• Author / Uploaded
• Edison Martinez Munoz

Citation preview

1

Planificación top-down y bottom-up 15 DE NOVIEMBRE 2016

Energía y Desarrollo Sostenible

2

• La energía es el motor de la producción de bienes y servicios de todos los sectores de la economía. Es fundamental para la prestación de servicios sociales básicos, la mejora del acceso a la enseñanza y el aumento en los ingresos. • El suministro de energía requiere múltiples procesos: extracción, producción, conversión, transformación, transporte y distribución. Estos procesos, y la utilización de energía, generan emisiones y productos secundarios no deseados. • La planeación del sector requiere la intervención de un gran número de entidades públicas y privadas, así como el uso de herramientas que permitan evaluar decisiones de largo alcance, que son determinantes para lograr su compatibilidad con un desarrollo sostenible.

Sociedad

Instituciones y políticas

Economía

Medio Ambiente

Importancia de los modelos

3

• El uso de modelos permite adoptar decisiones fundamentadas en el comportamiento esperado de la oferta y la demanda de energía. • Proporcionan una base para: • Determinar las opciones y evaluar sus puntos fuertes y débiles. • Comparar las opciones y, por tanto, calcular los costos y beneficios de las aquellas

• Examinar los factores limitativos y analizar los límites de los marcos actuales o futuros (financieros, de políticas internas y externas, etc.) • Evaluar los resultados posibles y valorar las posibilidades de éxito a corto y largo plazo. • Manejar grandes volúmenes de datos.

Utilidad de los modelos del sector energético

4

• Los modelos permiten la búsqueda de equilibrio entre las necesidades (demanda) y los recursos (oferta) de energía, el acceso a servicios energéticos adecuados, a través del mejor suministro disponible. • Son fundamentales para lograr la seguridad energética de un país. • El uso de modelos permite evaluar:

• Reformas estructurales • Cambios tecnológicos • Seguridad de suministro de energía • Fomento a una producción sostenible • Cambios en las pautas de consumo

• Desarrollo de infraestructura y capacidades • Importaciones de recursos energéticos.

Representación de variables

5

Situaciones complejas y decisiones de gran valor económico Características del sector

Características del entorno Exposición a mercados internacionales

Activos con impacto en el largo plazo

 Volatilidad de los precios de referencia.  Intensificación de los ciclos económicos.  Cambios en la estructura de los mercados y la

 Alta intensidad de capital en las principales líneas de

negocios.

regulación.

Incertidumbres

Satisfacción de demandas en continua evolución  Crecimiento de la demanda de energía.

 Cambios en la estructura de la demanda.  Múltiples interacciones entre los participantes del

sector.

 Nuevos desarrollos en E&P  Estructuras de costos  Energías renovables

Procesos productivos complejos intensivos en el uso de capital  Refinación  Proceso de gas y petroquímica  Plantas de generación eléctrica

Tipos de enfoque

6

Los modelos de usos finales (bottom-up) y agregados (top-down) son complementarios, ya que responden a distintas preguntas. Su integración permite analizar el impacto de las diferentes políticas, cambios resultantes en precios relativos e ingreso real, sobre el medio ambiente y sobre los distintos sectores de la economía. El impacto se observa por medio de variaciones en los niveles de demanda de combustibles y energía secundaria.

Usos finales (Bottom-up)

Modelos agregados (Top-Down)

Datos con alto nivel de detalle

Datos agregados

Permite evaluar el costo-beneficio de tecnologías, programas y políticas individuales

Permite evaluar el costo-beneficio por medio de la producción total de energía y PIB

Tipos de enfoque No necesariamente considera la eficiencia de mercados

Interacciones entre proyectos y políticas

Considera eficiencia en mercados Interacciones sectoriales

Top down y bottom up

7



En general, en la literatura de la planificación energética se describen dos enfoques analíticos amplios para el modelado de las interrelaciones entre la energía, la economía, la ingeniería y los sistemas del medio ambiente; utilizando un enfoque de arriba hacia abajo (top-down) o un enfoque de abajo hacia arriba (bottom-up). Los términos de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba son esencialmente abreviaciones para los modelos agregados y desagregados.



