Smart cities Sustainable Cities Metabolismo Urbano. Paulo Ferrão

Smart cities Sustainable Cities Metabolismo Urbano Paulo Ferrão

Índice 1. Da sustentabilidade ao papel das cidades 2. Quais as dimensões da sustentabilidade urbana 3. Metabolismo urbano conceito e aplicações 4. Métodos de quantificação do metabolismo urbano 5. Casos de estudo - Resíduos e Energia 6. Planeamento urbano sustentável

As dimensões Smart as da sustentabilidade Economia Desenvolvimento Sustentável Ambiente Sociedade IPAT Impact (Environmental) = Population x Affluence x Technology

População 10 000 000 9 000 000 8 000 000 WORLD More developed regions Less developed regions 7 000 000 6 000 000 5 000 000 4 000 000 3 000 000 2 000 000 1 000 000 0 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 United Nations Population Division

Urbanização e Sustentabilidade Um Planeta Urbano 1980 http://www.unicef.org/sowc2012/urbanmap/#

Uma história antiga de cumplicidades (1988-1997) Adapted from Bringezu and Schütz, 2000, Total Material Requirement of the European Union, European Environment Agency, Technical report No 55.

Riqueza (P) e consumo de recursos naturais (I 1 ) Material consumption per capita (t) Desenvolvimento sustentável: realidade ou utopia? Canas, A., Ferrão, P. and Conceição, P. (2003) A new environmental kuznets curve? Relationship between direct material input and income per capita: evidence from industrialized countries. Ecological Economics, 46-2, pp. 217-229.

Impacto I 2 CONSEQUÊNCIAS: PEGADA ECOLÓGICA Ecological Footprint Available in: http://www.footprintnetwork.org

E o papel das cidades? O Século Urbano Urbanização e PIB per Capita de vários países, 2000 (1996 US$) World Bank 2009 Source: Data on urbanization: World Bank World Development Indicators 2005. Data on per capita GDP: Heston, Summers, and Aten n.d.; Penn World Table Version 6.2; Center for International Comparisons of Production, Income and Prices at the University of Pennsylvania, real 1996 GDP per capita (chain), September 2006 (http://pwt.econ.upenn.edu/).

Estágios de Desenvolvimento Urbano Finanças Serviços Industria Transportes Comércio C. Kennedy (2011) The Evolution of Great World Cities: Urban Wealth and Economic Growth.

Compreender a sustentabilidade urbana - uma abordagem holistica infrastructures services industries households DATASOURCES MAIN PARAMETERS Interna onal Trade Transport Stats Industrial Produc on Fs AGs QMs FIs INPUT Consumption SUPPORT Workers Socio Economic Transformation!"!" PLUGIN DATABASES METROPOLITAN AREA OUTPUT MatCat Phase Lifespan OUTPUTS OUTCOMES AML Materials Throughput Economic ac vi es distribu on Spa al distribu on

CONCEITOS E FERRAMENTAS Necessidade de investigação interdisciplinar TIME Paulo Ferrão and John Fernandez (2013) Sustainable Urban Metabolism, MIT-Press. ISBN: 9780262019361, 232 pages.

Sistemas Urbanos Necessidade de investigação interdisciplinar Sistemas transporte Edíficios Actividades económicas Sistemas gestão resíduos Tecnologias de sensores Outras infraestruturas Paulo Ferrão and John Fernandez (2013) Sustainable Urban Metabolism, MIT-Press. ISBN: 9780262019361, 232 pages.

URBAN SUSTAINABILITY FRAMEWORK D P S I R Definition of system boundaries and focus analysis SUSTAINABILITY AREAS Identification of RESPONSES 1. Assessment of viability of implementation 2. Implementation and monitoring Vegetation and Soil Urban Infrastructure Built Environment Governance & Planning Individuals & Organizations Security Human body, food and waste Production and Logistics Buildings Transportation Identification of key PRESSURES Measure of current STATE Profiling and Benchmarking of the city Identification of key DRIVERS Quantify IMPACTS

Metabolismo dos ecossistemas Produtores SOL Consumidores Arbustos Árvores Peixe Homem Relva Recursos materiais Vegetação Répteis Insectos Mamíferos ADN Anfíbios Ecosistemas: Conectividade Diversidade Circular Resiliência Conecções funcionais Limites ao crescimento Decompositores

