El Modelo LEAP, principales características y su aplicación en el diseño de Políticas Energética y Ambientales

Ing. MSc. Nicolás Di Sbroiavacca

La Serena, Chile 28 de Junio de 2013

Presentación del Modelo LEAP I.

Introducción

II.

Descripción general del modelo

III.

Datos requeridos para su aplicación

IV.

Resultados a obtener del modelo

V.

Aplicaciones recientes

VI.

Conclusiones

VII.

Descripción detallada del Modelo LEAP

VIII.

Diseño del Modelo

1

Tipos de Modelos de Política Energética z

Modelos de Optimización –

–

z

Modelos de Simulación 9

9

z

Típicamente usados para identificar configuraciones de los sistemas energéticos al mínimo costo, sujeto a varias restricciones (ej.: un límite en las emisiones de CO2) Selecciona entre distintas tecnologías basado en sus costos relativos. Modelos de Comportamiento y Equilibrio z Simula la conducta de los consumidores y productores bajo determinadas señales (ej.: precios, ingresos, políticas). Típicamente utilizan iteraciones sucesivas para encontrar un equilibrio de mercado entre Demanda-Oferta. Modelos de Simulación de Coeficientes Técnicos z En lugar de simular decisiones que supondría representar la racionalidad de los consumidores y productores, usa explícitamente cálculos de salidas de dichas decisiones y examina las implicancias de un escenario. z La principal función de estas herramientas es manejar datos y resultados. Apropiado para la utilización de la técnica de escenarios.

Modelos Híbridos combinan elementos de los dos enfoques

I. Introducción z

LEAP (Long-range Energy Alternatives Planning System) su principal objetivo consiste en brindar un soporte integrado y confiable, para el desarrollo de estudios de planeamiento energético integral y de mitigación de GEI. Con este modelo se puede representar la matriz energética.

z

Es un modelo de simulación, del tipo “bottom-up” y consiste esencialmente en un modelo energético-ambiental basado en escenarios, del tipo “demand-driven”.

z

Frente a un determinado escenario de demanda final de energía, LEAP asigna los flujos energéticos entre las distintas tecnologías de abastecimiento energético, detecta las necesidades de ampliación de los procesos de producción de energía, calcula el uso de los recursos, impactos ambientales y los costos asociados.

2

I. Introducción z

Desarrollado por el Stockholm Environment Institute – (SEI-US).

z

Su primer versión data de 1980. A fines de los ´90 el modelo fue actualizado, (migra de DOS a Windows). Incorporación de una serie de herramientas de planificación energética. Actualizado por el SEI-US, y una serie de instituciones académicas internacionales, entre ellas Fundación Bariloche.

z

El modelo posee más de 18.219 usuarios en todo el mundo, distribuidos en 192 países.

z

Ha sido seleccionado por 85 países No Anexo I para llevar a cabo estudios de Mitigación GEI.

z

En 2003 se crea la iniciativa COMMEND, (Comunidad Mundial de Expertos Energéticos), coordinada por el SEI-US. Ofrece acceder a las novedades del modelo, oportunidad de capacitación y compartir experiencias de aplicaciones así como sugerencias de mejoras vía web.

z

Fundación Bariloche, es el punto focal para la difusión y capacitación en el uso del LEAP para América Latina y el Caribe. Desarrolló 11 Talleres regionales en Bariloche, 3 Talleres internacionales en Egipto y Tailandia y más de 20 talleres “in country” sobre la aplicación del LEAP en estudios de Prospectiva Energética y Mitigación al cambio climático en ALyC.

LEAP Mapa de Usuarios

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Algunos estudios realizados con LEAP z

Asean Energy Outlook (2012)

z

China’s Economics Climate Change (2009)

z

Estudio sobre la disminución de emisiones de Carbono en México (2009)

z

APEC Energy Demand and Supply Outlook (2009)

z

Copenhagen Climate Change (2009)

z

Prospectiva Energética de America Latina y el Caribe (2005)

Estado y Difusión del LEAP z

Disponible y sin cargo para instituciones académicas y gubernamentales localizadas en países en vías de desarrollo.

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Descargar de www.energycommunity.org

z

Soporte Técnico [email protected]

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II. Descripción del Modelo z

LEAP se enmarca dentro del conjunto de Modelos denominados de Simulación con Coeficientes Técnicos. En lugar de simular decisiones que supondría representar la racionalidad de los consumidores y productores o buscar una solución óptima, usa explícitamente cálculos de salidas de dichas decisiones y examina las implicancias de un escenario.

z

La lógica global del LEAP es clara, lo que hace que el modelo sea transparente.

z

Esto le posibilita al usuario representar fácilmente el sistema energético a analizar, y de ese modo visualizar claramente su funcionamiento. Permite identificar las implicancias de los escenarios del tipo “Qué pasaría si” (“What if”), así como los impactos derivados de cambios estructurales.

Formulación de la Política: Enfoque Metodológico Cambios en el contexto internacional (condiciones de borde)

Situación actual

Estrategia

P1

P2

Situación deseada

…

¿De qué se parte?

Pn ¿A qué se aspira?

¿Cómo actuar? Acciones (instrumentos, programas…) Recursos

Actores

Cambios en el contexto nacional (condiciones de borde)

5

Formulación de la Política Energética: Proceso para su elaboración

Escenarios y Prospectiva

Escenarios Escenarios T0

Estado del sistema en TH Escenarios

Estado del sistema en T0 TH Trayectoria real del Sistema

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Forecasting & Backcasting

?

Hacia dónde esta yendo la sociedad? forecast

? Dónde queremos que vaya? Cómo llegaremos allí? backcast

II. Descripción del Modelo

z

Los escenarios en LEAP están basados en la representación detallada de la forma en que la energía es consumida, convertida y producida en una región, bajo el control de un rango de supuestos alternativos sobre población, desarrollo económico, tecnologías disponibles y precios (variables explicativas del escenario).

