X Congreso Latinoamericano de Dinámica de Sistemas

III Congreso Brasileño de Dinámica de Sistemas

I Congreso Argentino de Dinámica de Sistemas

1

Resumen—En la actualidad el mundo ha venido

experimentando un cambio en el estado climático

generado principalmente por las actividades

humanas que han emitido a la atmósfera mayores

cantidades de gases de efecto invernadero (GEI). En

Colombia, estas emisiones se han incrementado en

aproximadamente 39% desde 1990 hasta 2004 en

gran parte por las actividades desarrolladas en los

sectores de energía y agricultura, siendo este último

sector quien más aportó emisiones en las mediciones

de 1990 y 2004. Es por esto, que en este artículo se

aplicará un modelo de simulación y se plantearán

posible políticas de mitigación de las emisiones de los

subsectores de fermentación entérica y suelos

agrícolas quienes son los que más generaron

emisiones de GEI del sector agricultura.

Palabras Clave—Gases de efecto invernadero,

sector agricultura, fermentación entérica, suelos

agrícolas y dinámica de sistemas.

Abstract—Actually, our world has been

experimented a change in the state of the climate

generated mainly for human activities that emit to

the atmosphere greater amounts of greenhouse gases

(GHG). In Colombia these emissions have increased

approximately 39% since 1990 to 2004 due to

activities developed in the energy and the

agricultural sector, this last one is the one who most

contribute to the emissions measured in 1990 and

2004. For this reason, in the present article will

apply a simulation model and will set out possible

mitigation’s policies for the subsectors of enteric

fermentation and agricultural soil which are the

ones that more generated GHG in the agricultural

sector.

Keywords—Greenhouse gas emissions,

agricultural sector, enteric fermentation, nitrous

oxide and system dynamics.

1. INTRODUCCIÓN

Desde el inicio de la revolución industrial a

mediados del siglo XVIII y debido a las

actividades humanas, el mundo ha venido

experimentando un aumento en las

concentraciones atmosféricas de dióxido de

carbono (CO2), metano (CH4) y óxido nitroso

(N2O) [1]los cuales son considerados tres de los

principales GEI[2].

Este incremento en las emisiones de GEI han

causado un cambio en el clima mundial generando

un aumento en el promedio de la temperatura del

aire y del océano, aumento en el promedio

mundial del nivel del mar, deshielo de los

glaciares, de los casquetes de hielo y de los

mantos de hielo polares, entre otros[1].

A nivel mundial los GEI se han incrementado en

un 70% entre 1970 y 2004, pasando de 28,7 a 49

gigatoneladas1 de CO2-eq/año2,

respectivamente[1].

En la Figura 1 se presenta el incremento de las

emisiones antropogénicas mundiales de GEI desde 1970 hasta 2004, las cuales incluyen las

emisiones de CO2-eq debido a: CO2 de

combustibles de origen fósil y de otras fuentes;

CO2 de deforestación, degradación y turba; CH4 de

agricultura, desechos y energía; N2O de

agricultura y otras procedencias y gases tipo F [1],

[3].

1Una unidad de gigatonelada (Gt) es equivalente a

mil millones de toneladas. 2CO2-eq: unidad de medida de referencia de las

emisiones de GEI en un horizonte de tiempo

determinado[1] .

Jenny R. Ríos M., Ing.; Orlando Zapata C., Ing.

Facultad de Minas, Universidad Nacional de Colombia-Medellín jrriosm@unal.edu.co, ozapatac@unal.edu.co

Emisiones de gases de efecto invernadero

producidas por el sector agricultura en

Colombia

Colombia’s Greenhouse Gas Emissions

produced by the agricultural sector

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Figura1: Emisiones mundiales antropogénicas de

GEI.