Metabolismo Urbano interacção economia/ambiente Dinheiro Produtores Consumidores Indústria Agricultura Desporto Floresta Construção Arte Serviços Serviços comunitários Governo Habitação URBANISMO ROBUSTO 1. Proximidade 2. Densidade: i. Espaço ii. Colocação iii. Redes 3. Economia de associação 4. Escala 5. Economia de extensão Recursos Materiais (PESSOAS - conhecimento - - interacção) Educação Cultura Interacção Reciclagem Socio-económico VS Ambiente Necessidade de quantificação

Metabolismo Urbano casos de estudo World Bank, 2012

infrastructures services industries households Metabolismo urbano um novo modelo detalhado, abrindo a caixa negra DATASOURCES PARAMETERS MAIN Interna onal Trade Transport Stats Industrial Produc on Fs AGs QMs FIs INPUT Consumption SUPPORT Workers Socio Economic Transformation!"!" PLUGIN DATABASES METROPOLITAN AREA OUTPUT MatCat Phase Lifespan OUTPUTS OUTCOMES AML Materials Throughput Economic ac vi es distribu on Spa al distribu on Niza S., Rosado L. and Ferrão, P. (2009) Urban Metabolism: Methodological advances in Urban Material Flow Accounting based on the Lisbon case study. Journal of Industrial Ecology, 13 3, pp. 384-405. Rosado, L., Niza, S., Ferrão, P. (2014) A Material Flow Accounting Case Study of the Lisbon Metropolitan Area using the Urban Metabolism Analyst Model. Journal of Industrial Ecology, 18, pp.84-101.

A metodologia UMAn Bases dados CALCULADOR LEGENDA PRINCIPAL INPUT Consumption Bens finais Comércio Internacional APOIO Produção indústrial Dados transporte Fs AGs QMs FIs Transformation x METROPOLITAN AREA x OUTPUT Bens pré-processados Extracção natureza Trabalhadores Socio Economico OUTPUTS Fluxos reintroduzidos BASES DADOS COMPLEMENTARES MatCat Phase Materiais Quantidade fluxos Emissões para natureza Lifespan Distribuição Actividades Económicas Distribuição espacial

Streamlined Urban Metabolism MOSUS Project I-O Tables UN ComTrade

Urban metabolism From Ho Chi Minh to Seoul DMI per capita (t/cap) 30,0 25,0 Bangkok Paris 20,0 15,0 Shanghai Average Seoul median 10,0 5,0 Bangalore Manila Ho Chi Minh Lisbon 0,0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 GDP per capita (thousand international US$ / cap) ADB (2014) Urban Metabolism in Six Asian Cities ADB, IDB (2014) Sustainable Urbanization in Asia and Latin America

Urban metabolism of Bangalore - High export share, with 39% of the materials that pass through the city being exported - The most material intensive sector is the textile products industry - Low use of materials for Gross Fixed Capital Formation (buildings and infrastructure) - Biomass materials are responsible for 66% of the DMI of Bangalore

Urban metabolism of Shanghai - Low export share, with only 4% of the materials that pass through the city being exported - Construction, hotels and restaurants, food and textile products are important sectors - Very high use of materials (47% of DMI) for Gross Fixed Capital Formation (buildings and infrastructure) - Non-metallic minerals (56% of DMI) and biomass (27%) are the main materials used

Urban metabolism of Bangkok - High export share, with 33% of the materials that pass through the city being exported - No dominant sector in terms of material consumption - High use of materials (28% of DMI) for Gross Fixed Capital Formation (buildings and infrastructure) - Non-metallic minerals (41% of DMI) and biomass (34%) are the main materials used

Urban metabolism of Seoul - Low export share, with only 16% of the materials that pass through the city being exported - Construction, chemical products and transport and storage are important sectors - High use of materials (27% of DMI) for Gross Fixed Capital Formation (buildings and infrastructure) - Non-metallic minerals (51% of DMI) and fossil fuels (29%) are the main materials used