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II. Descripción del Modelo z z

z

z

Los escenarios No pretenden acertar (prever, predecir) los estados futuros del sistema escenificado. Se trata tan solo de un conjunto de hipótesis, internamente coherentes, sobre la estructura y funcionamiento de los sistemas que se pretenden escenificar, referidos a posibles estados futuros de los mismos. En general los escenarios presentan un grado significativo de contraste (variedad cualitativa) como elemento de esencial importancia para la prospectiva. Tipos de escenarios: – –

Escenario de referencia (continuidad con el pasado) Escenarios Alternativos (progresiva ruptura de las tendencias del pasado; escenarios de Política)

II. Descripción del Modelo z

LEAP, aunque puede ser usado para identificar escenarios de mínimo costo (si se lo usa en conjunto con otros modelos o la herramienta de optimización del LEAP), no genera automáticamente escenarios de equilibrio de mercado.

z

Las ventajas más importantes de LEAP son su flexibilidad y facilidad de uso, permitiéndole al usuario pasar rápidamente del planteo de políticas energéticas y ambientales, al análisis de sus efectos, sin tener que utilizar modelizaciones complejas, permitiendo analizar los impactos de cambios estructurales.

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II. Descripción del Modelo ¾ ¿Qué

se puede hacer con LEAP?

9Análisis de políticas energéticas 9Análisis de políticas ambientales 9Planeamiento energético integrado 9Estudios de Mitigación GEI

II. Descripción del Modelo Representació Representación del Sistema Energé Energético Total ¾

Demanda: Demanda: evaluació evaluación detallada de la composició composición de la demanda por sector, subsector, usos finales y equipamientos. Crecimiento de la demanda demanda determinado por las relaciones de competencia entre combustibles, combustibles, intensidades energé energéticas equipamientos de transformació transformación y cambios estructurales definidas por el usuario.

¾

Transformació Transformación: evaluació evaluación detallada de la configuració configuración del sistema de oferta actual y futura. Definició Definición de detalle de las estructuras de transformació transformación definidas por el usuario. Disponibilidad de algoritmos flexibles que permitan definir mú múltiples entradas y salidas tales como en los casos de cogeneració cogeneración de calor y electricidad.

¾

Recursos: Recursos: representació representación simple de recursos renovables y no renovables.

¾

Medio Ambiente: Ambiente: representació representación de las emisiones GEI del sector energé energético y resto de sectores del INVGEI

¾

Balance oferta/demanda: oferta/demanda: presentació presentación completa del balance energé energético proyectado.

¾

Costos: Costos: aná análisis de los costos para la sociedad de un escenario en particular particular

9

LEAP - Flujo de Cálculos Datos Datos Demográficos Demográficos

Datos Datos Macro Macro -- económicos económicos Escenarios Energéticos Escenarios Energéticos Análisis Análisis de de Demanda Demanda Diferencias estadísticas estadísticas Diferencias

Cargas Cargas Ambientales Ambientales

Análisis de de Transformación Transformación Análisis

(emisión (emisión de de contaminantes) contaminantes)

Variación de de Stock Stock Variación

Análisis Análisis Integrado Integrado Costo Costo –– Beneficio Beneficio

Análisis Análisis de de Recursos Recursos Análisis de de emisión emisión del del sector sector Análisis no energético energético no

Externalidades Externalidades Ambientales Ambientales

El Arbol

II. Descripción del Modelo z

Es la principal estructura de datos para organizar la información y el modelo y para visualizar resultados.

z

Los Iconos indican el tipo de datos (ej.: categorías, usos, tecnologías, combustibles y efectos).

z

El usuario puede editar la estructura de datos y armarla en función de la información disponible.

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II. Descripción del Modelo Vista Principal del Modelo

III. Datos requeridos para su aplicació aplicación

Información Requerida:

¾Histórica: z z z z z z z

Balance energético del año base (Neta/Útil) Parámetros tecnológicos Intensidades energéticas para procesos de uso final y transformación energética Información sobre usos de la biomasa Costos por tecnología (Opcional) Costos de los distintos productos energéticos (Opcional) Coeficientes ambientales nacionales (Opcional)

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III. Datos requeridos para su aplicació aplicación

Información Requerida: ¾

Prospectiva:

• Información de escenarios socio-económicos y energéticos cubriendo los aspectos planteados en la información histórica (año base)

• Información sobre los cambios estructurales que se pretende simular hacia el futuro, tales como, procesos de sustitución entre energéticos, inclusión de nuevas tecnologías de oferta; elementos que deben estar incluidos en los escenarios

IV. Resultados a obtener del Modelo

¾ Prospectiva de la Demanda Energética ¾ Prospectiva de la Oferta Energética ¾ Impacto sobre los Recursos ¾ Impacto Ambiental ¾ Proyección de los Balances Energéticos ¾ Evaluación del impacto de medidas de Mitigación en el Sector Energético

¾ El horizonte de modelización:

mediano a largo plazo con paso

anual

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V. Recientes aplicaciones realizadas por FB 1.

Estudio Integral energético de Perú. OTERG-Ministerio de Energía. 2001

2.

Prospectiva de la Demanda energética en República Dominicana. Consejo Nacional de Energía. 2003

3.

Prospectiva energética del CONO SUR. OLADE. 2005

4.

Segunda Comunicación Nacional para UNFCCC. Componente B. Mitigación a través del desarrollo de la utilización de Energías Renovables. Secretaría de Medio Ambiente de la República Argentina. 2006

5.

Prospectiva de la Demanda y Oferta energética de la República Argentina. Secretaría de Energía de la Nación. 2007

6.

Estudio de la Línea de Base del mercado energético y su alternativa, el costo incremental del Proyecto, y la reducción esperada de las emisiones. Secretaría de Energía de la República Argentina. 2007.

7.

Argentina: Diagnóstico, Prospectivas y lineamientos para definir Estrategias posibles ante el Cambio Climático. Comercializadora de Energía del MERCOSUR. 2008

8.

El Salvador: Estudio de Mitigación del Sector Energía, ante el Cambio Climático. Componente de la 2CN. 2009.

