Cenários para o sistema energético Português para 2030 e suas implicações ambientais TIMES_PT - Implementação do modelo TIMES para Portugal Nunes, J.* e Simões, S. DCEA Departamento de Ciências e Engenharia do Ambiente, FCT/UNL Campus da Caparica 2829-516 Caparica <jfcn@fct.unl.pt> <sgcs@fct.unl.pt> Sumário O presente artigo apresenta o modelo de optimização de base tecnológica TIMES_PT implementado para Portugal. O modelo simula o sistema energético nacional no horizonte temporal de 2000 a 2030 encontrando a combinação óptima de tecnologias de oferta e procura de energia que permitem satisfazer as necessidades energéticas dos diversos sectores económicos. Foram desenvolvidos e analisados diversos cenários tendo em conta diferentes níveis de restrição de emissões de CO 2 eq. Os resultados permitem concluir que os diversos limites de CO 2 eq levam a alterações ao nível da procura de energia, assim como das tecnologias de oferta de energia (geração de electricidade). Os diferentes limites de redução traduzem-se em diferenças significativas para a economia nacional em 2030. O sector electroprodutor é aquele que apresenta um maior custo-eficácia no controle de emissões de CO 2 eq. Palavras-chave: modelação energia e ambiente; cenários; redução CO 2 1 Introdução Cada vez mais os instrumentos de política de ambiente afectam directa e indirectamente a produção e consumo de energia. Problemas ambientais como as chuvas ácidas, ozono troposférico e sobretudo alterações climáticas levam à adopção de políticas e medidas de carácter ambiental que promovem alterações como a substituição de fuel-óleo ou carvão por gás natural na produção de electricidade; a redução do teor de enxofre nos produtos refinados e a melhoria da eficiência energética em diversos processos produtivos ao abrigo do comércio de licenças de emissões de CO 2. Reconhecendo a interligação entre a área da energia e ambiente, tem havido um empenhamento progressivo ao nível da Comissão Europeia para promover a integração destas duas áreas de política. Neste contexto, a modelação e simulação de sistemas energéticos (oferta e procura) e sua vertente ambiental torna-se uma ferramenta essencial para o desenvolvimento e análise de políticas ambientais. São disso exemplo modelos europeus como o PRIMES utilizado pela Comissão para suporte da sua política energética e de combate às alterações climáticas, ou o RAINS utilizado para suporte do programa CAFE - Clean Air for Europe, bem como da revisão da Directiva Tectos. Neste quadro, o presente artigo tem dois objectivos: i) apresentar o modelo TIMES_PT, que simula o sistema energético nacional para o horizonte temporal de 2000 a 2030, e ii) apresentar os cenários preliminares desenvolvidos até 2030 no que respeita a penetração de tecnologias de oferta e procura de energia e suas implicações ambientais e económicas. 1
2 Descrição do Trabalho 2.1 Implementação e estrutura do TIMES_PT O modelo TIMES_PT resulta da implementação para Portugal do gerador de modelos de optimização de economia energia - ambiente de base tecnológica TIMES 1 desenvolvido pela ETSAP 2 da Agência Internacional para a Energia. A estrutura genérica do TIMES pode ser adaptada por cada utilizador para simular um sistema energético específico, à escala local, nacional ou multi-regional. O TIMES_PT foi inicialmente desenvolvido no âmbito do projecto europeu NEEDS 3. Em 2007 o TIMES_PT irá integrar um modelo TIMES paneuropeu que será utilizado para a estimativa dos custos totais europeus (incluindo externalidades) da produção e consumo de energia. Os modelos TIMES requerem a especificação dos seguintes inputs exógenos: procura de serviços de energia (ex: iluminação no sector residencial); características técnico-económias das tecnologias existentes no ano base, assim como das tecnologias futuras (ex: eficiência, rácio input/output, custos de investimento, operação e manutenção e taxa de actualização) e fontes de energia primária disponíveis actualmente e no futuro. O modelo considera esta informação para computar para cada ano de análise a combinação óptima de tecnologias que permite satisfazer a procura de serviços de energia ao menor custo para o sistema. Para tal, considera em simultâneo opções de investimento e operação de determinadas tecnologias, fontes de energia primária e importações e exportações de energia (Loulou, Remne, Kanudia, Lehtila and Goldstein, 2005). No TIMES, as tecnologias e combustíveis são explicitamente representadas para os diferentes sectores de actividade económica. O modelo TIMES_PT