20 novembre 2003 CASACCIA Sala Conferenze METODOLOGIE PER L ELABORAZIONE DI SCENARI ENERGETICO-AMBIENTALI. IL MARKAL-MACRO ITALIA Francesco Gracceva CONFERENZA UDA: Le iniziative Advisor a sostegno delle politiche energetico-ambientali
SOMMARIO Introduzione: alcune definizioni Caratteristiche desiderabili degli strumenti per l elaborazione di scenari energetici Tipologie di modelli energetici Il modello MARKAL-MACRO Il MARKAL-MACRO Italia Un analisi con il modello MARKAL-MACRO Italia
INTRODUZIONE: DEFINIZIONE DI SCENARIO Uno scenario è un immagine del futuro una traiettoria nello spazio degli eventi possibili... Elemento comune delle definizioni, l uso di criteri scientifici per l elaborazione: la plausibilità delle ipotesi su cui si fonda la coerenza interna (coerenza dei valori assunti dalle diverse variabili) la trasparenza (ogni scenario deve essere riproducibile) Uno scenario non è una previsione, ma una rappresentazione completa e coerente di un possibile futuro date certe ipotesi e utilizzando una data metodologia
INTRODUZIONE: FUNZIONI E CARATTERISTICHE DI UNO SCENARIO ENERGETICO Funzione primaria è assistere i policy makers, aiutandoli a prendere decisioni informate circa le conseguenze di lungo periodo delle loro decisioni (date certe condizioni e ipotesi) L elaborazione di scenari per la politica energetica nazionale richiede la comprensione della natura complessa del sistema, che ha moltiplici dimensioni legate tra loro da nessi di azione e controreazione Lo strumento utilizzato per la definizione delle politiche energetiche dovrebbe quindi rappresentare questa complessità (pur con i limiti di ogni rappresentazione della realtà)
CARATTERISTICHE DESIDERABILI DEGLI STRUMENTI PER L ELABORAZIONE DI SCENARI ENERGETICI
UNO STRUMENTO PER L ELABORAZIONE DI SCENARI ENERGETICI Date queste funzioni e caratteristiche di uno scenario energetico, uno strumento appropriato per l elaborazione di scenari è un modello matematico integrato c.d. E3 (energy, economy, environment) con un adeguato dettaglio tecnologico
PERCHE UN MODELLO MATEMATICO La metodologia utilizzata deve permettere la riproducibilità dello scenario. E una valutazione quantitativa della compatibilità tra obiettivi diversi, che è il problema principale della politica energetica Obiettivi della politica energetica (generalmente condivisi): disponibilità di energia / sicurezza degli approvvigionamenti minimizzazione del costo dell energia / competitività del sistema economico minimizzazione dell impatto ambientale del consumo di energia Politiche da perseguire (relativamente immediate): aumentare l offerta di energia e diminuire la dipendenza energetica acquistare/importare/consumare le fonti energetiche più economiche (senza limiti) ridurre l intensità energetica dell economia e l intensità carbonica dell energia La soluzione ad un obiettivo configge con la soluzione degli altri, per cui serve uno strumento che permetta di scegliere
PERCHE UN MODELLO INTEGRATO ENERGIA/AMBIENTE/ECONOMIA La metodologia deve tenere conto delle interrelazioni esistenti tra sistema energetico, sistema economico e ambiente, permettendo di valutare possibilità e dimensione di un disaccoppiamento tra crescita economica, domanda di energia ed emissioni Il modello deve ad esempio rappresentare questa sequenza di effetti: Cambiamenti nel sistema energetico (esogeni o indotti da politiche) Variazioni dei prezzi dell energia Risposta della domanda di energia ai prezzi (conservazione, aumento, rebound ) Riallocazione delle risorse nell intero sistema economico Effetti sulla formazione del capitale e la crescita economica Effetti sul livello dell attività economica, sul mix di energia e sulle emissioni