Debido a los diferentes gases de efecto

invernadero existentes en la atmósfera, a sus

tiempos de residencia en la atmósfera y a su

variabilidad existente de las actividades radiactivas, es necesario realizar una conversión

de las emisiones de cada uno de estos gases en

unidades de CO2-eq, lo que permite comparar en

una misma unidad los efectos de los distintos

gases. Para realizar esto, se utiliza un factor de

conversión llamado Potencial de calentamiento

Global (Global Warming Potential GWP) en un

horizonte de tiempo dado en años[1].

En la Tabla 1 se presentan los valores de del

Potencial de calentamiento global, para un horizonte de tiempo de 100 años, en unidades de

CO2-eq para los diferentes GEI [3].

Tabla 1: Potencial de calentamiento global en

términos de CO2-eq.

3El PCG permite que para un GEI dado, las emisiones

de CO2-eq se obtienen multiplicando la cantidad de

dicho GEI emitido por su PCG correspondiente.

En el 2004, Colombia aportó 0.18 gigatoneladas deCO2-eq lo que es equivalente a un aporte de

0.37% de las emisiones totales mundiales (49

gigatoneladas deCO2-eq en el 2004). Aunque el

aporte de emisiones de Colombia comparado con

países como Estados unidos, Comunidad Europea,

Federación Rusa, Japón Alemania, Canadá, entre

otros, no es muy significativo, sí implica que

estamos contribuyendo en la generación de GEI y

por tanto debemos preocuparnos por reducir las

emisiones según el sector que los genere[3].

2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Las cuatro últimas mediciones de GEI realizadas

en Colombia, presentan una tendencia de

crecimiento en el valor de las emisiones totales.

En 1990 estas emisiones fueron de 129.368,4 Gg

CO2-eq, en 1994 fueron de 149.867,8Gg CO2-eq,

en el 2000 fueron 177.575,35Gg CO2-eq y en el

2004 fueron de 180.008,18 Gg CO2-eq [3].

En la Figura 2 se presentan las emisiones totales de GEI en Colombia medidas en Gg CO2-eq para

los años 1990, 1994, 2000 y 2004 [3],

observándose un incremento en las emisiones en

cada inventario realizado.

Figura 2: Emisiones totales de GEI en Colombia

Estas emisiones es dividen según el sector que las

genere y en nuestro país se ha identificado los

siguientes módulos[3].

a) Módulo Energía

Quema de combustibles fósiles

Emisiones fugitivas

Quema de biomasa

b) Módulo Procesos Industriales

Producción de minerales no metálicos

Producción de químicos

Producción de metales

Uso de SF6

Utilización de sustitutos SAO

c) Módulo Agricultura

0

10

20

30

40

50

60

1970 1980 1990 2000 2004

GtC

O2

-eq

/ y

r 49

44.7 39.4

35.6

28.7

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

160000

180000

200000

1990 1994 2000 2004

129.368,4

149.867,8

177.575,35 188.008,18

Nombre Fórmula

química

Potencial de

Calentamiento

global3

Dióxido de

Carbono

CO2 1

Metano CH4 21

ÓxidoNitroso N2O 310

Tetrafluoruro de

carbono (PFC)

CF4 6500

Hexafluoruro de

carbono (PFC)

C2F6 9200

Hexafluoruro de

azufre

SF6 23900

Trifluorurometano HFC-23 11700

Difluorurometano HFC-32 650

Pentafluoroetano HFC-125 2800

Trifluoroetano HFC-143a 3800

Difluoroetano HFC-152a 140

Tetrafluoroetano HFC-134a 1300

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Fermentación entérica

Manejo de estiércol

Cultivos de arroz

Suelos agrícolas

Quema prescrita de sabanas

Quema en el campo de residuos agrícolas

d) Módulo Uso de la tierra, cambio del uso de la

tierra y silvicultura (USCUSS)

