A New Framework of LCS Scenario Development withCoupled Macro, Spatial and Technology Models inTokyo Metropolitan Area

GOMI Kei
2015/Nov/14
21st AIM International Workshop
National Institute for Environmental Studies, JapanTsukuba CityTokyo 2020
Olympic &Paralympic
Games

Japan’s
Low-carbon
Targets
2020 –3.8%
2030 -26.0%
2050 -80%

Interaction ofvarious env. issues
and solutions LCS
Heatisland

Resource
Energysecurity

2Tokyo 2020
Olympic &Paralympic
Games

Japan’s
Low-carbon
Targets
2020 –3.8%
2030 -26.0%
2050 -80%

Infrastructure
Transport, Energy
Waste

City planning
Compact cities
Green spaces

Interaction ofvarious env. issues
and solutions LCS
Heatisland

Resource
Energysecurity

3

The Project funded by MOEJ
Model Analysis of Environmental Measuresin Tokyo Metropolitan Area
2015 June ~ 2016 March

4

Population: 36 million (28%)
GDP: 162 trillion yen (32%)
Saitama

Tokyo

Chiba

Kanagawa5• 「東京都市圏における環境対策のモデル分析検討会」において は、複数のモデル間の連携等を通じて、東京都市圏において存在する対策のポテンシャ ルや対策が講じられた場合の効果について一定の前提条件の下で定量的、かつ、わかり やすい形で行政機関や関係事業者、国民に提示することによって、取組を更に加速化さ せることを目指す。

6

Project potential and expected effect ofenvironmental measures
When measures in different issues are
implemented simultaneouslyShow the result to the public in easy-tounderstand form

77 Models
7 Institutions8■Snapshot Tool
Mizuho Information &Research Institute■Material StockManagement Model
Nagoya University■Waste ManagementModel
EX Research Institute■AIM/CGE Model
National Institute forEnvironmental Studies■Land-use andTransport Model
Value ManagementInstitute■Heat Island Model
Hao technology consultants■Local Energy System andTown Management Model
Mitsubishi Research Institute9■Snapshot Tool
Mizuho Information &Research Institute■AIM/CGE Model
National Institute forEnvironmental Studies■Land-useand■MaterialStock demand
Energy& supply
Transport ModelManagement Model

Accounting typeMacro-scale■Waste Management■Heat Island Model
Resolution: Prefecture
Nagoya University

ModelEX Research Institute

Value Management
Institute

Hao technology consultants■Local Energy System andTown Management Model
Mitsubishi Research Institute

10■Snapshot Tool
Mizuho Information &Research Institute■Material StockManagement Model
Nagoya University■AIM/CGE Model
National Institute forEnvironmental Studies■Land-use andTransport Model
Value Management
Institute■Waste Management■Heat Island Model
Model
Building and Infrastructure
Hao technology consultants

Physical Stock & Flow
City-scale■Local Energy System andResolution:
Building/Road/RailetcTown
Management Model
EX Research InstituteMitsubishi Research Institute11Waste Generation and Management■Snapshot Tool
Process-based■AIM/CGE Model
City-scale
Resolution:■Land-use and■Material Stock
Transport ModelManagementCity(Generation)
Model
Facility(Management)
Mizuho Information &Research Institute

Nagoya University■Waste Management
Model
EX Research InstituteNational Institute forEnvironmental Studies

Value Management
Institute■Heat Island Model
Hao technology consultants■Local Energy System and
Town Management Model
Mitsubishi Research Institute12■Snapshot Tool

■AIM/CGE Model

Mizuho Information &Research InstituteNational Institute forEnvironmental Studies■Land-use and■Material Stock
Transport ModelManagement
Model
Economicimpact
Value Management
InstituteGeneral Equilibrium
Macro-scale■Waste Management■Heat Island Model
Model Resolution: Prefecture
Nagoya University

Hao technology consultants

EX Research Institute

CO2排出量炭素価格

グリーンイノベーショ
ンによる効果■Local Energy System and
域内総生産Town Management Model
グリーンイノベーショ
ンによる効果対策による経済影響対策によるCO2削減

