Smart cities – Sustainable Cities
Metabolismo Urbano
Paulo Ferrão
Índice
1. Da sustentabilidade ao papel das cidades
2. Quais as dimensões da sustentabilidade
urbana
3. Metabolismo urbano – conceito e aplicações
4. Métodos de quantificação do metabolismo
urbano
5. Casos de estudo - Resíduos e Energia
6. Planeamento urbano sustentável
As dimensões “Smart” – as da sustentabilidade
Economia
Ambiente
Desenvolvimento
Sustentável
Sociedade
IPAT
Impact (Environmental) = Population x Affluence x Technology
População
10 000 000
WORLD
9 000 000
More developed regions
8 000 000
Less developed regions
7 000 000
6 000 000
5 000 000
4 000 000
3 000 000
2 000 000
1 000 000
0
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2010
United Nations – Population Division
2020
2030
2040
2050
Urbanização e Sustentabilidade
Um Planeta Urbano 1980
http://www.unicef.org/sowc2012/urbanmap/#
Urbanização e Sustentabilidade
Um Planeta Urbano 2010
http://www.unicef.org/sowc2012/urbanmap/#
Urbanização e Sustentabilidade
Um Planeta Urbano 2050
http://www.unicef.org/sowc2012/urbanmap/#
Uma história antiga de cumplicidades
(1988-1997)
Adapted from Bringezu and Schütz, 2000, Total Material Requirement of the European Union, European Environment Agency, Technical
report No 55.
Riqueza (P) e consumo de recursos naturais (I1)
Material consumption per capita (t)
Desenvolvimento sustentável: realidade ou utopia?
Canas, A., Ferrão, P. and Conceição, P. (2003) “A new environmental kuznets curve? Relationship
between direct material input and income per capita: evidence from industrialized countries”. Ecological
Economics, 46 - 2, pp. 217-229.
Impacto – I2
CONSEQUÊNCIAS: PEGADA ECOLÓGICA
Ecological Footprint
Available in: http://www.footprintnetwork.org
E o papel das cidades ? O Século Urbano
Urbanização e PIB per Capita de vários países, 2000 (1996 US$)
World Bank 2009
Source: Data on urbanization: World Bank World Development Indicators 2005. Data on per capita GDP: Heston,
Summers, and Aten n.d.; Penn World Table Version 6.2; Center for International Comparisons of Production,
Income and Prices at the University of Pennsylvania, real 1996 GDP per capita (chain), September 2006
(http://pwt.econ.upenn.edu/).
Estágios de Desenvolvimento Urbano
Finanças
Serviços
Transportes
Industria
Comércio
C. Kennedy (2011) The Evolution of Great World
Cities: Urban Wealth and Economic Growth.
Índice
1. Da sustentabilidade ao papel das cidades
2. Quais as dimensões da sustentabilidade
urbana
3. Metabolismo urbano – conceito e aplicações
4. Métodos de quantificação do metabolismo
urbano
5. Casos de estudo - Resíduos e Energia
6. Planeamento urbano sustentável
Compreender a sustentabilidade urbana
- uma abordagem holistica
PARAMETERS
DATASOURCES
MAIN
Interna onal
Trade
Industrial
Produc on
Transport
Stats
Fs
QMs
AGs
FIs
INPUT
Consumption
SUPPORT
Workers
Socio
Economic
Transformation
!"
!"
METROPOLITAN
AREA
PLUGIN DATABASES
OUTPUT
MatCat
Phase
Lifespan
OUTPUTS
OUTCOMES
AML
infrastructures
services
industries
households
Materials
Throughput
Economic ac vi es
distribu on
Spa al
distribu on
CONCEITOS E FERRAMENTAS
Necessidade de investigação interdisciplinar
TIME
Paulo Ferrão and John Fernandez (2013) “Sustainable Urban
Metabolism”, MIT-Press. ISBN: 9780262019361, 232 pages.
Sistemas Urbanos
Necessidade de investigação interdisciplinar
Sistemas transporte
Edíficios
Actividades económicas
Sistemas gestão resíduos
Tecnologias de sensores
Outras infraestruturas
Paulo Ferrão and John Fernandez (2013) “Sustainable Urban
Metabolism”, MIT-Press. ISBN: 9780262019361, 232 pages.
