Aplicación de la DS al modelado y simulacion gases invernaderos

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APLICACIÓN DE LA DINÁMICA DE SISTEMAS AL MODELADO Y SIMULACIÓN DE LAS EMISIONES DE GASES DE EFECTO INVERNADERO EN LA CIUDAD DE CARTAGENA DE INDIAS CARLOS MEÑACA GUERRERO QUÍMICO Candidato a Master Oficial en Tecnología Ambiental UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA - UNAD [email protected] SAMUEL PRIETO MEJIA INGENIERO DE SISTEMAS M.Sc UNIVERSIDAD DEL MAGADALENA [email protected] ÁNGEL MENA NIETO., Ph.D UNIVERSIDAD DE HUELVA (ESPAÑA) [email protected] RESUMEN En este trabajo se presentan los resultados de la aplicación de la Dinámica de Sistemas al modelado y simulación de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), en especial, dióxido de carbono (CO 2 ) en la ciudad de Cartagena de Indias (Colombia). En el modelo desarrollado, se han identificado las principales variables responsables de dichas emisiones, así como las variables más representativas de la identidad KAYA (intensidad energética, producto interno bruto, consumo energético y población). La herramienta utilizada para la simulación ha sido VENSIM, software muy utilizado en Dinámica de Sistemas. Tomando como base los datos históricos y los resultados obtenidos en las simulaciones en diferentes escenarios tendenciales, a partir de un escenario base, se demuestra que las emisiones de CO 2 en esta ciudad proyectan una tendencia de crecimiento progresivo en el tiempo, situación muy grave que requeriría una atención especial por parte de las autoridades ambientales, para establecer estrategias y políticas medioambientales preactivas que mitigarán dicho crecimiento. Debido a las limitaciones de infraestructura existentes en Cartagena, la Dinámica de Sistemas puede convertirse en una herramienta muy potente y barata, que puede mejorar la toma de decisiones por las autoridades ambientales y de planificación urbanística. Palabras clave: Dinámica de Sistemas, emisiones de dióxido de carbono, gases de efecto invernadero, modelos, simulación, identidad KAYA, Cartagena de Indias.

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APLICACIÓN DE LA DINÁMICA DE SISTEMAS AL MODELADOY SIMULACIÓN DE LAS EMISIONES DE GASES DE EFECTOINVERNADERO EN LA CIUDAD DE CARTAGENA DE INDIAS

CARLOS MEÑACA GUERREROQUÍMICO

Candidato a Master Oficial en Tecnología AmbientalUNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA - UNAD

[email protected]

SAMUEL PRIETO MEJIAINGENIERO DE SISTEMAS M.Sc

UNIVERSIDAD DEL [email protected]

ÁNGEL MENA NIETO., Ph.DUNIVERSIDAD DE HUELVA (ESPAÑA)

[email protected]

RESUMENEn este trabajo se presentan los resultados de la aplicación de la Dinámica de Sistemasal modelado y simulación de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), enespecial, dióxido de carbono (CO2) en la ciudad de Cartagena de Indias (Colombia). Enel modelo desarrollado, se han identificado las principales variables responsables dedichas emisiones, así como las variables más representativas de la identidad KAYA(intensidad energética, producto interno bruto, consumo energético y población). Laherramienta utilizada para la simulación ha sido VENSIM, software muy utilizado enDinámica de Sistemas. Tomando como base los datos históricos y los resultadosobtenidos en las simulaciones en diferentes escenarios tendenciales, a partir de unescenario base, se demuestra que las emisiones de CO2 en esta ciudad proyectan unatendencia de crecimiento progresivo en el tiempo, situación muy grave que requeriríauna atención especial por parte de las autoridades ambientales, para establecerestrategias y políticas medioambientales preactivas que mitigarán dicho crecimiento.Debido a las limitaciones de infraestructura existentes en Cartagena, la Dinámica deSistemas puede convertirse en una herramienta muy potente y barata, que puede mejorarla toma de decisiones por las autoridades ambientales y de planificación urbanística.

Palabras clave: Dinámica de Sistemas, emisiones de dióxido de carbono, gases de efecto invernadero,modelos, simulación, identidad KAYA, Cartagena de Indias.