DNA de LISBOA

Siderurgia Alumínio Pedra Cimento

Exemplos: AML

GESTÃO DE RESÍDUOS PERSU 2020 National Strategy for Urban Waste Management - 2020 Life Cycle Analysis Results - LCA 37 0 Papel e Cartão 7 Metais 2 ECAL 25 Plástico 2 Vidro Outros Destinos 80 11 Papel e Cartão 2 ECAL 66 Plástico Reciclagem 166 12 Metais Ferrosos 565 154 Papel e cartão 81 Plástico e Metal 164 Vidro 166 Outros Recolha Selectiva Multimaterial Triagem 0 Metais não Ferrosos 86 Papel e Cartão 60 Papel e Cartão não embalagem 7 Metal 40 Plástico 7 ECAL 160 Vidro 515 Tratamento Mecânico 42 478 Hybrid Economic Input Output 10 990 Produção de RSU 4838 4.121 Recolha Indiferenciada 1.145 Incineração 150 Escórias 46 Cinzas 10 591 Aterro 1.560 Tratamento Mecânico 898 Refugos VO Biológico 297 CDR 143 Composto 152 Recolha Selectiva RUB Digestão Anaeróbia / Compostagem Ferrão, P., Ribeiro, P., Rodrigues, J., Marques, A., Preto, M., Amaral, M., Domingos, T., Lopes, A., Costa, I. (2014). Environmental, economic and social costs and benefits of a packaging waste management system: A Portuguese case study. Resources, Conservation and Recycling, 85, pp. 67-78 Niza, S., Santos, E., Costa, I., Ribeiro, P., Ferrão, P. (2014) Extended producer responsibility policy in Portugal: a strategy towards improving waste management performance. Journal of Cleaner Production, 64, pp. 277-287.

Contributos da Gestão de Resíduos Urbanos para o Desenvolvimento Socioeconómico e Ambiental de Portugal Estudo promovido por:

Introdução Objectivos Avaliação dos Contributos da Gestão de Resíduos Urbanos para o Desenvolvimento Socioeconómico e Ambiental de Portugal - o impacte do PERSU 2020 Trabalho realizado Análise bibliográfica e compilação de dados Avaliação ambiental: Avaliação de Ciclo de Vida (ACV) Avaliação socioeconómica: Quadros Entradas-Saídas (QES) Balanço efectuado Gestão nacional dos RU em 2012 (cenário base do PERSU 2020) Contributos do SIGRE para a gestão de RU Análise do impacte do PERSU 2020 38

2. Contributos ambientais

Metodologia Fase 3 Cálculo do desempenho ambiental com base em modelos de avaliação de impacte no ciclo de vida (AICV) Tabelas ICV AICV (exemplo de modelo de avaliação de impacte) 40

Diagrama do sistema em análise 2 Recolha selectiva 5 Triagem 9 Reciclagem material Produtos evitados 1 RU geridos 3 Recolha indiferenciada 8 Incineração 6/7 10 Energia evitada TM/TMB Refugo Aterro CDR 2 4 Recolha selectiva (RUB) VO Composto Fertilizante evitado Principais processos considerados na análise (2012) - foreground 41

Impacte do PERSU 2020 Pessoas Equivalentes (PE) 0,12 0,10 0,08-55% Aumento da reciclagem e a diminuição da deposição de resíduos (sobretudo biodegradáveis), permite reduzir significativamente os impactes nas categorias com impacte negativo e aumentar o beneficio nas categorias já com impacte positivo 0,06 0,04 0,02-47% - 522 kt CO 2 eq /ano 0,00-0,02 61% -0,04 Eutrofização, marinha Alterações climáticas Eutrofização, terrestre Formação fotoquimica de ozono Uso do solo Depl. de ozono trop. RU 2012 RU 2020 Eutrofização, águas doces Acidificação Depl. de rec. minerais, fósseis e ren Emissão de partículas Depl. de rec. hidricos Valores normalizados por t de RU gerido em 2012 e 2020 (sem prevenção) 42

3. Contributos socioeconómicos

Descrição do Sistema Modelo de Interacção RU Sector RU RoE Produtos RoE Serviços RoE RU SGRU f Produtos RoE A2 C H Serviços RoE A1 D RU G E I SGRU B F v K L A1 - Trocas Intersectoriais - Matriz de fornecimentos (M ) A2 - Trocas Intersectoriais - Matriz de usos (M ) B - Fluxos financeiros associados ao input de RU no SG RU (M ) C - Trocas financeiras entre SG de RU e o resto da economia (M ) D - Pagamentos dos Ramos de actividade ao SG RU (M ) E - Produção de RU secundários no SG de RU (kt) F - Trocas financeiras entre tecnologias/sectores do SG de RU (M ) G - Produção de RU no resto da economia (t) H - Procura final de produtos do resto da economia (M ) I - Produção de RU pela procura final (kt) K - Factores primários dos ramos de actividade do resto da economia (M ) L - Factores primários das tecnologias/sectores do SG de RU (M ) 44

