ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ (ΕΜΠ) Σχολή Πολιτικών Μηχανικών ΠΜΣ «Επιστήμη και Τεχνολογία των Υδατικών Πόρων» Γεώργιος Καρακατσάνης Υποψήφιος Διδάκτορας Εργασία για το μάθημα: Διαχείριση Υδατικών Πόρων Κύριο αντικείμενο: Εκτίμηση και διαχείριση αβεβαιότητας με τεχνικές προσομοίωσης Αθήνα, Μάρτιος 2013 Διατηρήσιμη Ανάπτυξη και Διαχείριση Νερού σε Καθεστώς Αβεβαιότητας

Διαστάσεις διατηρήσιμης διαχείρισης υδατικών πόρων Ποιότητα υδάτων: 3,5 εκ. θάνατοι ετησίως από κατανάλωση μολυσμένου νερού Παραγωγή ενέργειας: 15% της διεθνούς ηλεκτροπαραγωγής το 2007, με δυνατότητα να αντιστοιχεί στο 45% με την παρούσα τεχνολογία Αγροτική παραγωγή: Απαιτεί το 70-90% της συνολικής διεθνούς χρήσης γλυκού νερού Πληθυσμιακή αύξηση: Εκτιμώμενη αύξηση από τα ~7 δις στα ~9 δις μέχρι το 2050 Ανάκτηση: Το 80% του χρησιμοποιημένου νερού διεθνώς δεν ανακτάται Χρηματιστηριακές αγορές: Μεταβλητότητα τιμών καυσίμων εως και 100% τα τελευταία 5 έτη Γεωπολιτικές συγκρούσεις: Για το 60% των συνολικά 276 διεθνών λεκανών απορροής δεν υπάρχει καμμία συμφωνία διακρατικής συνεργασίας Επάρκεια για τα οικοσυστήματα: Η αξία του καθαρισμού του νερού από τα οικοσυστήματα υπολογίζεται στα US$ 7.236/ha/y (ως τεχνολογικό ανάλογο) Πλημμύρες: Αντιπροσωπεύουν το 90% του συνόλου των φυσικών καταστροφών Πηγή: United Nations World Water Development Report 4 (WWDR 4), 2012

Διατηρήσιμη Ανάπτυξη (Sustainable Development) Ορισμός Brundtland (1987): Είναι η ανάπτυξη, η οποία ικανοποιεί τις ανάγκες της παρούσας γενεάς δίχως να στερεί την δυνατότητα ικανοποίησης των αναγκών των μελλοντικών γενεών Ανάδειξη ζητημάτων: Διαγενεακή δικαιοσύνη: Κάθε γενεά θα πρέπει να διατηρεί διαχρονικά τις ίδιες ή καλύτερες παραγωγικές δυνατότητες (Δυναμική βελτιστοποίηση Pareto) Ενδογενεακή δικαιοσύνη: Δεν περιλαμβάνονται ζητήματα δίκαιης τρέχουσας κατανομής του πλούτου Εξαντλήσιμοι πόροι: Η κατανάλωσή τους από μια γενεά στερεί μη αντιστρεπτά κατανάλωση από την επόμενη. Ποιό είναι το πιο κατάλληλο αντιστάθμισμα; Ανάπτυξη (Development, ποιοτική αναβάθμιση) ≠ Μεγέθυνση (Growth, ποσοτική επέκταση) Πηγή: Karakatsanis (2010b)

Διατύπωση του προβλήματος Το ζήτημα της διατηρησιμότητας συνδέεται άμεσα με την παραγωγή Εντροπίας (Roegen 1971) Μακροσκοπικά η Εντροπία εκδηλώνεται ως μη διαθεσιμότητα της ενέργειας για περαιτέρω παραγωγή έργου Μικροσκοπικά (στατιστικά) η Εντροπία εκδηλώνεται ως αβεβαιότητα Η οικονομική ωφέλεια ενός φυσικού πόρου είναι αντιστρόφως ανάλογη της εντροπίας ή της αβεβαιότητας της διαθεσιμότητάς του (Roegen 1986) Συνάρτηση στόχου: Ελαχιστοποίηση της αβεβαιότητας της διαθεσιμότητας του πόρου Μέθοδος: Ανακύκλωση (εφόσον δεν είναι δυνατός ο έλεγχος των φυσικών διεργασιών) Γραμμικό μοντέλο παραγωγής Κυκλικό μοντέλο παραγωγής Διαχρονικός μετασχηματισμός του μοντέλου παραγωγής