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APPLICATION OF THE SYSTEM DYNAMIC METHODOLOGYFOR MODELING AND SIMULATION OF GREENHOUSE GAS

EMISSIONS IN CARTAGENA DE INDIAS (COLOMBIA)

ABSTRACTThis communication shows the results of the application of the System Dynamicsmethodology for the modeling and simulation of greenhouse gas emissions (GGE),especially carbon dioxide (CO2) in Cartagena de Indias (Colombia). In the developedmodel, the key variables responsible for emissions of greenhouse gas have beenidentified, as well as the more representative variables of the identity KAYA (energyintensity, GDP, energy consumption and population) are considered. The tool used forsimulation has been VENSIM, software widely used in System Dynamics.

Based on historical data and the results of simulations in different scenarios, from abaseline scenario, it shows that CO2 emissions, of gradual increase over time, a veryserious situation which would require special attention by both of them environmentalauthorities, establishing proactive environmental policies and strategies that willstabilize this growth. Due to the limitations of existing infrastructures, especially inColombia, the Systems Dynamic modeling can become a very powerful and cheap toolthat allows the improvement of the decision making by the environmental and urbanplanning authorities.

Keywords: System Dynamics, carbon dioxide, greenhouse gases, models, simulation, KAYA identity,Cartagena de Indias.

1. INTRODUCCIÓNExiste una eminente preocupación por

el paulatino calentamiento que se estápresentando en la atmósfera y en lasuperficie de la tierra comoconsecuencia de las emisiones de gasesde efecto invernadero debidas alhombre, que rompen con el equilibrionatural del sistema climático.

En respuesta a esta necesidad, seplanteó en este trabajo el análisis de laevolución del comportamiento de lasemisiones de CO2 en la ciudad deCartagena aplicando la identidad deKaya. Utilizando como herramientafundamental la dinámica de sistemas,para entender y explicar cómo lossistemas cambian a través del tiempo.

De igual forma se explican los motivosdel comportamiento de las emisiones deCO2, con la finalidad de concienciar a lasociedad de la necesidad deimplementar políticas de ordenNacional y Distrital, en aras de reducirlas emisiones de gases de efectoinvernadero.

Finalmente, existen programasinformáticos capaces de elaborarmodelos estructurales del sistema enestudio. De esta forma se consigueobtener un modelo dinámico. Para estetrabajo fue utilizado el programaVensim, que cuenta con una versión(Vensim PLE) de libre distribución parael aprendizaje.

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2. METODOLOGÍALa metodología empleada en estetrabajo, para simular y modelaremisiones de gases de efectoinvernadero (GEI) concretamente elCO2, en la ciudad de Cartagena.Desarrolló actividades comorecopilación de información primaria,es decir, variables problemas(proyección de población, productointerno bruto PIB, consumo de energía,consumo de combustible por el parqueautomotor., etc.), análisis de relaciónentre las diferentes variables problemasque inciden en las emisiones de GEI,realización del diagrama causal,hipótesis y escenarios defuncionamiento del modelo, lasimulación del modelo utilizando elsoftware Vensym ®. Por ultimointerpretación de los resultados de lasimulación.

La Dinámica de Sistemas es unametodología de modelado, simulación yanálisis de sistemas complejos,formulada inicialmente por JayForrester, para entender cómo lossistemas cambian a través del tiempo.Esta metodología usa conceptos delcampo del control realimentado paraorganizar la información en un modelode simulación por computador, donde serepresentan las variables del mundoreal. La simulación resultante revelaimplicaciones del comportamiento delsistema representado por el modelo. Asípues, la Dinámica de Sistemas permitela construcción de modelos tras unanálisis cuidadoso de los elementos delsistema

Los datos de los variables problemaspara modelar simular las emisiones degases de efecto invernadero en la ciudadde Cartagena, provienen de entidadesoficiales y privadas ubicadas en laciudad. El grupo de instituciones queproporcionaron esa información la

conforman: Alcaldía de Cartagena,Cámara de Comercio de Cartagena,Departamento Administrativo Nacionalde Estadísticas (DANE),Establecimiento Publico Ambiental(EPA) y Electrocosta S.A.

