Toward Decarbonization and Depollution Pathwaysin Asian Regions

‐ AIM/Endues Bottom‐up Analyses ‐

Tatsuya HANAOKA

Center for Social and Environmental SystemsNational Institute for Environmental Studies

Japan

0

The 25rd AIM International WorkshopOhyama Memorial Hall, NIES

18‐19 November 2019

Research Objectives and Motivations in Asian Regions‐ Bottom‐up Approaches ‐

1

1. Challenges & barriers as well as cobenefits & trade‐offs of decarbonization and depollution measures in Asia regions by focusing on short‐ to mid‐term targets

2. Linkages between climate stabilization targets and SDGs targets, focusing on sector‐specific, region‐specific and issue‐specific. Effects of early‐actions on all Short‐Lived Climate Forcers (from the viewpoint of 

climate impacts, health impacts, cost effectiveness, feasibility of mid‐term targets) Municipal solid waste management (e.g. waste composition and waste recycle, landfill 

to incineration, waste to energy） Waste water management (e.g. behavior and nutrition food share change, trade‐offs 

between quality of life and GHG increase) Reductions of nitrogen overload (from the viewpoint of reality of anthropogenic 

measures, climate mitigation, ozone‐layer protection, air quality, health impacts)and so on

3. Inertia of behaviours, socio‐economics and technological changes, and transitions of future service demands.

Global CO2, SLCFs and Air Pollutants Projections‐ Exploring Effective SLCFs scenarios ‐

2

Reference (SSP2 based)

2D‐EoPmid‐RESTRT

EoPmax 2D‐EoPmax‐CCSBLD

2D‐EoPmid‐RESBLDTRTEoPmid

2D‐EoPmax‐RESTRT 2D‐EoPmax‐RESBLDTRT

2D‐EoPmid‐CCSBLD

0

10

20

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50

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2000

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2040

2050

CO2Em

ission

 (PgCO

2) 

0

100

200

300

400

500

600

1980

1990

2000

2010

2020

2030

2040

2050

CH4Em

ission

 (TgCH4) 

020406080

100120140

1980

1990

2000

2010

2020

2030

2040

2050

SO2Em

ission

 (TgSO

2) 

020406080

100120140

1980

1990

2000

2010

2020

2030

2040

2050

NOx Em

ission

 (TgN

Ox) 

0

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400

600

800

1000

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1990

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2050

CO Emission

 (TgCO) 

0.0

1.0

2.0

3.0

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1980

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2030

2040

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BC Emission

 (TgB

C) 

0

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40

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2020

2030

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2050

PM2.5Em

ission

 (TgPM

2.5) 

0

50

100

150

200

250

1980

1990

2000

2010

2020

2030

2040

2050

VOC Em

ission

 (TgV

OC) 

EDGER4.3 HTAP

Source: (Hanaoka, T., Masui, T. Environ Pollut, accepted)

Emissions pathways of SLCPs and air pollutants are different due to combinations of low‐carbon and end‐of‐pipe measures, even if CO2 emission pathways equivalent to 2℃ are similar.

All scenarios are 2℃ targets

One of key messages in last year’s presentation

SLCFs and decarbonization scenarios: China and India‐ Considering major combinations of mitigation measures ‐

3

Ref ：Reference scenario that future mitigation polices & technologies are in the current trendsEoPmid： enhancing EoP diffusion by 2050 for SO2, NOx, BC, OC, PM2.5, PM10EoPmax：100 % end‐of‐pipe diffusion by 2050 for SO2, NOx, BC, OC, PM2.5, PM102D         ：Decarbonization mitigation measures toward 2℃ target. Carbon price in 2050 is 400US$/tCO2‐ CCS ：in 2D scenario, especially energy shift to coal & biomass power with CCS rather than renewables‐ RES ：in 2D scenario, especially energy shift to renewables rather than fossil fuel with CCS‐ BLD ：in 2D scenario, especially enhancing electrification in building sector by 2050 ‐ TRT  ：in 2D scenario, especially enhancing EV & FCV in passenger transport sector by 2050

ScenarioGroup

Scenariocode

Major combinations of mitigation measures on GHGs, air pollutants and SLCP

EoPenhancement

(EoP)

2℃ targetmeasures(2D)

CO2Enhancement

(CCS)

Renewableenhancement

(RES)

Electrificationenhancementin buildings(BLD)

ElectrificationEnhancement in transport(TRT)