Cambios de biomasa en bosques y otros

tipos de vegetación leñosa

Conservación de bosques y praderas

Abandono de tierras cultivadas

Emisiones y absorciones de CO2 del suelo

e) Módulo Tratamiento de residuos

Disposición de residuos sólidos

Tratamiento de aguas residuales

Manejo de aguas servidas humanas

En la Figura 3 se presentan las emisiones

generadas por cada un de los cinco módulos

descritos anteriormente [3], observándose que en

cada periodo medido las emisiones de los

módulos agricultura y energía siempre estuvieron

en las dos primeras posiciones con respecto a la

mayor cantidad de emisiones producidas,

presetnando diferencias entre ellas de 0.2 y 1.9 Gg

CO2-eq, seguidas en tercer lugar por las emisiones del módulo de USCUSS, y en cuarto y quinto

lugar las emisiones de los módulos de procesos

industriales y tratamiento de residuuos

Figura 3. Emisiones de GEI en Colombia por módulo

Debido a que en las mediciones de los años 1990

y 2004, las emisiones del módulo agricultura

superaron a las del módulo energía y siendo en el

2004 la última medición realizada en Colombia,

se presentan a continuación, en la Tabla 2, las

cantidades de CO2-eq y el porcentaje de

participación con respecto a las emisiones totales

y a las emisiones por módulo estos dos módulos y

sus correspondientes subsectores.

Tabla 2: Emisiones de GEI en los sectores

Agricultura y Energía en Colombia en el 2004

Módulo y

subsectores que

emiten GEI

CO2-eq

(Gg)

% de

participació

n respecto a

las emisiones

totales

% de

participació

n de la

categoría

respecto al

módulo

AGRICULTURA 68.565,58 38.09% 100%

Fermentación

entérica 33.258,54 18.48% 48.51%

Manejo del estiércol 1.187,91 0.66% 1.73%

Cultivos de arroz 1.372,14 0.76% 2%

Suelos agrícolas 32.593,40 18.11% 47.54%

Quema de sabanas 61.80 0.03% 0.09%

Quema de residuos

agrícolas 91.79 0.05% 0.13%

ENERGÍA 65.971,11 36.65% 100%

Quema de

combustibles fósiles 56.208,44 31.23% 85.20%

Emisiones fugitivas 9.153,11 5.08% 13.87%

Minería de carbón 4.617,27 2.57% 7%

Petróleo y gas

natural 4.535,84 2.52% 6.88%

Quema de biomasa 609,56 0.34% 0.92%

Es posible identificar en la Tabla 2 que dentro del

módulo de agricultura, el 48.51% y el 47.54% de

las emisiones son producidas por los subsectores

de fermentación entérica y suelos agrícolas,

respectivamente. Con respecto al módulo de

energía el subsector de quema de combustibles fósiles aporta el 85.20% de las emisiones de dicho

módulo.

Se puede considerar que en la situación actual

colombiana, el módulo agricultura representa una

importancia igual o incluso superior que la del

módulo energía, y por tanto es posible plantear

que dicho módulo es generador de un problema

para Colombia con respecto a la emisión de GEI.

Por tal motivo se ha decidido realizar un análisis

dinámico de las emisiones de GEI en Colombia producidas en el módulo agricultura por los

subsectores de fermentación entérica y suelos

agrícolas.

3. HIPÓTESIS DINÁMICA

3.1. Diagrama de flujos y niveles

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Figura 4. Diagrama causal: Emisión de GEI en el sector agrícola colombiano por los subsectores

fermentación entérica y suelos agrícolas. Fuente: elaboración propia.

El diagrama de la Figura 4 representa un proceso

de crecimiento de emisiones de gas metano y

óxido nitroso, mostrado a partir de los dos ciclos

de refuerzo R1 y R3. El ciclo R2 representa el área de tierra ganadera y el área cultivada en

Colombia, las cuales dependen de la cantidad de

tierra disponible para dichas actividades.

A continuación se explican los ciclos de

realimentación más relevantes del diagrama

causal de la Figura 4.

