DINÁMICA DE LA PENETRACIÓN DE TECNOLOGÍAS ALTERNATIVAS PARA VEHÍCULOS AUTOMOTORES Y SU IMPACTO EN LAS CONCENTRACIONES DE CARBONO ATMOSFÉRICO. ANDRÉS IGNACIO BAENA ARCE Ingeniero de Sistemas Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín aibaena@unalmed.edu.co CARLOS JAIME FRANCO CARDONA Profesor Asociado Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín cjfranco@unalmed.edu.co RESUMEN Desde el inicio de la revolución industrial se ha presentado un incremento de la temperatura de la atmósfera, debido al aumento en las concentraciones de los gases de efecto invernadero. Una de las alternativas para mitigar las graves consecuencias ambientales que el cambio climático supone consiste en cambiar las tecnologías de los vehículos automotores a unas más limpias que las actuales. Sin embargo, este cambio podría suponer consecuencias no previstas en el mercado de vehículos e igualmente en la temperatura del planeta. El presente trabajo propone una hipótesis dinámica para modelar el problema y estimar los efectos colaterales que se puedan producir. PALABRAS CLAVE: Penetración de tecnologías, combustibles alternativos, cambio climático, gases de efecto invernadero ABSTRACT: Since the start of industrial revolution, a rise of the temperature of the atmosphere is being presented due to an increase in greenhouse gas concentrations. One of the alternatives to mitigate environmental consequences that climate change causes is to switch vehicle technologies in to cleaner ones. However, this change could imply unforeseen consequences in vehicle market and also in the temperature of the earth. The present article suggests a dynamic hypothesis to model the problem and to estimate collateral effects that it may produce. KEYWORDS: Technology penetration, alternative fuels, climate change, greenhouse gases. 1. INTRODUCCIÓN Actualmente, y desde el inicio de la revolución industrial, se ha estado presentando un paulatino calentamiento en la atmósfera. Dicho calentamiento es producido por forzamientos radiativos sobre el sistema tierra-atmósfera [1] debidos al incremento en las concentraciones de gases de efecto invernadero que residen en la atmósfera [2]. Los propósitos para limitar el CO 2 atmosférico a una concentración que evite los cambios más graves del cambio climático se han enfocado en una meta de 500 ± 50 ppm, o menos que el doble de la concentración previa a la revolución industrial (280 ppm). [3] Según la Administración de Información de Energía de los Estados Unidos, el sector eléctrico representa el 40% de las emisiones de dióxido de carbono, mientras que el sector transporte representa el 34% de las mismas. El restante 26% está distribuido en los sectores residencial, comercial e industrial. [4]. Ver Figura 1.
Porcentaje de Emisiones 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 Porcentaje de emisiones por Sector 0.00 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 Año Fracción Transporte Fracción del Sector Eléctrico Fracción Residencial Fracción Comercial Fracción Industrial Figura 1. Porcentaje de Emisiones de Dióxido de Carbono por Sector, 1980-2006. [5] Aunque muchas opciones de tecnologías limpias se pueden escalar para reducir notablemente las concentraciones de CO 2 en la atmósfera, se duda que sólo una sola tecnología pueda lograr al menos una reducción del 50% de estas concentraciones. [3] Dada esta influencia en el clima del sector transporte, el trabajo presentado se enfoca en analizar la dinámica de la penetración de las diferentes tecnologías alternativas para vehículos automotores a nivel global. 2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Dado el incremento en la temperatura de la atmósfera, producida por el aumento en los gases de efecto invernadero, es necesario plantear una solución que disminuya las concentraciones de estos gases a niveles aceptables, pues las consecuencias pueden ser irreversibles. En el protocolo de Kyoto [5] se plantea que los países pertenecientes al Anexo B de dicho protocolo, caracterizados por ser los países desarrollados que firmaron el protocolo, deben limitar sus emisiones de gases de efecto invernadero a 95% de las emisiones registradas en el año 1990 en cada país. Una de las soluciones existentes planteadas en la actualidad para la reducción de dichos gases es el uso de tecnologías limpias de transporte, dada la gran contribución que los vehículos que actualmente empleamos realizan al incremento de los gases de