Modelación
del impacto económico de la mitigación de emisiones
de GEI*
María
Eugenia Ibarrarán**
INTRODUCCIÓN
EN
TODOS LOS PAÍSES, el uso de la energía es uno de
los principales motores del crecimiento económico. México
no es la excepción. Como resultado de ello, las políticas
que afectan al sector de la energía tienen un impacto sobre
el resto de la economía y sobre el ambiente. Esto hace
imprescindible contar con un modelo capaz de estimar el efecto
de distintas políticas sobre la economía, el sector
de la energía y el medio ambiente (ver el capítulo
Escenarios de emisiones futuras en el sistema energético
mexicano, de J. Quintanilla, en esta sección).
Existen básicamente dos tipos de enfoques para modelar
el sector de la energía. Uno es el enfoque agregado, que
parte de ciertos supuestos de crecimiento económico y de
consumo sectorial de energía para determinar así
la demanda de energía por sector; al agregar dichas demandas
se obtiene la demanda total de energía por parte de la
economía. Dentro de estos modelos agregados se encuentran
los modelos de equilibrio general, que incorporan además
precios relativos de los bienes y servicios e ingreso de los individuos,
pudiéndose obtener a partir de estos, cambios en el comportamiento
final de los agentes económicos. Otro enfoque está
dado por los modelos de usos finales. Éstos parten de la
desagregación del uso de energía por sector y por
uso final; empleando ciertos parámetros técnicos
calculan la demanda total de energía de la economía.
Cada uno de estos tipos de modelos generen resultados sumamente
distintos debido a los supuestos que incorporan y al objetivo
para el que cada modelo fue construido.
Tanto los modelos de equilibrio general como aquellos de usos
finales son complementarios, ya que responden a distintas preguntas.
La integración de estos modelos permite analizar el impacto
de diferentes políticas en el sector de la energía
sobre el medio ambiente y sobre el resto de la economía.
A grandes rasgos, el mecanismo de integración propiamente
dicho toma como base la estructura del modelo de equilibrio general
e incorpora el módulo de demanda total de combustibles
calculada a partir del modelo de usos finales. Con el modelo integrado
de esta manera se podrá entonces ver el impacto que tienen
sobre los distintos sectores de la economía diferentes
políticas que se traducen en un cierto nivel de demanda
de combustibles (y energía secundaria), así como
los cambios resultantes en precios relativos y en ingreso real
y, por ende, su efecto sobre el bienestar de los agentes económicos.
En la primera sección se hace una cuidadosa pero breve
diferenciación entre los modelos de usos finales y los
modelos agregados, en particular modelos de equilibrio general.
Asimismo,
a partir del análisis de los modelos existentes, se justifica
por qué fue necesario construir un nuevo modelo para México
aun cuando ya existen algunos. La segunda parte entra al análisis
detallado de cada uno de los modelos a utilizar en el modelo integrado.
En particular se describe el modelo BRUS II-M y el modelo de equilibrio
general computable BOYD-M. La tercera parte explica técnicamente
el proceso de integración de estos dos modelos. En la cuarta
sección se plantean los escenarios a simular y se explica
la racionalidad detrás de cada uno de ellos. Finalmente,
en la quinta parte se presentan y discuten los resultados, así
como las líneas de investigaciones futuras.
CLASIFICACIÓN
DE MODELOS DE ENERGÍA
Existen
básicamente dos tipos de enfoques para modelar el sector
de la energía: los modelos de usos finales y los modelos
agregados o de equilibrio general (ver el capítulo Mitigación
de emisiones de carbono y prioridades de desarrollo nacional,
de O. Masera, en esta sección).
