Making sense of industry carbon footprints - the role of supply chains and inter-industry demand.

Hypothetical extraction as a method of input-output economics is highly useful for analyzing the contribution to environmental footprints of specific industries, corporations, or intermediate products. Here, the method is derived in detail, based on a new paper published in the Journal of Industrial Ecology. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/jiec.13522
As an example, results for materials are presented from two additional papers published in Nature Geoscience and Environmental Science & Technology.
https://www.nature.com/articles/s41561-021-00690-8
https://doi.org/10.1021/acs.est.2c05857

1. Using the hypothetical extraction method to understand the role of materials Edgar Hertwich

2. Market balance and production balance Hypothetical extraction as removal of transactions Quantity and price model Carbon footprint of materials – results Outline

3. Supply and Use Tables System Definition 3 Industries Commodity markets E V U Ω System boundary Flow vector Flow matrix Ω … value added V … industry supply E … final demand U … intermediate use Pauliuk et al., https://doi.org/10.1111/jiec.12306

4. Input-output table System definition Industries Commodity markets Y x Z Θ System boundary Flow vector Flow matrix Θ … factors , value added x … total output Y … final demand Z … inter-industry flow 4 Pauliuk et al., https://doi.org/10.1111/jiec.12306

5. Input-output table System definition 5 Pauliuk et al., https://doi.org/10.1111/jiec.12306 Industries Commodity markets         System boundary Flow vector Flow matrix Θ … factor use by industry x … output by industry Y … final demand for products Z … inter-industry flow of products T … factor use per unit industry output A … product use per unit industry output π … factor price p … product price

6. Industries Commodity markets Y x Z Θ System boundary Flow vector Flow matrix Θ …factor use by industry x … output by industry Y … final demand for commodities Z … inter-industry flow of commodities T … factor use per unit industry output A … commodity input per unit output π … factor price p … product price Industries Commodity markets         (a) (b)

7. Market balance yields Leontief demand -pull model Industries Commodity markets Y x Z Θ System boundary Θ … value added x … total output Y … final demand Z … inter-industry flow matrix Inputs to each commodity market = Outputs from the commodity market   7

8. Inputs to each commodity market = Outputs from the commodity market   Industries Commodity markets         System boundary Flow vector Flow matrix Θ … factor use by industry x … commodity output by industry Y … final demand for commodities Z … inter-industry flow of commodities T … factor use per unit industry output A … commodity use per unit industry output π … factor price p … commodity price Market balance yields Leontief demand model 8

9. Industries Commodity markets         System boundary Flow vector Flow matrix Θ … factor use by industry x … commodity output by industry Y … final demand for commodities Z … inter-industry flow of commodities T … factor use per unit industry output A … commodity use per unit industry output π … factor price p … commodity price Production/firm/industry balance yields Leontief price model 9 Cost of inputs to each industry = Value of outputs from the industry (I-A)  

10.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       Production of materials in IO A y T Vector describes input per unit material produced. These are complete inputs. A Leontief demand pull calculation will hence give a complete picture of inputs per unit output. https://doi.org/10.1038/s41561-021-00690-8

11.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       Use of materials in IO A y T Materials are used throughout the economy, including in the production of materials. So how much material is produced? Danger of double counting. What is the net demand for materials? https://doi.org/10.1038/s41561-021-00690-8

12.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       Hypothetical extraction A * y* T Delete/’extract’ the rows in question. What is production activity without the inputs of the deleted rows?? Impact of the extracted product:   https://doi.org/10.1038/s41561-021-00690-8

13. Hypothetical extraction as ‘import’ is the volume of production necessary to produce the product(s) of interest (extracted products, target products). final demand for extracted products intermediate demand for extracted products to satisfy final demand for remaining products.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           A * A o A y * y o T o T *

14. Production volume to produce ‘imports’ ‘External’ demand for extracted product Market balance for the extracted product                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           A * A o A y * y o T o T *

15. = = = =   ?   Series expansion :  

16. Production balance … price vector for goods … price vector for factor inputs T … coefficient matrix of factor inputs … transpose of price vector ( row ) … equal factor costs                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           A * A o A y * y o T o T *

17. Production balance Production costs of ‘ extracted ’ goods Product costs of remaining goods                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           A * A o A y * y o T o T * Costs of extracted inputs Costs of inputs from the remaining economy

18.   Share of value added from extracted product

19. Cella (1984) - Linkages Sectioning of the IO table

20. ,   Market balance – quantity model H

21.   Leontief inverse in two parts

22.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             Cella – Linkages via hypothetical extraction T 1 A 11 y 1 y 2 A 22 T 2      

23.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             Cella - Linkages T 1 A 11 y 1 y 2 A 22 T 2   Backward linkages Forward linkages   Backward linkages Forward linkages    

24.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             Clemets (1990) - Linkages T 1 A 11 y 1 y 2 A 22 T 2 +i’   Backward linkages Forward linkages   Production necessary to produce products 1 Use of products 1 in the production of products 2 for final demand

25. Zhang et al. (2019) – CO2 emission linkage     Based on Duarte et al. (2002)     Mixed backward linkage Net backward linkage Mixed forward linkage Net forward linkage

26.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             Supply chain impact method T 1 y 2 A 22 T 2       Dente et al. (2018, 2019) and Cabernad et al. (2019)

27.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             Production volume of a target sector y 2 A 22 T 2   Cabernad et al. (2019)

28. Production volume of a target sector .. depends on how many sectors are targeted                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               y 2 A 22 T 2

29. 30 Global Resources Outlook 2024

30. 1. Increasing resources use is the main driver for the triple planetary crises. Extraction & processing of material resources accounts for: >90% of impacts on land-use related biodiversity loss and water stress >55% of GHG emissions up to 40% of particulate matter related pollution . Work by Cabernard et al. All sectors extracted at once.

31. Results

32. Increasing share of iron and steel

33. The first use of materials

34. Final demand stimulating material use

35. Final demand by region

36. Hypothetical extraction and supply chain impact analysis is very useful It can isolate the effect of specific sectors Provides insight into scope 3 emissions; usefulness of footprinting for companies We have to be careful how we interpret the results Conclusions

37. Material- related emissions associated with trade

38. Including past emissions in today’s capital stock

39. Materials produced in Germany

40. First use of materials in Germany

41. Emitting sectors , Germany

42. Heatmap of material- related CF

43. Can efficiency outweigh affluency ?

44. Can efficiency outweigh affluency ?

45. Can efficiency outweigh affluency ?

46. Can efficiency outweigh affluency ?

47. Can efficiency outweigh affluency ?

48. ,   Production balance – price model