Mitsubishi Research Institute13■Snapshot Tool
Mizuho Information &Research Institute■Material StockManagement Model
Nagoya University■Waste ManagementModel■AIM/CGE Model
National Institute forEnvironmental Studies■Land-use andTransport Model
Value ManagementInstitute■Heat Island Model

Location choice & transport demand
General equilibrium
Metropolis■LocalEnergy System andTownManagementResolution:Zones(finer Modelthan cities)
EX Research InstituteHao technology consultants

Mitsubishi Research Institute14■Snapshot Tool

■AIM/CGE Model

Surface temperature
Physical■Land-use and■Material Stock Town-scale
Transport ModelManagement Model
Resolution: 5x5m
Mizuho Information &Research Institute

Nagoya University■Waste Management
Model
EX Research InstituteNational Institute forEnvironmental Studies

Value Management
Institute■Heat Island Model
Hao technology consultants■Local Energy System andTown Management Model
Mitsubishi Research Institute15

Detailedtechnology■SnapshotToolenergy ■AIM/CGE Model

Energy system
Town-scale■Land-use and■Material Stock
Resolution:1x1km
Transport ModelManagement
Model
Mizuho Information &Research InstituteNagoya University■Waste Management
ModelEX Research InstituteNational Institute forEnvironmental Studies

Value ManagementInstitute■Heat Island Model
Hao technology consultants■Local Energy System andTown Management Model
Mitsubishi Research Institute16

Challenges

17Different scale and resolution
A model with finest
resolution provides spatial
distribution of driving force

Snapshot Tool treats othermodels as sub-module18Different dimensions“Translation”
AC

Population

GDP

No.
householdValue
added ofservices

Residential
floor areaNo.
employee

B

Commercial
floor area

19

How to share the variables
Output of one model isinput to (an)other model(s)…if possible

If impossible…

Use different model fordifferent scenario.

AVBVCVC

Scenario 1AScenario 2

B20

Computation time (Heat Island Model)
Calculate in 19 town-patterns
and combine them according tooutput of other models.
P1

Scenario 1

Building density
Building height
Green cover
Water bodyRoad etc.
Scenario 2

P2
P3
P4
P5
P621

Cost

■Snapshot Tool

■Material StockManagement Model
Construction
Waste

PowerfromWaste

EnergySaving■AIM/CGE
Transport
volume■Landuse andTransport model

PopulationLaborers■Heat Island Model■Waste ManagementModel■Local Energy System Model
22

Management Tool

Output and Inputof Variables/Parameters
among 7 Models/Institutions

23

Solution 1: Normal Diagram
Solution 2: Input-Output Table
Solution 3: List24

変数モデル(解像度)【機関】

活動量の共通の前提

統合モデル•人口成長率

全国対策

応用一般均衡モデル•経済成長率(都県)【国環研】

環境対策の経済影響分析(雇用・域内生産)•産業構造変化
産業
生産額(都県単位の将来動向)