URBAN SUSTAINABILITY FRAMEWORK
DPSIR
Definition of system
boundaries and focus
analysis
SUSTAINABILITY AREAS
Security
Urban
Infrastructure
Identification of
RESPONSES
1. Assessment of viability of
implementation
Governance
& Planning
Human body,
food
and waste
Vegetation
and Soil
Built
Environment
2. Implementation and
monitoring
Individuals &
Organizations
Production
and Logistics
Buildings
Transportation
Identification of key
PRESSURES
Identification of key
DRIVERS
Measure of current STATE
Quantify IMPACTS
Profiling and
Benchmarking of the city
Índice
1. Da sustentabilidade ao papel das cidades
2. Quais as dimensões da sustentabilidade
urbana
3. Metabolismo urbano – conceito e aplicações
4. Métodos de quantificação do metabolismo
urbano
5. Casos de estudo - Resíduos e Energia
6. Planeamento urbano sustentável
Metabolismo dos ecossistemas
Produtores
Consumidores
SOL
Peixe
Arbustos
Árvores
Homem
Vegetação
Insectos
Anfíbios
Relva
Mamíferos
Répteis
Recursos
materiais
ADN
Decompositores
Ecosistemas:
• Conectividade
• Diversidade
• Circular
• Resiliência
• Conecções
funcionais
• Limites ao
crescimento
Metabolismo Urbano – interacção economia/ambiente
Produtores
Consumidores
Dinheiro
Serviços
Agricultura
Floresta
Habitação
Desporto
Indústria
Arte
Serviços
comunitários
Governo
Construção
URBANISMO ROBUSTO
1. Proximidade
2. Densidade:
i. Espaço
ii. Colocação
iii. Redes
3. Economia de associação
4. Escala
5. Economia de extensão
(PESSOAS - conhecimento - interacção)
Recursos
Materiais
Educação
Cultura
Interacção
Reciclagem
Socio-económico VS Ambiente
Necessidade de quantificação
Metabolismo Urbano – casos de estudo
World Bank, 2012
Metabolismo Urbano – casos de estudo
World Bank, 2012
Índice
1. Da sustentabilidade ao papel das cidades
2. Quais as dimensões da sustentabilidade
urbana
3. Metabolismo urbano – conceito e aplicações
4. Métodos de quantificação do metabolismo
urbano
5. Casos de estudo - Resíduos e Energia
6. Planeamento urbano sustentável
Metabolismo urbano– um novo modelo detalhado, abrindo a caixa negra
PARAMETERS
DATASOURCES
MAIN
Interna onal
Trade
Industrial
Produc on
Transport
Stats
Fs
QMs
AGs
FIs
INPUT
Consumption
SUPPORT
Workers
Socio
Economic
Transformation
!"
!"
METROPOLITAN
AREA
PLUGIN DATABASES
OUTPUT
MatCat
Phase
Lifespan
OUTPUTS
OUTCOMES
AML
infrastructures
services
industries
households
Materials
Throughput
Economic ac vi es
distribu on
Spa al
distribu on
Niza S., Rosado L. and Ferrão, P. (2009) “Urban Metabolism: Methodological advances in Urban Material Flow Accounting based on the Lisbon case
study”. Journal of Industrial Ecology, 13 – 3, pp. 384-405.
Rosado, L., Niza, S., Ferrão, P. (2014) “A Material Flow Accounting Case Study of the Lisbon Metropolitan Area using the Urban Metabolism Analyst
Model”. Journal of Industrial Ecology, 18, pp.84-101.