Clico de refuerzo R1: Este representa el

incremento en las emisiones de gas metano debido

al sector agricultura en Colombia causado principalmente por la Fermentación Entérica de

ganado bovino, búfalos, ovejas, cabras, caballos,

mulas, asnos y cerdos y por la Manipulación de

estiércol de: bovinos, búfalos, ovejas, cabras,

caballos, mulas, asnos, cerdos, aves de corral y

almacenamiento en sólido. El aumento en las

emisiones de gas metano, incrementan los gases

de efecto invernadero que se encuentran

acumulados en la atmósfera los cuales

contribuyen a periodos de sequía e inundaciones

causando daños en la naturaleza y a su vez estos

daños en la tierra causan una disminución en el área cultivada. Al tener menor área disponible

para la agricultura se va a tener mayor área

disponible para la agricultura y por ende se va a

tener más ganado y al existir mayor cantidad de

ganado se van a producir mayor cantidad de

fermentación entérica y de estiércol lo que va a

producir mayor gas metano.

Clico de refuerzo R2: Este ciclo representa la

relación entre el área ganadera y el área cultivada

en Colombia. Nuestro país tiene un área

disponibles para para uso agropecuario de 50.91 millones de hectáreas, de las cuales actualmente

se están usando 38.6 millones de hectáreas para

ganadería y 4.9 millones de hectáreas para la

agricultura [4]. Por lo tanto se tiene que a mayor

área ganadera, menor será el área para cultivos

agrícolas y viceversa.

Clico de refuerzo R3: Este ciclo representa la

generación de óxido nitroso debido al sector

agricultura en Colombia causado principalmente

por el uso de fertilizantes nitrogenados en la actividad agrícola colombiana. Por lo tanto se

tiene que a mayor cantidad de suelos fertilizados

se va a usar menos fertilizantes nitrogenados lo

que van a generar mayor cantidad de emisiones de

óxido nitroso que van a aumentar las emisiones de

gases de efecto invernadero a la atmósfera y por

ende van a hacer el suelo menos fértil.

3.2. Diagrama de Flujos y Niveles

La hipótesis dinámica planteada en el diagrama causal, está representada mediante un diagrama

de flujos y niveles y apartir de del diagrama de la

Figura 4 se realizó el diagrama de Flujos y

niveles de la Figura 5 utilizando Powersim

Studio 8:

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5

Figura 5. Diagrama flujos y niveles: Emisión de de GEI debido al sector agrícola colombiano por los subsectores fermentación entérica y suelos agrícola. Fuente: elaboración propia.

Se realizó simulación del diagrama de la Figura 5

a partir del cual se obtuvieron los siguientes

resultados para las variables más importantes del

modelo: GEI, gas metano y óxido nitroso.

En la Figura 6 se presentan los resultados de

simulación del diagrama de la Figura 5 para las

variables: GEI, gas metano y óxido nitroso. Se

puede observar que dicha variables para el escenario base aumentan en el tiempo de

simulación estipulado.

a. Emisiones totales de los subsectores

fermentación entérica y suelos agrícolas.

b. Emisiones del subsector suelos agrícolas.

c. Emisiones del subsector fermentación entérica

Figura 6. Resultados de simulación escenario base: a,b,c. Fuente: elaboración propia.

4. PLANTEAMIENTO DE POLÍTICAS DE

MEJORA

Las políticas de mejora tienen como objetivo

desacelerar el crecimiento de las emisiones de

GEI, las cuales se plantean en el diagrama causal

de la Figura 7. Dicho diagrama está formado por

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cuatro ciclos de balance: B1, B2, B3 y B4 y uno

de refuerzo R1.

Las políticas que se diseñaron para reducir las

emisiones de gases de efecto invernadero son las

siguientes:

Política # 1: Incrementar el uso de biodigestores

en el sector ganadero Colombiano.

Esta política se puede aplicar a través de

campañas que promuevan los beneficios tanto

ambientales (disminución de las emisiones de gas

metano) como económicos (disminución de los

costos de las facturas de electricidad).