2.1. VARIABLES PROBLEMASPARA SIMULAR Y MODELARLAS EMISIONES DE CO2 ENCARTAGENA.Las principales variables que permitenexplicar la evolución de las emisionesde CO2 en Cartagena corresponden al:PIB, población, consumo de energía yla relación entre consumo de energía yPIB (intensidad energética). Estasvariables son introducidas en el modelopara simular su dinámica.

2.1.1. POBLACIÓN

Para el caso de Cartagena, el aumentode la población es un factorpreocupante, ya que genera un aumentoen la demanda, que incrementa lapresión sobre los recursos de vivienda,energía, agua, alimentos y medioambiente. Esta demanda no encuentrauna oferta lo suficientemente abundantepara permitir la sostenibilidad delecosistema urbano. La tabla 1 muestrael comportamiento histórico de lapoblación proyectada del Distrito,basado en las estimaciones del DANE(Departamento Administrativo Nacionalde Estadísticas).

2.1.2. PRODUCTO INTERNOBRUTO (PIB)El PIB representa el resultado final de laactividad productiva de las unidades deproducción residentes. Se mide desde elpunto de vista del valor agregado, de lademanda final o de las utilizacionesfinales de los bienes y servicios y de losingresos primarios distribuidos por lasunidades de producción residentes. Lasemisiones de CO2 están muyrelacionadas con variables como el PIB

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o la población. En cuanto a la evolucióndel producto Interno Bruto, Cartagenatuvo una participación en el PIBNacional de 3.91% en el año 2003. Deigual forma ha presentado incrementosy, en algunos casos, disminución delmismo, como se muestra en la tabla 2.

Tabla 1. Proyección de población de Cartagena.Fuente: DANE–Secretaria de Planeación

Distrital.

2.1.3. CONSUMO DE ENERGÍADado que las emisiones de CO2 estánmuy relacionadas con el consumo deenergía para cada región en particular.A continuación se muestran en la tabla3, los registros del consumo energéticoen Cartagena.

La intensidad energética se calculacomo el cociente entre el consumointerior bruto de energía y el PIB y midela energía consumida para producir lamisma cantidad de PIB. Las diferencias

en la intensidad energética puedenexplicarse principalmente por dossituaciones: por las diferencias en laeficiencia en el uso de la energía(al utilizar diferentes cantidades deenergía para obtener la mismaproducción), o bien porque la actividadeconómica se asiente sobre sectores máso menos intensivos en el uso de energía.

Tabla 2. PIB en Cartagena.Fuente: Cálculos Unidad de Investigaciones

“Cartagena de Indias Puertas de las Américas”.

Tabla 3.Consumo de energía Cartagena. Fuente: Electrocosta S.A.

Años Población1995 713.5701998 782.2052000 829.4762001 853.5662002 877.9802003 902.6882004 927.6572005 952.8552006 978.3092007 1.004.0152008 1.029.9942009 1.056.2312010 1.082.7122011 1.112.712

AÑOPIB CARTAGENA

CONSTANTES DEL2003 MILLONES DE

PESOS

PIB CARTAGENACONSTANTES DEL2003 MILLONES DE

DOLARES

1998 2623 1,146

1999 2499 1,091

2000 2675 1,168

2001 2744 1,198

2002 2969 1,297

2003 3122 1,364

2004 3271 1,429

2005 3434 1,500

2006 3588 1,567

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2.2. DIAGRAMA CAUSAL DE LAEMISIÓN DE CO2

Para representar los agentes causantesde las emisiones de CO2 de manerajerarquizada, es necesario comprenderindependientemente cada elemento, susincidencias y las causas que determinansu comportamiento. Las variables queforman parte de este diagrama causal, senombran a continuación: población,consumo de energía, emisión de CO2,absorción natural de CO2, masa forestal,consumo de combustibles. Como seilustra en la figura 1.

2.3 HIPÓTESIS DEFUNCIONAMIENTO DELMODELOEl modelo describe la dinámica generalde las emisiones de CO2 en Cartagena,considerando un periodo de simulaciónde 20 años, el cual comprende desde elaño 2000 hasta el año 2020. Lashipótesis con las que se realiza elmodelo son las siguientes:

1. La población humana depende de lanatalidad y la mortandad.

2. La población humana con suactividad genera riqueza para alcanzarsu nivel de bienestar, el cual mediremosa través del PIB.