消費雇用

環境(低炭素)技術評価モデル(都県)【みずほ・国環研】

産業
生産額

素材
生産量

人口

就業者数

環境
投資

エネルギー技術シナリオ
総合的低炭素効果算定

省エネル
ギー技術
導入

エネ
ルギー
需要量

土地利用コンパクト化
交通マネジメント効果（TDM・モーダルシフト）

物質ストックマネジメント
モデル (建物)【名大】建設物質投入量

建築物
更新率交通・土地利用モデル(市町村・町丁目)
人口分布

資源循環モデル

循環資源エネルギー
供給

自動車
交通量

地域エネ
ルギー拠点

•

高効率産業機器(ボイラー、工業炉、モーター等)•

省エネルギー行動(Cool&WarmBiz等)•再生可能エネルギー•

建物の断熱性能等

人口就業者数•コンパクト化•

集約拠点の選定•交通インフラ整備
地域スケール対策• 交通需要マネジメント【価値総研】• 公共交通旅客
輸送量

ヒートアイランド緩和(１x1km)【MRI・NIES】

産業
廃熱発生量

高効率民生機器(照明、給湯、冷暖房等)• 自転車道整備• 資源循環拠点等

街区スケール対策

地域エネルギーモデル(１x1km)【エックス】
廃棄物
GHG
排出量

自動車
燃料消費
原単位

低炭素型街区更新
建物設備更新地域エネルギー利用

資源再生利用産業・廃棄物熱回収

廃棄物
発生・再生・処分量

産業
分布

•

将来土地利用シナリオ

低炭素
対策効果

建設ストック更新
土地利用集約建設
廃棄物発生量導入を想定する環境対策

エネルギーシナリオ

整合的（集計的）
狭義の地域
AIMモデルマクロフレーム

経済成長率

人口成長率

(国土)【国環研】

地域エネ
ルギー需給

ヒートアイランドモデル(街区)

冷暖房需要量【ハオ】

気温HI対策効果• コジェネレーション• 未利用熱利用• ヒートアイランド対策• 産業廃熱利用等

25

Externalinput

Model A

Model B

Model C

to A

to B

to C

A to BA to C

from A

B to C

from B

Model A

Model B

B to A

Model CC to A

C to B

Final output

from C26

モデル間連携 統合フレームワーク 入出力表
スナップショットツール
応用一般均衡モデ（マクロフレーム・対策シナリオ含）ル

モデル間でやりとりされる変数を示す。「所与入力」はモデル群の体系全体に対して外生的に与えられるもの。
特記のない限り（特記の例 「基準年」）変数の年次はシナリオの目標年である2020年、2030年、2050年時点のストックまたはこれらの年における年間のフロー。
土地利用シナリオ

地域エネルギーモデル◆2050年までの人口・世帯数推計（都県）◆2050年までの経済成長率（都◆基準年人口県）(1x1km)◆基準年人口・世帯数・県内総生◆基準均衡(都県)
所与入力◆基準年就業者数
産・素材生産量・エネルギー需要量(1x1km)（都県）◆将来の系統電力想定◆低炭素技術導入シナリオ（再エネ含む）◆人口（都県）スナップショット
◆就業者数（都県）
ツール◆基準産業生産額◆人口（都県）（マクロフレーム・（県民総生産）（都◆就業者数（都県）
対策シナリオ含県）
む）◆部門別エネル
ギー消費量(都県)

資源循環モデル

物質ストック
ヒートアイランド
マネジメントモデル
分析モデル

最終出力

◆基準年人口(1x1km)◆基準年就業者数◆基準年可住地面積
◆気象場
（市町村）
◆三次元街区◆基準年建築・建設◆基準年廃棄物発生量
情報
ストック(建物)(建物用途など（一廃、産廃）◆基準年ごみ焼却施設
を含む)
情報◆基準年産業施設情報◆基準年人口(市町村・町丁目)◆基準均衡◆鉄道建設予定◆ゾーニング◆エネルギー多消費産
業活動量（鉄鋼、セメント等）（都県）◆部門別エネルギー消費量・CO2排出量◆人口（都県）（都県）◆就業者数（都県） ◆域内エネルギー供給量（都県）◆対策別CO2削減量（都県）◆低炭素対策の生産・消費への影響(都県)◆低炭素対策の雇用への影響(都県)◆環境投資

応用一般均衡モ
デル◆人口（市町村・町丁◆人口（市町村・町目）
丁目）◆就業者数（市町村・町◆就業者数（市町丁目）
村・町丁目）◆可住地面積（市町村）＜土地利用シナリオ＞◆人口（1x1km）◆就業者数（1x1km）

