adaptação às mudanças climáticas no brasil: cenários e ... · equipe: bruno borba, pedro...

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Adaptação às mudanças climáticas no Brasil: cenários e alternativas Coordenação: Roberto Schaeffer, André Lucena, Alexandre Szklo, Rafael Kelman Equipe: Bruno Borba, Pedro Rochedo, Larissa Nogueira , Alexandre Koberle, Pedro Avila, Tainá Cunha e Bernardo Bezerra 2015

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Adaptação às mudanças climáticas no Brasil: cenários e alternativas

Coordenação: Roberto Schaeffer, André Lucena, Alexandre Szklo, Rafael Kelman

Equipe: Bruno Borba, Pedro Rochedo, Larissa Nogueira , Alexandre Koberle, Pedro Avila, Tainá Cunha e Bernardo Bezerra

2015

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Adaptação às mudanças climáticas no Brasil: cenários e alternativas

▪ Introdução  

▪ Ferramentas  e  Premissas  

▪ Metodologia  

▪ Resultados

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Adaptação às mudanças climáticas no Brasil: cenários e alternativas

Introdução

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Introdução

▪ Projeto  contratado  pela  Secretaria  de  Assuntos  Estratégicos  da  Presidência  da  República  (SAE-­‐PR)  em  2015  ▪ Colaboração  COPPE-­‐PSR  

▪ Objetivos:    ▪ Quais  são  os  impactos  das  mudanças  climáticas  no  Sistema  interligado  

brasileiro?  ▪ Quais   seriam   as   melhoras   alternativas   para   compensar   a   redução   de  

geração  hidroelétrica?  ▪ Melhor  estratégia  de  adaptação:  operação  vs  expansão?  

▪ Como  políticas  de  mitigação  podem  afetar  estas  alternativas?

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http://www.ons.org.br/

Sistema Interligado Nacional (SIN)

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Sazonalidade hidrológica no Brasil(Séria  histórica  1931  –  2009)

Source:  Silva  (2012)

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Adaptação às mudanças climáticas no Brasil: cenários e alternativas

Ferramentas e Premissas

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MESSAGE-Brasil 300

▪ Modelo  de  otimização  intertemporal  (perfect  foresight)  ▪ 5  níveis  energéticos  (+2  intermediários):  

▪ Recursos:  4  (não  renováveis)  ▪ Energia  Primária:  8    ▪ Energia  Secundária:  18  ▪ Energia  Final:  20    ▪ Energia  Útil/Serviço  Energético:  22  demandas  

▪ Cerca  de  300  tecnologias  de  conversão  ▪ Ano  base:  2010  ▪ Horizonte:  2010-­‐2050  em  períodos  de  5  anos

Model  for  Energy  Supply  Systems  and  their  General  Environmental  Impacts

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SDDP

▪ SDDP  é  um  modelo  de  despacho  hidrotérmico  estocástico;  ▪ Representação   da   rede   de   transmissão   para   estudos   de  

operação  de  longo,  médio  e  curto  prazo;  ▪ Calcula   a   política   operativa   de   mínimo   custo   de   um   sistema  

hidrotérmico;  ▪ Utilizado  em  estudos  de  planejamento  operativo  em  mais  de  

30  países,  incluindo:  ▪ Todos  os  países  das  Américas  Central  e  do  Sul;  EUA  e  Canadá;  Áustria,  

Espanha,  Noruega  Balcãs  (10  países)  e  Turquia;  Nova  Zelândia,  China  e  Shangai.

