Evaluación del modelo TIMES para un estudio de prospectiva del modelo energético mundial

Abstract

Un modelo se define como una descripción, desde un punto de vista matemático de un hecho o fenómeno del mundo real. El objetivo del modelo matemático es entender ampliamente el fenómeno y en ocasiones predecir su comportamiento en el futuro. Los modelos energéticos se comenzaron a desarrollar con el fin de dar solución a la complejidad de la planificación de los sistemas energéticos y evitar las consecuencias graves e incluso de alcance mundial derivadas de la toma de decisiones desfavorables. Estos modelos aumentaron su popularidad después de la primera crisis del petróleo. En este proyecto de fin de carrera se evaluará la validez de un modelo matemático de optimización denominado TIMES para acometer un estudio de prospectiva del modelo energético mundial. El desarrollo sostenible -definido en el informe Brundland como "aquel desarrollo que satisface las necesidades de las generaciones presentes sin comprometer las posibilidades de las generaciones futuras para atender sus propias necesidades" - se debe estudiar desde tres puntos de vista diferentes: el desarrollo social, desarrollo económico y medio ambiente. El funcionamiento del modelo TIMES atiende fundamentalmente a los dos últimos puntos de vista, ya que maximiza el beneficio total, tanto de consumidores como de productores, utilizando los recursos disponibles y respetando las restricciones ambientales y de emisiones impuestas. TIMES (The Integrated MARKAL-EFOM System) es un generador de modelos energéticos globales de optimización. Ahora, mediante el proyecto de fin de carrera, se acercará TIMES a ICAI, especialmente al IIT, para que en el futuro se pueda utilizar para investigar la prospectiva de la sostenibilidad del modelo energético mundial. Más exactamente TIMES genera modelos económicos para sistemas energéticos locales, nacionales o multi-regionales que utiliza un horizonte a largo plazo y dividido en periodos. TIMES es un generador de modelos dinámicos de optimización y de equilibrio parcial. Se refiere con optimización a que maximiza el beneficio total tanto de productores como de consumidores y dinámico porque se obtienen resultados diferentes para diferentes periodos de tiempo. Al hablar de equilibrio parcial se atiende a dos conceptos. El término equilibrio significa que los suministradores proporcionan exactamente lo que necesitan los consumidores; y parcial atiende al hecho de que sólo se modela un sector de la economía: el energético. La principal característica que diferencia este modelo frente a otros es que es muy explícito en tecnologías. Es decir, que cada tecnología está descrita por un número muy alto de parámetros económicos y técnicos que la diferencia del resto.Para comenzar a utilizar este modelo, el usuario, a través de una interfaz denominada VEDA, debe introducir cuatro tipos de datos de entrada para poder ejecutar el modelo: demanda de energía y servicios energéticos, potencial de recursos primarios, conjunto de políticas y la descripción de las tecnologías disponibles actualmente o en el futuro correspondiente al horizonte estudiado. Una de las principales dificultades percibidas en el análisis de este modelo es la enorme complejidad y número de estos datos de entrada. Por eso, en este proyecto se va a crear una base de datos propia para el sistema energético mundial con la información que se encuentre disponible y se explicarán las dificultades encontradas para los datos de entrada que no sean tan accesibles. Hay dos problemas principales: el primero es la cantidad de datos que se requieren y la dificultad que entraña el trabajar con ellos. El segundo, que es intrínseco a cualquier estudio de prospectiva, es la necesidad de apoyarse en previsiones, que no siempre son fiables. Para profundizar en el análisis del modelo y comprobar su potencial para el estudio de sistemas energéticos se ha descrito un caso ejemplo de un sistema ficticio. Así se ha verificado la relación entre datos de entrada y de salida, se ha aprendido a crear nuevos escenarios y condiciones que pueden hacer variar el sistema energético y se han representado los resultados obtenidos. Gracias a él se ha podido descubrir el enorme potencial del modelo para analizar los sistemas energéticos. Si se cuenta con los datos requeridos se puede llegar a obtener unos resultados extremadamente exhaustivos de los sistemas energéticos objetos de estudio. Se ha examinado como variaría un sistema energético introduciendo impuestos sobre las emisiones de gases contaminantes, potenciando las energías renovables o añadiendo un escenario en el que la energía nuclear represente una proporción importante del mix energético. En otra parte del proyecto se ha comparado el tipo de modelos que se ha estado utilizando frente a un conjunto de modelos más sencillos como el conjunto de modelos que provienen del enfoque de las cuñas de Socolow. El objetivo no es la simple comparación; sino a través del análisis, comentar las ventajas e inconvenientes de cada uno de ellos para concluir finalmente que no se trata de elegir uno u otro sino que cumplen diferentes funciones y por tanto son complementarios. Debido al enorme problema de cambio climático al que nos enfrentamos y otros como la seguridad en el abastecimiento al que nos podemos enfrentar se requieren soluciones urgentes que marquen unas líneas generales a seguir. Para ellos se exigen modelos sencillos como las cuñas de Socolow. Sin embargo estas medidas no pueden tener éxito sin el seguimiento de una trayectoria específica repleta de detalles. Para este análisis detallado se exige un modelo completo y complejo que es el que hemos estudiado a lo largo de este proyecto de fin de carrera.

