Evaluación de la sostenibilidad de la fracturación hidráulica basada en la técnica de decisión multicriterio fuzzy-anp
- Autores: José Antonio Fernández Ferreras
- Directores de la Tesis: Ángel Irabien Gulías (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Cantabria ( España ) en 2019
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Ignacio E. Grossmann (presid.), Inmaculada Ortiz Uribe (secret.), Jorge Cristóbal García (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Química, de la Energía y de Procesos por la Universidad de Cantabria
- Materias:
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- español
Metodología para la evaluación de la sostenibilidad de la fracturación hidráulica basada en la técnica de decisión multicriterio Fuzzy-ANP PLANTEAMIENTO La bibliografía existente sobre la fracturación hidráulica (fruto de la experiencia en EE. UU.) señala la existencia de impactos ambientales sobre la atmósfera, aguas y suelos, además de la existencia de riesgos de accidentes, y sismicidad. Estos impactos pueden evaluarse desde el punto de vista de la metodología de riesgos, como una combinación de peligro y probabilidad.
La Ley 21/2013 de 9 diciembre de Evaluación Ambiental establece la obligatoriedad de someter a Evaluación Ambiental Estratégica los planes de los que se deriven proyectos que pudieran tener una incidencia sobre el medio ambiente. La recomendación de la Comisión Europea, de 22 de enero de 2014 sobre la fracturación hidráulica establece que los proyectos deben ser evaluados a través del instrumento de Evaluación Ambiental de Planes y Programas.
Sin embargo, el concepto de desarrollo sostenible adoptado por primera vez en el informe Brundtland, elaborado en 1987 para la ONU, abarca además de los aspectos ambientales, los aspectos sociales y económicos.
Los partidarios de la fracturación hidráulica señalan los beneficios económicos y de creación de empleo, y la posibilidad de autosuficiencia energética de Europa. Los opositores argumentan además de los efectos ambientales, efectos sobre la salud, debidos principalmente a las emisiones de compuestos orgánicos volátiles, a la vez que señalan las incertidumbres sobre los beneficios económicos y de creación de empleo generados por dicha técnica.
En este contexto, parece conveniente definir una metodología de evaluación de la sostenibilidad de la técnica de fracturación hidráulica teniendo en cuenta los aspectos ambientales, económicos, sociales y tecnológicos, obteniendo una herramienta que permita una visión en conjunto de los distintos factores que afectan a la sostenibilidad, y sus interrelaciones.
Objetivos:
Los objetivos que se plantean son los siguientes:
- Definición de una serie de indicadores ambientales, sociales, económicos y tecnológicos aplicables a la evaluación de la sostenibilidad de la fracturación hidráulica en España.
- Desarrollo de una metodología de evaluación de la sostenibilidad de la fracturación hidráulica en España, que contemple los aspectos ambientales, económicos, sociales y tecnológicos, integrándolos en una herramienta, de forma que se consideren las interrelaciones existentes entre los diferentes indicadores.
- Obtención del ranking de prioridad de factores de la sostenibilidad, en función de la importancia relativa de la influencia de cada factor sobre el resto.
- Análisis de sensibilidad sobre la variabilidad del ranking de indicadores al variar los valores de cada uno de ellos.
- Incorporación al modelo de los juicios de los expertos, mediante la realización de encuestas y comparación de resultados con los obtenidos previamente.
DESARROLLO Metodología e hipótesis de trabajo:
Para la consecución de los objetivos, anteriormente definidos, se utiliza una metodología basada en la Decisión Multicriterio (MCM), que combina los diferentes aspectos de la sostenibilidad y evalúa las interrelaciones existentes entre ellos. Para este fin, se considera adecuada la metodología de Proceso Analítico en Red – ANP, ya que permite la interrelación entre los diferentes factores que afectan a la sostenibilidad, a través del establecimiento de matrices de comparación por pares para medir los pesos de los diferentes componentes en el sistema.
La metodología ANP ha sido utilizada en múltiples trabajos publicados sobre la evaluación de la sostenibilidad.
En muchos problemas complejos de toma de decisión, la información disponible es a veces imprecisa o vaga, y no puede concretarse a través de números al no estar las fronteras de cuantificación claramente definidas.
Esto ocurre con los aspectos ambientales o sociales, en los que es difícil cuantificar cómo es la afección a un determinado vector ambiental, o cuál es la percepción social sobre la técnica.
El problema de imprecisión se solventa a través de la utilización de números Fuzzy que incorporan un intervalo de incertidumbre, típicamente asociada a los juicios humanos.
Por tanto, parece adecuado utilizar la metodología FUZZY- ANP para la evaluación de la sostenibilidad de la fracturación hidráulica en España.
Como hipótesis de trabajo se han considerado los datos que proceden de la experiencia americana en la técnica de la fracturación hidráulica, reflejada en numerosos artículos científicos y documentos publicados por diferentes Organismos Oficiales. Para la evaluación de la vertiente económica de la sostenibilidad, se ha desarrollado un estudio económico específico de un pozo de gas de pizarra.
Se ha procedido a: 1. Recopilación de información procedente de fuentes bibliográficas reconocidas, sobre la afección de la fracturación hidráulica en los aspectos ambientales, económicos, sociales y tecnológicos.
2. Definición de los indicadores ambientales, económicos, sociales y tecnológicos, adecuados para la evaluación de la sostenibilidad de la fracturación hidráulica en España.
3. Desarrollo de una Metodología FUZZY-ANP aplicada a la sostenibilidad de la fracturación hidráulica, que integre las relaciones entre los diferentes factores evaluados a través de indicadores.