A metodologia UMAn
Bases dados
CALCULADOR
INPUT
PRINCIPAL
Comércio
Internacional
Bens finais
Consumption
Dados
transporte
Fs
QMs
AGs
FIs
x
METROPOLITAN
AREA
Extracção natureza
OUTPUT
APOIO
Trabalhadores
Bens pré-processados
x
Transformation
Produção
indústrial
LEGENDA
Socio
Economico
Fluxos reintroduzidos
OUTPUTS
BASES DADOS COMPLEMENTARES
Materiais
MatCat
Quantidade
fluxos
Phase
Lifespan
Distribuição
Actividades
Económicas
Distribuição
espacial
Emissões para natureza
Streamlined Urban Metabolism
MOSUS Project
UN ComTrade
I-O Tables
Urban metabolism – “From Ho Chi Minh to Seoul”
30,0
DMI per capita (t/cap)
Paris
Bangkok
25,0
20,0
Seoul
Shanghai
median
15,0
Average
10,0
Bangalore
Manila
5,0
Ho Chi Minh
Lisbon
0,0
0
5
10
15
20
25
30
35
GDP per capita (thousand international US$ / cap)
ADB (2014) “Urban Metabolism in Six Asian Cities”
ADB, IDB (2014) “Sustainable Urbanization in Asia and Latin America”
40
Urban metabolism of Bangalore
-
High export share, with 39% of the materials that pass through the city being
exported
The most material intensive sector is the textile products industry
Low use of materials for Gross Fixed Capital Formation (buildings and infrastructure)
Biomass materials are responsible for 66% of the DMI of Bangalore
Urban metabolism of Shanghai
-
-
Low export share, with only 4% of the materials that pass through the city being
exported
Construction, hotels and restaurants, food and textile products are important sectors
Very high use of materials (47% of DMI) for Gross Fixed Capital Formation (buildings
and infrastructure)
Non-metallic minerals (56% of DMI) and biomass (27%) are the main materials used
Urban metabolism of Bangkok
-
-
High export share, with 33% of the materials that pass through the city being
exported
No dominant sector in terms of material consumption
High use of materials (28% of DMI) for Gross Fixed Capital Formation (buildings and
infrastructure)
Non-metallic minerals (41% of DMI) and biomass (34%) are the main materials used
Urban metabolism of Seoul
-
-
Low export share, with only 16% of the materials that pass through the city being
exported
Construction, chemical products and transport and storage are important sectors
High use of materials (27% of DMI) for Gross Fixed Capital Formation (buildings and
infrastructure)
Non-metallic minerals (51% of DMI) and fossil fuels (29%) are the main materials used
DNA de LISBOA
Índice
1. Da sustentabilidade ao papel das cidades
2. Quais as dimensões da sustentabilidade
urbana
3. Metabolismo urbano – conceito e aplicações
4. Métodos de quantificação do metabolismo
urbano
5. Casos de estudo - Resíduos e Energia
6. Planeamento urbano sustentável
Siderurgia
Pedra
Cimento
Alumínio
Exemplos: AML
GESTÃO DE RESÍDUOS
PERSU 2020
National Strategy for Urban Waste Management - 2020
Life Cycle Analysis Results - LCA
0
Papel e Cartão
7
Metais
37
2
ECAL
25
Plástico
2
Vidro
11
Outros
Destinos
Papel e Cartão
2
80
ECAL
66
Reciclagem
Plástico
12
166
Metais Ferrosos
0
Metais não Ferrosos
86
60
7
Metal
40
Plástico
7
ECAL
160
154
Papel e cartão
Papel e Cartão
81
Papel e Cartão não embalagem
Plástico e Metal
565
Recolha
Selectiva
Multimaterial
164
Vidro
Triagem
166
Outros
Vidro
478
Hybrid Economic Input Output
42
515
Tratamento Mecânico
10
990
Produção
de RSU
Aterro
4.121
150
Escórias
1.145
Recolha
Indiferenciada
Incineração
46
Cinzas
4838
591
10
1.560
Tratamento
Mecânico
898
Refugos VO
Biológico
297
143
152
Recolha
Selectiva RUB
CDR
Composto
Digestão
Anaeróbia /
Compostagem
Ferrão, P., Ribeiro, P., Rodrigues, J., Marques, A., Preto, M., Amaral, M., Domingos, T., Lopes, A., Costa, I. (2014). “Environmental, economic and social
costs and benefits of a packaging waste management system: A Portuguese case study”. Resources, Conservation and Recycling, 85, pp. 67-78
Niza, S., Santos, E., Costa, I., Ribeiro, P., Ferrão, P. (2014) “Extended producer responsibility policy in Portugal: a strategy towards improving waste
management performance”. Journal of Cleaner Production, 64, pp. 277-287.
