Dekarbonisierung des Sektors aus. Wir schlagen daher eine alternative Erzählung vor: Zwei komplementäre und interagierende Strategien können zu einer tiefgreifenden Dekarbonisierung des Energiebedarfs von Gebäuden führen: die Verringerung des Energiebedarfs an sich und die Verringerung des Kohlenstoffgehalts des Energiebedarfs. Praktisch alle Energiedienstleistungen in Gebäuden könnten durch kohlenstofffreie Energieträger bereitgestellt werden. Die Marktanreize und -barrieren erlauben jedoch keine breite Nutzung von Energieeffizienz und kohlenstofffreien Energieträgern. Die Politik sollte Hindernisse für die Einführung effizienter und kohlenstoffarmer Technologien beseitigen und Märkte so gestalten, dass die richtigen Anreize für diese Technologien gegeben werden.