efecto invernadero. Sin embargo, y aunque la solución está planteada, no se conocen claramente las implicaciones que ésta tenga en los mercados de transporte actual, ni el real impacto que la penetración de éstas tecnologías vaya a tener en el clima terrestre. Esto conlleva a plantear algunas preguntas como: Es posible que a pesar del cambio en tecnologías de automotores para unas más limpias, el CO 2 atmosférico se incremente de una manera más pronunciada? Esta pregunta, aunque con carácter no intuitivo, podría eventualmente responderse con un sí, en el caso de que la mayoría de los vehículos en penetración sean eléctricos y a su vez, la mayoría de centrales eléctricas en el mundo sean alimentadas por combustibles fósiles. Según Larios [6], a pesar de existir varias alternativas y tecnologías de producción no es probable que todas las alternativas se comercialicen debido a diferentes factores, tales como la disponibilidad de la fuente, el costo de la producción o transformación para su uso, el almacenamiento, la distribución al usuario final, los efectos ambientales que genere, la eficiencia energética, entre otras. Los vehículos con combustibles alternativos (Alternative Fuel Vehicles, AFV) enfrentan dos problemas centrales. Primero, tienen muchas desventajas en el mercado comparados con los vehículos convencionales y sus igualmente convencionales combustibles. Por lo tanto, requieren inevitablemente de incentivos o reglamentaciones por parte del gobierno para tener éxito. Segundo, no proveen soluciones efectivas en cuanto al costo para los problemas ambientales o energéticos más importantes, lo que reduce la posibilidad de incentivos por parte de los gobiernos para su apoyo. [7]. 3. JUSTIFICACIÓN La necesidad urgente de retroceder el crecimiento actual de la polución causante del calentamiento global en las próximas décadas para evitar un cambio climático serio, o catastrófico, necesita acciones para hacer nuestros vehículos mucho menos productores de contaminación [7]. Actualmente, el sector del transporte representa el 34% de las emisiones de dióxido de carbono a la atmósfera. Este porcentaje se ha ido incrementando gradualmente desde un 29% en los últimos 30 años [8]. Dada esta cantidad de contaminación, es necesario replantear las tecnologías utilizadas para el consumo de energía automotor. Este replanteamiento de tecnologías, tendrá además implicaciones socio-económicas tanto conocidas como desconocidas, que deberían ser analizadas con anterioridad para evitar efectos colaterales indeseados como, por ejemplo, un
incremento, en lugar de una disminución, de concentraciones de gases de efecto invernadero. Lo anterior suena contrario a la intuición, si se tiene en cuenta que se está intentando introducir tecnologías más limpias para el transporte. Sin embargo, se debe considerar el crecimiento vehicular en los países menos desarrollados, el cual podría crecer más de lo esperado actualmente [4]. Finalmente, es importante estimar de qué manera las nuevas tecnologías penetrarán en el mercado automotor a nivel global para poder vislumbrar el impacto real que este cambio generará en el problema del calentamiento atmosférico. 4. OBJETIVO 4.1. OBJETIVO GENERAL Modelar la dinámica de la penetración de las diferentes tecnologías alternativas de vehículos a nivel global para estimar el impacto que este cambio tecnológico tendrá en las concentraciones de dióxido de carbono atmosférico. 4.2. OBJETIVO ESPECÍFICO Elaborar un modelo dinámico que simule la penetración de las diferentes tecnologías alternativas para los vehículos automotores y estime su impacto en las concentraciones de dióxido de carbono en la atmósfera. 5. MARCO TEÓRICO El calentamiento atmosférico es producido por que gran parte de la energía entrante proveniente del sol, que llega en las diferentes longitudes de onda, se convierte en energía infrarroja (térmica) que tiende a salir de nuevo al espacio exterior. Este equilibrio descrito, es el que ha mantenido a la atmósfera en un equilibrio térmico permitiendo la conservación de la mayoría de las especies que existen actualmente. Sin embargo, en la atmósfera se encuentran presentes los llamados gases de efecto invernadero. Estos gases, aunque en proporciones relativamente bajas, retienen parte del calor que debería salir de la atmósfera produciendo un incremento de la temperatura [9]. Dado este problema de calentamiento, las Naciones Unidas, mediante el protocolo de Kyoto