Ένα ιστορικό παράδειγμα μη διατηρησιμότητας: Η θερμοδυναμική κατάρρευση της Ρώμης... 1. Οι περισότερες κτήσεις μέχρι το 44 π.Χ. αφορούσαν έυφορες περιοχές που κάλυπταν το κόστος της συντήρησης του κράτους και του στρατού 2. Οι ανατολικές επαρχίες ήταν εξαιρετικά προβληματικές στην διόικηση απαιτώντας μεγάλες εισροές σε σιτηρά για να συντηρούνται οι φρουρές 3. Οι περισσότερες κτήσεις από το 44 π.Χ και μετά αφορούσαν σε άγονες περιοχές που ήταν καθαροί καταναλωτές σε φυσικούς πόρους. Για τον Tainter (1989) ξεκίνησε μια περίοδος Αρνητικών Οριακών Αποδόσεων 4. Επιδρομές βαρβαρικών φύλλων από τον Βορρά προκάλεσαν φθορές στα υδρολογικά έργα που συντηρούσαν την αγροτική παραγωγή

Περιοριστικοί παράγοντες αύξησης του συστήματος Έχει νόημα η προσπάθεια βελτίωσης της απόδοσης της χρήσης ενός πόρου; Το Παράδοξο του Jevons: Η αύξηση της απόδοσης της χρήσης του πόρου οδηγεί στην καθαυτή αύξηση της χρήσης του πόρου (The Coal Question, 1865) Ο Νόμος του Ελαχίστου του von Liebig: Η αύξηση ενός (αγρο)συστήματος εξαρτάται από τον πόρο που βρίσκεται στην μέγιστη σχετική σπανιότητα Προσαρμογή στην οικονομία: Πρακτικά τίθεται άνω όριο στο Παράδοξο του Jevons, αφού ακόμα και με απεριόριστη διαθεσιμότητα ορυκτών καυσίμων η συνεχής επέκταση θα περιοριστεί από άλλο συμπληρωματικό πόρο (π.χ. φυσικό χώρο) Χi = ζήτηση του πόρου i Αi = φυσική διαθεσιμότητα του πόρου i

Απαιτήσεις της οικονομίας σε υδατικούς πόρους Η αγροτική παραγωγή απορροφά το 70% των πόρων γλυκού νερού, ενώ στις αναπτυσσόμενες το ποσοστό αυτό φθάνει το 90%. Ενδεικτικά, οι παραγωγές: - 1 kg μοσχαρίσιου κρέατος ~15,000 lt νερού - 1 kg ρυζιού απαιτεί ~3,500 lt νερού - 1 kg καλαμποκιού απαιτεί ~1400 lt νερού - 1 kg σιταριού απαιτεί ~900 lt νερού - 1 lt γάλακτος ~ 1000 lt νερού - 1 κούπας καφέ ~140 lt νερού - 1 βαρελιού πετρελαίου εκτιμάται πως θα απαιτεί μέχρι το 2035 1,5 βαρέλια νερού ανά ημέρα Η εξοπλισμένη για άρδευση αγροτική γη αυξήθηκε από 170∙106 ha το 1970 σε 304∙106 ha το 2008 To 2010 επενδύθηκαν 10 δις $ σε αρδευτικά συστήματα την στιγμή που η διεθνής αγορά εμφιαλωμένου νερού φθάνει τα 59 δις $ Πηγή: WWDR 4, 2012

Αβεβαιότητα στην χρηματιστηριακή αγορά ενέργειας Η κοινωνία θα πρέπει να μπορεί να παράγει την ενέργειά της με εναλλακτικό τρόπο για όσο διάστημα διατηρηθούν οι υψηλές τιμές Πηγή: ΕΙΑ(2010) Πηγή: International Energy Agency (2011) (Historical Data) Χρηματιστηριακά παράγωγα ενέργειας: Αφορούν σε δέσμευση μελλοντικής αγοράς πετρελαίου σε κλειδωμένη ισοτιμία Όταν η τιμή της αγοράς ξεπερνά την μέγιστη αποδεκτή, η υδροηλεκτρική παραγωγή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για υποκατάσταση καυσίμου, ώστε να εξοικονομηθεί δαπάνη (Για πλήρως ανελαστική χρήση ενέργειας η ισοδυναμία της δαπάνης είναι για P1∙Q1 = P2∙Q2 με P1<P2, Q2>Q1) Πηγή: ΕΙΑ(2010)

Χωρική διασπορά του πόρου και ενεργειακή αυτονομία Πηγή: UN World Water Development Report 3, 2009 Πηγή: Statistical Review of World Energy 2007, BP Στην Αφρική, μονάχα το 25% του πληθυσμού έχει πρόσβαση σε ηλεκτρισμό, ενώ μονάχα το 5% του συνολικού δυναμικού υδροηλεκτρικής παραγωγής έχει αξιοποιηθεί (WWDR 3, 2009). Απαιτούνται ετησίως 22 δις $ προκειμένου να αποκτηθούν υποδομές ανάλογες με τον ανεπτυγμένο κόσμο εντός 10 ετών Πετρο-νομίσματα και υδρο-νομίσματα: Οι αγοραπωλησίες πετρελαίου γίνονται σε δολάρια ΗΠΑ. Η αύξηση της υδροηλεκτρικής παραγωγής μπορεί να αμβλύνει την ανάγκη διακράτησης σε ξένο νόμισμα και να απελευθερώσει πόρους για επενδύσεις