Reference Ref

End‐of‐pipeonly

EoPmid Mid

EoPmax Max

2℃ target & End‐of‐pipe

2D‐EoPmid‐CCSBLD Mid ✔ ✔ ✔

2D‐EoPmid‐RESTRT Mid ✔ ✔ ✔

2D‐EoPmid‐RESBLDTRT Mid ✔ ✔ ✔ ✔

2D‐EoPmax‐RESBLDTRT Max ✔ ✔ ✔ ✔

Please visit Mr. Hirayama’s poster

Source: (Hanaoka, T., Hirayama, T., Hibino, G., Masui, T. ICAE2019), (Hanaoka, T., et al, Appl Energ special issue, paper in preparation)

Emission pathways in China and India‐ CO2 as well as Air Pollutants and SLCPs ‐

4

REF EoPmid

EoPmax

2D‐EoPmid‐RESTRT 2D‐EoPmid‐CCSBLD2D‐EoPmid‐RESBLDTRT

2D‐EoPmax‐RESBLDTRT

China + India China India

NDC (CO2/GDP target: low) NDC (CO2/GDP target: High)

0

5

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15

20

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2015

2020

2025

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2035

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2045

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CO2Em

ission (Gt C

O2)

0

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CO2Em

ission (Gt C

O2)

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CO2Em

ission (Gt C

O2)

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SO2Em

ission (M

t SO2)

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NOx Em

ission (M

t NOx)

0.0

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3.0

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2020

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BC Emission (M

t BC)

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2050

PM2.5Em

ission (ktP

M.2.5)

China + India

NDC targets can be achieved in line with the current trend (i.e. under reference scenario)

India’s development will be rapid, thus deep decarbonization is not easy by 2050 in India, compared to China.

Pathways of SLCPs and air pollutants are different due to combinations of low‐carbon and end‐of‐pipe options, even if CO2 pathways equivalent to 2℃ are similar.

Source: (Hanaoka, T., Hirayama, T., Hibino, G., Masui, T. ICAE2019), (Hanaoka, T., et al, Appl Energ special issue, paper in preparation)

Sector‐wise emissions & mitigations: China & India 

5

Emission (Power) Emission (Industry) Emission (Transport) Emission (Building) Emission (Ohters)

Mitigation (Power) Mitigation (Industry) Mitigation (Transport) Mitigation (Building) Mitigation (Others)

Emission (Mitigation)Emission (Reference)

(a)China (b) India(a‐1) 2D‐EoPmid‐RESBLDTRT (a‐2) 2D‐EoPmid‐CCSBLD (b‐1) 2D‐EoPmid‐RESBLDTRT (b‐2) 2D‐EoPmid‐CCSBLD

05

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SO2Em

ission [M

tSO2]

02468

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2035

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SO2Em

ission [M

tSO2]

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NOx Em

ission [M

tNOx]

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NOx Em

ission [M

tNOx]

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BC Emission [M

tBC]

0.0

0.2

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BC Emission [M

tBC]

05

1015202530

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2030

2035

2040

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SO2Em

ission [M

tSO2]

02468

1012

2010

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2050SO

2Em

ission [M

tSO2]

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NOx Em

ission [M

tNOx]

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NOx Em

ission [M

tNOx]

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BC Emission [M

tBC]

0.0

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0.4

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2045

2050

BC Emission [M

tBC]

Major sectors of effective options are different depending on air pollutants and SLCFs

Source: (Hanaoka, T., Hirayama, T., Hibino, G., Masui, T. ICAE2019), (Hanaoka, T., et al, Appl Energ special issue, paper in preparation)

Cumulative additional investment and sector‐wise effects

End‐of‐Pipe measures Low carbon measures (Power)

Low carbon measures (Industry)

Low carbon measures (Transport)

Low carbon measures (Building)

Low carbon measures (Others)

Cumulative additional investment

Cumulative additional investments are also largely different, depending on combinations of low carbon measures. Cumulative costs of 2D‐EoPmid‐RESBLDTRT is higher compared to cumulative costs of 2D‐EoPmid‐CCSBLD by 2050, nearly double in China for example.

EoP measures are very cheap but they are effective for reducing specific gases only.  Low carbon measures have multiple effect for reducing large amount of air pollutants and SLCPs. But 

they cost more than EoP.

6

(a)China (b) India

(a‐1) 2D‐EoPmid‐RESBLDTRT (a‐2) 2D‐EoPmid‐CCSBLD (b‐1) 2D‐EoPmid‐RESBLDTRT (b‐2) 2D‐EoPmid‐CCSBLD

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Cumulative additio

nal investm

ent [Trill US$]

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Cumulative additio

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ent [Trill US$]

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100%

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2025

2030

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2050

Cumulative additio

nal investm

ent [Trill US$]

Share of cum

ulative additio

nal investm

ent

Source: (Hanaoka, T., Hirayama, T., Hibino, G., Masui, T. ICAE2019), (Hanaoka, T., et al, Appl Energ special issue, paper in preparation)

Challenges toward Net Zero Emission

7Source: (Hanaoka, T., Hirayama, T., Hibino, G., Masui, T. ICAE2019), (Hanaoka, T., et al, AE special issue, paper in preparation)

Emission (Power) Emission (Industry) Emission (Transport) Emission (Building) Emission (Ohters)

Mitigation (Power) Mitigation (Industry) Mitigation (Transport) Mitigation (Building) Mitigation (Others)

Emission (Mitigation)Emission (Reference)

(a)China (b) India2D‐EoPmid‐RESBLDTRT

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2em

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2040

2045

2050CO

2em

ission [Gt C

O2]

How to reduce remaining emissions in the demand side toward net Zero?