PERCHE UN MODELLO TECNOLOGICO La metodologia deve contenere un adeguata rappresentazione dei fattori determinanti per l evoluzione del sistema e per la sua risposta alle misure di politica energetica Le ipotesi principali (fondamentali per lo scenario di riferimento) popolazione, disponibilità di energia, attività economica, prezzi dell energia, caratteristiche e costi delle tecnologie energetiche Le possibilità di sostituzione delle diverse fonti energetiche disponibilità e costo delle tecnologie, tasso di sostituzione dello stock di capitale e delle infrastrutture, preferenze dei consumatori La natura del processo di sostituzione dello stock di capitale dettaglio relativo alla struttura produttiva e allo stock di capitale, grado di conoscenza del futuro, intervallo di tempo dello scenario La dinamica del progresso tecnologico cambiamento tecnologico indotto, oppure incremento autonomo dell efficienza energetica (per cambiamento strutturale dell economia o incrementi dell efficienza energetica), oppure learnig-by-doing
TIPOLOGIE DI MODELLI ENERGETICI. IL MARKAL-MACRO
TIPOLOGIE DI MODELLI Molte tipologie di modelli, diversi per obiettivi, rappresentazione dell economia, livello di disaggregazione, orizzonte temporale. Una delle più importanti caratteristiche è il grado di dettaglio con cui sono rappresentati beni e tecnologie Modelli Top Down Rappresentano l intera economia con un poche variabili aggregate ed equazioni. Ogni settore è rappresentato da una singola funzione di produzione, che rappresenta le possibili sostituzioni tra i principali fattori produttivi (a livello aggregato: energia, capitale, lavoro) secondo un parametro fondamentale, l elasticità di sostituzione. Impossibile l analisi dello sviluppo delle diverse tecnologie. Modelli Bottom Up Descrizione dettagliata del sistema: ogni tecnologia energetica importante è descritta da input, output, costi. Un settore è costitutito da tecnologie unite dai loro input/output e ogni output finale è prodotto da un mix tecnologie, per cui la funzione di produzione è implicita. Impossibile cogliere gli effetti di azione e retroazione tra settore energetico e intera economia, la domanda di servizi energetici è indipendente dai prezzi. Entrambi hanno dei limiti e non soddisfano appieno le esigenze conoscitive sottolineate
PERCHE IL MARKAL-MACRO Il MARKAL-MACRO è costituito dall integrazione di un modello tecnologico bottom-up e di un modello macroeconomico di crescita di tipo topdown ed è uno dei primi e più noti modelli E3, per cui permette un analisi integrata energia / economia / ambiente Fa parte della famiglia di modelli MARKAL, sviluppati da più di 20 anni nel programma ETSAP (Energy Technology Systems Analysis Programme, il cui capo-progetto è l italiano G. Tosato) della IEA, utilizzata da più di 50 istituti di 38 paesi, tra cui negli ultimi anni anche l EIA-DOE Il principale punto di forza dei modelli MARKAL è che non sono modelli ma generatori di modelli, che permettono di rappresentare sistemi energetici di dimensioni variabili da livello locale a nazionale a planetario, con orizzonti temporali diversi
IL MARKAL PRESO A MODELLO Paesi dove viene usato un modello della famiglia MARKAL
IL MODELLO MARKAL-MACRO