Los modelos top-down toman las interacciones de la economía y la energía en un enfoque global, el objetivo es modelar la demanda final de energía y el suministro a partir de los cambios inducidos por las políticas en la relación precios e ingresos, mientras que los modelos de (bottom-up) adoptan un enfoque desagregado (sectorial) del modelado de la oferta y demanda de energía (Böhringer, 1998).



Por otra parte, los modelos de abajo hacia arriba pueden ser descriptivos (modelos de simulación) cuando la atención se centra en la descripción de los sistemas de energía y tecnologías; o prescriptivos (modelos de optimización) la hora de elegir una tecnología en particular dentro de una mezcla que se va a aplicar a un sistemas de energía, en un pronostico (ex-ante) (Hourcade y Ghersi, 2001).



En general, la literatura sugiere que las diferencias en los resultados entre los modelos de abajo arriba y de arriba hacia abajo, parecen ser pequeñas. La excepción es cuando la energía calculada está en un nivel sectorial, en particular, y esto se debe a que los modelos de arriba hacia abajo no captan las interacciones entre los sectores de la energía en el modelado (Barker et al., 2007). Por ejemplo, van Vuuren et al. (2009) sostienen que con un enfoque de abajo a arriba, el detalle de la tecnología es importante y puede no tener en cuenta las barreras a la adopción dentro de los sistemas, mientras que en el enfoque de arriba hacia abajo detalle es menos importante, pero las barreras a la adopción (por ejemplo, el "efecto de pre-bound ") que afectan a la integración de sistemas es relevante.

Modelos top-down 1/3

8



Los modelos de arriba hacia abajo (top-down) se clasifican principalmente sobre la base de si utilizan un análisis a largo plazo o un análisis de corto plazo. El análisis de equilibrio a largo plazo de la energía refleja una economía idealizada con la asignación óptima de los recursos, mientras que los modelos macroeconométricos convencionales reflejan las imperfecciones y están diseñados para el análisis de corto plazo (Grubb et al., 1993).



Las variables utilizadas en el modelo de arriba hacia abajo incluyen indicadores macroeconómicos (por ejemplo, Producto Interno Bruto PIB, el desempleo y la inflación), el precio de la energía y en general el clima (Swan y Ugursal, 2009). Ferguson et al. (2004) sostienen que hay tres tipos diferentes de modelos de arriba hacia abajo: modelos energía, medio ambiente y economía de energía (E3); modelos de entrada y salida de energía y medio ambiente (EEI), y el modelo de equilibrio general computable (CGE).



El modelo E3 (Washan et al., 2014) tiene una representación completa de la economía, la energía y el medio ambiente unidas entre sí. E3 se divide a su vez en los modelos abiertos (activado por la demanda) y cerrado (equilibrio general) (Löschel, 2002). El modelo de equilibrio general supone un régimen de equilibrio en los precios impulsado por el mercado, en donde todos los agentes optimizan su comportamiento, todas las empresas maximizan sus beneficios, y todas las familias maximizan su utilidad, mientras que los modelos macro-econométricos en cambio se basan en los datos de series de tiempo sin supuestos de equilibrio. Los modelos macro-econométricos contienen ecuaciones de comportamiento para explicar la demanda de energía final para los diferentes usuarios finales que incluye una representación del sector de potencia por tecnología de generación para explicar los cambios en el suministro eléctrico. Por último, los modelos macro -econométricos proyectan las emisiones relacionadas con la energía, como consecuencia del uso de la energía. Un ejemplo de un modelo econométrico E3 es el E3ME (modelo para Europa) (Pollitt et al., 2007). E3ME tiene un sub-modelo energético que utiliza variables explicativas por actividad económica y precios medios en cada uno de los 19 sectores usuarios de combustibles; sin embargo, la principal crítica de este modelo es que depende de datos de alta calidad.

Modelos top-down 2/3

9



Los modelos de entrada-salida (IO) (Catenazzi, 2009) son impulsados por la demanda, en el sentido de que los niveles de producción se ajustan para satisfacer tanto las demandas intermedias y finales, además utilizan una descripción estructurada de la economía. Los modelos de IO en forma sencilla describen en una matriz de la dispersión del flujo total del proceso de bienes y servicios (por ejemplo, para un país) subdividido en diferentes sectores y usuarios en términos del valor añadido y coeficientes específicos IO. Estos coeficientes son fijos, por lo que el análisis de entrada-salida es aproximado. Los modelos de IO son más adecuados para la evaluación a corto plazo.