Challenges toward Low Carbon of Iron & Steel Industry in China‐ Emission Projections and Allocations Considering Plant Location and Capacity

8Source: (Li, Z., Hanaoka, T., Resour Conserv Recy, under review), (Li, Z., Hanaoka, T., ICAE2019), (Li, Z., Hanaoka, T., paper in preparation)

Method of Scrap&Build LPS and Emission Allocation

LPS location and capacity in 2017 & 2050

China’s crude steel production is dominant in the world, which account for 49.6 % of world productions in 2015.

China will reach to the over‐capacity of crude steel production in the coming decade, thus it is necessary to consider scrap&build (i.e. phasing out old & inefficient plants and investing advanced plants) and appropriate locations and capacity based on China’s Policies 

Mitigation potentials are large in Central China, but mitigation costs will become steep from a certain level of mitigations, because of limitations of mitigation options.

Emission Reductions and Abatement Costs in 2050in COC(Central China), Middle China(MOC) and Rest of China(ROC)

In details, please visit Dr. Li’s poster

Urbanresidential Ruralresidential Service

SO

2

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

FIX2 REF BIO ELE NZE

NO

xB

CP

M2.5

2010 2020 2030 2040 20502010 2020 2030 2040 20502010 2020 2030 2040 2050

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0.0

0.5

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1.5

YearG

as e

mis

sion

(Mt)

Decarbonization in Province‐wise Residential & Commercial in China‐ Contribution to China’s NDC and Cobenefit of Reducing Indoor Air Pollution ‐

9Source: (Xing, R., Hanaoka, T., Masui, T., paper to be submitted)

2010 2020 2030 2040 2050

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10

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FIX2 REF BIO ELE NZE

Urban residential

Rural residentialService

Beijing Hebei Shanghai Anhui

Heating Degree Day

(HDD18)

0‐10621063‐21232124‐31843185‐42454246+ (2011US$)

42686‐48754876‐70657066‐92559256‐1144411445+

GDP per capita Province‐wise socio‐economic and environmental diversities have effects on rural&urban province‐wise energy profiles as well as potentials to diffuse advanced technologies, which become barriers toward deep decarbonization in the building sector. 

By considering barriers, it is difficult to achieve Zero Energy Building or Zero Emission Building in China, especially in rural residential, but decarbonization policy will have cobenefits on reducing indoor air pollution in urban residential and service

Current Socio‐economic & Environmental Diversities

Province‐wise Rural & Urban CO2 Emissions National Urban & Rural Air Pollutant Emissions

Energy Demand Projections in State‐wise Residential in India‐ Dynamic Transitions in Rural & Urban by States ‐

10Source: (Yawale, S., Hanaoka, T., Kapshe, M., Renew Sust Energ Rev, under review), (Yawale, S., Hanaoka, T., paper in preparation)

To project future province‐wise rural & urban energy demands, it is necessary to develop province‐wise Energy Balances Table. 

The more urbanized and more economic developed, the less traditional energy and the less per‐capita energy.

Energy demands sharply increase in cooling, cooking, and electric appliances in urban, but national average per capita energy level is still low in the future compared to the current developed country levels. 

Energy‐wise per capita energy consumption and GDP per capita in 2011

State‐wise Urban&Rural Energy Demand Projections up to 2070

In details, please visit Dr. Yawale’s posterBR

JU

PUM

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J&K RJ WB

KA AP

TN KL HP

HPC G

JM

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TH DL

BRJ

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J&K RJ WB

KA AP

TN KL HP

HPC G

JM

HO

TH DL

Electricity LPG Kerosene Charcoal Coal Bio-mass GDPP

Per-

capi

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sum

ptio

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pita

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r]

GD

P pe

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ita ('

000

INR

)

0

4

8

12

0

60

120

180

a. Rural b. Urban

low middle high low middle highIncome group

Cooking Lighting

Cooling

Other Appliance

Hot-water Heating

2010

2030

2050

2070

2010

2030

2050

2070

2010

2030

2050

2070

2010

2030

2050

2070

2010

2030

2050

2070

2010

2030

2050

2070

0.0

2.5

5.0

0.0

0.2

0.4

0.0

1.0

2.0

0.0

0.5

1.0

0.0

0.5

1.0

0.0

0.1

0.2

Urban Rural Urban Rural Urban Rural

Stat

e-w

ise

tota

l ene

rgy

cons

umpt

ion

(EJ/

year

)