3. Para realizar actividadesproductivas se consume energía.

4. La cantidad de consumo de energíadepende de la tecnología que se estautilizando. Este factor lo medimos através de un indicador denominado:Intensidad energética. (Consumo deenergía/PIB).

5. La tecnología utilizada se representaa través del vector energético. El vectorenergético es el conjunto de energíasprimarias que se utilizan para cubrir lademanda energética.

6. Las emisiones por consumo deenergía dependen de la proporción decombustibles fósiles que se utilizan paracubrir la demanda energética y el factorde emisión de estos.

7. La cobertura vegetal (hectáreas) enla ciudad absorbe CO2 presente en laatmósfera.

2.4. SIMULACIÓN DEL MODELO

AÑO CONSUMO DE ENERGÍA KWH

2000 92.837.612

2001 95.747.933

2002 100.393.811

2003 105.945.752

2004 111.497.967

2005 117.049.634

2006 122.796.697

2007 127.975.523

2008* 131.812.791

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A partir de estas hipótesis se hanseleccionado las variables de nivel delmodelo, así como las variables de flujode cada una de las variables de nivel,constantes., etc. Seguido son detalladascada una de estas.

Variables de Nivel: emisiones de CO2 ypoblación.

Auxiliares: emisiones, nacimientos,muertes, producto interno bruto (PIB),consumo energético, emisión gasnatural y emisión fuel oil.

Constantes: absorción natural de CO2,tasa de natalidad, tasa de mortandad,PIB per cápita, intensidad energética,factor de emisión gas natural y factor deemisión fuel oil.

La programación del modelo se realizaen el software vensim®, el método de

integración utilizado es Runge Kutta yel paso de tiempo es de un año. Elperiodo de simulación comprende desdeel año 2000 hasta el año 2020. En lafigura 2 se presenta el modeloconstruido en dinámica de sistemas.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En esta sección serán presentados losresultados de las relaciones funcionalesde las variables problemas, el análisisdel diagrama causal y elcomportamiento de las emisiones deCO2 en Cartagena obtenidas a través delmodelado y simulación con el programaVensim®.

Población

Consumo deenergía

Emisión deCO2

Absorcionnatural CO2

Masa forestalConsumo decombustibles+

+

+

+

-

-

Figura 1. Diagrama causal emisión de CO2

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Emisionesde CO2Emisiones

Absorciónnatural CO2

Consumoenergético

PIB

Intensidadenergética

Emisión gasnatural Emisión fuel oil

Factor emisiónfuel oilFactor emsión

gas natural

PoblaciónNacimiento Muertes

tasa natalidad tasa mortandad

PIB percapita

Factor emisiongasolina

Factor emisionACPM

Factor emisionGNV

Emision ACPMEmisiongasolina Emision GNV

ConsumoACPM

Consumogasolina

Consumo GNV

Figura 2. Modelo de emisión y absorción de CO2 en Cartagena de Indias

3.1. RELACIÓN PIB yPOBLACIÓN

Para la ciudad de Cartagena se muestrauna relación directa entre los datos delPIB y la población, como se ilustra en lafigura 3. Este comportamiento seexplica por una mejora del crecimientode la economía en Colombia a través delos años. Lo cual incrementa el uso deenergía y por consiguiente, en unaumento progresivo de emisiones deCO2 en la ciudad.

3.2. RELACIÓN PIB y CONSUMODE ENERGÍA.Entre el año 2000 al 2008 se haproducido un crecimiento del consumode energía. Al explicar la evolución delconsumo energético en relación con laevolución del PIB, se observa que lapoblación de Cartagena con su actividadeconómica genera riqueza para alcanzarsu nivel de bienestar, demandando

consumo de energía. Para este caso enparticular el valor de intensidad

energética es de 25,71 $USD

Kwh

. La figura 4muestra el fenómeno descrito conanterioridad

3.3. ANÁLISIS DEL DIGRAMACAUSAL DE EMSIONES DE CO2

EN CARTAGENA

Con base en el diagrama causalmostrado en la figura 1, es observadoque el crecimiento poblacional demandaun consumo de energía para realizardiferentes actividades, estas actividadesrequiere de consumo de combustibles.La quema de combustibles generaemisiones de CO2, como mecanismosde reducción de estas emisiones la masaforestal de la ciudad por medio de lafotosíntesis absorbe el CO2 emitido a laatmósfera. La utilización de suelos por