IL MARKAL-MACRO (1) L interazione tra il sistema energetico e il resto dell economia permette di calcolare il costo degli interventi di policy sull economia nazionale direttamente in termini di variazione del Prodotto interno lordo rispetto al caso tendenziale Energy Costs MARKAL Energy Labor MACRO Capital Y Consumption Investment Il legame formale tra i due modelli rende endogena la domanda di energia, distinguendo tra conservazione autonoma e indotta dai prezzi
IL MARKAL-MACRO (2): il modello macroeconomico Il Macro è un macro-modello dinamico, neoclassico, di equilibrio economico generale concorrenziale, nel quale l economia è rappresentata da un consumatore rappresentativo, un produttore aggregato e un unico bene aggregato (più l energia, utilizzata interamente per produrre il bene aggregato ) che può essere consumato o investito e per la cui produzione sono utilizzati tre fattori di produzione (capitale, lavoro, energia) Rappresentazione stilizzata del modello MACRO: max U(Ct) s.t.: Yt = Ct + It + ECt Yt = ƒ (Kt, Lt, EDt) Kt K*t KT IT Lt L*t EDt ESt U(C t ) = funzione di utilità, Y t = produzione lorda, somma del Pil (consumi, C t, e investimenti, I t ) e del costo dell energia (Ect)); K t, L t, ED t = capitale, lavoro, energia; ES t = offerta di energia
IL MARKAL-MACRO (3): il modello tecnologico Il sistema energetico viene descritto dal punto di vista tecnologico, dai processi di approvvigionamento delle fonti primarie ai diversi processi di conversione, trasporto e distribuzione dell energia, fino ai dispositivi di uso finale. Il modello tecnologico determina dunque il modo in cui viene soddisfatta la domanda di servizi energetici, la sostituzione tra i combustibili e la conservazione di origine tecnologica Rappresentazione stilizzata del Reference Energy System (RES): Risorse Tecnologie di conversione Vettori energetici Tecnologie domanda Settori domanda
IL MARKAL-MACRO ITALIA
IL MARKAL-MACRO ITALIA Il MARKAL-MACRO Italia rappresenta l evoluzione del sistema energetico dal 1990 al 2030 mediante la soluzione di un problema di programmazione lineare. Il modello contiene circa diecimila variabili, a partire da 67 tipologie di domanda di servizi energetici Originariamente sviluppato nei primi anni novanta presso l ENEA (da G. Tosato e M. Contaldi) come MARKAL Italia (per la II Com. Naz. all UNFCCC), è stato recentemente aggiornato (in collaborazione con l APAT) e implementato nella versione MARKAL-MACRO Risorse Tecnologie di conversione Vettori energetici Tecnologie domanda Settori domanda
IL MARKAL-MACRO ITALIA Il MARKAL-MACRO Italia rappresenta l evoluzione del sistema energetico dal 1990 al 2030 mediante la soluzione di un problema di programmazione lineare. Il modello contiene circa diecimila variabili, a partire da 67 tipologie di domanda di servizi energetici Originariamente sviluppato nei primi anni novanta presso l ENEA (da G. Tosato e M. Contaldi) come MARKAL Italia (per la II Com. Naz. all UNFCCC), è stato recentemente aggiornato (in collaborazione con l APAT) e implementato nella versione MARKAL-MACRO Risorse Tecnologie di conversione Vettori energetici Tecnologie domanda Settori domanda Centrali elettriche a fonti rinnovabili del modello Markal Italia E31 Hydro plant, seasonal storage (ENEL+others) E33 Hydro plant, flow of river E35 Hydro small dispersed E37 Hydro pumped night storage E41 GEOTHERMAL DRY STEAM PLANT E43 WIND POWER PLANT (LARGE SIZE) E45 PV CENTRAL PLANT E46 PV DISPERSED E61 Steam electric, Other ind.+inceneritori FK7 Biogas to electricity prod.