Los modelos de usos finales (o bottom-up) estiman la demanda de
energía a partir del consumo en cada sector. Estos consumos
finales de energía se agregan, obteniéndose así
la demanda sectorial de energía, suponiendo ciertas tasas
de crecimiento en cada sector, cambio tecnológico y cierto
comportamiento de los individuos. Finalmente se agregan las demandas
sectoriales para determinar la demanda agregada por energía
de la economía, tanto por electricidad como por tipo de
combustible. La demanda por electricidad a su vez se traduce en
los requerimientos de combustibles para producirla. Se obtiene
así un vector que representa la demanda total de combustible,
para la producción de energía tanto primaria como
secundaria. Los sectores que en general incluyen el módulo
de demanda de energía son: agropecuario, residencial, industrial,
transporte y servicios. La oferta de energía de la economía
se estima a partir de las plantas productoras de energía,
tanto refinerías y plantas de gas como plantas generadoras
de electricidad. La diferencia entre la demanda de energía
y la oferta existente se resuelve añadiendo la capacidad
de producción.
Dentro de los modelos agregados de la economía (o modelos
top-down) hay varios tipos, mismos que se diferencian por el distinto
nivel de agregación de los mismos. Un primer grupo se podría
denominar modelos deterministas. Éstos parten de estimaciones
de crecimiento del producto interno bruto (PIB) tanto para la
economía en su conjunto como para sector de la misma, y
por medio de coeficientes de consumo de energía por unidad
de producto previamente definidos, se obtiene el nuevo consumo
de energía por sector y para la economía. Los supuestos
detrás de estos tipos de modelos son: que no hay cambio
tecnológico; es decir, que los coeficientes de uso de energía
por sector permanecen constantes a través del tiempo; que
el crecimiento económico es la fuerza única tras
el uso de la energía, y que otras variables económicas,
como precios e ingreso, no tienen impacto alguno sobre el uso
de energía.
Otro grupo de modelos que también representan a la economía
en su conjunto son los modelos de equilibrio general computable.
Se trata de modelos macroeconómicos que simulan la interacción
entre los distintos sectores. Se basan en modelar el comportamiento
agregado con parámetros estimados a partir de relaciones
históricas entre variables. Dentro de estos tipos de modelos
hay modelos específicos para el análisis del uso
de energía y otros para el análisis de la economía
en general. La demanda de bienes y servicios, o de energía
en este caso, se calcula a partir de preferencias, precios relativos
e ingreso (o consumo) de los individuos, sujeto a su restricción
presupuestal. La oferta se calcula a partir del problema de maximización
de utilidades (o minimización de costos) planteado por
el productor cuya restricción es la tecnología.
La demanda de energía de cada sector se estima en función
de los precios relativos de la energía, de los precios
de los demás bienes y servicios, del ingreso de la economía
(a nivel agregado y sectorial) y de un índice de eficiencia
energética, generalmente determinado de manera exógena
al modelo. Las virtudes de este tipo de modelos son que se trata
ante todo de un análisis de equilibrio general, donde la
información se ve retroalimentada al modelo y se llega
a nuevas situaciones de equilibrio para toda la economía.
Esto permite hacer un análisis del impacto sectorial de
distintas políticas. Por otro lado, incluye variables económicas
como precios e ingreso que afectan el comportamiento de los distintos
agentes, en particular en términos del efecto sobre el
consumo de energía.
Para la conformación del modelo como herramienta de análisis,
se llevó a cabo una evaluación detallada del tipo
de modelos que se han desarrollado en México-o para su
uso en México- que pudieran servir para analizar el impacto
de distintas políticas sobre el medio ambiente. De un universo
de modelos se seleccionaron cuatro modelos: el Modelo de Demanda
de Energía (MODEMA)1, el Long-Range Energy Alternative
Systems (LEAP), el Modelo de Escenarios Energéticos y de
Emisiones para México (MEEEM)2 y el STAIR-M (Services,
Transportation, Agriculture, Industry, and Residential Model for
Mexico). Los modelos analizados, aun cuando son sumamente detallados
y contienen información técnica muy valiosa, pusieron
en claro la falta de un modelo que integre información
económica y técnica simultáneamente.
DESCRIPCIÓN
DE LOS MODELOS A INTEGRAR
El
modelo de usos finales de energía, BRUS II-M, se diseñó
para calcular el consumo de energía y las emisiones de
gases de efecto invernadero (GEI) asociadas a dicho consumo.