地域エネルギーモ ◆エネルギー需給（街区） ※都県
デルに拡張する必要あり◆地域エネルギー事業対象地区◆エネルギー需給（対象地区）◆ごみ焼却施設更新状況◆ごみ焼却施設廃熱発生量（施設ごと）◆循環資源エネルギー回収量（施資源循環モデル 設ごと）
◆廃棄物CO2排出削減量（市町村）◆建築物更新スケジュール（建物物質ストックマネ 別）（都県）
ジメントモデル◆建築・建設物質需要（用途別・建物別）（都県）

土地利用・交通モデル◆廃棄物発生量・リサイクル量・最終処分量（市町村）◆資源循環拠点◆循環資源エネルギー回収量（施設ごと）◆廃棄物CO2排出削減量（市町村）◆ごみ焼却施設集約化の経済性◆建築物更新スケ
ジュール（建物別）（市町村）◆建築物更新スケジュール（都県）◆建築・建設物質需要（都県）◆自動車（旅客）人キロ・台キロ（都土地利用・交通モ 県）デル◆自動車（貨物）台キロ（都県）◆鉄道人キロ（都県）◆人口（市町村・町 ◆人口（市町村・町丁目）丁目）◆従業者数（市町 ◆従業者数（市町村・町丁目）
村・町丁目）◆冷暖房需要量(街区)、ヒートアイ
ヒートアイランド分 ランド対策による冷房需要削減量、
析モデル
暖房需要変化量 ※都県に拡張する必要あり◆冷暖房需要量(街区)、ヒートアイランド対策による冷房需
要削減量、暖房需要変化量◆人口（市町村・町丁目）◆従業者数（市町村・町丁目）◆自動車交通量（特定リンク）◆自動車平均旅行速度（特定リンク）◆旅行速度別CO2排出原単位◆自動車（旅客）人キロ・台キロ・旅行速度（都県）◆自動車（貨物）台キロ・旅行速度旅行速度（都県）◆鉄道人キロ（都県）◆人口（市町村・町丁目）◆従業者数（市町村・町丁目）◆土地均衡価格◆運輸部門CO2排出量◆街区パターン別 気温・冷暖房需要量◆ヒートアイランド対策効果

27

from October 10 to October 20

Interaction

BaU scenario(1)VMI → MRI• Population [1x1km]• Laborer[1x1km](2)VMI → EX
• Population [City]• Laborer [City](3)VMI → Hao• Population [1x1km]• Laborer[1x1km]• Transport volume [Link](4)VMI → MHIR
• Population [Prefecture]• Laborer[Prefecture]• Transport volume [Prefecture]

ResultBaU Scenario• Spatial distribution [1x1km]• Energy consumption [prefecture]• CO2 emissions [prefecture]
CM1 Scenario• Energy consumption [prefecture]• CO2 emissions [prefecture]• GHG emission reduction by each model

28

時期

10月中旬～10月末

11月上旬～中旬

11月下旬

モデル間連携（変数受け渡し）
計算結果◆固定ケース(1)VMI → MRI• 人口[1x1km]• 業務床面積(or就業者数)[1x1km](2)VMI → EX
• 人口[市町村]• 業務床面積(or就業者数)[市町村](3)VMI → Hao• 人口[1x1km]• 業務床面積(or就業者数)[1x1km]• 交通量[リンク](4)VMI → MHIR
• 人口[都県]• 業務床面積(or就業者数)[都県]• 交通量[都県]◆対策ケースα(5)VMI → MRI• 人口[1x1km]• 業務床面積(or就業者数)[1x1km](6)VMI → EX
• 人口[市町村]• 業務床面積(or就業者数)[市町村](7)VMI → Hao• 人口[1x1km]• 業務床面積(or就業者数)[1x1km]• 交通量[リンク](8)VMI → MHIR
• 人口[都県]• 業務床面積(or就業者数)[都県]• 交通量[都県](9)MRI → MHIR
• 地域エネルギー対象地区 エネルギー需給[都県]• 家庭エネルギーサービス需要原単位[都県](10)NU → MHIR
• 建築物更新割合[都県](11)EX → MHIR
• 廃棄物エネルギー利用[都県](12)MHIR → Hao• 建築物エネルギー需要[都県]◆対策ケースα(13)各社 → NIES
• 連携済 対策ケースα対策効果◆固定ケース• 空間分布• 都県エネルギー消費量• 都県CO2排出量◆対策ケースα• 空間分布• 地域エネルギー拠点・同需給量• 都県エネルギー消費量• 都県CO2排出量• モデル連携(空間分布、地域エネ、廃棄物、建設ストック)を考慮した対策別排出削減効果(エネルギー全体、地域エネルギー、廃棄物、交通、建設ストック)◆対策ケースα• 暑熱分布• ヒートアイランド対策効果(交通対策、エネルギー効率改善対策を考慮済み)• 建設ストック・フロー(固定、対策α)• ヒートアイランド対策効果を考慮したエ
ネルギー需給・低炭素効果• 全体の対策効果一覧◆対策ケースα• 都県エネルギー消費量• 都県CO2排出量• 個別に推計した対策別排出削減効果(エネルギー全体、地域エネルギー、廃棄物)