9.

CEPAL: Fortalecimiento de Capacidades para el Diseño de Políticas Energéticas. Estudios de caso: Paraguay, Chile, Colombia, Bolivia y Uruguay. 2011.

10. OLADE. Estudio de Vulnerabilidad al Cambio Climático del Istmo Centroamericano. 2013 en curso.

VI. Conclusiones z

LEAP responde a un enfoque de modelización flexible, las relaciones básicas están todas representadas en términos físicos cuantitativos no sofisticados.

z

En función de la información de base disponible, el modelo permite simular y analizar los impactos de una política energética con mayor o menor grado de detalle.

z

Permite interactuar con otros modelos, introduciendo en LEAP sus resultados. Por ejemplo, se puede incorporar en LEAP los resultados de un análisis de expansión del sector eléctrico basado en modelos de optimización o se pueden utilizar sus propias herramientas para optimizar.

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VI. Conclusiones z

LEAP permite analizar los flujos de energía dentro de una región o entre la región y el resto del mundo. Se puede aplicar a nivel local, regional, nacional o mundial.

z

Con LEAP se puede analizar en detalle la demanda por uso final de energía por tipo de usuario, fuente y tecnología, así como todo el sistema energético (demanda-transformación-recursos).

z

Recomendado para analizar el impacto de cambios estructurales bajo la técnica de escenarios y para la elaboración y diseño de políticas energéticas.

VII. Descripción detallada del Modelo

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Capacidades del Modelo z

z

z

z

z

z

Demanda de Energía: – Se analiza desde un punto de vista jerárquico (nivel de actividad x intensidad energética). – Elección de metodologías (energía neta, energía útil). – Modelo óptimo para analizar la rotación de stock. Transformación: – Simulación de cualquier sector de transformación (generación eléctrica, transmisión y distribución, refinerías de petróleo, producción de carbón vegetal, extracción de carbón mineral, extracción de petróleo, producción de etanol, etc.) – Despacho del sistema eléctrico en base curvas de carga (opcional). – Modelización tanto exógena como endógena de la capacidad de expansión. Recursos Energéticos: – identificación de los requerimientos, producción, abastecimiento, importación y exportación. Costos: – Costos de todo el sistema: capital, O&M, combustibles, costos de energía ahorrada, externalidades medio-ambientales. Medio-Ambiente: – Todas las emisiones e impactos directos del sistema energético. – Emisiones No-energéticas y sumideros. Balances Energéticos: – Elaboración y proyección de balances

Menu Principal

Vista Principal del Modelo

View bar usado para cambiar las vistas (se puede ocultar)

Barra de Herramientas principal, brinda acceso a datos comunes (combustibles, referencias, efectos) y funciones comunes (salvar, area nueva, etc.)

Expresiones del Modelo

Arbol usado para organizar los datos de la estructura del LEAP

Barra de estado, muestra el area en la cual se esta trabajando (Freedonia S)

Resultados Intermedios como Gráficos o Tablas

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Barra de Vista General z

Vista de Análisis: Es la principal vista del LEAP: es donde se crean las estructuras de los datos, el modelo y los escenarios.

z

Vista de Resultados: es donde se pueden examinar los resultados de los escenarios en forma de gráficos y/o tablas.

z

Vista de Diagrama: Automáticamente genera el “Reference Energy System” mostrando el flujo de energía del area en estudio.

z

Balances Energéticos: muestra el balance energético del sistema energético en análisis para un año en particular.

z

Vistas Resúmenes: muestra las comparaciones del análisis costo-beneficio de los escenarios y otros reportes diseñados por el usuario.

z

Vistas Generales: donde se agrupan múltiples gráficos con fines de crear una presentación, según el criterio del usuario.

z

TED: Technology and Environmental Database – características tecnológicas, costos e impactos ambientales de aprox. 1,000 tecnologías energéticas.

z

Notas: donde el usuario documenta sus datos y los modelos utilizados

Modelización a Dos niveles 1.

2.

Los cálculos físicos básicos son manejados internamente por el modelo (demanda de energía, oferta energética, renovación del stock, despacho eléctrico y capacidad de expansión, necesidades de recursos, costos, emisiones, etc.). Modelos adicionales pueden ser incorporados por el usuario (ej.: el usuario puede especificar la penetración de una fuente en función de su precio, el nivel de ingreso y la política energética). –

–

El usuario puede especificar expresiones matemáticas como las utilizadas en hojas de cálculo y de este modo definir los datos y los modelos, describiendo como las variables pueden cambiar a lo largo del tiempo en los escenarios. Las expresiones pueden variar desde un simple número a complejas fórmulas matemáticas. Para ello se hace uso de: 1. 2. 3. 4.

funciones matemáticas, valores de otras variables, funciones para especificar como una variable que puede cambiar en el tiempo, o links con hojas de cálculo externas.

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Análisis de Demanda en LEAP z

Analiza consumos energéticos, así como los costos y las emisiones asociadas en una región.

z

La Demanda esta organizada dentro de una estructura arborescente jerárquica.

z

Típicamente organizado por sector, subsector, usofinal y artefacto.

z

Permite aplicar diferentes metodologías: – – –

Análisis de Usos-Finales: Energía = Nivel de Actividad x Intensidad Energética Prospectiva Econométrica Modelización con rotación del stock (Stock-turnover)

Un Simple Análisis de Demanda Energética en LEAP z

Identificar las variables socio-económicas que “controlan” el consumo energético.

• Organizar la estructura del consumo energético en forma de “árbol” jerárquico. z

Ejemplo: Sectores, Subsectores, Usos finales, Combustibles/Tecnología

z

Por lo general, se debe especificar el nivel de actividad total o global en lo más alto del “árbol”.

z

Desagregar el total de la actividad hacia los niveles más bajos del “árbol” (ej.: 30% de los hogares son urbanos, y de éstos el 45% posee heladera).

z

En el nivel más bajo del “árbol” especificar el combustible consumido por cada artefacto y asignar allí una intensidad energética anual (ej.:750 Kwh/hogar-año para heladeras eléctricas en el uso refrigeración).

z

Ejemplo: número total de hogares, valor agregado industrial, etc.

