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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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Obrigado