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Premissas

▪ Cenário  Macroeconômico:  EPE  (2014)

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Premissas

▪ População:  IBGE  (2013)

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Premissas

▪ General  Circulation  Models  –  GCM  ▪ MIROC5  (menor  impacto)  ▪ HadGEM2-­‐ES  (maior  impacto)  

▪ Downscaling  pelo    modelo    ETA    (Chou    et    al.,  2014)  

▪ Modelos   climáticos   globais   foram  usados   para   gerar   cenários  hidrológicos  para  as  bacias  hidrográficas  brasileiras  ▪ Grupo  de  recursos  hídricos  do  projeto  (FUNCENE-­‐UNB)

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Premissas

▪ Cenários  Climáticos  -­‐  Representative  Climate  Pathways  (RCP)  ▪ RCP  8.5:  Assume  nenhum  esforço  adicional  para  reduzir  as  emissões  de  

GEE  do  setor  energético  nacional  ▪ RCP  4.5:  Esforços  nacionais  para  mitigar  emissões  de  GEE  ▪ Emissões  brasileiras  podem  ter  pouco  peso  nas  emissões  globais

Cenário Preço  de  Carbono 2020 2030 2040RCP  4.5 (2005)$/tCO2e 50 74 110

ETP,  2015

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Adaptação às mudanças climáticas no Brasil: cenários e alternativas

Metodologia

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Procedimento MetodológicoModelagem  Climática  e  Hidrológica

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Projected Riverflow

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Projected Riverflow

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Scenario  Premisses  (RCP  4.5  and  8.5)

Operation  Model  SDDP  (PSR)

Expansion  Model  MESSAGE-­‐Brazil  

(COPPE)

Operation/  Expansion

Operation  Impacts/  adaptation

Adaptation  through  expansion

Operation

GCM  –  Dow

scaling  –  Hy

drology  Mod

el  

195  riv

erflo

w  se

ries

•Hydro  generation  scenarios  •Marginal  cost  of  operation  •Deficit  probability

•Capacity  expansion  •Investment  costs  •Second  order  effects

Procedimento MetodológicoModelagem  Energética

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Adaptação às mudanças climáticas no Brasil: cenários e alternativas

Resultados

Somente  resultados  do  HadGEM,  com  maior  impacto  hidrológico,  serão  apresentados.  

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Scenario  Premisses  (RCP  4.5  and  8.5)

Operation  Model  SDDP  (PSR)

Expansion  Model  MESSAGE-­‐Brazil  

(COPPE)

Operation/  Expansion

Operation  Impacts/  adaptation

Adaptation  through  expansion

Operation

GCM  –  Dow

scaling  –  Hy

drology  Mod

el  

195  riv

erflo

w  se

ries

•Hydro  generation  scenarios  •Marginal  cost  of  operation  •Deficit  probability

•Capacity  expansion  •Investment  costs  •Second  order  effects

Procedimento Metodológico

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Scenario  Premisses  (RCP  4.5  and  8.5)

Operation  Model  SDDP  (PSR)

Expansion  Model  MESSAGE-­‐Brazil  

(COPPE)

Operation/  Expansion

Operation  Impacts/  adaptation

Adaptation  through  expansion

Operation

GCM  –  Dow

scaling  –  Hy

drology  Mod

el  

195  riv

erflo

w  se

ries

•Hydro  generation  scenarios  •Marginal  cost  of  operation  •Deficit  probability

•Capacity  expansion  •Investment  costs  •Second  order  effects

Procedimento MetodológicoLinha  de  Base

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Baseline  Scenarios

▪ Baseline  scenarios:  RCP  comparison  –  Electricity

GW  year

0.0

35.0

70.0

105.0

140.0

2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040

Hydro Coal Gas OilNuclear Biomass Wind Solar

RCP  8.5  •BAU  expansion  –  no  explicit  mitigation  assumed  

RCP  4.5  •Energy  efficiency  •Lower  fossil  expansion  •100$/tCO2  Carbon  cost  (ETP,  2015)

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Baseline  Scenarios

▪ Baseline  scenarios:  RCP  comparison  –  GHG  Emissions

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Scenario  Premisses  (RCP  4.5  and  8.5)

Operation  Model  SDDP  (PSR)

Expansion  Model  MESSAGE-­‐Brazil  

(COPPE)

Operation/  Expansion

Operation  Impacts/  adaptation

Adaptation  through  expansion

Operation

GCM  –  Dow

scaling  –  Hy

drology  Mod

el  

195  riv

erflo

w  se

ries

•Hydro  generation  scenarios  •Marginal  cost  of  operation  •Deficit  probability