29

◆対策ケースβ(14)VMI → MRI• 人口[1x1km]• 業務床面積(or就業者数)[1x1km](15)VMI → EX
• 人口[市町村]• 業務床面積(or就業者数)[市町村(16)VMI → Hao• 人口[1x1km]• 業務床面積(or就業者数)[1x1km]• 交通量[リンク](17)VMI → MHIR
• 人口[都県]• 業務床面積(or就業者数)[都県]• 交通量[都県](18)MRI → MHIR
• 地域エネルギー対象地区 エネルギー需給[都県]• 家庭エネルギーサービス需要原単位[都県](19)NU → MHIR
• 建築物更新割合[都県](20)EX → MHIR
• 廃棄物エネルギー利用[都県](21)MHIR → Hao• 建築物エネルギー需要[都県]◆全ケース(22)MHIR→NIES:CGE• 人口[都県]• 就業者数[都県]• 産業別付加価値[都県]• エネルギー需給[;都県]

計算結果

12月下旬

12月上旬

モデル間連携（変数受け渡し）

12月中旬

時期

◆対策ケースβ• 空間分布• 地域エネルギー拠点・同需給量• 都県エネルギー消費量• 都県CO2排出量• モデル連携(空間分布、地域エネ、廃棄物、建設ストック)を考慮した対策別排出削減効果(エネルギー全体、地域エネルギー、廃棄物、交通、建設ストック)◆対策ケースβ• 暑熱分布• ヒートアイランド対策効果(交通対策、エネルギー効率改善対策を考慮済み)• 建設ストック・フロー(固定、対策α)• ヒートアイランド対策効果を考慮したエネルギー需給・低炭素効果◆対策ケースβ(23)各社 → NIES
• 連携済 対策ケースβ対策効果◆全ケース• 全体の対策効果一覧(α・β)• 対策の経済影響(α・β)• α・βの比較分析

30

Solution 1: Normal Diagram
Solution 2: Input-Output Table
Solution 3: List

+ Meetings, emails, phone calls31

32

Expected output
A list of environmental measures andtheir integrated effectTwo scenarios
α ： With Planned Measures
β ： α + More Measures

A framework of integration of the models forfurther development of integrated analysis
33

変数

モデル

(解像度)
【機関】

活動量の共通の前提

統合モデル•人口成長率

全国対策

応用一般均衡モデル•経済成長率(都県)【国環研】

環境対策の経済影響分析(雇用・域内生産)•産業構造変化
産業
生産額(都県単位の将来動向)