plantearon límites para las emisiones de gases de efecto invernadero de los países industrializados que firmaran dicho protocolo [5]. Actualmente son 37 países industrializados los firmantes. Para esta reducción de emisiones de gases, los diferentes países han tomado diversas medidas, la mayoría relacionadas con la energía. Según Romm [7], en el corto plazo, la estrategia más efectiva, desde el punto de vista del costo, para reducir las emisiones y el uso de la gasolina es la eficiencia. El carro del futuro cercano es el vehículo híbrido eléctrico-gasolina, porque puede reducir el consumo de combustible de 30% a 50% sin ningún cambio en la clase de vehículo ni comprometiendo el desempeño o la seguridad. Es muy posible que se convierta en el vehículo dominante para el año 2020. Una solución teóricamente efectiva para el problema del calentamiento es la utilización de vehículos basados en tecnologías limpias. Se esperaría entonces que, un cambio de tecnología en el mercado automotriz hacia una tecnología limpia, reduciría las concentraciones de gases de efecto invernadero y, por consecuencia, disminuiría la temperatura de la atmósfera terrestre. Este cambio tiene consecuencias importantes en el mercado de transporte que es necesario analizar con el fin de que se pueda estimar la dinámica en general de todo el sistema a estudiar y los efectos colaterales que se produzcan. 5.1. ANTECEDENTES Romm [7] comenta los seis problemas principales que se han presentado a lo largo de la historia para los vehículos con tecnologías alternativas: 1. Inversión inicial muy alta para adquirir el vehículo. 2. Capacidad limitada para el transporte del combustible. 3. Seguridad aún indefinida para los pasajeros del vehículo. 4. Alto costo del combustible (comparado con la gasolina). 5. Estaciones de servicio limitadas. 6. Mejoras en la competencia (mejores y más limpios autos con gasolina). Igualmente menciona que una transición para un sistema de transporte basado en una economía del hidrógeno será, en cualquier caso, mucho más lenta y difícil de lo que se piensa. Dentro de los aportes relacionados con el tema se encuentra el trabajo de [10] en el cual concluyen que los sistemas actuales de transporte juegan un papel fundamental en la sociedad, pero no son sostenibles en el largo plazo. Si las condiciones de
mercado y tecnología son las adecuadas, la reducción de dióxido de carbono sería de un 60%, usando Vehículos Impulsados por Celdas de Combustible (FCVs). Keles et al. [11], por su parte, comentan que el hidrógeno es uno de los campos más importantes de investigación en el cambio hacia combustibles limpios en el sector de transporte. En Alemania, en el 2040, alrededor de 1/3 de los autos de pasajeros serán FCVs. En el 2050 se habrán incrementado a 2/3 del total. Wang y Ouyang [12], analizando el mercado oriental concluyeron que los próximos 20 años son el período de oportunidad estratégica para la transición de energía para el transporte y el entrenamiento del sistema energético en China. Dentro de los combustibles alternativos, el hidrógeno ofrece la mayor perspectiva para el futuro de la tecnología en automotores [...]. esta tecnología requiere de avances en cuanto al almacenamiento del hidrógeno para poder ser competitiva. A esta conclusión llegaron Hamelinck y Faaij en 2006 [13]. El grupo de expertos en hidrógeno en EEUU predijeron las diferentes etapas del desarrollo del hidrógeno en su nación. Hasta 2020: Investigación y pruebas. 2020 2030: Creación de infraestructura. Después de 2030: Desarrollo del mercado. [14]. Finalmente y usando datos reales, Granovskii, Dincer y Rosen [15], realizaron una comparación ambiental entre cuatro tipos de vehículos: convencional, híbrido, eléctrico e impulsado por celdas de combustible. El análisis muestra que los autos híbrido y eléctrico tienen ventaja sobre los demás tipos de vehículos. Finalmente, Figueroa [16] estudia las barreras en la penetración de vehículos con fuentes alternativas de energía utilizando un modelo de dinámica de sistemas en el mercado colombiano. El modelo utilizado provee un ambiente de aprendizaje donde las interacciones entre factores y sus sensibilidades pueden ser analizadas y probadas sobre escenarios alternativos. La tesis se basa en datos colombianos sobre vehículos particulares partiendo de cinco fuentes convencionales y alternativas de energía: gasolina, diesel, gas natural vehicular, etanol y electricidad. 