Industrial ecology for sustainable energy transition : the role of carbon emission reduction mechanisms

We live in an increasingly interconnected society, in which the role of energy has always played and will continue to play a fundamental role being one of the main drivers of economic growth and have enabled past industrial revolutions. The use of natural resources is largely represented by the exploitation of fossil energy resources, which over the last century has allowed economic development in many areas of the world, but at the same time has increased emissions of greenhouse gases and polluting gases. Today, a growing number of countries, predominantly those with high per capita income, are making efforts to significantly reduce CO2 emissions into the atmosphere. The general objective of this research is to investigate the role of carbon emission reduction mechanisms (CERMs) in the energy transition. In particular, the focus is on the role that carbon pricing policies can play in changing consumption, production, and investment choices within the sustainable energy transition. An informed decision-making process, supported by multiple modelling approaches, is essential and may be pivotal to supporting the guidance for the needed decarbonisation pathway. Few models explicitly consider the sector-by-sector representation of the meso-economic relations that are physically constraining the dynamic evolution of global economic activities by a clear representation of supply chains. Therefore, as highlighted in the literature, the need for a proper modelling framework arises. The identification of a suite of models aimed at properly assessing the role of carbon emission reduction policies represents the first specific objective of this work. Input-Output (IO) analysis, currently experiencing a renaissance driven by increasing improvement in accounting, represents one of the most appropriate methods to capture the complex interconnections within and among economy and ecology. Nevertheless, the applicability and reproducibility of studies may be hampered by data handling, also driven by improvements in databases’ detail. Therefore, the second specific objective of this thesis is the development of a data management tool to perform transparent and reproducible IO studies. Finally, on the path towards achieving the first two specific objectives, several findings on different CERMs have been collected. The definition and the testing of an innovative and efficient carbon emission reduction mechanism identify the third and last specific objective. The IO framework has been proved scientifically robust in providing useful insights on how different carbon emission strategies can impact global emission reduction and on other environmental and socio-economic dimensions. Different research questions raise the need for the proper set of the proper IO model. Developing a tool capable of easily setting the scope and the detail of an IO model (called MARIO) and extending the classic Supply and Use framework – introducing the accounting of needs and technologies – simplified enormously the rigorous application of these methodologies. Applying multiple policy approaches within diverse socio-economic contexts shaped the proposal of innovative CERM called BitCO2. Having an individual (vs. national), consumption-based (vs. production-based), and incentivizing (vs. coercive) CERMs offer multiple advantages that can justify its practical implementation. This has been tested for a specific carbon-intensive and hard-to-abate sector (i.e. Italian private transportation) adopting a life-cycle methodology and a system dynamics model developed for the purpose.

Viviamo in una società sempre più interconnessa, in cui il ruolo dell'energia ha sempre svolto e continuerà a svolgere un ruolo fondamentale, essendo uno dei principali motori della crescita economica e avendo permesso le passate rivoluzioni industriali. L'utilizzo delle risorse naturali è in gran parte rappresentato dallo sfruttamento delle risorse energetiche fossili, che nell'ultimo secolo ha permesso lo sviluppo economico in molte aree del mondo, ma allo stesso tempo ha aumentato le emissioni di gas serra e di gas inquinanti. Oggi un numero crescente di paesi, soprattutto quelli ad alto reddito pro-capite, si sta impegnando per ridurre in modo significativo le emissioni di CO2 nell'atmosfera. L'obiettivo generale di questa ricerca è indagare il ruolo dei meccanismi di riduzione delle emissioni di carbonio nella transizione energetica. In particolare, l'attenzione è rivolta al ruolo che le politiche di carbon pricing possono svolgere nel modificare le scelte di consumo, produzione e investimento nell'ambito della transizione energetica sostenibile. Un processo decisionale informato, supportato da molteplici approcci modellistici, è essenziale e può essere fondamentale per sostenere la guida del percorso di decarbonizzazione necessario. Pochi modelli considerano esplicitamente la rappresentazione settore per settore delle relazioni meso-economiche che vincolano fisicamente l'evoluzione dinamica delle attività economiche globali attraverso una chiara rappresentazione delle catene di approvvigionamento. Pertanto, come evidenziato in letteratura, emerge la necessità di un quadro modellistico adeguato. L'identificazione di una suite di modelli finalizzati a valutare correttamente il ruolo delle politiche di riduzione delle emissioni di carbonio rappresenta il primo obiettivo specifico di questo lavoro. L'analisi Input-Output (IO), attualmente in fase di rinascita grazie al crescente miglioramento della contabilità, rappresenta uno dei metodi più appropriati per cogliere le complesse interconnessioni all'interno e tra economia ed ecologia. Tuttavia, l'applicabilità e la riproducibilità degli studi possono essere ostacolate dal processamento dei database, anche a causa del miglioramento del loro livello di dettaglio. Pertanto, il secondo obiettivo specifico di questa tesi è lo sviluppo di uno strumento di gestione dei database per eseguire studi di IO trasparenti e riproducibili. Infine, nel percorso verso il raggiungimento dei primi due obiettivi specifici, sono stati raccolti diversi risultati su diversi meccanismi di riduzione delle emissioni di carbonio. La definizione e la sperimentazione di un meccanismo di riduzione delle emissioni di carbonio innovativo ed efficiente identificano il terzo e ultimo obiettivo specifico. Il framework IO si è dimostrato scientificamente solido nel fornire utili indicazioni su come le diverse strategie di riduzione delle emissioni di carbonio possano avere un impatto sulla riduzione delle emissioni globali e su altre dimensioni ambientali e socio-economiche. Le diverse domande di ricerca sollevano la necessità di adottare il modello IO appropriato. Lo sviluppo di uno strumento in grado di impostare facilmente l'ambito e il dettaglio di un modello IO (chiamato MARIO) e l'estensione del classico schema Supply and Use - introducendo la contabilizzazione dei bisogni e delle tecnologie - hanno semplificato enormemente l'applicazione rigorosa di queste metodologie. L'applicazione di molteplici policy in contesti socio-economici diversi ha dato forma alla proposta di un meccanismo di riduzione delle emissioni di carbonio innovativo chiamato BitCO2. Un meccanismo individuale (anziché nazionale), basato sul consumo (anziché sulla produzione) e incentivante (anziché coercitivo) offre molteplici vantaggi che ne giustificano l'applicazione pratica. Questo è stato testato per uno specifico settore ad alta intensità di carbonio e difficile da abbattere (il trasporto privato italiano), adottando una metodologia basata sul ciclo di vita e un modello di system dynamics sviluppato a tale scopo.