A model is defined as a mathematical description of a real fact or phenomenon. The objective of a mathematical model is to understand from a global point of view how the phenomenon behaves and usually to predict its future behaviour. The energetic models started to be developed to find a solution to the problem of complex planification of energetic systems and to avoid the serious world-wide consequences due to inconvenient decisions. The popularity of these models grew after the first oil crisis. This project will evaluate the validity of a mathematic optimization model called TIMES to carry out a research on prospective of the global energetic model. Sustainable development - defined in the Brundlant report as "a development that meets the needs of the present without compromising the capability of future generations to meet their own needs" - must be studied from three different points of view: social development, economic development and environment sustainability. This model takes special care in the last two points of view. It maximizes the total profit of both consumers and producer, using available resources and satisfying the environmental and emissions imposed constraints. TIMES (The Integrated MARKAL-EFOM System) is an optimization global energetic model generator. Now, by means of the final project, we will approach TIMES to ICAI, specially the IIT, so that in the future it will be possible to use it to investigate the prospective of sustainability of global energetic model. More specifically, TIMES generates economic local, national or multiregional models on a long term horizon and divided in time periods. TIMES is a dynamic, optimization and partial equilibrium model generator. Optimization means that it maximizes total profit of both consumers and producers and it is called dynamic because different results are obtained for different periods of time. When we refer to partial equilibrium, two aspects are taken into account. Equilibrium means that suppliers supply exactly what consumers need, and partial refers to the fact that only one sector of the general economy is modelled: the energy sector. The main characteristic that differentiates this model form the rest is that it is very technology explicit. That is to say, that each technology is described by a very high number of economic and technical parameters which make the difference with the other models. In order to start to use this model, the user needs to introduce four types of inputs to run the model: energy and energy services demand, potential resources, a set of policies anda description of available technologies nowadays or in the future that corresponds to the horizon studied. One of the biggest difficulties perceived in the analysis of the rnodel is the huge cornplexity and nurnber of inputs needed. For that reason, in this project, using the available inforrnation, a database for the global energy systern has been created. In addition, we will explain the difficulties on the research of the rest of the data. We can talk about two rnain problems: the first is the nurnber of data needed and the difficulties that working with thern entails. The second one, that appears in any prospective study, is the necessity to base your results in forecasts, sorne of Vich are not cornpletely reliable. In order to deepen in the analysis of the rnodel and to verify its potential for the study of energy systerns, an exarnple of fictitious systern has been described. This way the relation between inputs and outputs has been verified, we have learned to create new scenarios and constraints that can vary the energy systern. Furtherrnore, the results have been represented. Thanks to this exarnple, we have been able to discover the rnodel' s potential to analize energetic systerns. If we have the required data we can obtain xtrernely exhaustive results about the systern we are studying. It has been examined how the systern would vary under sorne special conditions. This conditions would be including taxes for green house gases emissions, prornoting renewable energies or setting a scenario in wich nuclear energy accounted for an irnportant proportion of the energy mix. In another section of the project, we have compared the type of models we have been using with another group of simpler models like those that come from Socolow' s stabilization wedges. The purpose is not the comparison itself; but the analysis to find out the advantages and disadvantages of each of them to conclude that the key issue is not which one to choose but check that they can also accomplish different functions so they can work as complements of one another. Due to the enormous problem of green house gases emissions that we are facing and others like security of supply that we can face, we need urgent solutions. These solutions must be general indications to be followed that can be deduced from a simple model like those of Socolow which recommend implementing large-scale measures. However, these measures won't be able to succeed without following a specific line of action full of details. For this more detailed analysis we will require a more complete and complex model. This last one can be the one we have been studying throughout the project: TIMES.