消費雇用

環境(低炭素)技術評価モデル(都県)【みずほ・国環研】

産業
生産額

素材
生産量

人口

就業者数

環境
投資

エネルギー技術シナリオ
総合的低炭素効果算定

省エネル
ギー技術
導入

エネ
ルギー
需要量

土地利用コンパクト化
交通マネジメント効果（TDM・モーダルシフト）

物質ストックマネジメント
モデル (建物)【名大】
建設物質
投入量

建築物
更新率

交通・土地利用モデル(市町村・町丁目)
人口分布

資源循環モデル

循環資源
エネルギー
供給

自動車
交通量

地域エネ
ルギー拠点

•

高効率産業機器(ボイラー、工業炉、モーター等)•

省エネルギー行動(Cool&WarmBiz等)•再生可能エネルギー•

建物の断熱性能等

人口就業者数•コンパクト化•集約拠点の選定•交通インフラ整備
地域スケール対策• 交通需要マネジメント【価値総研】• 公共交通旅客輸送量

ヒートアイランド緩和(１x1km)【MRI・NIES】

産業
廃熱発生量

高効率民生機器(照明、給湯、冷暖房等)• 自転車道整備• 資源循環拠点等

街区スケール対策

地域エネルギーモデル(１x1km)【エックス】
廃棄物
GHG
排出量

自動車
燃料消費
原単位

低炭素型街区更新
建物設備更新地域エネルギー利用

資源再生利用産業・廃棄物熱回収

廃棄物
発生・再生・処分量

産業分布•

将来土地利用シナリオ

低炭素
対策効果

建設ストック更新
土地利用集約建設
廃棄物発生量導入を想定する環境対策

エネルギーシナリオ

整合的

（集計的）
狭義の地域
AIMモデルマクロフレーム

経済成長率

人口成長率

(国土)【国環研】

地域エネ
ルギー需給

ヒートアイランドモデル
(街区)

冷暖房
需要量

【ハオ】

気温HI対策効果• コジェネレーション• 未利用熱利用• ヒートアイランド対策• 産業廃熱利用

等

34

変数

モデル

(解像度)
【機関】

活動量の共通の前提

統合モデル•人口成長率

全国対策

応用一般均衡モデル•経済成長率(都県)【国環研】

環境対策の経済影響分析(雇用・域内生産)•産業構造変化
産業
生産額(都県単位の将来動向)

消費雇用

環境(低炭素)技術評価モデル(都県)【みずほ・国環研】

産業
生産額

素材
生産量

人口

就業者数

環境
投資

エネルギー技術シナリオ
総合的低炭素効果算定

省エネル
ギー技術
導入

エネ
ルギー
需要量

土地利用コンパクト化
交通マネジメント効果（TDM・モーダルシフト）

物質ストックマネジメント
モデル (建物)【名大】
建設物質
投入量

建築物
更新率

交通・土地利用モデル(市町村・町丁目)
人口分布

資源循環モデル

循環資源
エネルギー
供給

自動車
交通量

地域エネ
ルギー拠点

•

高効率産業機器(ボイラー、工業炉、モーター等)•

省エネルギー行動(Cool&WarmBiz等)•再生可能エネルギー•

建物の断熱性能等

人口就業者数•コンパクト化•

集約拠点の選定•交通インフラ整備
地域スケール対策• 交通需要マネジメント【価値総研】• 公共交通旅客輸送量

ヒートアイランド緩和(１x1km)【MRI・NIES】

産業
廃熱
発生量

高効率民生機器(照明、給湯、冷暖房等)• 自転車道整備• 資源循環拠点等

街区スケール対策

地域エネルギーモデル(１x1km)【エックス】
廃棄物
GHG
排出量

自動車
燃料消費
原単位

低炭素型街区更新
建物設備更新地域エネルギー利用

資源再生利用産業・廃棄物熱回収

廃棄物
発生・再生・処分量

産業
分布

•

将来土地利用シナリオ

低炭素
対策効果

建設ストック更新
土地利用集約建設
廃棄物発生量導入を想定する環境対策

エネルギーシナリオ

整合的

（集計的）
狭義の地域
AIMモデルマクロフレーム

経済成長率

人口成長率

(国土)【国環研】

地域エネ
ルギー需給

ヒートアイランドモデル
(街区)

冷暖房
需要量

【ハオ】

気温

HI対策
効果

• コジェネレーション• 未利用熱利用• ヒートアイランド対策• 産業廃熱利用

等

35