A hybrid Input-Output multi-objective model to assess economic-energy-environment trade-offs: an application to Brazil and prospective sugarcane bioethanol technologies

Tese de doutoramento em Sistemas de Energia Sustentável, apresentada ao Departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de CoimbraAs relações entre o consumo de energia, o crescimento econômico e os impactos ambientais são determinantes para o processo de formulação de políticas. A Análise Input-Output (AIO) tem sido usada para estudar inter/intra-relações entre os diferentes setores económicos, bem como estendida para a análise dos sistemas energético e ambiental. Modelos de Programação Linear Multi-objetivo (PLMO) utilizando a estrutura Input-Output (IO) também vêm sendo desenvolvidos para estudar os compromissos (trade-offs) entre os sistemas económico, energético e ambiental. Os modelos IO-PLMO são capazes de captar a complexidade e natureza conflituosa dos problemas do mundo real, permitindo a obtenção de um informação relevante que não seria possível conseguir com uma aplicação separada de ambas as metodologias. Esta combinação de modelos de PLMO e AIO desempenha um papel complementar na compreensão das interações entre os sistemas económicos e energéticos, e os correspondentes impactos ambientais, oferecendo um quadro consistente para avaliar os efeitos de políticas distintas sobre estes sistemas. Um modelo de PLMO baseado em uma estrutura IO híbrida com unidades monetárias e físicas é apresentado nesta tese. Este modelo tem como objetivo avaliar os trade-offs entre objectivos económicos, energéticos, ambientais e sociais no sistema económico brasileiro. Primeiramente, as tabelas IO para o Brasil são reorganizadas para incluir o Balanço Energético Nacional, criando uma estrutura IO híbrida com unidades físicas e monetárias. Este quadro é estendido para avaliar diferentes Gases de Efeito Estufa (GEE), que são então agregados em um único indicador (CO2eq), e o nível de emprego. Duas versões do modelo de PLMO são definidas: uma versão com valores determinísticos e outra em que a programação intervalar é usada para tratar a incerteza em alguns coeficientes do modelo. A versão determinística do modelo tem 443 variáveis (incluindo a produção dos setores e produtos energéticos e várias variáveis econômicas) e um conjunto de 490 restrições (definidoras e limitadoras). As funções objetivo consideradas são a maximização dos níveis do PIB e do emprego, bem como a minimização do consumo de energia e emissões de GEE. Os métodos interativos STEM e o TRIMAP são aplicados para tratar a versão determinística do modelo, permitindo a exploração de soluções de compromisso de acordo com as informações de preferência emitidas pelo decisor. O STEM permitiu um processo de busca de solução interativa através da redução da região admissível baseada na especificação de quantidades de relação para as função objetivo com valores já satisfatórios, fornecendo informações sobre os trade-offs entre os objetivos conflitantes em diferentes regiões da região admissível. O método interativo TRIMAP ofereceu uma pesquisa flexível de soluções através de um ambiente gráfico amigável baseada na visualização das regiões de indiferença associadas a soluções vértices eficientes no diagrama paramétrico, permitindo uma exploração progressiva e seletiva de soluções de compromisso. Ambos os métodos forneceram informações de apoio à decisão relevante para um decisor hipotético, ajudando-o na compreensão dos trade-offs em jogo e na identificação de soluções de compromisso para os modelos de PLMO. A versão intervalar do modelo IO-PLMO híbrido, que inclui 518 restrições e 473 variáveis, é analisada com uma abordagem interativa que envolve a formulação de modelos determinísticos substitutos para o modelo de PLMO intervalar (baseado na minimização do pior desvio possível das funções objetivo intervalar em relação as suas soluções ideais intervalares correspondentes) e de uma fase interativa em que a sinergia entre o algoritmo (prestando informações ao decisor) e o decisor (processando as informações e fornecendo orientações para o processo de cálculo) facilitando um processo de pesquisa com base na proximidade dos valores da solução intervalar em relação à solução intervalar ideal. Perspectivas otimistas e pessimistas foram consideradas a fim de procurar soluções com diferentes alternativas de decisão. Finalmente, os impactos de diferentes processos de cultivo de cana de açúcar e de produção de bioetanol de primeira (1G) e segunda geração (2G) sobre o sistema económico brasileiro e a oferta doméstica de bioetanol em cenários prospetivos foram analisados com a versão determinística do modelo de PLMO. Coeficientes técnicos para diferentes configurações de usinas de bioetanol de produção combinada de 1G + 2G e sistemas de cultivo da cana foram estimados e introduzidos na matriz de coeficientes técnicos. As funções objetivo foram a maximização do PIB e do emprego, e a minimização do consumo de energia e das emissões totais de GEE. A maximização da produção total de bioetanol no país em cada cenário também foi considerado. Soluções não-dominadas foram calculadas através da minimização da distância de Tchebycheff para a solução ideal em cada cenário. A extensão da análise envolvendo todo o sistema económico veio complementar o desenho e a análise baseada em processos potenciais de produção de bioetanol, contribuindo para identificar efeitos indiretos que podem contrabalançar os benefícios. Esta tese fornece modelos, metodologias e conhecimento baseado na avaliação das soluções obtidas com diferentes processos