Permite
evaluar políticas muy específicas de reducción
de emisiones y de ahorro de energía sobre el ambiente y
el sistema de energía. El año de referencia respecto
al cual está calibrado es 1996. El modelo contiene una
descripción detallada de los sectores de demanda: residencial,
servicios, industria (incluyendo agricultura) y transporte, donde
cada uno de ellos se ve afectado por el crecimiento demográfico
y económico. Por su parte, la oferta está integrada
por tres sectores: plantas generadoras de electricidad, refinerías
y plantas de gas.
En particular, éste es un modelo de largo plazo que hace
proyecciones hasta el año 2020, pero que sólo calcula
tres años: un año base (1996), un año intermedio
(2004) y uno final (2010)3. A diferencia de modelos enfocados
a un solo sector o industria, este modelo produce resultados confiables
para el sistema de energía ante la introducción
de cambios en cualquiera de los sectores descritos.
La descripción del lado de la demanda corresponde a la
misma clasificación que aparece en el Balance Nacional
de Energía. Los sectores agregados son: el sector residencial,
el de servicios (que incluye empresas privadas y públicas),
el sector industrial y el sector del transporte, que comprende
los medios de transporte privados y públicos. Los factores
que determinan la demanda neta de energía son: el producto
interno bruto (PIB), el crecimiento de la población, la
tasa real de interés, los precios de la energía,
y la elasticidad precio e ingreso de la energía. Algunos
de estos parámetros, como las elasticidades, se calculan
a partir de técnicas de regresión múltiple.
Al correr el modelo se obtiene un vector de demanda de energía
tanto primaria como secundaria por sector de consumo y combustibles
de las distintas tecnologías y las emisiones de gases de
efecto invernadero. La oferta de energía se genera a partir
de dos subsectores: petróleo y gas, por un lado, y electricidad,
por el otro. En el subsector petróleo y gas se determina
el balance entre la demanda y la oferta de combustibles fósiles,
incluyendo importaciones y exportaciones, así como el consumo
de combustible y de electricidad por parte de depósitos
de petróleo y gas, de cada una de las refinerías
y de las plantas de gas. Además, este módulo estima
el costo económico de la operación y el mantenimiento
de estas plantas y refinerías. Es importante aclarar que
estos dos sectores sólo son reportados en BRUS II-M, pero
el modelo no es capaz de optimizar la oferta de combustible y
gas por sí mismo. El subsector electricidad simula la oferta
de electricidad requerida con el fin de satisfacer la demanda
de energía eléctrica y así estimar la demanda
por combustible y los costos de operación, mantenimiento
y operación.
Las emisiones estimadas por el modelo son bióxido de carbono
(CO2), bióxido de azufre (SO2), óxidos de nitrógeno
(NOx), metano (CH4), partículas suspendidas (PM), compuestos
orgánicos volátiles (NMHC), óxido nitroso
(N2O), y monóxido de carbono (CO). De éstas, CO2,
N2O y CH4 en particular son gases que dan origen al efecto invernadero.
Las emisiones se generan tanto por el lado del consumo como por
el de la producción de energía y varían dependiendo
del combustible utilizado, el proceso de combustión y la
tecnología de producción empleada en el sector que
consume la energía.
Este
modelo permite obtener las emisiones de GEI asociadas al consumo
final de energía en presencia de distintas políticas
energéticas.
Aun cuando BRUS II-M es un modelo útil y un primer paso
necesario hacia la conformación de un modelo integrado,
no considera el efecto de cambios en precios ni en ingreso sobre
la demanda y oferta de energía. Por otro lado, no evalúa
los efectos de las distintas políticas del sector de la
energía sobre el bienestar de la población (distribución
de ingreso), o de las variables macroeconómicas (tasa de
ahorro, balanza comercial y crecimiento económico). Además,
aun cuando contiene gran cantidad de información detallada
por el lado de la producción y consumo de energía,
el modelo no incorpora los ajustes en los distintos sectores como
nueva información para hacer iteraciones adicionales del
modelo. En este sentido es que se sigue considerando un modelo
de equilibrio parcial. Esto hace indispensable integrar este modelo
de usos finales con un modelo de equilibrio general. Para ello
se ha seleccionado el modelo BOYD-M.
