Název simulace: Produkce oxidu uhličitého v ČR

Autor: Bc. Jiří Štěpán, Stej40

Typ modelu: Systémová dynamika

Modelovací nástroj: Vensim

Definice problému

Česko se v žebříčku energetického giganta BP umístila celosvětově na dvacátém místě v produkci CO₂ na jednoho člověka. V evropském měřítku je pak ČR na pátém místě. Vzhledem k rozsáhlému kácení stromů kvůli kůrovcové kalamitě ztratily lesy označení „plíce republiky“ a naopak se přidaly k dalším producentům oxidu uhličitého. Do doby, než vyrostou nové zasazené stromy bude zemská půda uvolňovat do atmosféry další množství CO₂. Největším producent oxidu uhličitého pochází z oblasti energetiky, který tvoří téměř 40 % vyprodukovaného uhlíku za rok. Doprava s průmyslem pak společně představuje cca 28 %. Zbytek pak tvoří zemědělství (6,7 %), spalování v domácnostech (10.2 %) a další zdroje CO₂. Podepsáním pařížské dohody se ČR upsalo ke snížení skleníkových plynů o 40 % do roku 2030. Do roku 2050 by se Evropa měla stát prvním CO₂ neutrálním blokem na světě.

Metoda

Cílem simulace je vytvořit zjednodušený model simulace, který bude ilustrovat produkci oxidu uhličitého v České republice. Podle nastavených parametrů lze sledovat budoucí vývoj a hlavně zjistit, za jakých podmínek lze předpoklady Pařížské dohody splnit. Jelikož budeme simulovat budoucí hodnotu, která je závislá na několika dalších proměnných byl pro implementaci zvolen nástroj Vensim, který je vhodný pro tento typ simulace.

Model

Model sleduje období 324 měsíců (začátek od ledna 2023 až do ledna 2050). V modelu jsou vydefinované oblasti hlavních producentů CO₂. Ty mají největší vliv na celkovou produkci CO₂, které tvoří celkové množství oxidu uhličitého v atmosféře.

Výchozí hodnoty jednotlivých oblastí producentů CO₂ pocházejí z Otevřená data o klimatu, z. ú ze statistik z roku 2018. Bohužel, žádná novější data se mi nepodařilo nalézt. Pro účely simulace jsou ale dostatečná. Společnost Otevřená data o klimatu dlouhodobě sleduje a měří emise skleníkových plynů a nabízí následně otevřené sady dat pro hlubší zpracování.

Diagram kauzálních smyček je následující.

Obrázek 1: Diagram kauzálních smyček

Model kauzálních smyček byl následně přetvořen do stack and flow diagramu.

Obrázek 2: Stock and flow diagram

Proměnné modelu

Nastavení modelu je následující:

• Units for Time = Month

• INITIAL TIME = 0

• FINAL TIME = 324

• TIME STEP = 1

Proměnné modelu jsou nastaveny následovně:

• Investice do obnovitelných zdrojů = 0.4

• Doba přechodu k obnovitelným zdrojům = (1-Investice do obnovitelných zdrojů)

• Ostatní CO2 výchozí hodnota = 0.836 (5.7 mil tun odpadové hospodářství + 4.34 mil tun za ostatní oblasti za rok => 0.836 za měsíc)

• Ostatní CO2 = DELAY FIXED( (Doba přechodu k obnovitelných zdrojů)*Ostatní CO2 výchozí hodnota, Doba přechodu k obnovitelných zdrojů*84 , Ostatní CO2 výchozí hodnota)

• Zemědělství CO2 výchozí hodnota = 0.7175 (8.61 mil tun za rok => 0.7175 za měsíc)

• Zemědělství CO2 = DELAY FIXED( (Doba přechodu k obnovitelných zdrojů)*Zemědělství CO2 výchozí hodnota , Doba přechodu k obnovitelných zdrojů*84 , Zemědělství CO2 výchozí hodnota )

• Domácnosti CO2 výchozí hodnota = 1.095 (13.15 mil tun za rok => 1.095 za měsíc)

• Domácnosti CO2 = DELAY FIXED( (Doba přechodu k obnovitelných zdrojů)*Domácnosti CO2 výchozí hodnota , Doba přechodu k obnovitelných zdrojů*84 , Domácnosti CO2 výchozí hodnota)

• Průmysl CO2 výchozí hodnota = 2.185 (26.22 mil tun za rok => 2.185 za měsíc)

• Průmysl CO2 = DELAY FIXED( (Doba přechodu k obnovitelných zdrojů)*Průmysl CO2 výchozí hodnota , Doba přechodu k obnovitelných zdrojů*84 , Průmysl CO2 výchozí hodnota )

• Energetika CO2 výchozí hodnota = 4.255 (51.07 mil tun za rok => 4.255 za měsíc)

• Energetika CO2 = DELAY FIXED( ((Doba přechodu k obnovitelných zdrojů)*Energetika CO2 výchozí hodnota) , Doba přechodu k obnovitelných zdrojů*84 , Energetika CO2 výchozí hodnota )

• Doprava CO2 výchozí hodnota = 1.691 (20.3 mil tun za rok => 1.691 za měsíc)

• Doprava CO2 = DELAY FIXED((Doba přechodu k obnovitelných zdrojů)*Doprava CO2 výchozí hodnota , Doba přechodu k obnovitelných zdrojů*84, Doprava CO2 výchozí hodnota )

• Produkce CO2 = ((Domácnosti CO2+Doprava CO2+Energetika CO2+Průmysl CO2+Zemědělství CO2+Ostatní CO2)*1e+06)+CO2 ze zemské půdy (součet všech producentů CO2 a následný přepočet z mil tun na tuny)

