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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

Adaptação às mudanças climáticas no Brasil: cenários e alternativas

▪ Introdução  

▪ Ferramentas  e  Premissas  

▪ Metodologia  

▪ Resultados

Adaptação às mudanças climáticas no Brasil: cenários e alternativas

Introdução

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?

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

Sistema Interligado Nacional (SIN)

Sazonalidade hidrológica no Brasil(Séria  histórica  1931  –  2009)

Source:  Silva  (2012)

Adaptação às mudanças climáticas no Brasil: cenários e alternativas

Ferramentas e Premissas

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

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.

Premissas

▪ Cenário  Macroeconômico:  EPE  (2014)

Premissas

▪ População:  IBGE  (2013)

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)

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

Adaptação às mudanças climáticas no Brasil: cenários e alternativas

Metodologia

Procedimento MetodológicoModelagem  Climática  e  Hidrológica

Projected Riverflow

Projected Riverflow

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

Adaptação às mudanças climáticas no Brasil: cenários e alternativas

Resultados

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

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

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

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)

Baseline  Scenarios

▪ Baseline  scenarios:  RCP  comparison  –  GHG  Emissions

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

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

Results Operation

▪ Risk  of  Shortage  –  HadGEM  8.5

Results Operation

▪ Accumulated  Operation  Cost  –  HadGEM  8.5

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

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)

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)

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?

Obrigado

Cenários mais recentes para o Brasil

Roberto Schaeffer

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

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

Model Linkages/Iterations

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  

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

The COFFEE Model

The COFFEE Model Energy System

The COFFEE Model Land System

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)  

COFFEE: Current PoliciesGlobal  GHG  Emissions  

Cumulative  Emissions:  3,885  GtCO2

COFFEE: Current PoliciesGlobal  Primary  Energy

COFFEE: Current PoliciesGlobal  Land  Change  (Cumulative)

COFFEE: NPi_1000 (2ºC)Global  GHG  Emissions

COFFEE: NPi_1000 (2ºC)Global  Primary  Energy

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

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

COFFEE: NPi_1000 (2ºC) without CCSGlobal  GHG  Emissions

COFFEE: NPi_1000 (2ºC) without CCSGlobal  Primary  Energy

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

COFFEE: Scenario ComparisonGlobal  CO2  Emissions

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

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

▪ Current  Policies  

▪ INDC  forever  

▪ INDC  –  1,000  GtCO2  (2o  C)

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

BLUES: Current Policies ScenarioGHG  Emissions

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

BLUES: INDC ScenarioGHG  Emissions

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

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

BLUES: INDC_1000 Scenario (2ºC)GHG  Emissions

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

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

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

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

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

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

Obrigado

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