IL MARKAL-MACRO ITALIA Il MARKAL-MACRO Italia rappresenta l evoluzione del sistema energetico dal 1990 al 2030 mediante la soluzione di un problema di programmazione lineare. Il modello contiene circa diecimila variabili, a partire da 67 tipologie di domanda di servizi energetici Markal Originariamente parameters 1990 sviluppato 1995 2000nei 2005 primi 2010 anni 2015 novanta 2020 2025 presso 2030 l ENEA (da G. Tosato e M. BOUND(BD) UP - 0.65 0.62 0.65 0.7 0.8 0.8 0.85 0.9 1 Contaldi) come MARKAL Italia (per la II Com. Naz. all UNFCCC), è stato recentemente CF(Z)(Y) - I-D 0.7 0.7 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 CF(Z)(Y) - I-N 0.666 0.666 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75 CF(Z)(Y) - S-D 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 CF(Z)(Y) - S-N 0.666 0.666 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7 CF(Z)(Y) - W-D 0.7 0.7 0.85 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 CF(Z)(Y) - W-N 0.666 0.666 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 aggiornato (in collaborazione con l APAT) e implementato nella versione MARKAL-MACRO Tecnologie di conversione Vettori energetici Tecnologie domanda FIXOM - - 350 350 300 300 300 300 300 300 300 IBOND(BD) Risorse LO - 0 0.04 0.04 INVCOST - - 2,500 2,500 4,000 4,500 5,000 5,000 5,500 6,000 6,000 PEAK(CON) - - 0.7 0.8 0.85 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 RESID - - 0.51 0.48 0.45 Centrali 0.425 elettriche 0.4 a 0fonti rinnovabili 0 0 del modello 0 Markal Italia VAROM - - 90 90 90 E3190 Hydro 90plant, 90 seasonal 90storage 90(ENEL+others) E33 Hydro plant, flow of river E35 Hydro small dispersed E37 Hydro pumped night storage E41 GEOTHERMAL DRY STEAM PLANT E43 WIND POWER PLANT (LARGE SIZE) E45 PV CENTRAL PLANT E46 PV DISPERSED E61 Steam electric, Other ind.+inceneritori FK7 Biogas to electricity prod. Settori domanda
UN ANALISI CON IL MODELLO MARKAL-MACRO ITALIA
UN ANALISI CON IL MARKAL-MACRO ITALIA: I CERTIFICATI VERDI (1) Obiettivi: Simulare il passaggio dal sistema di incentivazione delle fonti rinnovabili basato sui sussidi differenziati per fonte (CIP 6/92) al sistema dei Certificati Verdi Valutare l effetto dell innalzamento della quota di obbligo per i CV, dal 2 al 4% Metodologia: imposizione di un vincolo sull elettricità prodotta da fonti rinnovabili, pari alla quota di obbligo prevista (2% nel caso tendenziale, crescente dopo il 2005 nello scenario alternativo) Scenario tendenziale ELC idro +ELC wind +ELC geothermal +ELC biomass +ELC geo +ELC photov. " 2% Scenario CV 4% ELC idro +ELC wind +ELC geothermal +ELC biomass +ELC geo +ELC photov. " 4%
UN ANALISI CON IL MARKAL-MACRO ITALIA: I CERTIFICATI VERDI (2) Variaz. % rispetto al 2000 2010 2020 Markal-Macro III Com. Naz. Primes +9.2 +8.1 +5.4 +16.3 +23.1 +9.3
UN ANALISI CON IL MARKAL-MACRO ITALIA: I CERTIFICATI VERDI (3)
UN ANALISI CON IL MARKAL-MACRO ITALIA: I CERTIFICATI VERDI (3) Il confronto tra i due scenari dà indicazioni su tutte le dimensioni del sistema: L aumento della quota dei CV fino al 4% produce una riduzione solo marginale delle emissioni di CO2, Il fattore più importante è la riduzione della % di fonti fossili sul TPES L incremento dell intensità carbonica mostra che si ha una riduzione dell elettricità da gas naturale (l aumento dell intensità energetica è spurio)
UN ANALISI CON IL MARKAL-MACRO ITALIA: I CERTIFICATI VERDI (4) BASELINE GC 4% L aumento della quota dal 2% al 4% ha un effetto positivo, ma limitato Nel 2010 la produzione da FER è minore degli auspici (circa 70 TWh vs. 75) Nel lungo termine la misura non è sufficiente per incrementi continui L energia eolica risulta la più competitiva, seguita dall elettricità da biomassa L effetto su una tecnologia meno matura ma promettente (fotovoltaico) è nullo: rischio di una competizione fra tecnologie a diversi livelli di sviluppo
UN ANALISI CON IL MARKAL-MACRO ITALIA: I CERTIFICATI VERDI (5) L aumento della quota dei CV ha un impatto sul costo dell energia Ed un impatto negativo (anche se modesto) sul PIL 0.20% Income per-capita: difference vs. MM Bau 0.10% 0.00% -0.10% Costo dell'energia PIL -0.20% 2010 2020 2030