Contributos da Gestão de Resíduos
Urbanos para o Desenvolvimento
Socioeconómico e Ambiental de Portugal
Estudo promovido por:
Introdução
Objectivos
•
Avaliação dos “Contributos da Gestão de Resíduos Urbanos para o Desenvolvimento
Socioeconómico e Ambiental de Portugal” - o impacte do PERSU 2020
Trabalho realizado
•
•
•
Análise bibliográfica e compilação de dados
Avaliação ambiental: Avaliação de Ciclo de Vida (ACV)
Avaliação socioeconómica: Quadros Entradas-Saídas (QES)
Balanço efectuado
•
Gestão nacional dos RU em 2012 (cenário base do PERSU 2020)
•
Contributos do SIGRE para a gestão de RU
•
Análise do impacte do PERSU 2020
38
2. Contributos ambientais
Metodologia
Fase 3 – Cálculo do desempenho ambiental com base em modelos de avaliação de impacte no ciclo de vida
(AICV)
Tabelas ICV
AICV (exemplo de modelo de avaliação de impacte)
40
Diagrama do sistema em análise
2
5
Recolha
selectiva
1
3
Recolha
indiferenciada
RU geridos
9
Triagem
Reciclagem
material
Produtos evitados
8
Incineração
10
Energia evitada
6/7
TM/TMB
Aterro
Refugo
CDR
2
4
Recolha
selectiva (RUB)
VO
Composto
Fertilizante evitado
Principais processos considerados na análise (2012) - foreground
41
Impacte do PERSU 2020
0,12
Aumento da reciclagem e a diminuição da deposição de resíduos (sobretudo
biodegradáveis), permite reduzir significativamente os impactes nas categorias
com impacte negativo e aumentar o beneficio nas categorias já com impacte
positivo
Pessoas Equivalentes (PE)
0,10
0,08
-55%
0,06
0,04
0,02
-47%
- 522 kt CO2 eq /ano
0,00
61%
-0,02
-0,04
Eutrofização,
marinha
Alterações
climáticas
Eutrofização,
Formação
terrestre
fotoquimica de
ozono
Uso do solo
Depl. de ozono Eutrofização,
trop.
águas doces
RU 2012
Acidificação
Depl. de rec.
minerais,
fósseis e ren
Emissão de
partículas
Depl. de rec.
hidricos
RU 2020
Valores normalizados por t de RU gerido em 2012 e 2020 (sem prevenção)
42
3. Contributos socioeconómicos
Descrição do Sistema
Modelo de Interacção RU – Sector RU – RoE
Produtos RoE Serviços RoE
RU
SGRU
f
A1 - Trocas Intersectoriais - Matriz de fornecimentos (M€)
A2 - Trocas Intersectoriais - Matriz de usos (M€)
A2
Produtos RoE
C
H
B - Fluxos financeiros associados ao input de RU no SG RU (M€)
C - Trocas financeiras entre SG de RU e o resto da economia (M€)
Serviços RoE
A1
D - Pagamentos dos Ramos de actividade ao SG RU (M€)
D
E - Produção de RU secundários no SG de RU (kt)
F - Trocas financeiras entre tecnologias/sectores do SG de RU (M€)
RU
G
B
SGRU
v
E
K
F
L
I
G - Produção de RU no resto da economia (t)
H - Procura final de produtos do resto da economia (M€)
I - Produção de RU pela procura final (kt)
K - Factores primários dos ramos de actividade do resto da economia (M€)
L - Factores primários das tecnologias/sectores do SG de RU (M€)
44
Impacte global do PERSU 2020 - Emprego
Aumento associado principalmente às actividades de Recolha Selectiva, Triagem e TMB
17.595
Número de trabalhadores
20.000
15.000
14.392
Em 2020 prevê-se a geração de
1.250 novos empregos directos
5.521
Criação líquida de
emprego
3.391
10.000
5.000
0
11.721
12.997
-720
-923
2012
2020
22%
-5.000
Impactes Directos
Impactes Indirectos
Impactes de Substituição
Impacte liquido
45
Índice
1. Sustentabilidade Urbana – estratégias de
desenvolvimento
2. Metabolismo urbano – conceito e aplicações
3. Métodos de quantificação do metabolismo
urbano
4. Planeamento de sistemas energéticos
sustentáveis - das energias renováveis à
gestão da procura
5. Planeamento urbano sustentável
Entender e prever o consumo de energia
Monitorização de consumos
Contador
inteligente
Consumo agregado de eletricidade (a cada 5/15
minutos)
Comercializadores de
energia
O impacto do parque edificado
Estimar o potencial de energias renováveis
Definiu-se uma estrutura metodológica que:
 Parâmetros para estimar o potencial solar de cada edifício
 Localização para a implementação de painéis solares
fotovoltaicos
Edificado
LiDAR
Modelo
Padrão
PVGIS
Cálculo solar
(Dif. / Trans.)