Política # 2: Establecer campañas de reducción

del consumo per cápita de carne en Colombia.

Con esta política lo que se pretende es que las

personas por su propia iniciativa reduzcan el

consumo de carne, con mediadas tales como:

No consumir carne un día a la semana. Por

ejemplo en la ciudad de Ghent, Bélgica tiene

una campaña de “Lunes sin carne” con el fin

de reducir los gases de efecto invernadero, la

cual está en gran parte apoyada por el

gobierno (www.gant.be).

Consumir alimentos sustitutos de la carne,

tales como la soya.

Política # 3: Campañas de uso eficiente de

fertilizantes nitrogenados en Colombia.

El método más efectivo para reducir las emisiones

de N2O es incrementar el uso eficiente de

fertilizante nitrogenado. Esto se puede realizar a

partir de campañas que enseñen a las personas a aplicar cantidades precisas de fertilizante a los

cultivos y a usar un tiempo de aplicación exacto

que coincida con el periodo de tiempo que las

plantas necesitan nutrientes[5].

Figura 7. Diagrama causal con políticas aplicadas para la emisión de GEI en el sector agrícola colombiano.

Fuente: elaboración propia.

Se realizó simulación del modelo utilizando el

diagrama de flujos y niveles de la Figura 5,

aplicando cada una de las políticas y obteniéndose

diferentes escenarios:

Escenario 1. Escenario base: Resultados del modelo sin políticas aplicadas. Ver Figura 6.

Escenario 2. Resultados aplicando política #1:

Incrementar el uso de biodigestores en el sector

ganadero Colombiano. En la Figura 8, se

presentan los resultados de simulación de

emisiones de GEI.

Para obtener el efecto de esta política se decidió

aumentar la tasa de consumo de biogás pasando

de 0.6/yr a 0.8/yr, es decir un aumento de 33.3%.

En la Figura 8 se presentan los resultados de

simulación aplicando la política de mejora #1, la

cual pretende disminuir las emisiones de gas

metano y por ende disminuir las emisiones totales

de GEI.

Aplicando esta política se encuentra una

disminución de 20% en las emisiones de gas

metano y GEI.

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a. Emisiones totales de los subsectores

fermentación entérica y suelos agrícolas.

b. Emisiones del subsector suelos agrícolas.

c. Emisiones del subsector fermentación entérica

Figura 8. Resultados de aplicando la política #1:

a,b,c. Fuente: elaboración propia.

Escenario 3. Resultados aplicando las política #

1 y 2: Incrementar el uso de biodigestores en el

sector ganadero y establecer campañas de

reducción del consumo per cápita de carne en

Colombia.

La política #1 se implementó de igual forma que

en el escenario 2. Para obtener el efecto de

establecer campañas de reducción de consumo per

cápita de carne se decidió disminuir en el modelo

la tasa de nacimiento de ganado pasando de

0.53/yr a 0.43/yr, es decir, una reducción de 18,9 %. En la Figura 9 se presentan los resultados de

simulación aplicando las políticas de mejoras #1 y

2, las cuales pretenden disminuir las emisiones de

gas metano y por ende disminuir las emisiones

totales de GEI.

a. Emisiones totales de los subsectores

fermentación entérica y suelos agrícolas.

b. Emisiones del subsector suelos agrícolas.

c. Emisiones del subsector fermentación entérica

Figura 9. Resultados de aplicando las políticas

#1 y 2: a,b,c. Fuente: elaboración propia.

Aplicando estas dos políticas se encuentra una

disminución en las emisiones de gas metano en un

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8

20%, óxido nitroso en un 3.83% y GEI en un

20%.

Escenario 4. Resultados aplicando las política #

1, 2 y 3: Incrementar el uso de biodigestores en el

sector ganadero, establecer campañas de

reducción del consumo per cápita de carne y

campañas de uso eficiente de fertilizantes

nitrogenados en Colombia en Colombia.