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Metodología para Representar la Demanda (1) 1. Análisis en Energía Final: e = a × i – –

Donde e=demanda energética, a=nivel de actividad, i=intensidad energética final (energía consumida por unidad de actividad) Ejemplo: la demanda energética en la industria del cemento puede ser proyectada basándose en las toneladas de cemento producidas y la energía usada por tonelada producida. Ambas variables pueden cambiar en el tiempo.

2. Análisis en Energía Util: e = a × (u / n) – –

Donde u=intensidad energética en energía útil, n = eficiencia Ejemplo: la demanda energética en los edificios cambiará en el futuro según: (1) cuanto más edificios se construyan [+a] (2) cuando la población adquiera mayor poder adquisitivo y como consecuencia acondicione más los ambientes [+u], o cuando mejore el aislamiento de los edificios [-u], o cuando la población cambie calderas menos eficientes (a diesel-oil por ej.) por otras más eficientes a gas natural o electricidad [+n].

Estructura de Demanda Hogares (8 millones)

Urbano (30%)

Electrificado (100%)

Iluminación (100%)

Existente (80%, 400 kWh/yr) Eficiente (20%, 300kWh/yr)

Refrigeración (80%)

Rural (70%)

Electrificado (20%)

Cocción (100%) Otros (50%)

No-Electrificado (80%)

• El árbol es la principal estructura de datos utilizada para organizar la información y los modelos, así como para visualizar los resultados. • Los iconos indican el tipo de datos (ej.: categorías, tecnologías, combustibles y efectos ambientales). • El usuario puede editar el árbol en la pantalla utilizando funciones (copy, paste, drag & drop). • La estructura puede ser detallada y orientada al uso-final, o muy agregada (ej.: sector por combustible). • Los detalles pueden variar de sector en sector.

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Estructura de la Demanda Households (2.25 million)

Lighting (100%)

High Income (23%)

Standard (80%, 400 kWh/yr) Efficient (20%, 300kWh/yr)

Heating (80%) Cooking (100%)

Middle Income (50%)

Space Cooling (50%)

Low Income (27%) Chemicals (1.0 - GDP index)

Industry (1.0)

Iron/Steel (400,000 tonnes) Wheat (200,000 hectares)

Agriculture (1.0)

All End-Uses (1.0)

Electricity (100%, 1.23 Gwhr) Natural Gas (100%, 42.3 MMCF Oil (100%, 18.5 Thousand TOE)

Machinery (90%)

New Tractors (15%, 0.5 TOE) Old Tractors (85%, 0.7 TOE) Other Equipment (20%, 0.2 TOE

Irrigation (40%)

Diesel Pumps Wind Pumps

Rice Cotton

Residencial Método 1)

Método 2)

a Electricidad (EE) cocción

Intensidad  Energética por  = a/hogar uso

EE A

GLP B

b EE iluminación

GN C

Variable Total Explicativa (A+B+C) = X (tep) Hogares

c EE Calentamiento Agua

Intensidad Energética Agregada X / hogares [tep/hogar-año]

en energía NETA

b/hogar

c/hogar

[tep/hogar‐año]

en energía NETA

b* /hogar

c* /hogar

[tep/hogar‐año]

en energía UTIL

Método 3)

Si se posee el  rendimiento  = a* /hogar en los equipos

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Metodología para Representar la Demanda (2) 3. Análisis del Stock: e = s × d •

•

Donde s=stock, d=intensidad del artefacto (energía utilizada por el artefacto). El Stock es modelado endógenamente en base a las existentes ventajas comparativas de los artefactos, las ventas de nuevos artefactos y la tasa de obsolescencia de los mismos. Ejemplo: cuán rápido se producirá un ahorro energético debido a la penetración de heladeras más eficientes, considerando una tasa de penetración de éstas y una rotación del stock existente?

4. Análisis del Sector Transporte: e = s × m / fe • • • •

Donde s = parque, m = kilómetros recorridos, fe = consumo especifico (Km/litro) y e = consumo energético. Permite calcular la rotación del parque vehicular. Permite también calcular las emisiones por vehículo-km Ejemplo: permite modelar el impacto en el consumo energético de la penetración de vehículos de bajo consumo específico, así como sobre las emisiones.

Expresiones •

Similar a las expresiones de las planillas de cálculo.

•

Usadas para especificar el valor de las variables.

•

Las expresiones pueden ser valores numéricos, o una fórmula que produce diferentes resultados en cada año.

•

Puede usar varios tipos de funciones, o referenciarse a valores de otras variables.

•

Pueden estar vinculadas a planillas de Excel.

•

Herencia de un escenario a otro.

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Algunos ejemplos de Expresiones z

z

z

z

z

z

z

Número Simple – Calcula un valor constante en cada año de los escenarios. Fórmula Simple – Ejemplo: “0.1 * 5970” Tasa de Crecimiento (Growth Rate) – Ejemplo: “Growth(3.2%)” – Calcula crecimiento exponencial en el timepo. Función Interpolar – Ejemplo: “Interp(2000, 40, 2010, 65, 2020, 80)” – Calcula cambios graduales entre valores Función Escalón (Step Function) – Ejemplo: “Step(2000, 300, 2005, 500, 2020, 700)” – Calcula cambios discretos entre años particulares Crecimiento Como (GrowthAs) – Ejemplo: “GrowthAs(Income,elasticity) – Calcula años futuros usando el valor del año base de la rama y la tasa de crecimiento de otra rama. Muchas otras!

Edición de Expresiones z

Existen cuatro modos para editar una expresión: – Tiperala direcamente en el campo de expresiones en Analysis View. – Seleccionar una función (Interp, Growth, Remainder, etc.) a partir de las expresiones del modelo. – Usando el Time-Series Wizard para introducir gráficamente funciones de serie de tiempo o links con planillas en Excel. – Usando el Expression Builder: una herramienta de propósito general del tipo drag & drop para crear expresiones.