El objetivo de construir un modelo de equilibrio general computable
como BOYD-M es cuantificar el efecto de distintas políticas
sobre el crecimiento de los distintos sectores, sobre el consumo,
los precios y el nivel de bienestar agregado. En particular, el
modelo BOYD-M se diseñó para usarse de manera interactiva
con el modelo de energía BRUS II-M y mostrar cómo
es que las políticas en el sector de la energía
tienen efecto sobre otros sectores económicos que están
relacionados directamente con este último y con los demás
sectores. También se diseñó para medir el
impacto de distintas políticas de impuestos sobre el uso
de combustibles, el bienestar de los consumidores y la tasa de
crecimiento de las emisiones.
Está desagregado en nueve sectores productivos que producen
16 bienes, cuatro categorías de ingreso, siete bienes de
consumo final, sector externo y el gobierno. Las variables económicas
que determina el modelo son: inversión, acumulación
de capital, producción por sector, consumo de los agentes
y por sector, importaciones y exportaciones y precios relativos,
todo calculado por cada año entre 1996 y 2011.
Este modelo en particular está diseñado para simular
el funcionamiento del sector de la energía en México
y mostrar la interrelación entre sectores. Por ende, contiene
determinadas características que no son comunes a modelos
de equilibrio general computable en el nivel nacional. Primero,
la producción de las refinerías se divide en siete
diferentes combustibles en vez de modelarse mediante un solo producto.
La producción del sector refinería se divide en
gasolina, queroseno, coque, combustóleo, petroquímicos,
gas LP y diesel. Para permitir que haya sustitución entre
los combustibles, se introduce una elasticidad de transformación
(o de sustitución) entre ellos. Por lo tanto, estos siete
combustibles se utilizan como insumos para los nueve sectores
productivos y para los siete sectores de consumo, y también
se intercambian en los mercados internacionales.
Al mismo tiempo, la producción del Subsector Petróleo
y Gas Natural también se divide en sus componentes; es
decir, producción de petróleo y producción
de gas natural. Al igual que en el sector de refinería,
los dos productos no se obtienen necesariamente en proporciones
fijas y esta relación puede alterarse de acuerdo con su
elasticidad de transformación. También es cierto
para este sector que el petróleo y el gas natural producidos
se pueden utilizar como insumos en otros sectores productivos
y de consumo, y también venderse a los consumidores extranjeros.
INTEGRACIÓN
DE LOS MODELOS DE ENERGÍA
Técnicamente,
la integración de estos dos tipos de modelos parte del
modelo de equilibrio general. Para integrar los modelos será
necesario plantear el problema de equilibrio general como un problema
de complementariedad (Mathiesen 1985 y Cottle y Pang 1992).
Esto
permite incorporar la información proveniente de los módulos
del modelo de usos finales sobre las distintas tecnologías
de producción de energía, en particular el índice
de eficiencia energética. Al incluir estas partes al modelo
de equilibrio general, se incrementa la solidez analítica
del modelo resultante. A los sectores obtenidos a partir del modelo
de usos finales se les representa como restricciones al problema
de maximización. Las opciones tecnológicas de los
demás sectores se siguen modelando mediante funciones neoclásicas
continuas de producción. La formulación del modelo
y su solución es por medio del formato de complementariedad
utilizando MPSGE / GAMS; este paquete simplifica mucho el proceso
computacional. La formulación del modelo de equilibrio
general como problema de complementariedad está tomada
de Böhringer (1998).
La integración de estos dos modelos se lleva a cabo introduciendo
la información resultante del módulo de demanda
del modelo de usos finales BRUS II-M, al modelo de equilibrio
general BOYD-M. Una vez hecho esto, se corre el modelo de equilibrio
general para obtener un nuevo equilibrio de cantidades y precios.
Este nuevo equilibrio resultará del equilibrio general
de la economía, a diferencia de las demandas estimadas
a partir de BRUS -M, mismas que provienen de un modelo de equilibrio
parcial. Como último paso se alimenta el nuevo vector de
demanda de combustibles (demanda ajustada de energía) obtenido
a partir de BOYD-M a BRUS II-M. Esto permite determinar las emisiones
resultantes de esta demanda ajustada de combustibles.