• Množství CO2 v atmosféře = INTEG(Produkce CO2-Fotosynteza) Initival value = 0

• Fotosynteza = Lesnost v ha * 0.833 (1 ha lesa = 10 tun kyslíku za rok => 0.8333 za měsíc)

• Množství kyslíku v atmosféře = Fotosynteza-(Produkce CO2*0.1) Initival value = 0

• CO2 ze zemské půdy = IF THEN ELSE( (kácení stromů-obnova lesů) > 0, (kácení stromů-obnova lesů)*0.20625, 0 ) (pokud bylo více půdy vykáceno tak se poškozená zemská půda stává producentem CO2, v opačném případě je schopna oxid uhličitý pohltit)

• Lesnost v ha = INTEG(obnova lesů-kácení stromů) Init value => 2.9e+06 (Lesy ČR se rozkládají na rozloze 2.9 mil hektarů)

• Kácení stromů = Poměr kácení stromů

• Obnova lesů = ((0.002*Lesnost v ha))+Výsadba nových stromů (konstanta 0.002 udává poměr přírodního samo-rozrůstání)

• Poměr kácení stromů = 3620 (vypočítaný průměr z posledních let, kdy se v českých lesích objevil kůrovec a muselo se více těžit)

• Výsadba nových stromů = 1791 (vypočítaný průměr z roku 2020 a 2021)

Doba přechodu k obnovitelným zdrojům představuje zjednodušeně dobu v rozmezí 2022-2029 (84 měsíců), kdy ČR bude čerpat dotace pro přechod k obnovitelným zdrojům. Tato doba pak určuje, za jak dlouho se začnou investice projevovat v jednotlivých oblastech produkce CO₂.

Investice do obnovitelných zdrojů představuje zjednodušený poměr mezi investovanými penězi a času přechodu k obnovitelným zdrojům. Podle zpráv bude Česká republika mezi lety 2022-2029 (84 měsíců) žádat Evropskou unii o stamilionové dotace na obnovitelné zdroje.

Lesnost je udávána v hektarech a představuje množství hektarů, na kterých se vyskytují lesy. Lesnost je ovlivněna kácením stromům a zvyšována obnovou lesa. Stromy se reprodukují sami od sebe přírodní cestou. Ze zdrojů bylo následně vypočítáno průměrné množství kyslíku, které vychází na jeden hektar lesa - 1 ha lesa = 10 tun kyslíku za rok => 0.8333 za měsíc.

Kvalita zemské půdy je počítána nejdříve rozdílem mezi obnovenými hektary lesa s vykácenými hektary. Pokud bylo více hektarů obnoveno, než vykáceno je tento rozdíl záporný (a tedy žádná půda nezůstala nevyužita). V případě opačné situace, nevyužitá půda vydává množství CO₂ (ze zdrojů a podle výpočtů tato hodnota vychází cca na 0.20625 tun oxidu uhličitého). Fotosyntéza poté představuje proces, kdy se nakumulovaný oxid uhličitý mění na kyslík. Tento proces je závislý na množství zalesnění.

Výsledky

Při spuštění simulace s výchozími hodnotami vypadá model následovně. Za první měsíc Česká republika vyprodukuje celkem 10,77 mil tun CO₂. Zlomový měsíc, kdy se ČR zavázalo, že sníží svoje emise o 40 % je měsíc číslo 96 (rok 2030). Při pohledu na graf vidíme, že svůj slib ČR splnila, jelikož svoje emise v 96. měsíci snížila přibližně o 50 %.

Na grafu produkce CO₂ můžeme vidět, že s výchozím poměrem investice přijde razantní změna v produkci mezi 48-50. měsíci (za cca 4-4,2 roku)

Při pohledu na rok 2050 (324. měsíc) už tak optimistické výsledky nedostáváme, protože se produkce oxidu uhličitého nijak víc nesnížila a množství CO₂ v atmosféře se zvyšuje. Slib nulové produkce do roku 2050 tedy Česká republika nesplnila.

Obrázek 3: Výsledky první simulace s výchozími hodnotami

Pokud bychom chtěli model upravit tak, aby vyhovoval podmínkám Pařížské dohody musíme více investovat do přeměny k obnovitelným zdrojům.

Ještě předtím ale zkusíme zvýšit výsadbu nových lesů a snížit jejich kácení. Uvědomuji si, že těžba dřeva je důležitá proto si ji snížíme z původní hodnoty na 2800 ha měsíčne. Poměr výsadby nových stromů zvýšíme na maximální hodnotu 2500 (obnova po kůrovcové kalamitě). Tím se sníží produkce CO₂ ze zemské půdy a zároveň se díky tomu zvýší podíl fotosyntézy.

Hranice splnění obou podmínek – tedy do roku 2030 snížení emisí o 40 % a do roku 2050 nulový oxid uhličitý nastává při hodnotě investic 0.74. Zvýšením investice se nám sníží i doba přechodu k obnovitelným zdrojům a tím i samotná produkce CO₂.

Obrázek 4: Výsledky simulace pro splnění podmínek Pařížské dohody

Závěr

Pokud Česká republika chce dodržet svůj závazek vůči Pařížské dohodě, musí podporovat a investovat více úsilí a financí do oblasti obnovitelných zdrojů energie. Vlivem kůrovcové kalamity musí zároveň více investovat i do výsadby lesů a zkvalitnit tak zemskou půdu, která se bude podílet na fotosyntéze.

Zároveň je potřeba dbát důraz na rychlý přechod k obnovitelným zdrojům, jelikož rok 2030 se nezadržitelně blíží.

Výsledky simulace jsou pouze ilustrativní a vycházejí z vypočítaných proměnných. Jelikož pracujeme se zjednodušeným modelem je nutné brát výsledky simulace jako hrubý odhad.