La etiqueta iluminada indica la variable que esta observando

Las expresiones en Azul indican que son propias del escenario bajo análisis

Las expresiones en Negro corresponden al escenario Parent”

21

Construcción de Expresiones Área de edición de las expresiones

Haga Click aquí para incluir en las expresiones las funciones seleccionadas

Cada función está documentada

La barra de herramientas brinda un rápido acceso a operaciones matemáticas

El Time-Series Wizard

22

Tres diferentes modos de Importar información desde Excel Copiar (copy) un rango de datos desde Excel (Ctrl-V) y luego pegar (paste) en LEAP expression (Ctrl-V). Si el rango tiene mas de dos columnas e incluye años en la primer fila/columna, entonces LEAP automáticamente creará una función “Interp” para aquellos años/valores. Si tuviera una única fila/columna, LEAP sugerirá los años.

z

z

•

Usando el Time-Series Wizard para importar datos o crear un vínculos dinámico con un rango nombrado en una planilla Excel. Si importa como vinculos dinámico, LEAP automáticamente actualizará cada vez que la planilla sea modificada y salvada. Usando el Menu Análisis: Funciones para Importar desde Excel & Exportar

a Excel: i.

Exportar a una archivo de Excel en blanco conteniendo la estrucutra de datos y variables armada en LEAP. Agregar sus propios datos dentro de la planilla. Importar esta planilla en LEAP y automáticamente LEAP importa ajustando los valores, unidades, datos y expresiones.

ii. iii.

Ramas del Árbol z

Categoría: ramas usadas principalmente para organizar otras ramas dentro de una estructura jerárquica.

z

Uso- Final (End-use): estas ramas se refieren a situaciones donde las intensidades energéticas están especificadas para un uso final agregado (por no contar con datos de consumos ni intensidades por tecnología), en lugar de estar especificadas para un combustible y artefacto determinado. Se usa principlamente cuando se efectuan análisis en términos de energía útil.

z

Tecnología: estas ramas son usadas para representar el consumo final de energía a nivel de los artefactos, por lo tanto al seleccionar este tipo de rama el usuario deberá también seleccionar el combustible utilizado. Las tres metodologías básicas con que cuenta LEAP para analizar la Demanda, están representadas por estos tres iconos:: –

Análisis por Nivel de Actividad, en el cual el consumo de energía es calculado como el producto de un Nivel de actividad y una intensidad energética anual (energía usada por unidad de actividad).

–

Análisis de Stock, en el cual el consumo de energía es calculado analizando el stock actual y proyectado de los artefactos que usan energía, y la intensidad energética anual de cada artefacto.

–

Análisis de Transporte, en el cual el consumo de energía es calculado como el producto del número de vehículos, la distancia anual viajada por vehículo y el consumo específico por vehículo.

z

Variables Principales (Key Assumptions) son ramas que se utilizan para indicar variables independientes (demográficas, macroeconómicas, etc.)

z

En las ramas de Transformación, las ramas de combustibles indican el insumo energético, los insumos auxiliares y los output de cada módulo de transformación. En los Recursos, estos indican recursos primarios y secundarios que son producidos, importados y exportados en el área en estudio.

z

Efectos, se trata de ramas que indican lugares donde hay cargas ambientales (emisiones) que luego LEAP calcula.

23

Escenarios en LEAP z

z

z

z

z z

Elaboración de un conjunto de hipótesis coherentes acerca de cómo evolucionará un sistema energético a lo largo del tiempo bajo unas particulares circunstancias socio-económicas y bajo una particular política energética. Herencia, permite al usuario crear escenarios jerárquicos que heredan expresiones por defecto de sus escenarios “parent o relacionados”. Todos los escenarios heredan información del Current Accounts (Año Base) minimizándose de este modo el ingreso de datos y permitiendo retener supuestos comunes en una familia de escenarios. Multiple Herencia, permite a los escenarios heredar expresiones de más de un escenario “parent”. Util para examinar medidas individuales de política energética, las cuales pueden ser combinadas para crear escenarios integrados. En LEAP el comando Gestionar Escenarios es usado para organizar escenarios y especificar la herencia múltiple. En Vista de Análisis, las expresiones están coloreadas en forma de código para mostrar cuales expresiones han sido ingresadas explícitamente en el escenario (azul), y cuales son heredadas del “parent” escenario (negro).

Gestionar Escenarios

El Arbol muestra la estructura de las herencias del escenario

Las abreviaciones entre paréntesis corresponden a otros escenarios heredados

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Forecasting & Backcasting Hacia dónde esta yendo la sociedad? forecast

?

? Dónde queremos que vaya? Cómo llegaremos allí? backcast

Tres Típicos abordajes para modelizar la  Demanda en LEAP

z Bottom-Up/End-Use z Top-down/Econométrico z Modelos

Desdoblados

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Modelización Bottom-Up/Uso-Final Contabilización ingenieril detallada para todos los sectores/subsectores/usos-finales/artefactos que consumen energía. Pros:

z

z

Provee un entendimiento fundamental acerca de cómo la energía es usada en la economía: por lo tanto es probablemente el mejor abordaje para pensar en transiciones de largo-plazo. Es el mejor abordaje para capturar los impactos de cambios estructurales y políticas tecnológicas, basadas en mejoras de la eficiencia energéticas, entre otras.

–

–

Contras:

z

Intensivo en información. Altamente dependiente de los expertos energéticos para la estimación de tendencias e hipótesis. Difícil para capturar impactos de políticas fiscales (ej.: Carbon tax).

– – –

Modelización Top-down/Econométrico z

z z

z

Es una abordaje más agregado, a menudo con el consumo de energía abierto sólo en sectores y combustibles. Requiere menos información pero se basa en series de tiempo históricas que deben ser confiables. La prospectiva de los consumos se efectua usando simples tendencias históricas o utilizando relaciones econométricas agregadas (PBI, precios, etc.) Pros: –

z

Puede capturar impactos de corto plazo de políticas de precios (ej.:Carbon tax)

Contras: –

No es adecuado para escenarios de largo plazo, dado que las variables exógenas (ej.: precios) son en si mismas poco conocidas. No es adecuado para examinar políticas basadas en cambios tecnológicos.