Cálculo
Altimetria
BGRI
Mapa DMC
Classificado
MDT Final
Dados aferidos
mensais
Imagem
Aérea Digital
Cálculo
Calculo solar anual
MDS
Calculo solar anual
MDT
Cálculo
População
redistribuida ao
edifício
MWh anual
cobertura
Localização
PV
Cálculo
Área impermeabilizada
(População – MWh anual)
Estimar o potencial de energias renováveis
MDS Final todos
retornos
Edifícios
Vectorial
Cálculo Solar Mensal-Parâmetros
(Dif. / Trans.)
Calculo Slope
Slope
≤ 45°
Máscara
Soma Solar Mensal
MWh/m2 anual
superfície horizontal
MWh/ m2 px
cobertura
Slope ≤ 45°
Cálculo MWh/
m2 área
projectada px
MWh/ m2
superfície
Soma px
Cálculo cos
Máscara
Área real px
MWh/ m2
superfície ≤ 45°
MWh /m2 anual
cobertura
Máscara
Área real cobertura
Cálculo MWh/m2
cobertura
MWh/m2 anual
cobertura
Estimar o potencial de energias renováveis
• http://arcst.tagus.ist.utl.pt/umsc/solar/
Promover a gestão activa da procura
Prosumer Lab
Equipamento instalado:
•
•
•
Solução KNX :
- Controlo de 8 iluminárias
- Controlo de 1 sistema de ar condicionado
- Controlo de 12 tomadas (ON/OFF)
Sistema de deteção com Bluetooth
Sistemas de geração com PV e baterias
Paleta, R., Pina, A., Silva, C. (2014) “Polygeneration Energy Container: Designing and Testing Energy Services for Remote Developing
Communities”. Accepted for publication at IEEE Transactions on Sustainable Energy.
Promover a gestão activa da procura
• Desenvolvimento de um contador inteligente
de baixo custo
• Aplicação em escritórios e habitações
• Funciona como um gestor ativo da procura
• Identifica falhas em sistemas remotos
Integração de renováveis com águas quentes sanitárias
Colaborações com unidades de investigação (INESC-ID), empresas (WS Energy e Eletricidade dos
Açores) e Municípios (Ilha do Corvo)
Neves, D., Silva, C. (2014) “Modeling the impact of integrating solar thermal systems and heat pumps for domestic hot water in electric
systems – The case study of Corvo Island”. Renewable Energy, 72, pp. 113-124.
Modelar sistemas energéticos – DER-CAM
Tipo de tecnologia,
Potência instalada
1
Cost minimization :
Consumos horários
Ctotal  CDG  Celec  C fuel   m   h  Sm,h
3
GHG emissions minimization :
(Por uso)
Gas
•
Eletricidade
Electricity
•
Gás
GHGtotal  GHGelec  GHGfuel
Informação de mercado
(Tarifas, preços de combustíveis)
Tecnologias
(solar, eólica, cogeração)
Emissions from DER
(custos, emissões, etc)
(and also from macrogrid)
Source: LBNL
Perfis de consumos por consumidor:
(eletricidade, aquecimento, arrefecimento,
águas quentes e gás).
Índice
1. Da sustentabilidade ao papel das cidades
2. Quais as dimensões da sustentabilidade
urbana
3. Metabolismo urbano – conceito e aplicações
4. Métodos de quantificação do metabolismo
urbano
5. Casos de estudo - Resíduos e Energia
6. Planeamento urbano sustentável
Uma visão do metabolismo urbano sobre
A agenda de Copenhaga para Cidades Sustentáveis
1. Redescobrir a cidade
10. Encorajar a paixão pela
liderança
2. Redefinir os Valores
3. Big data – fazer usa da
informação com modelos
adequados
9. Aproveitar a oportunidade da
crise e mudança, Cidadão e
Conhecimento
8. Pensar
global
4. Quebrar os silos
7. Promover a responsabilidade
social das empresas
5. Partilhar os processos de decisão
6. Promover uma
visão sistémica
Muito obrigado
Paulo Ferrão
ferrao@tecnico.ulisboa.pt
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Smart Cities – Sustainable Cities. Metabolismo Urbano