implementado pelos autores 4 para 2000 a 2030 considera os seguintes sectores do sistema energético nacional: extracção e preparação de energia primária; geração de electricidade; indústria (estão desagregados os sub-sectores cimento, vidro, cerâmica, aço, química, pasta de papel e papel, cal e outras indústriais); residencial; terciário; agricultura e transportes. A Figura 1 representa a estrutura do TIMES_PT bem como os seus principais inputs e outputs. Figura 1 Estrutura base do modelo TIMES_PT (adaptado de Remme, U. Et al, 2001) 1 TIMES é um acrónimo para The Integrated Markal-EFOM System. Tanto o Markal - MARKet Allocation e o EFOM - Energy Flow Optimisation Model são modelos energéticos de base tecnológica desenvolvidos pela AIE nas décadas de 80 e 70, respectivamente. 2 ETSAP Energy Technology Systems Analysis Programme da Agência Internacional da Energia. http://www.etsap.org/index.asp New Energy Externalities Developments for Sustainability - http://www.needs-project.org/nf2.asp A equipa do projecto NEEDS é responsável pela estrutura do modelo e base de dados de tecnologias futures (a partir do ano base). Os autores são responsáveis pela informação do ano base, pela validação da base de dados de tecnologias futuras e pela calibração e validação do modelo nacional, para além de diversos ajustes na estrutura do modelo que se tornaram necessários para reflectir as especificidades nacionais. 2
Foram introduzidos no modelo preços de energia primária (carvão, crude e gás natural) que têm por fonte as projecções da AIE, assim como a quantificação do potencial dos diversos recursos energéticos disponíveis no horizonte temporal considerado. Os potenciais de energias endógenas foram definidos com base no trabalho desenvolvido para o Fórum de Eenergias Renováveis (Gonçalves et al, 2002). As características do parque tecnológico nacional no ano 2000 (stock, eficiência, disponibilidade, custos, etc.) foram definidas de duas formas: i) através de uma abordagem bottom-up que consistiu na consulta directa dos stakeholders nacionais para a refinação, geração de electricidade e principais sectores industriais, e ii) através de uma abordagem top-down para os restantes sectores. Esta consistiu na definição de taxas de penetração das diversas tecnologias, suas eficiências e custos a partir de diversas fontes nacionais. Tendo por base estes valores foram feitas iterações para se obter o stock de tecnologias que permite atingir os consumos finais dos respectivos sectores conforme o balanço energético da Direcção Geral da Geologia e Energia. A procura de serviços de energia é gerada tendo em conta as projecções do modelo macroeconómico GEM-E3 5 para o crescimento do VAB dos diversos sectores económicos nacioanis. A caracterização das tecnologias de oferta e consumo de energia disponíveis no mercado a partir de 2001 foi definida no quadro do NEEDS tendo por base um estudo do Energy Research Centre da Holanda (ECN, n.d.). 2.2 Cenários de energia para 2030 A estrutura extremamente detalhada do TIMES_PT permite a avaliar a eficácia de políticas e medidas sejam elas incidentes sobre a oferta ou a procura, sectoriais ou transversais. Ao cenário base são aplicadas restrições conforme os compromissos nacionais ao abrigo da actual legislação. Para cada um destes cenários o modelo encontra a combinação óptima de tecnologias que permite satisfazer a procura, tendo em conta as restrições ambientais estabelecidas (Figura 1). Para cada cenário são estimados custos nacionais e sectoriais, permitindo inferir quais os custos de cumprimento com a legislação comunitária em preparação. Por forma a ilustrar as potencialidades do TIMES_PT foram construídos três cenários nacionais conforme o nível de limitação das emissões de CO 2 eq: BASE, QUIOTO e PÓS- QUIOTO. O cenário BASE considera os seguintes pressupostos até 2030: i) Continuará a não ser politicamente aceitável a opção pelo nuclear pelo que esta tecnologia não está disponível; ii) Por forma a dar seguimento à política de diversificação das fontes energéticas através da penetração do gás natural, não serão licenciados projectos de centrais termoelétricas convencionais a carvão, embora seja possível o investimento o investimento em centrais IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle) e/ou com sequestro de carbono. Em 2010 será(ão) instalada(s) pelo menos uma central(is) termoeléctrica(s) a gás natural com 200MW. iii) Não há quaisquer restrições ambientais, em particular emissões de CO 2 eq. Os restantes cenários (QUIOTO e PÓS-QUIOTO) são