Figura
1. Integración de los modelos
El
modelo integrado tiene la ventaja de que, por un lado, presenta
una visión de la economía en su conjunto y por sector,
incorporando criterios de eficiencia. Además, se puede
hacer un análisis del impacto distributivo de distintas
políticas. Por otro lado, también contiene elementos
de costo-efectividad provenientes del modelo de usos finales.
El modelo integrado se puede utilizar para analizar una gran variedad
de políticas como efectos de cambios en precios, y de distintos
incentivos y restricciones tecnológicas, así como
de distintas normas de eficiencia energética sobre los
diferentes sectores que estén relacionados con la producción
y el consumo de energía. Asimismo, el modelo integrado
permite analizar los impactos ambientales de distintas políticas
de precios y tecnológicas. Por último se utiliza
para simular el efecto de distintas políticas de formación
de precios de la energía y el efecto de distintos niveles
de inversión en el sector de la energía sobre el
resto de la economía. Los escenarios aquí discutidos
deben servir como ejemplos del tipo de políticas que se
pueden simular por medio del modelo, pero no como el universo
de escenarios que éste es capaz de simular.
A pesar de la gran utilidad de este modelo, hay un punto en el
que se debe tener cuidado al interpretar los resultados: la interacción
de las dos metodologías y, más aún, las dos
conceptualizaciones del sector de la energía, tiende a
relajar el fundamento teórico de la relación entre
las distintas variables.
ESCENARIOS Y PARÁMETROS
Los
escenarios que se simulan son:
Escenario
1. Crecimiento tendencial: políticas de 1996.
Simula el efecto de seguir con las mismas políticas energéticas
antes y después de 1996. Dichas políticas están
caracterizadas por un bajo desarrollo de los yacimientos de gas
natural nacionales, la construcción de plantas termoeléctricas
para la generación de electricidad, poco esfuerzo para
reducir el consumo de gasolina y la continuación en el
uso de queroseno y diesel para la generación de electricidad
en el medio rural. Asimismo, este escenario permite determinar
cuál hubiera sido el nivel de emisiones de GEI de México
si no se hubiera llevado a cabo ninguna política distinta
a las que estaban vigentes en 1996. Esto se hace con el fin de
poner en claro que aun cuando no se hayan asumido compromisos
explícitos, se ha incurrido en políticas que han
reducido las emisiones de este tipo de gases y que, como se verá
al comparar este escenario con otros, esto ha tenido un costo
para la economía mexicana en términos de crecimiento.
Escenario
2. Instrumentación de políticas de acuerdo
con las prospectivas de energía. En este caso se simulan
los efectos de una combinación de políticas del
sector de la energía que ya se estaban llevando a cabo
en 1996 o que se pensaban introducir próximamente. Las
políticas incluidas son (1) la construcción de ductos
para la distribución de gas natural; (2) el uso residencial
de dicho gas en 20% del transporte urbano en la ciudad de México;
(3) el programa de bombillas de luz fluorescente (ILUMEX) para
un uso más eficiente de la electricidad en el sector residencial;
(4) el mayor uso de la tecnología de ciclo combinado para
la generación de electricidad; (5) la reducción
en el uso de gas LP para combustión; (6) la desaparición
de queroseno del uso industrial, y (7) el incremento en el uso
del coque en la industria del cemento. Esto responde a lo planteado
en la Prospectiva de Gas Natural y en la Prospectiva del Sector
Eléctrico publicadas por la Secretaría de Energía
(1998-2008).
Escenario
3. Eliminación de subsidios a la electricidad.
En este escenario se eliminan los subsidios generalizados al uso
de la electricidad en México. Dado que estos subsidios
son sustanciales, los efectos esperados son relativamente grandes.
Además, difieren de manera importante por sector de consumo.
La eliminación de estos subsidios, por lo tanto, debiera
generar resultados muy distintos para los distintos sectores tanto
productivos como de consumo.