6. METODOLOGÍA La dinámica de sistemas [17] es una metodología para estudiar y administrar sistemas complejos que presentan retroalimentación, como los que se encuentran en sistemas sociales como los negocios. De hecho la dinámica de sistemas se ha usado para tratar prácticamente cualquier sistema retroalimentado. Mientras la palabra 'sistema' ha sido usada para todo tipo de situaciones, retroalimentación es aquí el término clave. La retroalimentación se refiere a las situaciones en las que la variable A afecta a la variable B y al mismo tiempo B afecta a A, posiblemente a través de una cadena de causas y efectos. No se puede estudiar la relación de causalidad de A hacia B independientemente de la relación inversa de B hacia A y predecir cómo se va a comportar el sistema. Sólo el estudio del sistema completo como un conjunto de relaciones de retroalimentación llevará a resultados correctos. La metodología: 1. Identifica un problema. 2. Desarrolla una hipótesis dinámica explicando la causa del problema. 3. Construye un modelo de simulación por computador del sistema en la raíz del problema. 4. Prueba si el modelo es correcto y su correspondencia con la realidad. 5. Diseña y prueba políticas alternativas en el modelo para solucionar (o alivianar) el problema. 6. Implementa las soluciones. Raramente se puede proceder con estos pasos sin retroceder y refinar los pasos anteriores. Por ejemplo, el primero problema identificado puede sólo ser un síntoma de un problema mayor no vislumbrado con anterioridad. Si se analiza el problema estudiado en el presente proyecto, se trata de un sistema que presenta las características antes mencionadas. Se trata de un problema que presenta ciclos de retroalimentación desde dos puntos de vista. Primero, el clima atmosférico es un sistema complejo que debe ser analizado teniendo en cuenta un todo, pues tiene un sinnúmero de variables que determinan el estado del sistema y que se interrelacionan formando complejos ciclos de retroalimentación [9 y 18]. Por otro lado, el sistema que se analizará para estimar la manera en que se distribuirán las diversas tecnologías alternativas para los vehículos, posee características complejas como un número de variables y relaciones entre éstas variables muy alto [6]. Dado este gran número de variables y relaciones, es posible que se presenten diferentes ciclos de retroalimentación que, sin un
tratamiento adecuado, como la dinámica de sistemas, se puede llegar a resultados erróneos. 7. MODELO Figura 2. Hipótesis dinámica para la penetración de la tecnología alternativa (i). Figura 3. Representación simplificada del ciclo del carbono y la temperatura global. [19] En la Figura 2 se muestra la hipótesis dinámica inicial para una tecnología alternativa, i, determinada. El ciclo R1 representa el ciclo de la autonomía del vehículo con tecnología i, dependiendo de la cual, la demanda de ésta tecnología aumentará mientras el vehículo sea más autónomo.
Similar al ciclo R1, el ciclo R2, representa la dinámica del rendimiento del vehículo i, por unidad de combustible. El ciclo R3 muestra cómo se relacionan la Investigación y Desarrollo, el precio del vehículo con combustible i y la demanda de éste, en un ciclo de refuerzo. Igualmente, el ciclo R4 muestra la relación positiva entre la demanda a largo plazo de vehículos, y la cantidad de éstos en el parque automotor mundial en otro ciclo de refuerzo. Alternativamente al ciclo R3, el ciclo R5 relaciona causalmente la Investigación y Desarrollo con el precio del vehículo i, mediante la oferta de vehículos. En la Figura 3 se muestra el modelo del ciclo de carbono propuesto por Sterman y Booth Sweeney [19], el cual tiene implicaciones directas sobre la temperatura de la atmósfera. En este modelo encontramos un ciclo de balance, a la derecha del diagrama, que representa la dinámica del calentamiento de la atmósfera y la superficie oceánica, dados los forzamientos radiativos producidos por el incremento del dióxido de carbono. En el extremo izquierdo del modelo se puede observar un ciclo de balance que describe la formación de combustibles fósiles, una vez son liberados sus productos en la biosfera. Este ciclo no se tendrá en cuenta, dada la escala de tiempo que se manejará durante el modelado del problema. Estos dos co-.modelos están directamente relacionados mediante las emisiones de dióxido de carbono que se reducirán a medida que se cambien las tecnologías actuales de transporte. El modelo realizado en este trabajo será el correspondiente a la penetración de tecnologías alternativas de vehículos automotores. Sin embargo, los resultados del cambio en las concentraciones de dióxido de carbono se verá reflejado en un co-modelo, con diferente nivel de agregación, en el cual se simule la dinámica del CO 2 y la temperatura en el planeta. 