Διαμάχες σε διεθνείς λεκάνες απορροής Πηγή Χαρτών: http://waterwiki.net/index.php/Water_Conflict_and_Cooperation/Indicators Περίπου 450 συμφωνίες για διεθνή ύδατα υπογράφηκαν μεταξύ 1820-2007 (WWDR 4, 2012) 148 κράτη βρίσκονται σε διεθνείς λεκάνες και 21 κράτη βρίσκονται εξολοκλήρου εντός τους (WWDR 4, 2012) 2 δις άνθρωποι εξαρτώνται από υπόγεια ύδατα που συμπεριλαμβάνουν 273 διεθνείς υδροφορείς (WWDR 4, 2012)

Γεωπολιτική αβεβαιότητα: Υδρογεωπολιτική Πηγή: Jones et al. (2008) Το Ιράκ τοποθετείται στην δεύτερη θέση του ΟΠΕΚ με παραγωγή 3∙106 bpd, με προοπτική αύξησης στα 6∙106 bpd το 2020, και πάνω από τα 8∙106 bpd μέχρι το 2035 (ΙΕΑ, 2012) Οι απαιτήσεις σε μη ανακτήσιμο νερό (water injection systems) φθάνουν τα 1,6∙106 bpd (2011) με προοπτική να φθάσουν σε πάνω από 12∙106 bpd μέχρι το 2035 (ΙΕΑ, 2012) Το νερό πιθανότατα θα αποτελέσει τον περιοριστικό παράγοντα εξαγωγής πετρελαίου, καθώς θα απαιτείται 1,5 bpd νερού για την εξαγωγή 1 bpd πετρελαίου

Πολλαπλασιαστής εξοικονόμησης Εισαγωγή του αποτελέσματος ανάκτησης στους μακροοικονομικούς λογαριασμούς SR = Χρήση / Απόθεμα, QD = Ζητούμενη Ποσότητα, Α = Απόθεμα, m = Συντελεστής Απόδοσης Ανάκτησης (π.χ. 50%), QM = Πολλαπλασιαστής «Σκιώδης» αύξηση της ζήτησης t WD WE WR t1 WR(WE) t2 WR(WE) t3 WR(WE) t4 WR(WE) t5 WR(WE) t6 WR(WE) t7 WR(WE) t8 WR(WE) t9 1 10 10,00 2 2,00 8,00 3 6,40 1,60 4 5,12 1,28 5 4,10 1,02 6 3,28 0,82 7 2,62 0,66 8 2,10 0,52 9 1,68 0,42 1,34 0,34 Πολλαπλασιαστής εξοικονόμησης

Βιβλιογραφία British Petroleum (BP) (2008), Statistical Review of World Energy 2007 Database of International Water Treaties, University of Oregon, http://transboundarywater.geo.orst.edu/database/interfreshtreatdata.html EIA (US Energy Information Administration) (2010), International Energy Outlook 2010: Highlights.,Washington DC, Office of Integrated Analysis and Forecasting, EIA, US Department of Energy, http://www.eia.gov/oiaf/archive/ieo10/highlights.html (Accessed 3 November 2011) International Energy Agency (2012), Iraq Energy Outlook, IEA-OECD Publications Jones, C. et al. (2008), Hydrologic impacts of engineering projects on the Tigris–Euphrates system and its marshlands, Journal of Hydrology, Vol. 353, Issues 1-2, p. 59-75 Karakatsanis, Georgios (2010a), The Recycling Multiplier: The added value of waste, ISEE 11th biennial Conference, Bremen and Oldenburg, Germany Karakatsanis, Georgios (2010b), Quantifying energy Democracy: A framework for energy citizenship, ISEE 11th biennial Conference, Bremen and Oldenburg, Germany Koutsoyiannis, D. et al. (2009), Climate, hydrology, energy, water: recognizing uncertainty and seeking sustainability, Hydrology and Earth System Sciences 13, 247-257 Moncur, James E. T. and Richard L. Pollock (1988), Scarcity Rents for Water: A Valuation and Pricing Model, Land Economics, Vol. 64, No 1 Roegen-Georgescu, Nicholas (1986), The Entropy law and the Economic Process in Retrospect, Eastern Economic Journal XII, No 1 Roegen-Georgescu, Nicholas (1971), The Entropy Law and the Economic Process, Harvard University Press Tainter, Joseph (1989), The Collapse of Complex Societies, Cambridge University Press United Nations (UN) (2009), World Water Development Report 3, UNESCO Publishing United Nations (UN) (2012), World Water Development Report 4, UNESCO Publishing