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Modelos Desdoblados Es un abordaje híbrido: consiste en un escenario de base cuya prospectiva se efectua utilizando el abordaje top-down. Escenarios alternativos son modelizados, tal como medidas de políticas que reducen la demanda de energía en el tiempo. En LEAP, éstas son ingresadas como “cargas” negativas del consumo: por lo tanto substrae demanda del escenario de base en cada sector. Pros: – Requiere menos información que el abordaje del uso final, pero permite capturar los efectos de una política basada en cambios tecnológicos (cosa que no puede el abordaje del tipo topdown). Contras: – Al no tratarse de un modelo completo del tipo use-end, no permite visualizar como cambiará en el largo plazo la estructura del sistema energético. Su uso es limitado a situaciones donde las medidas implican cambios menores, respecto del escenario de base.

z

z

z

z

Análisis del Sector Transformación z z z z

z

z z

Objetivo: conversión de la energía, transmisión, distribución y extracción de recursos. Simulación basada en la Demanda y en conceptos ingenieriles (no hay retro-alimentación oferta-demanda). Dos niveles jerárquicos: “modulos” (sector de transformación), cada uno contiene uno o más “procesos” (tecnologías). Sistema amigable para la carga de datos, y elección de los métodos para la simulación del despacho para alcanzar los picos de potencia requeridos. Capacidad de expansión Exógena y/o Endógena. Capacidad endógena agregada en los escenarios para mantener el margen de reserva planificada. Curvas de Oferta. Calcula importaciones, exportaciones y requerimientos de recursos primarios. Identifica costos y cargas medio-ambientales.

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Modulos de Transformación Fuente auxiliar

Fuente de salida

Proceso (despacho, eficiencia)

Fuente ingresada

Fuente de salida

Proceso (despacho, eficiencia)

Fuente ingresada

Fuente ingresada

Módulo (Propiedades) Fuente de salida

Fuente ingresada Proceso (despacho, eficiencia)

Fuente ingresada Fuente ingresada

Fuente de salida

Proceso (despacho, eficiencia)

Fuente ingresada Fuente ingresada

Fuente de salida

Proceso (despacho, eficiencia)

Fuente ingresada Fuente ingresada

Fuente auxiliar

Co-producto Ej.: Calor

Simulación de la Generación Eléctrica

Hay dos temas a considerar: 1.

2.

Expansión de la Capacidad: ¿Qué capacidad incorporar y cuando construirla? (MW) Despacho: Una vez construída, ¿Cómo deberían ser operadas las plantas? (MW-Hr)

28

Expansión de la Capacidad

Hay dos modos para especificar la actual y futura capacidad: 1.

2.

Capacidad Exógena: el usuario especifica la capacidad actual y futura, así como los retiros. Capacidad Endógena: el usuario especifica el tipo de plantas a ser construidas y LEAP decide cuando agregar esas plantas a fin de mantener un determinado margen de reserva planificado.

Dos Modos de Despacho Modo 1: Histórico: LEAP simplemente despacha las plantas basándose en la generación histórica 2. Modo 2: Simulación: las plantas son despachadas, basándose en varias reglas de despacho, desde una muy simple (% del total de la generación) hasta más sofisticadas (despachadas por orden de mérito o en costos de funcionamiento ascendentes) Establecer el First Simulation Year para cada proceso, de modo de determinar hasta cuando usar información histórica y a partir de que momento el modelo usa el modo simulación. El usuario puede mezclar reglas o modos de despacho entre procesos aledaños (ej.: despachar la eólica como porcentaje para alcanzar un determinado objetivo de penetración de renovables, pero despachando el resto de las plantas en orden de mérito) 1.

29

Entendiendo el Despacho

Diferentes Reglas de Despacho de los Procesos de un Módulo de Transformación Si no se dispone de información de las Capacidad de los Procesos: z

Modulo Simple no Despachado: sirve para representar procesos de pérdidas en Transmisión y Distribución. No se identifica el combustible saliente, sólo el entrante y la eficiencia o las pérdidas del proceso

z

Por Participación de los Procesos: se utiliza cuando no se dispone de las capacidades pero sí de la participación de cada proceso en el módulo. Ejemplo: el módulo eléctrico produce 45% de la EE con CM y el 55% con Hidro-energía. Sirve para incorporar datos de modelos exógenos al LEAP.

30

Diferentes Módulos de Transformación (cont.) Si se dispone de información de las Capacidad de los Procesos: z

En proporción a la Capacidad Disponible: en este caso el proceso es despachado de forma tal de mantener la relación entre las máximas capacidades disponibles de cada planta (capacidad * factor de capacidad máximo), hasta satisfacer los requerimientos.

z

Producir a Plena Capacidad: en este caso el proceso se despacha en función de la máxima capacidad sin considerar los requerimientos. Se usa este tipo de despacho en aquellos casos donde se quieren simular escenarios que generen eventuales saldos exportables.

Diferentes reglas de Despacho del Sistema Eléctrico Si se dispone de información de las Capacidad de los Procesos y de una Curva de Carga del Sistema: z

z

En Función del Orden de Mérito (excepto en el Año Base): se usa esta opción para simular el despacho eléctrico, alcanzando la demanda anual así como la demanda instantánea de potencia en los diferentes períodos en que fue calculada la curva de carga. Las plantas se despacharán de acuerdo a su orden de mérito. En el año base las plantas son despachadas según la información consignada en dicho año. En Función del Orden de Mérito (todos los años): es igual al anterior con la salvedad de aquí se puede estimar el año base, en el caso de no estar disponible dicha información.