•Capacity  expansion  •Investment  costs  •Second  order  effects

Procedimento MetodológicoAdaptação/Impacto  da  Operação

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Results - Operation

▪ Hydropower  Generation

Gwyear

0

23

45

68

90

2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040

Base  8.5 HadGEM  8.5 Base  4.5HadGEM  4.5

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Results Operation

▪ Risk  of  Shortage  –  HadGEM  8.5

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Results Operation

▪ Accumulated  Operation  Cost  –  HadGEM  8.5

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Scenario  Premisses  (RCP  4.5  and  8.5)

Operation  Model  SDDP  (PSR)

Expansion  Model  MESSAGE-­‐Brazil  

(COPPE)

Operation/  Expansion

Operation  Impacts/  adaptation

Adaptation  through  expansion

Operation

GCM  –  Dow

scaling  –  Hy

drology  Mod

el  

195  riv

erflo

w  se

ries

•Hydro  generation  scenarios  •Marginal  cost  of  operation  •Deficit  probability

•Capacity  expansion  •Investment  costs  •Second  order  effects

Procedimento MetodológicoAdaptação/Impacto  da  Expansão

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Results – Adaptation

▪ HadGEM  –  RCP  8.5

GW  year

0.0

35.0

70.0

105.0

140.0

2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040

Hydro Coal Gas OilNuclear Biomass Wind Solar

Lower  hydro  generation  led  to:  •Increased  coal  •Increased  wind  (marginal)

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Results – Adaptation

▪ HadGEM  –  RCP  4.5

GW  year

0.0

40.0

80.0

120.0

160.0

2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040

Hydro Coal Gas OilNuclear Biomass Wind Solar

Lower  hydro  generation  led  to:  •Increased  wind  •Increased  gas  •Increased  coal  (marginal)

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Comentários Finais

▪ Detailed  dispatch  modeling  requires  detailed  hydrological  modeling  ▪ Operational   impacts   can   be   severe   and   costly   if   there   is   no  

adaptation  ▪ Mitigation  policies  do  impact  optimal  adaptation  strategies.  

▪ Electricity   generation   in   Brazil   can   become   more   carbon   intensive   in   a   BaU  scenario  

▪ Adapting   to   a   reduced   hydropower   availability   may   further   increase   Brazil’s  emissions  if  no  other  actions  are  taken  

▪ Adaptation   can   be   achieved   by   combination   of   energy   efficiency,   renewable  energy,  etc.  

▪ Impacts  on  other  renewable  sources?

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Obrigado

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Cenários mais recentes para o Brasil

Roberto Schaeffer

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Center for Energy and Environmental Economics CENERGIA

since 2003

Our  team  at  CENERGIA:  ▪ Professors  

– Alexandre  Szklo  – André  F  P  Lucena  – Roberto  Schaeffer  

▪ Researchers    – Ten  MSc  students  – Ten  DSc  students    – Three  Postdocs  one  third  of  our  researchers  are  from  abroad

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Global IAMsModel Institute Region/Country Classification Algorithm

MESSAGE-­‐GLOBIOM IIASA Austria General  equilibrium Intertemporal  optimization

REMIND-­‐MAgPIE PIK Germany General  equilibrium Intertemporal  optimization

IMAGE/TIMER PBL Netherlands Partial  equilibrium Recursive  dynamic

GCAM PNNL USA General  equilibrium Recursive  dynamicAIM/CGE NIES Japan General  equilibrium Recursive  dynamic

WITCH-­‐GLOBIOM FEEM Italy General  equilibrium Intertemporal  optimization

IGMS-­‐EPPA MIT USA General  equilibrium Recursive  dynamicGEM-­‐E3 EU-­‐JRC-­‐IPTS,  ICCS European  Union General  equilibrium Recursive  dynamicIMACLIM SMASH-­‐CIRED France General  equilibrium Recursive  dynamicMERGE EPRI USA General  equilibrium Intertemporal  optimization

WorldScan CPB Netherlands General  equilibrium Recursive  dynamicTIAM-­‐WORLD ETSAP France Partial  equilibrium Intertemporal  optimization

POLESCNRS-­‐LEPII,  Enerdata,  

EU-­‐JRC-­‐IPTS France Partial  equilibrium Recursive  dynamic

COFFEE/TEA COPPE Brazil General  equilibrium Intertemporal  optimization

Below  Equator  line

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Model Linkages/Iterations

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TEA  model  is  a  computational  general  equilibrium  (CGE)  model  under  development,  headed  by  Angelo  Gurgel  (EESP-­‐FGV).  