El modelo CGE (Capros et al., 1996) es un descendiente de los modelos de entrada-salida. CGE simula los vínculos intersectoriales utilizando un proceso de IO y una matriz de coeficientes técnicos, pero, además, hay un modelo de factores de producción y el suministro de insumos intermedios utilizando ecuaciones econométricas. CGE resuelve los precios de equilibrio para los sectores mediante un cálculo explícito, de modo que el modelo es capaz de apoyar la política. También, es compatible con la formulación de ecuaciones de comportamiento y la selección de las variables que son exógenos al modelo (cierre). Los modelos CGE asumen que todos los mercados están en equilibrio, y adicionalmente los modelos CGE pueden ser comparativos-estáticos o dinámicos. Los comparativo-estáticos modelan un punto determinado en el tiempo, mientras que los dinámicos (Forrester, 1986) se utilizan para analizar el comportamiento a largo plazo de los sistemas sociales o ciudades enteras. El objetivo es entender el comportamiento de un sistema social que interactúa como resultado de las asunciones de las independencias teniendo en cuenta los cambios dinámicos en el tiempo entre los diversos componentes que constituyen la definición del sistema.



Esta revisión de la literatura continúa con los modelos de abajo hacia arriba usados en los Estados Unidos y China que muestran las principales características de este particular enfoque analítico. El modelo del uso de energía residencial del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) en los Estados Unidos (Hirst y Carney, 1978) predice el uso de energía a partir de cuatro combustibles, ocho usos finales, los tres tipos de vivienda, teniendo en cuenta las saturaciones en los aparatos, la eficiencia de los aparatos, y sus patrones de uso. El modelo es sensible a los factores demográficos, económicos y tecnológicos que afectan al uso de la energía residencial. También calcula la elasticidad (que determina la capacidad de respuesta) de los hogares a los cambios en tres variables económicas: ingreso, los precios del combustible y los precios de los equipos. Haas y Schipper (1998) encontraron evidencia de que la eficiencia técnica es un parámetro importante para describir y luego pronosticar luego la demanda de energía. En otro continente, Qingyuan (2004) explica que el consumo de energía de China, se calcula por cada región. En primer lugar, China se divide en siete regiones climáticas. A continuación, el consumo de carbón, el gas licuado de petróleo (GLP), el gas natural, el gas a partir del carbón y electricidad en cada hogar de cada región se calcula mediante el análisis de las fuentes estadísticas de un anuario de información.

Modelos top-down 3/3

10



La mayoría de los modelos utilizan un modelo de ecuación única para el gas y la electricidad. Un inconveniente importante de este enfoque es la incapacidad para estimar los efectos de precios cruzados entre las estimaciones de diferentes bienes energéticos. Baker et al. (1989) y Labandeira et al. (2006) prefieren un modelo de ecuaciones de múltiples para estimar la demanda de energía en los hogares del Reino Unido y España, respectivamente.



En el Reino Unido, los modelos generales de arriba hacia abajo (top-down) de economía, energía y medio ambiente en uso son: el modelo dinámico multi-sectorial de la economía del Reino Unido (MDM-E3) de Cambridge Econometrics (2013) (CE), basados en datos históricos de series de tiempo, que permiten interacciones complejas entre las variables del modelo; el modelo regional de entrada y salida de economía y medio ambiente (REEIO) también de Cambridge Econometrics (2015), y el modelo de equilibrio general computable (CGE) de energía, economía y medio ambiente del Reino Unido (UKENVI) (Turner, 2008). El objetivo final de estos tres modelos es proporcionar una evaluación confiable de la respuesta económica (ingresos y precios) a la energía.



A modo de resumen, el enfoque de arriba hacia abajo trata el sector residencial en su conjunto y no distingue el consumo de energía debido a los usos finales individuales. Los modelos de arriba hacia abajo son vistos como un método para determinar los requisitos de la oferta.



