MODELO MEDEAS-WORLD. Modelos como si la Tierra fuera plana (post 1 de 3)

Nuestro grupo GEEDS es el encargado de diseñar los modelos de Dinámica de Sistemas en el proyecto europeo MEDEAS (acrónimo de “Modelizando la transición energética renovable en Europa” en inglés). El objetivo principal de este proyecto consiste en la creación de un nuevo conjunto de herramientas para analizar mejor los impactos y limitaciones de la transición del sistema energético de producción y consumo de la Unión Europea hacia una economía baja en carbono. Estas herramientas, en forma de modelos de simulación centrados en diferentes escalas (global, UE, país) integran dimensiones como la disponibilidad de energía, materiales y tierra, comportamiento socioeconómico, sistema climático, etc.

Para introducirse en el proyecto y el modelo se puede consultar:

http://www.medeas.eu/

http://www.medeas.eu/model/medeas-model

Los modelos de sismulación están siendo desarrollados inicialmente con el software Vensim y después “traducidos” a Python con el objetivo de que sean completamente de código abierto (open source). Estos modelos de simulación permiten al usuario experimentar diferentes hipótesis y retos de políticas energéticas. Los experimentos que se hacen con ellos pueden ayudar a comprender las relaciones entre los sistemas energético, socioeconómico y ecológico, así como entender las consecuencias que pueden tener las diferentes situaciones hipotéticas que se puedan dar. En este texto se describen algunos experimentos, sus resultados y nuestras interpretaciones de los mismos. Aunque todos lo resultados están sujetos a incertidumbres, creemos que se pueden extraer importantes conclusiones.

En esta primera remesa realizaremos tres posts sobre modelos globales. En este primero analizaremos modelos que llamamos de “Tierra plana”, en un segundo post veremos qué puede pasar si imponemos “límites climáticos” (CC) a la Tierra plana, y en un tercer post exploraremos el modelo mundial con todo el potencial que hasta ahora hemos desarrollado: “MEDEAS-World”.

 

Modelo sin limitaciones biofísicas (“Tierra plana”)

El modelo MEDEAS-World deja al usuario la posibilidad de suponer que el crecimiento de la economía, el consumo de energía mundial o el del resto de parámetros no tienen limitaciones biofísicas[1].

Se puede partir de un supuesto (o deseado) crecimiento en la renta per cápita (GDPpc) y de la población mundial, sin restricciones, asumiendo que éstos objetivos se alcanzarán. La inmensa mayoría de modelos IAM (Integrated Assessments Models) que manejan la Agencia Internacional de la Energía y otras agencias de la energía, el Panel Intergubernamental del Cambio Climático y otros con enfoques sobre el cambio climático, etc. lo hacen así. La cuestión a dirimir suele ser el “cómo” se alcanzarán.

MEDEAS puede imitarlos desconectando mediante “interruptores” todos o algunos de los factores que podemos imaginar como limitantes.

En MEDEAS manejamos varios escenarios tipo que pueden ser modificados también por el usuario.

Para esta presentación vamos a presentar dos de los escenarios base que manejamos, el primero, llamado clásicamente BAU (Bussiness As Usual) recoge, a través de algunas hipótesis y datos, las tendencias históricas de parámetros económicos (por ejemplo, el crecimiento del GDPpc), sociales (por ejemplo, el crecimiento de la población), energéticos (el uso de energías fósiles y nuclear con posibles picos de la oferta de la producción, el crecimiento observado de las energías renovables, etc.) y climáticos (por ejemplo, respuesta de la temperatura a las emisiones de gases).

El segundo escenario, llamado Escenario2, es uno en el que se supone un mayor crecimiento de la economía, un menor crecimiento de la población, mayores mejoras de eficiencia y, sobre todo, un superior aumento del crecimiento de las energías renovables buscando una sustitución muy rápida de las energías fósiles. Por lo demás, se podría considerar un escenario BAU muy pro-renovable (es BAU en el sentido de que basa las “soluciones” en cambios tecnológicos, pero no cambia, por ejemplo, las reglas de juego económicas).

El modelo además conecta la economía física con la energía a través de las intensidades energéticas disgregadas en 35 sectores económicos de los que disponemos de información tanto de sus cuentas económicas como de sus cuentas energéticas (en la jerga economista, a través de las matrices Input/Output, que nos permiten saber los intercambios, en el pasado reciente, tanto económicos como energéticos de los distintos sectores entre sí).

Los modelos lo que hacen es extrapolar las hipótesis que los definen hacia el futuro, no tratan de predecirlo; son un ejercicio de cuál sería el futuro sí:

1º las hipótesis son correctas y abarcan suficientemente las claves del comportamiento del sistema –lo que nunca es exacto-.