▪ Reference:  GTAPinGAMS  ▪ Features:  

▪ Recursive  dynamic:  evolution  of  the  global  economy  until  2100  ▪ Multi-­‐regional:  the  same  18  COFFEE  model’s  regions  ▪ Multi-­‐sectorial:  agriculture,  energy,  industry,  transport  and  services  represented  in  16  sectors  

▪ Productive  factors:  labor,  capital,  land  and  resources  ▪ Full  set  of  bilateral  trades:  transport  costs,  export  taxes  and  tariffs  ▪ Detailed  energy  sector  representation:  current  and  backstop  techs

The TEA ModelTotal-­‐Economy  Assessment  

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The COFFEE Model

COmputable  Framework  For  Energy  and  the  Environment  

▪ Optimization  in  partial  equilibrium  Bottom-­‐up  model  

▪ Includes  Energy  System  and  Land  System  Completely  integrated  under  one  framework  

▪ Representation  of  the  land  use  system:  Forest,  pastures,  cropland,  flooded  

▪ Emissions  Sources:  Fossil-­‐fuel  combustion  from  all  sectors,  industrial  

processes,  waste  treatment,  fugitive  emissions  and  land-­‐related  

▪ 18  regions

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The COFFEE Model

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The COFFEE Model Energy System

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The COFFEE Model Land System

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The COFFEE Model Scenario Protocol

▪ Current  Policies  (NPi):  based  on  currently  implemented  national  policies  

▪ NPi_1000:   NPi   +   global   budget   of   1,000   GtCO2   (2°C  scenario)  

▪ NPi_1000_NoCCS:  NPi  +  global  budget  of  1,000  GtCO2  (2°C   scenario)   +   Unavailability   of   CCS   (fossil   and/or  bioenergy)  

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COFFEE: Current PoliciesGlobal  GHG  Emissions  

Cumulative  Emissions:  3,885  GtCO2

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COFFEE: Current PoliciesGlobal  Primary  Energy

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COFFEE: Current PoliciesGlobal  Land  Change  (Cumulative)

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COFFEE: NPi_1000 (2ºC)Global  GHG  Emissions

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COFFEE: NPi_1000 (2ºC)Global  Primary  Energy

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COFFEE: NPi_1000 (2ºC)Global  Carbon  Capture  and  Storage

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COFFEE: NPi_1000 (2ºC)Global  Land  Change  (Cumulative)

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COFFEE: NPi_1000 (2ºC) without CCSGlobal  GHG  Emissions

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COFFEE: NPi_1000 (2ºC) without CCSGlobal  Primary  Energy

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COFFEE: NPi_1000 (2ºC) without CCSGlobal  Land  Change  (Cumulative)

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COFFEE: Scenario ComparisonGlobal  CO2  Emissions

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Brazil  Land-­‐Use  and  Energy  Systems  Model  ▪ Partial  equilibrium  –  the  full  energy  and  land-­‐use  systems  ▪ Emissions  include  fossil-­‐fuel  combustion  from  all  sectors,  industrial  

processes,  waste  treatment,  and  fugitive  emissions  

▪ Includes  a  representation  of  the  land-­‐use  system:  ▪ Forests,  savannas,  low-­‐  and  high-­‐capacity  pastures,  integrated  systems,  cropland,  

double  cropping,  planted  forests,  protected  areas

The BLUES model

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Forest Low  Cap  Pasture

High  Cap  Pasture

Integrated  Systems

Cropland Double  Cropping

Planted  Forest

Savanna

Recovered  Pastures

Managed  Forests

The BLUES modelLand  Use  transitions  matrix

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▪ Current  Policies  

▪ INDC  forever  

▪ INDC  –  1,000  GtCO2  (2o  C)