Las implicaciones de un modelo de demanda de arriba hacia abajo para el los espacios intra-urbanos son limitadas. Esto es debido a las inherentes diferencias entre las metodologías empleadas; los modelos como el MDM-E3, que pronostica la demanda de energía en base a datos históricos y costos futuros están fuera del alcance de los estudios intra-urbanos. Sin embargo, los modelos de arriba hacia abajo se pueden utilizar para proporcionar una base sólida para un modelo físico agregado nacional de los edificios.



Además, los modelos de arriba hacia abajo no pueden describir las tecnologías actuales o nuevas en detalle, y por tanto no son adecuados para informar a las políticas en las áreas intra-urbanas como las regulaciones de los edificios. Sin embargo, un problema bien conocido de los modelos de abajo hacia arriba es que no pueden tomar en cuenta las distorsiones de los precios y los ingresos.

Modelos bottom-up

11



El enfoque de abajo hacia arriba incluye todos los modelos en los que los datos de entrada proceden de un solo sector. Esta sección revisa la literatura en ocho aspectos críticos de los requerimientos del enfoque al modelado y los datos: la desagregación en el consumo de energía de usuario final, los impulsadores del consumo de energía en los hogares, el uso operacional y los problemas asociados a los requerimientos de datos para la aplicación, los métodos matemáticos, el enfoque a la diferenciación espacial, la interpretación del modelo y la validación del modelo.



Los modelos de abajo hacia arriba estiman que el consumo de energía de uso final. El uso final se refiere a la energía consumida por los usuarios finales (después de la transformación) (Primer et al., 2014). Los usos finales son la calefacción de interiores (SH), el calentamiento de agua (ACS), aparatos eléctricos y de iluminación (AL) y cocinas (CK) (Anderson y Chapman, 2010).

Modelos utilizados y sus aplicaciones

12

Metodologías

Horizonte típico de aplicación

Nivel de agregación

Principio de metodología

Ventajas/desventajas

Modelamiento energético

Modelos econométricos

Corto y mediano plazo (no responde a cambios estructurales)

Botton up / top down

Métodos estadísticos

Ventajas: Simplicidad y facilidad de aplicación. Desventajas: Requerimientos de conjuntos consistentes de datos e incapacidad de incorporar cambios estructurales (como nuevas políticas)

Modelos de demanda. Curva de demanda y consumos.

Modelos de uso final (contabilidad)

Mediano y largo plazo

Bottom up

Foco en servicios que usan energía y luego en características tecnológicas que brindan los servicios energéticos

Ventajas: Se incorporan fácilmente cambios tecnológicos anticipados. Desventajas: Requiere muchos detalles en información de uso final y no presenta comportamiento de agentes.

Modelos de demanda y sistemas. Consumos.

Optimización

Mediano y largo plazo

Bottom up

Típicamente problema de optimización lineal restringida. La oferta debe satisfacer demanda energética exógena. Problema dual entrega valores de energéticos.

Ventajas: Especialmente útil cuando hay opciones tecnológicas. Consistente con análisis de back casting. Desventajas: Supuestos de competencia perfecta , no simula comportamiento real de sistemas, modelos complejos y dato-intensivos.

Modelos de oferta

Modelos utilizados y sus aplicaciones (cont.)

13

Metodologías

Horizonte típico de aplicación

Nivel de agregación

Principio de metodología

Ventajas/desventajas

Modelamiento energético

Equilibrio parcial y simulación

Mediano y largo plazo

Bottom up

Simula comportamiento de productores y consumidores ante señales (precios, ingresos, políticas). Típicamente utiliza enfoque iterativo para encontrar equilibrio de mercado. Precios de energía son endógenos.

Ventajas: No están limitados por óptimo y no asume que la afecta la decisión tecnológica. Desventajas: complejos y dato intensivos, relaciones controversiales y de difícil parametrización.

Modelos de sistema energético

Modelos de equilibrio General computable

Mediano y largo plazo

Top down

Intentan representar la respuesta macroeconómica real a políticas, como la sustentabilidad de la energía por otros insumos de bienes de consumo.

Las criticas de este tipo de modelos es que carecen de flexibilidad tecnológica que ofrecen otro tipo de modelos.