modificações deste cenário sendo apenas introduzidas restrições de emissões de CO 2 eq. Uma vez que só estão a ser modeladas emissões da combustão assumiu-se que no cenário QUIOTO o limite de CO 2 corresponde a um aumento de 27% 6 face às emissões da combustão em 1990 (40 169 Gg CO 2 eq) (PNAC, 2006). Assim, o limite associado ao cenário QUIOTO para a combustão a partir de 2015 assume-se ser: 40 169 Gg CO 2 eq *1.27 = 51 015 Gg CO 2 eq. Este limite tem GEM-E3 é o acrónimo para General Equilibrium Model for Energy-Economy-Environment. Este é um modelo de equilíbrio geral desenvolvido por um consórcio europeu para a União Europeia que disponibiliza detalhes sobre a macro-economia e a sua interacção com o ambiente e sistema energético. Mais informação em: http://www.gem-e3.net/projects.htm Para determinação das emissões associadas à combustão em 1990 utilizaram-se os valores constantes do PNAC 2006. O acréscimo de 27% resulta do compromisso do Estado Português no âmbito do Protocolo de Quioto, acordo Burden Sharing da União Europeia, mas apenas aplicado às emissões de CO 2 da combustão. 3
efeito a partir de 2015. No Cenário PÓS-QUIOTO para além da restrição a partir de 2015 do Cenário QUIOTO, assume-se uma redução de 30% face ao valor de 2015 (35 710 Gg CO 2 eq) aplicável a partir de 2020. 3 Discussão dos resultados preliminares Na análise dos resultados preliminares obtidos pelo modelo TIMES_PT deve ter-se em linha de conta que este é um modelo de optimização e não de simulação. Por este motivo é mais adequado comparar diferenças entre cenários do que retirar ilações a partir dos valores absolutos alcançados pelo modelo, sejam eles relativo a custos para o sistema, ou a consumos de energia. 3.1 Emissões de CO 2 eq As emissões totais nacionais de CO 2 eq associadas ao consumo de combustíveis resultantes dos diferentes cenários encontram-se sistematizadas na Figura 2. Os dois cenários de limitação são bastante restritivos em relação ao cenário BASE, com reduções de 34% em 2015 e de 36% (QUIOTO) e 55% (PÓS-QUIOTO) em 2020. Os limites impostos para 2020 são bastante mais restritivos do que os estimados pelo PNAC 2006, pelo que obrigam a alterações significativas do sistema energético nacional. Mt CO2eq 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30-34% -36% BASE QUIOTO PÓS-QUIOTO -55% PNAC CAlto PNAC CBaixo 2000 2001 2005 2010 2015 2020 2025 2030 Figura 2 Evolução das emissões de CO 2 eq para os três cenários 3.2 Consumo de energia final No cenário BASE verifica-se o aumento do consumo de energia do país (mais 23% em 2030 do que em 2000) como seria de esperar para responder à crescente procura. Relativamente à importância relativa das diferentes formas de energia, o gás natural, biomassa e electricidade substituem os derivados de petróleo e outras renováveis, mantendo-se inalterado o consumo de carvão. No que respeita ao consumo dos diversos sectores da oferta e da procura, verificam-se alterações na estrutura do consumos na geração de electricidade. Para o sector electroprodutor, para além do aumento de consumos, verifica-se a gradual substituição de derivados de petróleo (essencialmente fuelóleo) por carvão e gás natural (Figura 4). Comparando o consumo final de energia nos três cenários (Figura 3) verifica-se que nos dois cenários com restrições é reduzida a contribuição do carvão e do gás natural a qual é compensada pelo aumento das renováveis. No cenário QUIOTO aumenta também o consumo dos derivados de petróleo e reduz-se a contribuição da biomassa e hidrogénio. No cenário PÓS-QUIOTO sucede o inverso (redução do petróleo e aumento da biomassa e hidrogénio). Neste cenário as diferenças face ao cenário BASE têm uma magnitude maior do que para o cenário QUIOTO. No cenário mais restritivo têm-se mais 15% de renováveis ou -8% de gás natural face ao BASE, enquanto que no cenário QUIOTO as diferenças percentuais são no máximo 4%. 4