Las políticas #1, 2 y 3 se implementaron de igual

forma que en el escenario 3. Para obtener el efecto

de establecer campañas de uso eficiente de

fertilizantes nitrogenados se decidió disminuir en

el modelo la tasa de consumo de fertilizante

nitrogenado pasando de 0.0002 a 0.00005

[GgFN/(yr*Ht)], es decir, una reducción de 75 %.

En la Figura 10 se presentan los resultados de

simulación aplicando las políticas de mejoras #1,

2 y 3, las cuales pretenden disminuir las emisiones

de gas metano y óxido nitroso y por ende

disminuir las emisiones totales de GEI.

a. Emisiones totales de los subsectores fermentación entérica y suelos agrícolas.

b. Emisiones del subsector suelos agrícolas.

c. Emisiones del subsector fermentación entérica

Figura 10. Resultados de aplicando las políticas # 1, 2 y 3: a,b,c. Fuente: elaboración propia.

Aplicando estas tres políticas se encuentra una

disminución en las emisiones de gas metano en un

60%, óxido nitroso en un 3.83% y GEI en un

40%.

5. CONCLUSIONES

En nuestro país actualmente se tienen mediciones

de gases de efecto invernadero para los años de

1990, 1994, 2000 y 2004 lo cual hace difícil la

simulación ya que no se tiene una serie de tiempo

que permita una continuidad en las mediciones.

Además debido a que la última medición realizada

es del año 2004, decidimos tomar este año como

inicio de nuestro horizonte de tiempo y realizar

una simulación de 10 años.

Desde una visión sistémica es posible observar el problema de emisiones de GEI en Colombia a

través del análisis de los dos principales GEI: gas

metano y óxido nitroso, permitiendo aplicar un

método de simulación como lo es dinámica de

sistemas para analizar el comportamiento del

sistema en el tiempo y aplicar posibles políticas de

mejora.

A partir de los resultados de simulación se

encontró que sin la aplicación de políticas de

mitigación de GEI, en nuestro país se van a seguir incrementando dichas emisiones producidas por

las actividades del sector agrícola.

Como futuro trabajo de esta investigación está el

planteamiento de una nueva política de mitigación

de CH4 que consiste en cambiar la alimentación

del ganado con el fin de que éstos disminuyan las

emisiones causadas por el proceso digestivo de

sus alimentos (fermentación entérica) y compara

los resultados de simulación de la aplicación de

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9

cada una de ellas en la reducción de emisiones de

GEI.

6. REFERENCIAS

[1] Cambio climático 2007: Informe de síntesis.

Available: www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4/syr/ar4_syr_sp.pdf [citado 15 de

septiembre de 2012]

[2] Atmospheric concentration of Greenhouse

gases.Available: http://epa.gov/climatechange/pdfs/print_ghg-

concentrations.pdf [citado 15 de septiembre de

2012 ]

[3] Segunda comunicación nacional de Colombia ante la comisión de las Naciones Unidas para el

cambio climático. Capítulo 2: Inventario nacional

de emisiones de gases de efecto

invernadero.Available:

http://www.pnud.org.co/img_upload/3635346361

6361636163616361636163/2%C2%AA_Comunic

aci%C3%B3n_Cap_2.pdf [citado 15 de

septiembre de 2012]

[4] CAMBIO CLIMÁTICO

MITIGACIÓNYADAPTACIÓNENLAAGRICU

LTURACOLOMBIANA.IICA-

ReuniónInternacionalsobreCambioClimáticoyelSe

ctorAgropecuarioenColombia: Una Mirada hacia

México-2010.Available:

http://www.minagricultura.gov.co/archivos/8_francisco-boshell-unal-[citado 15 de septiembre de

2012]

[5]Agriculture’sRoleinGreenhouseGasEmissions

&Capture.Available: https://www.agronomy.org/files/science-

policy/ghg-report-august-2010.pdf. [citado15 de

septiembre de 2012]

www.dinamica-de-sistemas.com

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