Modelos de sistema energético

Modelos de desarrollo reciente

Corto, mediano y largo plazo

Bottom up

Son modelos asociados al desconocimiento del modelo de proceso, típicamente se emplean redes neuronales, sistemas expertos o sistemas fuzzy. Se realiza el entrenamiento (redes neuronales) o etiquetado (fuzzy) a través de datos. La calidad y vigencia de los datos es crucial para el buen funcionamiento de este tipo de modelos

Presentan buen desempeño en condiciones generales, pero no responden a cambios estructurales o tecnológicos. Su estabilidad y observación no esta asegurada.

Modelos de sistema energético

Criterios para elegir el modelo

14



Ser de fácil ejecución, menos tiempo para preparación de la información de entrada y la elaboración de los escenarios.



Tener número limitado de variables exógenas.



Garantizar la compatibilización interna, es decir, la coherencia de las hipótesis técnico-económicas.



Permitir el análisis de políticas energéticas y ambientales que afectan los precios de los energéticos.



Evaluar los impactos sobre el sector energético del comportamiento del consumidor, de políticas específicas, de progreso técnico y de sustitución tecnológica y de factores de producción.



Compatibilizar con la relación tiempo y espacio; y, tratar el tema de riesgo e incertidumbre

Usos de los modelos de planificación energética 

Formulación de políticas públicas.



Medición de indicadores de eficiencia productiva y de calidad de servicios



Análisis consistente de las interacciones entre las cadenas del sector energético y entre este sector y otros de la economía.



Análisis de escenarios de largo plazo, a partir de simulaciones de árboles de decisiones probables y de pruebas del tipo “What if” (“¿qué pasaría sí?).



Capacitación del propio acto de planificación (papel didáctico de los modelos)

15

Tipos de modelos

16

Técnicas usadas 





17

Optimización 

Programación linear entera mixta



Asignación óptima de los recursos energéticos



Sujeto a restricciones

Simulación 

Evaluaciones paramétricas y/o econométricas



Asignación de recursos energéticos no necesariamente óptima



Se determina comportamiento de consumidores y productores sujeto a variación de precios, renta, progreso tecnológico, etc.



Abordaje iterativo para determinar equilibrio de mercado

Modelos híbridos 

Asumen variables macroeconómicas exógenas como endógenas



Incorporan alteraciones económicas y energéticas en una estructura consistente

Equilibrio 





Equilibrio general 

Sector energético es modelado simultáneamente con otros sectores económicos



Explica comportamiento de oferta, demanda y precios en la economía entera.

Equilibrio parcial 

Asociados apenas al sector energético, incluso solamente a subsectores/segmentos.



Explica comportamiento de oferta, demanda y precios en parte de una economía

No equilibrio 

Modela solo oferta o demanda

18

Sectorial o integrado? 

19

Herramienta sectorial  Modela

apenas subsectores/segmentos del sector energía, por ejemplo, eléctrico, refinería, etc.

 Evolución

de la demanda y oferta de energía en un escenario.

 Desagregación

de la demanda por nível energético, usos, sectores, factores (socio económicos, económicos, tecnológicos) y efectos (estructura, actividad e intensidad)



Herramienta integrada  Modela

al sector energético completo, inclusive puede vincularse con algunos otros sectores (ej. agricultura, etc.).

 Usa

herramientas top-down y bottom-up

Tiempo y espacio 

Horizonte  Corto

plazo: 1 año

 Medio  Largo 

plazo: 5 años

plazo: más de 5 años. (2035, 2050, 2100)

Cobertura  Proyecto

puntual/ nivel local

 Provincia

, Municipio

 Nacional  Regional:  Global

AL&C

20

Instrumentos

21

Instrumentos

22

Revisión de los modelos

23

1.

RETSCreen

2.

SAM: System Advisor Model

3.

HOMER

4.

WASP: Wien Automatic System Planning

5.

EEPPS: Economic and Environmental Power Planning Software

6.

LEAP: Long Range Energy Alternatives Planning System

7.

MESSAGE: Model for Energy Supply Strategy Alternatives and their General Environmental Impact

8.

ENPEP: Energy and Power Evaluation Program

9.

SUPER OLADE