1100 PJ 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 Outras Renováveis Electricidade Gás Natural Derivados Petróleo Carvão 0 2000 2010B 2010Q 2010PQ 2020B 2020Q 2020PQ 2030B 2030Q 2030PQ Figura 3 Evolução do consumo de energia final três cenários. B - BASE, Q QUIOTO, BQ PÓS-QUIOTO Com efeito, é no cenário PÓS-QUIOTO que ocorrem alterações mais significativas, com impacto alargado não só no sector da geração de electricidade mas também no lado da procura de energia. Neste cenário a biomassa e hidrogénio na indústria e biodiesel para os transportes tornam-se relevantes a partir de 2020, e a electricidade (gerada a partir de fontes renováveis) substitui outras formas de energia. 75 70 65 60 55 50 45 TWh 40 35 30 25 20 15 10 5 0 2000 2010B 2010Q 2010PQ 2020B 2020Q 2020PQ 2030B 2030Q 2030PQ Outras Solar Eólica Hídrica Gás Natural Derivados Petróleo Carvão Figura 4 Evolução da electricidade produzida por forma de energia para três cenários. B - BASE, Q QUIOTO, BQ PÓS-QUIOTO Uma vez que a redução de CO 2 é mais custo-eficaz para o sector da produção de electricidade (Figura 4) é neste sector que se verificam substituições drásticas de combustíveis mesmo no cenário QUIOTO. A partir de 2015, o recurso a carvão é eliminado e substituído por gás natural, eólica e outras (inclui-se aqui principalmente biomassa). No cenário mais restritivo (PÓS-QUIOTO) as diferenças são bastante maiores sendo que, a partir de 2020 o recurso aos combustíveis fósseis é completamente substituído por renováveis. A produção de electricidade solar térmica toma aqui um papel fundamental e a biomassa continua a ter também um papel preponderante. 3.3 Custos para sistema energético O modelo TIMES_PT computa o custo acumulado para Portugal para satisfação da procura de serviços energéticos entre 2000 e 2030. O cenário QUIOTO implica um aumento do 5
custo total do sistema em 3% em relação ao cenário BASE enquanto que para o cenário PÓS-QUIOTO o aumento é de 7%. Ou seja para uma redução de emissões de mais 19% em relação ao cenário QUIOTO o custo mais que duplica. 4 Conclusões Os resultados permitem concluir que os diversos limites de CO 2 eq levam a alterações muito significativas ao nível da procura de energia, das tecnologias de oferta de energia (especialmente para a geração de electricidade) e não tando das tecnologias do lado da procura. Os diferentes limites de redução traduzem-se em diferenças significativas para a economia do país em 2030. O sector electroprodutor é aquele que apresenta um maior custo-eficácia no controle de emissões de CO 2 eq. O TIMES_PT é um modelo de optimização de base tecnológica pelo que não aspira a considerar de forma aprofundada curvas de procura e aspectos não racionais que condicionam o investimento em novas tecnologias mais eficientes. Apesar de estarem considerados no modelo factores como a inércia e resistência à mudança que atrasam a penetração de novas tecnologias, o TIMES_PT não simula o efeito de preferências irracionais dos agentes motivadas por questões estéticas, logísticas ou obtenção de estatuto social. O modelo assume racionalidade e o perfeito conhecimento do mercado, em todo o horizonte temporal, por parte dos agentes económicos, pelo que os resultados devem ser analisados com as devidas precauções. Para além disso, neste momento não estão ainda integradas no modelo elasticidades de procura-preço. O artigo apresenta resultados preliminares que serão substancialmente alterados com os próximos desenvolvimentos do TIMES_PT que incluem a integração no modelo dos impostos de energia (IVA e ISP), das elasticidades de procura-preço, factores emissão para os poluentes acificantes e partículas, bem como restrições de emissões destes poluentes. Para além destes aspectos serão ainda refinados os potenciais nacionais de sumidouros de carbono e de utilização de energias renováveis, assim com as curvas de oferta de energia primária. 5 Agradecimentos Os autores desejam agradecer à Fundação para a Ciência e a Tecnologia e POCI 2010 pelo financiamento da investigação em causa, assim como aos parceiros do projecto europeu NEEDS New Energy Externalities Development for Sustainability, no âmbito do qual está a foi implementado o modelo TIMES para Portugal. 6 Referências bibliográficas Loulou, R., Remme, U., Kanudia, A., Lehtila, A. and Goldstein, G. (2005). Documentation for the TIMES model - PART I. Energy Technology Systems Analysis Programme. April 2005. Disponível em: [www.etsap.org/tools.htm] ECN (n.d.) Actualizações não publicadas do relatório "Prospects for Energy technologies in the Netherlands" (1995). ECN-C--095-039; MATTER. ECN Energy Conservation Centre Holanda. Disponível em: [http://www.ecn.nl/en/] PNAC, 2006. Programa Nacional para as alterações Climáticas. Versão 2006. Instituto do Ambiente.,Janeiro 2006. Remme, U., Mäkela, J. (2001) Apresentação para o TIMES Training Workshop realizado em Gotemburgo de 28 a 30 de Março de 2001. IER - Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung Disponível em: [www.etsap.org/documentation.asp] Gonçalves, H., Joyce, A., Silva, L. (eds), 2002 Fórum Energias Renováveis em Portugal - Uma contribuição para os Objectivos de política Energética e Ambiental. 6