2º las hipótesis se mantienen en el futuro a pesar de lo que vaya pasando –lo que abre la posibilidad de actuar en el presente y los futuros próximos para modificar los futuros más alejados que no nos gusten o temamos-.

MEDEAS está diseñado para explorar hasta el año 2050 pero se puede correr sin que fallen las relaciones impuestas hasta el 2100. Aunque es un modelo centrado en la relación energía-economía, se ha disgregado en diversos submódulos que relacionan 7 subsistemas entre sí, formando un “poliedro” complejo: Economía, Sociedad, Energía, Materiales (minerales y agua), Suelos, Cambio Climático e Infraestructuras.

Figura 0. Diagrama de las influencias entre sub-módulos de MEDEAS.

 

Obviamente, para cualquier modelo, cuando se extrapola más y más hacia el futuro, cualquier error en las hipótesis iniciales se puede ir agrandando más y más y será además más difícil de creer que las hipótesis iniciales se van a mantener; es decir, será menos hábil si lo que se pretende es explorar los posibles futuros.

El resultado de nuestro modelo, considerando que no existen límites para los parámetros que suelen ser de interés a políticos, economistas, expertos en energía y en cambio climático, no difieren mucho del resto de modelos que se manejan por organismos y agencias mundiales y regionales.

Presentemos algunas salidas interesantes de MEDEAS-World-Tierra Plana:

Figura 1. Evolución de la Renta per cápita promedio mundial en $ constantes (GDPpc) en los escenarios BAU (línea roja) y SCEN2 (línea azul) para el modelo MEDEAS-World-Tierra Plana

 

Figura 2. Energía final consumida en  dos escenarios. Aquí vemos que el SCEN2 requiere menos crecimiento energético final pero no se desacopla la economía de la energía del todo –a pesar de la mejora continua en la eficiencia tecnológica que se considera de forma automática en todos los escenarios a través del descenso de la llamada intensidad energética, una hipótesis importante que presupone avance tecnológico continuo-.

 

MEDEAS nos permite entrar al detalle dentro de cada sub-módulo, por ejemplo, desagregando en fuentes energéticas:

Figura 3. Crecimiento de la electricidad generada por fotovoltaica mundial. El SCEN2 acelera enormemente la instalación de PV (y de otras renovables –RES-), pero el BAU también captura la tendencia que ya está ocurriendo de crecimiento de renovables.

 

Sin embargo, como hemos señalado, MEDEAS-WORLD es un modelo complejo que relaciona el mundo económico y energético con otros parámetros. A diferencia de otros modelos dedicados al cambio climático o a la energía, MEDEAS incorpora relaciones causa-efecto dinámicas disgregadas de las fuentes de energía, del cambio climático, del uso de agua, del uso de tierras y materiales, cuantifica el cambio en la Tasa de Retorno Energética (EROI o TRE, el cociente entre la energía final aportada al sistema y la energía que ha habido que invertir para aportarla), y otros parámetros sociales (estimaciones del potencial de Índice de Desarrollo Humano, trabajadores en la industria renovable, etc.).

Es la evolución de esos parámetros los que nos pueden servir de advertencia o “señal de peligro” a que ese mundo de ultrarricos en 2100 que se reflejaba en la Figura 1 quizás no sea tan idílico.

Es lo que llamaremos WARNINGS por Sobrepasamiento de ciertos límites

Por ejemplo:

Figura 4. Incremento de la temperatura respecto a la temperatura pre-industrial.

 

En la Figura 4 vemos cual sería la evolución del incremento de temperatura en nuestros dos escenarios y las temperaturas históricas recientes según GISS NASA (como vemos, el modelo que hemos incorporado climático: C-roads, funciona bastante bien para predecir el pasado reciente).

Podríamos situar dos Warnings de temperatura en 1,5ºC y 2ºC de acuerdo a los acuerdos recientes de Paris sobre Cambio Climático (líneas punteadas naranjas de la Figura 4). Para muchos climatólogos sobrepasar 2ºC sería muy peligroso (“highly dangerous”, Hansen et. al. 2016), probablemente sea “peligroso” incluso sobrepasar 1,5ºC (Xu 2017), de ahí que, con cierta coherencia, muchos de los acuerdos internacionales traten de fijar, como extremos a no sobrepasar, esos dos valores.

Es el sobrepasamiento sistemático en escenarios y modelos tipo BAU de los límites de 1,5-2ºC lo que hace sonar la alarma y la preocupación por el futuro. Es de hecho este sobrepasamiento del WARNING climático el que estimula a la UE para financiar nuevos modelos como MEDEAS que tratan de buscar vías de transición (escenarios de acción) relativamente rápida a un mundo bajo en carbono (es decir, que no sobrepasemos los 1,5-2ºC). El Escenario 2 sería un intento tipo tecnológico de hacerlo que “casi” lo consigue.

