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