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Diferentes reglas de Despacho del Sistema Eléctrico (cont.) Si se dispone de información de las Capacidad de los Procesos y una Curva de Carga del Sistema, además de los Costos: z

En orden Creciente de los Costos Variables: esta opción es similar a la de “orden de mérito” con la diferencia que el proceso de despacho será en orden ascedente de sus costos de operación (costos variables + costo del combustible).

Despacho de la Generación Eléctrica z

z

z

z

Las plantas son despachadas para lograr al mismo tiempo abastecer la demanda (en MWh) asi como el pico de demanda instantáneo, el cual puede variar por hora, día o estación. El usuario puede exógenamente especificar la duración de la curva de carga y LEAP despachará las plantas por orden de mérito. Alternativamente, la forma de la curva de carga puede ser especificada para cada artefacto, de modo que la curva de carga global del sistema sea calculada endógenamente por LEAP. Por lo tanto, los efectos de una política de DSM sobre la forma de la curva de carga global, puede ser explorada por diferentes escenarios. El despacho de las plantas puede también variar por estación (ej.: para reflejar como las hidro son despachadas entre estaciones secas y húmedas).

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Curva de Demanda Horaria z

Hora-por-hora la curva de carga – –

1

La Demanda de Potencia en cada hora del año Area = Potencia (kW) x tiempo (1 hora) = Energía (kWh)

2

3

4

5

6

7

8

9

10

ÉÉ

ÉÉ

ÉÉ

8759

8760

hour number in year

Duración de la Curva de Carga z

Reordenar la curva de demanda horaria –

1

Las horas en el eje de las X representa el número de horas/año que la demanda es mayor o igual que un valor particular

2

3

4

5

6

7

8

9

10

ÉÉ

ÉÉ

ÉÉ

8759 8760

hour number in year

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Curvas de Carga y Despacho Eléctrico 100 95

Centrales de Punta

90 85

Porcentaje del Pico de Carga

80 75 70 65

Centrales Intermedias

60 55 50 45 40 35 30

Centrelas de Base

25 20

Capacidad (MW) * Factor de Capacidad Máximo

15 10 5 0 0

500

1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 4,000 4,500 5,000 5,500 6,000 6,500 7,000 7,500 8,000 8,500

Horas Acumuladas

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Cálculos de Despacho Eléctrico para una Curva de Carga Exógena

Cálculos de Despacho Eléctrico para una Curva de Carga Endógena

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Fórmulas para la incorporación endógena de Centrales Eléctricas en LEAP z

Margen de Reserva Planificado(%) = 100 * (Capacidad Firme del Módulo(MW) - Carga Máxima) / Carga Máxima (MW)

z

Capacidad Firme del Módulo(MW) = Suma (Capacidad (MW) * Factor de Capacidad (%)) para todos los procesos del módulo

z

Carga Máxima del Sistema (MW) = Producción Total (MW-h/año) Factor de Carga (%) x 8760 (h/año)

z

Factor de Carga = Producción Total (MW-h/año) Carga Máxima del Sistema (MW) x 8760 (h/año)

z

El Factor de Carga lo calcula LEAP a partir de la Monótona de Carga.

Simulación de Refinerías z

z

z z

Utiliza las mismas estructuras básicas de módulo que el sector Generación Eléctrica, pero generalmente presenta un único input (petróleo) y múltiples outputs (gasolina, diesel, kerosene, LPG, fuel oil , etc.) Los outputs son producidos en una proporción específica, y el módulo completo es corrido por el modelo hasta el punto en el que la demanda de los “derivados prioritarios” es alcanzada (asumiendo que el módulo tiene capacidad suficiente). Otros derivados son considerados sub-productos y pueden o no ser producidos en cantidades suficientes. Se deben utilizar las reglas de simulación del LEAP para instruir al modelo acerca de lo que debe hacer en caso de existir superavit de producción de algunos derivados (export or waste) o deficit (importar o ignorar).

36

Simulación de una Refinería Simple

Módulos de Transformación con Retroalimentación

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2. Vista de Resultados Diferentes categorias de reportes son disponibles para las diferentes ramas.

La misma estructura usada para navegar a traves de los resultados y ver mas o menos informacion detallada.

Reportes diseñados visualmente seleccionando los datos para el eje X y las leyendas.

3. Vista Diagrama “Zoom in” provee mas informacion detallada sobre el modulo.

Resalta informacion sincronizada con las ramas del arbol en otras vistas.

Vistas Diagrama puede ser usado para ver el flujo de energia del sector de transformacion.

38

Ejemplos de Modulos de Transformación: Generación Eléctrica

4. Balance Energético

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Balances Energéticos Es un sistema de contabilización que describe los flujos de energía a través de la economía, durante un período dado.

Importaciones

Sector de transformación Pérdidas y Consumos propios

Consumo No energético (petroquimica, fertilizantes, etc.)

P + I − X = L + CF + CNE + DS Energía Primaria Exportaciones Total Producida

Energía Total Final usada en sectores de consumo

Variación neta de los Stocks

Ejemplo del Balance Energético de la IEA Apertura por Sector y Actividad Apertura por fuente energética

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Balance Energético en LEAP z

z z z

z z

Los resultados son automáticamente formateados con tablas estandar para un balance energético, usando en el menú: Energy Balance View. Los Balances pueden ser vistos para cada año, escenario y región en diferentes unidades. Las columnas del Balance pueden ser cambiadas entre los distintos combustibles, agrupando combustibles, años y regiones. Las filas del Balance corresponden a los sectores de la Demanda y los módulos de Transformación. Opcionalmente puede mostrar la demanda de los subsectores. Los Balances se presentan en cualquier unidad energética. Los Balances pueden también mostrarse como cuadros o en formato de diagramas de energía.

Tabla de Balance Energético en LEAP

41

Diagrama Energético en LEAP

83

Análisis Multi-Regional z z z

z

z

LEAP permite efectuar análisis de multi-regiones. Las Regiones aparecen como dimensión extra de datos. Cada region comparte una estructura arborescente básica similar, aunque las ramas pueden ser selectivamente escondidas en diferentes regiones. Todos los resultados pueden ser sumados y presentados a lo largo de las regiones o agregados dentro de grupos de regiones LEAP permite simular cálculos de comercio interregional, por lo tanto los requerimientos de importaciones de las regiones se convertirán en drivers de la producción y exportación en otras regiones.