Andhra Pradesh

Bihar & Jharkhand

Delhi

Gujarat

Himachal PradeshHaryana Punjab & Chandigarh

Jammu & Kashmir

Karnataka

Kerala

Madhya Pradesh & ChhattisgarhMaharashtra North-East States

Orissa Other Union Territories

Rajasthan

Tamil-Nadu

Uttar-Pradesh & UttarakhandWest-Bengal

WORLD

INDIA

Japan

CHINA

Thailand

United Kingdom

USA

Indonesia

France

Total_energy

0

15

30

45

Residential total energy consumption GJ/Capita

Per-c

apita

total

energ

y co

nsum

ption

[GJ/C

apita

]

1990

1995

2000

2005

2010

2015

2050

2070

2030

2020

World average India

Japan

China

Germany UKUSA

Indonesia

France

Short‐Lived Climate Pollutant Precursor of tropospheric O3

Global Anthropogenic Historical Emissions‐ Importance of ASEAN ‐

11

CHN IND ASEAN Other Asia OECDLatin America Middle East & Afriga Economies in Transition Intl Aviation&Navigaiton

Source) made by author from EDGER 4.3.2

0

10

20

30

40

1970 1980 1990 2000 2010

CO2 emission[Gt CO2]

020406080100120140

1970 1980 1990 2000 2010

SO2 emission[Mt SO2]

020406080

100120140

1970 1980 1990 2000 2010

NOx emission[Mt NOx]

0100200300400500600700

1970 1980 1990 2000 2010

CO emission[Mt CO]

0

100

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1970 1980 1990 2000 2010

CH4 emission[Mt CH4]

0.0

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3.0

4.0

5.0

1970 1980 1990 2000 2010

BC emission[Mt BC]

0

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1970 1980 1990 2000 2010

PM2.5 emission[Gt PM2.5]

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150

200

1970 1980 1990 2000 2010

NMVOC emission[Mt NMVOC]

SLCPs and air pollutants emissions from South‐east and South Asia has been on the increase

2℃ Targets and Mitigation Potentials by Sector in ASEAN‐ Deep‐Cutting beyond NDCs and Cobenfits for Air Pollutants and SLCFs ‐

12Source: (Hanaoka, T., International Regional Science Meeting 2019)

EDGER4.3 REAS 2D scenarioReferenceProjections

Major sectors of effective mitigation options are different by gas Important to carefully consider constraints like inertia, energy transition, technological feasibility Important to pay attention to CH4, N2O and NH3 related to non‐energy sectors.

Power Mining Industry Transport Residential Commercial Waste AgricultureMitigations

0

1

2

3

4

1990 2010 2030 2050

CO2Em

ission

 (GtCO

2) 

0

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1990 2010 2030 2050

SO2Em

ission

 (MtSO

2) 

0

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1990 2010 2030 2050

NOx Em

ission

 (MtNOx) 

0102030405060708090

1990 2010 2030 2050

CO Emission

 (MtCO) 

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1990 2010 2030 2050

CH4Em

ission

 (MtCH4) 

0.0

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0.2

0.3

0.4

1990 2010 2030 2050

BC Emission

 (MtBC) 

0

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1990 2010 2030 2050

PM2.5Em

ission

 (MtPM

2.5) 

02468

1012141618

1990 2010 2030 2050

VOC Em

ission

 (MtVOC)

Regional Passenger Road Transport Demands and Emissions in Thailand‐ Current Exhaust Emissions Regulatory Scenario ‐

13Source: (Cheewaphongphan, P., Hanaoka, T., Chatani, S. paper to be submitted)

Diversities of socio‐economics and transport demands

It is important to consider regional socio‐economic diversities and mode‐wise characteristics carefully, for estimating future transport volumes.

It is necessary to consider baseline scenario to understand inertia of current regulations and its characteristic among demand growth, efficient vehicle diffusion and CO2 & air pollutants emissions. 

Effects on emissions by travel demand growth are larger than by inertia of efficient vehicle diffusion, especially in BMR, NER and ETR areas. Thus, it is important to consider mitigation policies such as EV and biofuel.

Current Exhaust Emissions Regulation

Relations among demand growth, vehicle diffusion and PM emission in 2050 under Baseline scenario

(pkm)

Asia-Pacific Integrated Modelhttp://www-iam.nies.go.jp/aim/index.html

ご清聴ありがとうございましたThank you for your attention