de cálculo, que é essencial para o desenvolvimento de abordagens integradas para a análise prospetiva dos trade-offs económico-energético-ambiental em um país e em um setor específico.The study and assessment of the relationships between energy consumption, economic growth and environmental impacts is determinant for the policy making process. Input-Output Analysis (IOA) has been used to study inter/intra-relationships among different sectors in the economic system and extended to account for energy and environmental impacts. Multi-objective Linear Programming (MOLP) models using the Input-Output (IO) framework has also been developed to study economic-energy-environment trade-offs. The IO-MOLP models are able to capture the complexity and conflicting nature of real world problems allowing obtaining insightful information that would not be possible to achieve with a separated application of both methodologies. This combination of multi-objective models with IOA plays a supplementary role in understanding the interactions between the economic and energy systems, and the corresponding impacts on the environment, offering a consistent framework for assessing the effects of distinct policies. A MOLP model based on a hybrid IO framework with monetary and physical units is presented in this thesis. This model aims at assessing the trade-offs between economic, energy, environmental and social objectives in the Brazilian economic system. Firstly, the IO tables for Brazil are reorganized to include the National Energy Balance, creating a hybrid IO framework. This framework is extended to assess different Greenhouse Gas (GHG) emissions, which are then aggregated into a single indicator (CO2eq), and the employment level. Two versions of the MOLP model are defined: a version with deterministic values and another one in which interval programming techniques are used for tackling the uncertainty in some coefficients of the model. The deterministic version of the model has 443 variables (including the total output of sectors and energy commodities and several economic variables) and a set of 490 (defining and bound) constraints. The objective functions considered are the maximization of GDP and employment levels, and the minimization of energy consumption and GHG emissions. The STEM and TRIMAP interactive methods are applied to the deterministic version of the model, allowing the exploration of compromise solutions according to the preference information issued by the decision maker (DM). STEM allows an interactive solution search process through the reduction of the feasible region based on the specification of relaxation quantities for the already satisfactory objective functions, thus providing information about the trade-offs that are at stake between the competing objectives in different regions of the search space. The TRIMAP interactive method offers a flexible search for solutions in a user-friendly graphical environment based on the display of indifference regions associated with vertex efficient solutions on the parametric diagram, allowing a progressive and selective exploration of compromise solutions. Both methods have provided relevant decision support information to a hypothetical DM assisting him/her in understanding the trade-offs at stake and identifying compromise solutions to the MOLP models. The interval version of the hybrid IO-MOLP model, which includes 518 constraints and 473 variables, is analyzed with an interactive approach involving the formulation of surrogate deterministic models for the interval MOLP model (based on the minimization of the worst possible deviation of the interval objective functions to their corresponding interval ideal solutions) and an interactive phase in which a synergy between the algorithm (providing information to the DM) and the DM (processing the information and providing guidelines for the computation process). This approach has allowed a reference point searching process based on the closeness of the values of the interval solution in relation to the ideal interval solution. Optimistic and pessimistic perspectives have been considered in order to search for solutions using different decision alternatives. Finally, impacts of different sugarcane cultivation and first-generation (1G) and second-generation (2G) bioethanol production processes on the Brazilian economic system and domestic bioethanol supply in prospective scenarios are analyzed with the deterministic version of the MOLP model. Technical coefficients for different configurations of combined 1G+2G bioethanol plants and sugarcane cultivation are estimated and introduced into the Brazilian technical coefficient matrix. The objective functions are the maximization of GDP and employment level, and the minimization of total energy consumption and GHG emissions. The maximization of the total bioethanol production in the country in each scenario is also considered. Non-dominated solutions are computed by minimizing a Tchebycheff distance to the ideal solution in each scenario. Extending the analysis to the whole economic system has complemented the process design and process-based analysis of prospective bioethanol production, contributing to identify indirect effects that can counterbalance the benefits. This thesis provides models, methodologies and knowledge based on the assessment of the solutions obtained in the different computation processes that is essential for the development of integrated approaches for prospective analysis of economic-energy-environmental trade-offs in a country and a specific sector.FCT - SFRH/BD/42960/200