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el crecimiento poblacional, disminuyela masa forestal, por tanto, esdisminuida la capacidad de absorciónde CO2 en la atmósfera.

y = 2E-06x - 0,5885R2 = 0,8777

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

0 200.000 400.000 600.000 800.000 1.000.000 1.200.000

Miles habitantes

Mill

ones

$ U

SD

Figura 3. Relación PIB – población

y = 8E+07x + 4E+06R2 = 0,9693

0

20.000.000

40.000.000

60.000.000

80.000.000

100.000.000

120.000.000

140.000.000

0 0,5 1 1,5 2

Millones $ USD

Mill

ones

Kw

h

Figura 4. Relación PIB - consumo de energía

3.4. RESULTADOS DE LASIMULACIÓN DE LASEMISIONES DE CO2 UTILIZANDOEL SOFTWARE VENSIM®

Los resultados obtenidos consideran elanálisis del escenario base. El cualrepresenta la evolución delcomportamiento actual de las emisionesde CO2 en Cartagena de Indias.

El panorama actual de las emisiones deDióxido de Carbono (CO2) enCartagena, como se muestra en la figura5, está ligado directamente con elcrecimiento poblacional, con elproducto interno bruto (PIB), consumoenergético y el consumo decombustibles fósiles (gas natural, fueloil, gasolina, gas natural vehicular,aceite para motores diesel). Estodemuestra que efectivamente laidentidad de Kaya es una herramientade planificación ambiental urbana.

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Emisiones de CO2

20 M

15 M

10 M

5 M

01 1 1

1 1 11 1 1

1 11 1 1

1

2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 2020Time (año)

Emisiones de CO2 : Current ton CO21 1 1 1 1 1 1 1

Figura 5. Simulación de las emisiones de CO2 en Cartagena

Con base en estos resultados esvisualizado qué en Cartagena seproyecta aumentar sus emisiones deCO2 en los próximos 20 años,evidenciando su deseo de potenciar sueconomía. En contraste con esteescenario base, la implementaciónobligatoria de mecanismos de desarrollolimpio (MLD) y el uso racional de laenergía, en todos los procesosproductivos de la ciudad permitiráreducir consumos, costos energéticos yla producción de gases de efectoinvernadero.

En cuanto a la población de Cartagenacomo lo muestra la figura 6, esobservado el rápido proceso deurbanización que ha vivido en general elpaís, y además, confirma un fenómenodemográfico de importancia que seviene presentando para tener en cuentapara planificaciones futuras. Elconsumo energético representado en lafigura 7, aumenta progresivamente, porla dependencia con la dinámica decrecimiento poblacional.

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Población

2 M

1.7 M

1.4 M

1.1 M

800,000 1 1 1 1 1 1 1 11 1

1 11 1 1

2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 2020Time (año)

Población : Current hab1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Figura 6. Simulación población de Cartagena.

Consumo energético

200 M

175 M

150 M

125 M

100 M

1 1 11 1 1

1 11 1 1

1 11 1

2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 2020Time (año)

Consumo energético : Current Kwh1 1 1 1 1 1 1 1 1

Figura 7. Simulación consumo energético de Cartagena

CONCLUSIONESLas estimaciones de las emisiones deCO2 del escenario base, muestran entodo instante un aumento progresivo deeste gas de invernadero, situación queha de tenerse en cuenta en laplanificación urbana y ambiental de laciudad, para adoptar políticas queconlleven a la disminución de estasemisiones.

Indiscutiblemente las emisiones degases de efecto invernadero se puedenreducir considerablemente en la ciudad,si es utilizado el potencial de energíasrenovables como el caso de la energíasolar fotovoltaica y la solar térmica.Considerando la ventaja climatológicaque posee la ciudad para los parámetrosde radiación solar y brillo solar,

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situación que es desaprovechada por lasautoridades de gobierno distrital paramitigar el efecto de invernadero.

La información de los parámetrosaplicados en la dinámica de sistemas delsistema estudiado, corresponde aentidades oficiales y privadas deCartagena, esto permitió obtener unaaproximación del sistema realmodelado. La búsqueda de estainformación se convirtió en un trabajode gran dificultad en algunos casos.

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