Evaluation and design of sustainable energy policies : an application to the case of spain

Abstract

El actual sistema energético mundial, mayoritariamente basado en el uso de combustibles fósiles, es claramente insostenible desde los puntos de vista ambiental, económico, social y de equidad. El caso de España no es una excepción. Hay consenso, entre los más prestigiosos organismos internacionales e instituciones de investigación, en que se necesitan ambiciosas políticas energéticas sostenibles para hacer frente a esta situación. Por otro lado, el uso de modelos matemáticos informatizados es necesario para evaluar dichas políticas antes de su aplicación, con el fin de simular sus efectos, su eficacia, los costes y beneficios de las medidas, sus sinergias e interacciones, o sus posibles consecuencias inesperadas, entre otros. Esta tesis doctoral propone una metodología mejorada para el modelizado de políticas energéticas sostenibles que, creemos, aborda las debilidades de los modelos actuales: son a veces demasiado detallados, lo que hace su lógica interna a menudo difícil de entender; los resultados que producen pueden ser contraintuitivos dadas las hipótesis de entrada; y sus salidas son a veces muy pesadas, con extensas bases de datos llenas de cifras presentadas en unidades diferentes y poco habituales. Creemos que los responsables de las políticas energéticas requieren una perspectiva amplia sobre el sistema energético estudiado, una comprensión útil y general sobre el efecto de las políticas analizadas, y una metodología transparente que puedan entender y en la que confíen. Esto es especialmente necesario en España, uno de los pocos países europeos sin una estrategia energética más allá de 2020 y donde el debate público energético necesita basarse en cifras sólidas y transparentes. Esta tesis doctoral define, desarrolla e implementa una metodología que trata de responder a estas necesidades y carencias. Propone una metodología para el análisis de políticas energéticas a nivel nacional, y la aplica al caso de España. La idea central es proporcionar un mejorado, y hasta ahora inexistente, conjunto de herramientas, basadas en datos públicos y fiables, con un modelizado matemático sólido pero también simple y transparente, que permita simular la evolución de un sistema energético bajo diferentes políticas y medir su sostenibilidad desde los puntos de vista económico, social y ambiental. El objetivo es mostrar que la verdadera dificultad no reside en comprender el modelo en sí, sino en discernir las implicaciones de las políticas, sus posibles contraprestaciones, o el peso relativo de cada política para lograr un sistema más sostenible; y que un enfoque cuantitativo amplio pero simple podría facilitar considerablemente esta tarea. Una extensa revisión del estado del arte permite justificar la metodología propuesta. Se ha llevado a cabo un meticuloso proceso de recopilación y abstracción de datos. Se proponen los modelos “MASTER”: dos modelos bottom-up de equilibrio parcial complementarios, uno estático y otro que considera la evolución temporal del sistema energético. Sus resultados se presentan de manera intuitiva utilizando diagramas de Sankey para representar el sistema energético simulado bajo cada escenario de políticas. Los modelos han sido aplicados a asuntos relevantes para la política energética en España, como los costes de reducir emisiones con energías renovables o con eficiencia energética; o como las distintas evoluciones del sistema energético bajo diferentes estrategias de eficiencia energética.

The present world energy system, largely based on the use of fossil fuels, is clearly unsustainable from environmental, economic, social and equity perspectives. The Spanish case is no exception. There is consensus, among the most renowned international organisations and research institutions, that ambitious sustainable energy policies are needed to address this situation. Computer-based mathematical models are necessary to evaluate these policies prior to their implementation. This enables the analysis of their effects, of whether they can achieve the desired goals, of their costs and benefits, of their synergies and interactions, or of their possible unexpected consequences. This PhD thesis proposes an improved methodology for sustainable energy policy modelling that, we believe, addresses real gaps present in current models: they are sometimes too detailed, which makes their internal logic often complex to understand; outcomes are produced which are counterintuitive given the inputs; and results are often cumbersome, with large databases full of numbers presented in inconsistent and unfamiliar units. We think that policymakers need information about the big picture of the energy system in question, they need useful insights and conclusions which allow them to obtain broad understanding about the studied policies, and they need a transparent methodology that they can understand and trust. This is especially needed in Spain, one of the few European countries without an energy strategy beyond 2020, and where the public energy debate needs to be guided by transparent and sound figures. This PhD thesis defines, develops and implements a methodology that tries to address these needs and gaps. It proposes a methodology that is specifically focused on energy policy analysis at country level and applies it to the case of Spain. The central idea is to provide an improved, and so far inexistent, set of tools based on public and reliable data, with a sound but simple and transparent mathematical representation, which allows to simulate an energy system’s evolution under different policy assumptions and to measure its sustainability from the economic, social and environmental perspectives. The aim is to show that the real difficulty is not in understanding the model itself but in discerning the implications of policies, their potential trade-offs, or the relative weight of each policy in making the system more sustainable; and that a comprehensive but simplified quantitative approach could significantly ease this task. An extensive review of the state of the art allows justifying the proposed methodology. A meticulous process of data collection and abstraction has been carried out. The “MASTER” models are proposed: they are two complementary partial equilibrium bottom-up models, one under static conditions and a second that considers the temporal evolution of the energy system. Their results are intuitively presented, using Sankey diagrams to represent the simulated energy system under each policy scenario. The models have been applied to actual energy policy questions in Spain, such as the costs of reducing emissions with renewables and energy efficiency; or the different evolutions of the energy system under several energy efficiency strategies.