Sin embargo, MEDEAS, que incorpora muchas más caras al poliedro economía-energía-cambio climático, arroja simultáneamente más WARNINGS, lo que es una novedad importante si lo comparamos con otros modelos:

Figura 5. Requerimientos de tierras para la instalación de energías renovables (biofuels, solar, eólica e hidroelectricidad) (MHa) y superficie urbanizada actual

En la figura 5 representamos las tierras que dedicaríamos a las renovables en comparación con las tierras que ya hemos urbanizado en el planeta (unos 300MHa) que podría servir como posible Warning. La mayor parte serían cultivos bioenergéticos (de segunda y tercera generación). El ESCENARIO2 trata de restringir algo más el crecimiento de bioenergía, lo que explica que el BAU lo supere. Otro posible WARNING podría ser compararlos con la superficie dedicada al cultivo de arroz en el mundo: unas 150MHa.

 

Figura 6. Nueva superficie ocupada por infraestructuras solares.

Podemos intuir que pueden aparecer problemas de competencia con los cultivos alimentarios –en el caso de la bioenergía- o la necesidad de usar ecosistemas desérticos o semidesérticos (difíciles de colonizar con infraestructuras) en el caso de la solar.

Otros WARNINGS que aparecen a final de siglo en este MEDEAS-Tierra Plana:

-          Usaríamos ente 1,4 y 3,4 veces los recursos de agua considerados renovables

-          El EROI del sistema bajaría de los 9 actuales a 8 (en el BAU) o a 2 (en el Scenario2) (Charles Hall, Pedro Prieto y diversos autores argumentan que para mantener una sociedad compleja debe ser EROI > 5-15, este sería el Warning).

-          Para 18 elementos minerales en alguno de los escenarios sobrepasaríamos las reservas calculadas en las minas, y en 12 elementos minerales sobrepasaríamos, en al menos un escenario, los recursos estimados (Warnings en los minerales).

 

Es decir, podemos encontrarnos con un mundo con cambio climático muy peligroso, con conflictos por las tierras, el agua y los minerales y con sistemas energéticos de baja EROI.

A pesar de que en el Scenario2 apenas se sobrepasarían lo 2ºC a lo largo del siglo, el conjunto de “avisos de peligro” obtenidos indica que la transición a un mundo bajo en carbono no será nada fácil.

 

 

Citas:

Hansen, J., M. Sato, P. Hearty, R. Ruedy, M. Kelley, V. Masson-Delmotte, G. Russell, G. Tselioudis, J. Cao, E. Rignot, I. Velicogna, B. Tormey, B. Donovan, E. Kandiano, K. von Schuckmann, P. Kharecha, A.N. LeGrande, M. Bauer, and K.-W. Lo, 2016: Ice melt, sea level rise and superstorms: Evidence from paleoclimate data, climate modeling, and modern observations that 2°C global warming could be dangerous. Atmos. Chem. Phys., 16, 3761-3812, doi:10.5194/acp-16-3761-2016.

  • (nota: los autores inicialmente titularon su artículo: “…. Will be highly dangerous” en vez del finalmente publicado: “… could be dangerous”, Hansen explica (Hansen J. Dangerous scientific reticence: csas.ei.columbia.edu/1016/03/24/dangerous-scientific-reticence) que frente a las intenciones de 19 autores un revisor anónimo forzó a cambiar el will be highly dangerous por el could be dangerous. Nuestro argumento pues es tomar como más válido  – la intención de 19 autores conocidos frente a un revisor anónimo- el will be highly dangerous)

Xu 2017Xu 2017 Well below 2 °C: Mitigation strategies for avoiding dangerous to catastrophic climate changes. Yangyang Xu and Veerabhadran Ramanathan. PNAS | September 26, 2017 | vol. 114 | no. 39 | 10315–10323

  • (nota: Proponen que se considere >1,5ºC as dangerous, peligroso; >3ºC as catastrophic y >5ºC como unknow (“existential threats to a majority of the population”, es decir, más allá de la economía, riesgo de extinción o declive poblacional mayoritario). Para ello se inspiran a su vez en el criterio de O’Neil BC et al. 2017 (IPCC reasons for concern regarding climate change risks. Nat. Clim. Change 7: 28-37) en el que 2ºC risks are designated high y 4ºC risks are designated very high. Infieren del propio IPCC que es dangerous at warming >1,5ºC y que catastrophic lo sería sobre todo por habilitar tipping points (puntos de no retorno climáticos).

 

 


[1] Por limitaciones biofísicas entendemos que no existe influencia sobre el propio sistema generado por el modelo de los efectos del cambio climático y que los recursos energéticos y materiales renovables y no renovables no limitan su crecimiento (los recursos son infinitos, de ahí la idea de llamarlo “Tierra plana”)

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