Few  and  fresh  results  from  (but  not  out  of  the)  Blues…

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BLUES: Current Policies ScenarioGHG  Emissions

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Prim

ary  En

ergy  (M

toe)

0

125

250

375

500

2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050

Oil Gas Coal Biomass Sugarcane Hydro Solar Wind Nuclear

BLUES: Current Policies ScenarioPrimary  Energy  Consumption

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BLUES: INDC ScenarioGHG  Emissions

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Prim

ary  En

ergy  (M

toe)

0

125

250

375

500

2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050

Oil Gas Coal Biomass Sugarcane Hydro Solar Wind Nuclear

BLUES: INDC ScenarioPrimary  Energy  Consumption

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Results - INDC Scenario

GWa Forest Cropland dbl_Crop Planted  Forest

Lo  Cap  Pasture

Hi  Cap  Pasture

IntegratedSystem

Savanna

2010 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.02030 -­‐12.9 14.0 5.2 3.0 -­‐31.5 30.9 4.0 -­‐12.42050 -­‐12.9 17.1 9.3 4.3 -­‐46.5 37.3 4.0 -­‐12.4

By  2030:  

• 31.5  Mha  reduction  in  total  Lo  Cap  pastures  • 30.9  Mha  increase  in  Hi  Cap  pastures  • 3.0  Mha  increase  in  planted  forests  • 4.0  Mha  integrated  systems  • 9.3  Mha  increase  in  double  Cropping  area  

• Zero  net  deforestation  post-­‐2030  • Less  forest  loss;  more  savanna  loss  than  NPi

• Exceeds  INDC  pasture  recuperation  target  of  15  Mha  • Meets  3.0  Mha  target  for  planted  forest  increase  • Meets  4.0  Mha  target  for  integrated  systems

Area  (Mha)

Area  (M

ha)

-­‐90

-­‐43

5

53

100

2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050Forest Forest_PA Forest_Mg Croplanddbl_Crop Forest_Pl Low  Cap  Pasture High  Cap  PastureIntegratedSystem Recovered_Pasture Savanna Savanna_PA

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BLUES: INDC_1000 Scenario (2ºC)GHG  Emissions

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Prim

ary  En

ergy  (M

toe)

0

125

250

375

500

2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050

Oil Gas Coal Biomass Sugarcane Hydro Solar Wind Nuclear

BLUES: INDC_1000 Scenario (2ºC)Primary  Energy  Consumption

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Power  Generaaon

TWh

0.0

350.0

700.0

1050.0

1400.0

2010 2020 2030 2040 2050

Hydro Imp.  Coal Nat.  Coal Gas OilBio Bagasse Nuclear Wind DGPV CHP

BLUES: Scenario Comparison

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Power  Generaaon  Emissions  –  GHG  Emission

MtCO2eq

0.0

17.5

35.0

52.5

70.0

2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050

Npi  -­‐  Emissions INDC  -­‐  EmissionsINDC_MB  -­‐  Emissions

BLUES: Scenario Comparison

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Biofuel  Use

PJ

0.0

750.0

1500.0

2250.0

3000.0

2010 2020 2030 2040 2050Ethanol_1stGen Ethanol_2ndGen Biodiesel Biocoal Ethanol_BioCCS AdvBioKerosene_Oil_HEFA AdvBioKerosene_Bio_BTL AdvBioDiesel_BTLAdvBioDiesel_BTL_CCS

BLUES: Scenario Comparison

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Transport  Emissions

MtCO2eq

0.0

65.0

130.0

195.0

260.0

2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050

Current  Policies INDC INDC_1000

BLUES: Scenario ComparisonTransport  Sector  –  GHG  Emissions

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Passenger  Transport  -­‐  Energy  use

PJ

0

750

1500

2250

3000

2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045

Gasoline Diesel Gas Biodiesel Ethanol_final Kerosene Bunker Elect

BLUES: Scenario Comparison (INDC_1000)Transport  Sector  –  Passenger  Energy  Use

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