8. ALCANCE El modelo planteado describirá, según las condiciones actuales del mercado de vehículos, la penetración de las diferentes tecnologías de combustible alternativas y el impacto en las concentraciones de dióxido de carbono atmosférico. Los resultados de las simulaciones se presentarán en trabajos futuros, así como el modelo acoplado para la tecnología alternativa (i) y las emisiones de carbono correspondientes. 9. REFERENCIAS [1] Intergubernamental Panel on Climate Change. IPCC Technical Paper V: Climate Changes and Biodiversity. 2002. En: http://www.ipcc.ch/pdf/technical-papers/climatechanges-biodiversity-en.pdf [2] Hansen, James. Defusing the global warming time bomb. Scientific American, 2004. En: http://www.sciamdigital.com/index.cfm?fa=produ cts.viewissuepreview&articleid_char=87 AA497D-2B35-221B- 696443DCBCF961FC&sc=I100322. [3] Pacala, S. y Socolow, R. Stabilization Wedges. Science Magazine, 2004. Vol. 305. pp. 968-972. [4] Energy Information Administration. International Energy Outlook. 2008. En: http://www.eia.doe.gov/oiaf/ieo/pdf/0484(2008).p df [5] United Nations Framework Convention on Climate Change. The Kyoto Protocol. 1998. En: http://unfccc.int/resource/docs/convkp/kpeng.pdf [6] Larios, María. Alternativas Energéticas Limpias para Utilización en Transporte Automotor. [Tesis de Especialización.] Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín. 2007 [7] Romm, Joseph. The car and fuel of the future.. Energy Policy. Center for Energy and Climate Solutions, 2900 South Quincy Street, Suite 410, Arlington, VA 22206, USA. 2006. [8] Energy Information Administration. Carbon Dioxide Emissions From Energy Consumption by Sector. 2007. En: http://www.eia.doe.gov/emeu/aer/pdf/pages/sec12 _5.pdf [9] Sterman, John y Booth Sweeney, Linda. Understanding public complacency about climate change. Adults' mental models of climate change violate conservation of matter.". Climatic Change, 2007. doi.10.1007/s10584-006-9107-5. [10] Doll, Claus y Wietschel, Martin. Externalities of the transport sector and the role of hydrogen in a sustainable transport vision. Energy Policy, 2008. doi:10.1016/j.enpol.2008.06.027. [11] Keles, Dogan et al. Market penetration of fuel cell vehicles - Analysis based on agent behaviour. International Journal of Hydrogen Energy, 2008. Doi:10.1016/j.ijhydene.2008.04.061.
[12] Wang, Hewu y Ouyang, Minggao. Transition strategy of the transportation energy and powertrain in China. Energy Policy, 2006. State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy, Tsinghua University, Beijing 100084. China. [13] Hamelinck, Carlo y Faaij, André. Outlook for advanced biofuels. Energy Policy, 2006. Aziëlaan 774, 3526 SZ Utrecht, the Netherlands. Utrecht University, Copernicus Institute, Heidelberglaan 2, 3584 CS Utrecht, The Netherlands. [14] Van Mierlo, J. y Maggetto, G. y Lataire, Ph. Which energy source for road transport in the future. A comparison of battery, hybrid and fuel cell vehicles. Energy & Conversion Management, No. 47. pp. 2748 2760. 2006. [15] Granovskii, Mikhail y Dincer, Ibrahim y Rosen, Marc. Economic and environmental comparison of conventional, hybrid, electric and hydrogen fuel cell vehicles. Journal of Power Sources, No. 159. pp. 1186 1193. 2006. doi.10.1016.j.jpowsour.2005.11.086 [16] Figueroa, Diego. Utilización de la dinámica de sistemas para el modelamiento de las barreras en la penetración de vehículos con fuentes alternativas de energía en el mercado colombiano. [Tesis de grado] Universidad Nacional de Colombia, 2007. [17] System Dynamics Society. What is System Dynamics? [En línea] 2009. [Citado el: 14 de Abril de 2009.] http://www.systemdynamics.org/what_is_system_ dynamics.html. [18] Baena, Andrés y Becerra, David. Dinámica del calentamiento atmosférico producido por gases de efecto invernadero. Buenos Aires : V Encuentro latinoamericano de dinámica de sistemas, 2007. [19] John y Booth Sweeney, Linda. Cloudy Skies: Assessing Public Understanding of Global Warming. Sterman, MIT Sloan School of Management, 2002. En: http://papers.ssrn.com/sol3/delivery.cfm/ssrn_i D306983_code020426590.pdf?abstractid=306983 &mirid=1