Impacte global do PERSU 2020 - Emprego Número de trabalhadores Aumento associado principalmente às actividades de Recolha Selectiva, Triagem e TMB 20.000 14.392 17.595 Em 2020 prevê-se a geração de 1.250 novos empregos directos 15.000 10.000 5.000 3.391 11.721 5.521 12.997 22 % Criação líquida de emprego 0-720 -923-5.000 2012 2020 Impactes Directos Impactes Indirectos Impactes de Substituição Impacte liquido 45

Índice 1. Sustentabilidade Urbana estratégias de desenvolvimento 2. Metabolismo urbano conceito e aplicações 3. Métodos de quantificação do metabolismo urbano 4. Planeamento de sistemas energéticos sustentáveis - das energias renováveis à gestão da procura 5. Planeamento urbano sustentável

Entender e prever o consumo de energia Monitorização de consumos Contador inteligente Consumo agregado de eletricidade (a cada 5/15 minutos) Comercializadores de energia

O impacto do parque edificado

Estimar o potencial de energias renováveis Definiu-se uma estrutura metodológica que: Parâmetros para estimar o potencial solar de cada edifício Localização para a implementação de painéis solares fotovoltaicos Edificado LiDAR PVGIS Modelo Padrão Altimetria BGRI Imagem Aérea Digital Cálculo solar (Dif. / Trans.) MDT Final Mapa DMC Classificado Cálculo Dados aferidos mensais Cálculo Calculo solar anual MDS Cálculo Calculo solar anual MDT Cálculo População redistribuida ao edifício MWh anual cobertura Localização PV Área impermeabilizada (População MWh anual)

Estimar o potencial de energias renováveis MDS Final todos retornos Calculo Slope Cálculo Solar Mensal-Parâmetros (Dif. / Trans.) Edifícios Vectorial Máscara Slope Soma Solar Mensal 45 MWh/m2 anual superfície horizontal MWh/ m2 px cobertura Slope 45 Cálculo cos Cálculo MWh/ m2 área projectada px MWh/ m2 superfície Soma px Máscara Área real px MWh/ m2 superfície 45 MWh /m2 anual cobertura Máscara Área real cobertura Cálculo MWh/m2 cobertura MWh/m2 anual cobertura

Estimar o potencial de energias renováveis http://arcst.tagus.ist.utl.pt/umsc/solar/

Promover a gestão activa da procura Prosumer Lab Equipamento instalado: Solução KNX : - Controlo de 8 iluminárias - Controlo de 1 sistema de ar condicionado - Controlo de 12 tomadas (ON/OFF) Sistema de deteção com Bluetooth Sistemas de geração com PV e baterias Paleta, R., Pina, A., Silva, C. (2014) Polygeneration Energy Container: Designing and Testing Energy Services for Remote Developing Communities. Accepted for publication at IEEE Transactions on Sustainable Energy.

Promover a gestão activa da procura Desenvolvimento de um contador inteligente de baixo custo Aplicação em escritórios e habitações Funciona como um gestor ativo da procura Identifica falhas em sistemas remotos Integração de renováveis com águas quentes sanitárias Colaborações com unidades de investigação (INESC-ID), empresas (WS Energy e Eletricidade dos Açores) e Municípios (Ilha do Corvo) Neves, D., Silva, C. (2014) Modeling the impact of integrating solar thermal systems and heat pumps for domestic hot water in electric systems The case study of Corvo Island. Renewable Energy, 72, pp. 113-124.

Modelar sistemas energéticos DER-CAM Consumos horários (Por uso) Gas Eletricidade Gás Electricity Tipo de tecnologia, Potência instalada Cost minimization 1 : C total CDG Celec C fuel m h Sm, h GHG emissions minimization 3 : GHG total GHG elec GHG fuel Informação de mercado (Tarifas, preços de combustíveis) Tecnologias (solar, eólica, cogeração) Emissions from DER (custos, emissões, etc) (and also from macrogrid) Source: LBNL Perfis de consumos por consumidor: (eletricidade, aquecimento, arrefecimento, águas quentes e gás).

Uma visão do metabolismo urbano sobre A agenda de Copenhaga para Cidades Sustentáveis 1. Redescobrir a cidade 10. Encorajar a paixão pela liderança 9. Aproveitar a oportunidade da crise e mudança, Cidadão e Conhecimento 2. Redefinir os Valores 3. Big data fazer usa da informação com modelos adequados 8. Pensar global 4. Quebrar os silos 7. Promover a responsabilidade social das empresas 6. Promover uma visão sistémica 5. Partilhar os processos de decisão

Muito obrigado Paulo Ferrão ferrao@tecnico.ulisboa.pt