Escenario
4. Impuestos al contenido de carbón de los combustibles
fósiles. Se ha discutido en foros internacionales que una
forma de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero
es mediante un impuesto al contenido de carbón de los distintos
combustibles fósiles. Para medir el impacto de esta propuesta,
este escenario simula el efecto de fijar un impuesto al contenido
de carbón del carbón mineral, el petróleo
y el gas natural y LP en México y permite calcular sus
efectos sobre los de la economía y distintos sectores.
Escenario
5. Interacción de políticas actuales y
la eliminación de subsidios a la electricidad.
Escenario
6. Interacción de políticas actuales e
impuestos a los combustibles.
Escenario
7. Interacción de las tres políticas anteriores
simultáneamente.
RESULTADOS
Y CONCLUSIONES
Se
evalúan los resultados de los distintos escenarios en toda
la economía mexicana y se contrastan con los impactos en
el PIB, en la balanza de pagos y en el nivel de capital acumulado.
El modelo BRUS II-M permite calcular con bastante nivel de detalle
las emisiones de contaminantes globales que resultan del uso y
generación de energía. En particular informa resultados
para CO2, SO2, NOX, N2O, compuestos orgánicos volátiles
no metálicos (COVNM), CO, partículas y CH4.
A mayor tasa de crecimiento económico, mayor generación
de emisiones. Esto resulta del hecho de que dicho crecimiento
se sustenta en un mayor uso de energía y, por lo tanto,
mayor cantidad de contaminación.
La eliminación de subsidios a la electricidad, como política
adicional a la introducción de las políticas planteadas
en las perspectivas, genera resultados favorables en términos
de emisiones. Se reduce la generación de CO2, NOx, N2O,
CO, partículas y CH4. Es particularmente notable la reducción
de SO2 y compuestos orgánicos volátiles.
La introducción de un impuesto al contenido de carbón
de los combustibles fósiles también logra importantes
reducciones en el crecimiento de los contaminantes, en particular
de COV. Sin embargo, un impuesto de esta naturaleza no tiene,
en general, resultados tan satisfactorios como la eliminación
de subsidios a la electricidad. Es decir, en términos de
emisiones, es preferible eliminar el subsidio que introducir el
impuesto.
Para medir la sensibilidad del uso de energía y, por tanto,
de las emisiones a distintos niveles de impuestos a los combustibles,
se simuló el efecto de un impuesto más alto. Aun
con un mayor impuesto se mantienen los resultados anteriores.
Es decir, se logra una mayor reducción de emisiones con
la eliminación del subsidio a la electricidad que con la
introducción de un impuesto a los combustibles.
Finalmente, al simularse la interacción de las políticas
de la perspectiva con la eliminación de subsidios a la
electricidad y los impuestos a los combustibles, se logra la mayor
reducción en la tasa de crecimiento de todos los contaminantes,
tratándose de impuestos tanto bajos como altos. Además,
la interacción de políticas plantea un mejor escenario
en términos de emisiones que con cualquiera de los escenarios
analizados.
BIBLIOGRAFÍA
Böhringer,
C. 1998. The Synthesis of Bottom-Up and Top-Down in Energy Policy
Modeling. Energy Economics 20:233-248.
Cottle,
R. W. y J. S. Pang. 1992. The Linear Complementarity Problem.
New York: Academic Press.
Mathiesen, L. 1985. Computation of economic equilibrium by a sequence
of linear complementarity problems. In economic equilibrium-model
formulation and solution. Mathematical Programming Study 23:144-162.
Notas
*Este
proyecto estuvo financiado en parte por el Energy Sector Management
Assistance Program, manejado por el Banco Mundial. Estuvo a cargo
de la Secretaría de Energía y de la SEMARNAP de
septiembre de 1998 a diciembre de 2000. Colaboró en él
el Dr. Roy Boyd, de la Universidad de Ohio.
** Universidad de las Américas-Puebla.
1. Este modelo fue desarrollado por Mariano Bauer y Juan Quintanilla,
del Programa Universitario de Energía, UNAM.
2. Este modelo fue desarrollado por Claudia Sheinbaum, del Instituto
de Ingeniería de la UNAM.
3. Los periodos para los que se resuelve el modelo se pueden modificar
para incorporar distintas opciones.