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Resultados para una Multi-Region Data Set en LEAP

5. Resúmenes: Análisis Costo-Beneficio Social en LEAP •

•

•

•

Perspectiva Social de los costos y beneficios (ej.: costos económicos no análsis financiero). Evitar la contabilización doble, delimitando barreras acerca del análisis. El análisis de Costobeneficio calcula el Valor Presente Neto (VPN) de las diferencias entre los costos de dos escenarios. VPN suma todos los costos en todos los años del estudio descontados a un año en comun.

Demanda (costos de la energía ahorrada, costo de los artefactos, otros costos no energéticos)

Transformación (costos de capital y O&M)

Costos de los recursos energéticos primarios o costos de los combustibles distribuidos

Costos de externalidades ambientales

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Ejemplo Simple de un Análisis de CostoBeneficio Dos escenarios que satisfacen el crecimiento futuro de la demanda eléctrica en iluminación:

z

1. Caso Base – Demanda: la demanda futura es cubierta con lámparas incandescentes. – Transformación: el crecimiento de la demanda es cubierto con nuevas centrales que utilizan combustibles fósiles.

z

2. Caso Alternativo – Demanda: programa de DSM permite el incremento de la penetración de tubos fluorescentes más eficientes (son más caros que la alternativa incandescente). – Transformación: Menor crecimiento en el consumo energético, además de inversiones para reducir pérdidas en T&D, lo que significa requerimientos menores de generación.

Ejemplo Simple de un Análisis de Costo-Beneficio (cont.)

z z

El Caso Alternativo… usa lámparas más caras, (pero de mayor vida útil). z

Resultado: depende de los costos, vida útil , & tasa de descuento

z

requiere capital extra e inversiones en O&M en el sistema de T&D del sectro eléctrico.

z

requiere menos cantidad de centrales eléctricas nuevas a ser construidas (menos costos de capital y en O&M).

z

requiere menos combustibles fósiles a ser producidos o importados.

z

produce menos emisiones (por usar menos combustibles).

z

z

z

z

Resultado: costos netos adicionales

Resultado: beneficios netos adicionales Resultado: beneficios netos adicionales Resultado: beneficios netos adicionales (pueden no ser valorizados)

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5. Vistas Generales

6. TED: Technology and Environmental Database z

z

Información Cuantitativa: características tecnológicas, costos e impactos ambientales de las tecnologías energéticas. Información Cualitativa: Guía sobre las tecnologías apropiadas para satisfacer los requerimientos, basada en información de páginas “web”.

45

Campos de la TED z z z

z z z

Información: páginas basadas en sitios web que facilitan al usuario identificar la tecnología buscada. Datos Generales: estado actual de desarrollo, posibles aplicaciones regionales, tiempo de construcción y vida útil. Datos Tecnológicos: eficiencia/intensidad energética; materia prima y combustilbes utilizados, capacidades, factor de capacidad, etc. Datos de Costos: capital, Operación & Mantenimiento, etc.. Impactos Ambientales: coeficientes e información de base. Notas y Referencias: vinculación a bases de datos y bibliografía detallada.

Estructura de la TED Fields Information Pages

Technology Data

Cost Data

Environmental Notes Reference Impacts

Technologies Demand

Conversion

Database Contents

Supply: Extraction Transmission & Distribution

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Así como en el LEAP, la informacion en la TED esta organizada en forma jerarquica usando la estructura arborescente.

Informacion basada en paginas Web, las que proveen una guia para la selección de la tecnologia.

7. Notas Barra de herramientas para formatear Notas. Ingresar Notas en cada una de las ramas del arbol, usando el procesador de texto o copiando y pegando. Las Notas pueden incluir, tablas, hojas de calculo, etc.

Vincula Notas con referencias bibliograficas almacenadas en la base de datos de referencias.

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Indicadores z

z z

z

Se trata de una rama opcional en la estructura arborescente básica de LEAP, utilizada para calcular variables definidas por el usuario. Tal como Key Assumptions, éstas no son directamente utilizadas en los cálculos de LEAP. A diferencia de Key Assumptions, los Indicadores son calculados luego de haberse completados los cálculos de LEAP, por lo tanto estos pueden incluir referencias a datos y/o resultados. Se pueden utilizar una serie de Funciones de Indicadores que permiten normalizar los cálculos para generar comparaciones entre regiones y escenarios (ej.: rankings, relaciones, etc.).

Terminología • • • • •

•

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• •

Area: el sistema a ser estudiado (ej.: pais o región). Current Accounts: los datos que describen el Año Base (primer año) del período en estudio. Escenario: corresponde a un conjunto consistente de hipótesis acerca del futuro, partiendo del “Current Accounts”. El LEAP puede tener un numero ilimitado de escenarios. Arbol: es la principal estructura organizacional del LEAP – visualmente es similar al árbol del Windows Explorer. Rama: es una desagregación del árbol. Esta puede estar organizando categorias, artefactos utilizados en la demanda, módulos de Transformación, procesos de Transformación, variables independientes, etc. Variable: son los datos de una rama. Cada rama puede tener múltiples variables (ej.: una demanda tecnológica, puede tener un nivel de actividad, intensidad energética, costos y variables de eficiencia). El tipo de variables depende del tipo de rama y de sus propiedades. Desagregación: consiste en el proceso de análisis del consumo energético a partir de la desagregación de la demanda total entre los diferentes sectores, sub-sectores, usos finales y artefactos con los cuales se consume la energía. Expresión: es una fórmula matemática usada en LEAP para especificar la variable dentro de la rama a calcular. Las expresiones pueden ser valores simples, o fórmulas matemáticas que producen diferentes resultados en cada año de cada escenario. Share: (>= 0% and = 0% and