4. Determinación de los factores más relevantes que afectan a la sostenibilidad de la fracturación hidráulica en España, obteniendo un ranking de prioridad de los mismos.
5. Análisis de sensibilidad para determinar cómo se comporta el modelo al variar los juicios emitidos previamente.
6. Realización de encuestas entre expertos para valorar la importancia relativa de los clústeres que engloban los diferentes factores ambientales, económicos, sociales y tecnológicos, obteniendo un nuevo ranking de prioridad de factores.
Resultados Los resultados obtenidos se muestran en la siguiente gráfica, en la que se representa el ranking de importancia (en términos de influencia) de los criterios de sostenibilidad en la fracturación hidráulica.
Figura 1. Importancia relativa de los diferentes criterios de sostenibilidad en la fracturación hidráulica.
La percepción social (SP3) es el aspecto más relevante. Le sigue las cargas ambientales (MA1) y tecnológicos (T1). Los aspectos sociales representan el 37,85% en el ranking de importancia, seguido por los aspectos ambientales (32,19%). Los aspectos económicos tienen menor importancia 12,03%.
En la figura siguiente se muestran los resultados obtenidos en base a encuestas, comparados con los obtenidos previamente por el autor.
Figura 2. Comparación de las prioridades de criterios obtenidas con los juicios del autor y del grupo de académicos.
Se concluye que el ranking de prioridad obtenido partiendo de los juicios del autor y de los criterios de académicos es muy similar, con pequeñas diferencias en los porcentajes de importancia, sin que varíe el orden de prioridad, lo que junto con los resultados obtenidos en el análisis de sensibilidad demuestra la robustez de la metodología seleccionada para el análisis de la sensibilidad de la fracturación hidráulica.
CONCLUSIONES Primera.- Mediante un procedimiento que combina lógica difusa y un Proceso Analítico en Red (Fuzzy-ANP) aplicado a la fracturación hidráulica en España, se ha conseguido sintetizar y cuantificar un concepto indefinido, como es la sostenibilidad, mediante el establecimiento de un ranking de prioridad de factores en base a la influencia relativa de los mismos sobre la sostenibilidad de la fracturación hidráulica en España.
Segunda.- Para la aplicación del procedimiento ANP-Fuzzy se han identificado 14 factores característicos de la sostenibilidad de la fracturación hidráulica en España, agrupando la información de cada factor en cuatro clústeres: ambiental, económico, socio-político y tecnológico.
Para la determinación de los pesos de los diferentes factores y clústeres se ha aplicado el “Método de Programación de Preferencias” de Mikhailov, utilizando la programación mediante el software Matlab-Mathworks.
En base a lo anterior, se ha introducido el inventario de la información ambiental, económica, socio-política y tecnológica, combinando lógica difusa con el Proceso Analítico en Red (ANP).
Tercera.- De la aplicación de la metodología expuesta en el punto anterior se concluye que el factor más significativo es la percepción social (SP3) representando un 16,92% del total. Los aspectos sociales, en su conjunto, con un 37,85% son los más relevantes (resultados basados en los juicios del autor). Como segundo factor relevante se sitúa la experiencia y dependencia tecnológica (T1), con un 13,82% del ranking total. En tercera posición del ranking se sitúan las cargas ambientales (MA1), con un 13,59% del total.
Cuarta.- Se ha repetido el proceso incorporando el criterio de valoración de académicos mediante la realización de encuestas. Para resolver las inconsistencias se ha aplicado la linealización de las matrices resultantes de las encuestas.
Los resultados son similares si se incorporan las opiniones de académicos del área de la Ingeniería Química, en base a encuestas, demostrando de esta forma la robustez del modelo aplicado.
Quinta.- En función de los resultados anteriores, la toma de decisiones se puede llevar a cabo mediante un proceso jerárquico, en el que priman los aspectos socio-políticos . Por ello, se recomienda la existencia de un convenio social previo en el marco estatal, autonómico y municipal sobre el desarrollo específico de la fracturación hidráulica, para valorar las variables ambientales y económicas de la sostenibilidad en la toma de decisión.
Sexta.- Los aspectos ambientales, en su conjunto, ocupan la segunda posición, y condicionan de manera importante la percepción social que es el factor predominante. La superación del impacto de los aspectos socio-políticos y ambientales en la toma de decisión debe ser previa a otro tipo de consideraciones económicas y tecnológicas.
Septimo.- El resultado obtenido es coincidente con la literatura reciente sobre la sostenibilidad de la fracturación hidráulica, que señala la importancia de la aceptación social, especialmente en el contexto de la minería y la industria del petróleo y gas, y otros proyectos relacionados con los recursos, introduciéndose el término de licencia social para operar (SLO según sus siglas en inglés), (Raufflet, et al., 2013). La licencia social para operar se deriva de la percepción que las comunidades tienen de una empresa y sus operaciones y comprende la aceptación y aprobación continua de una empresa por parte de las partes interesadas.
Octavo.- La Licencia social (convenios con los sectores interesados) se configura como herramienta de ayuda para gestionar el riesgo socio-político asociados a las actividades de fracturación hidráulica. El primer paso es conciliar el riesgo con las expectativas externas, mediante un acercamiento menos defensivo y más constructivo a la colaboración y compromiso de las partes interesadas (Owen et al., 2013).
Noveno.- De acuerdo con la bibliografía , Prno, et al., 2012 señala la necesidad de obtener la licencia social de las comunidades locales para operar en el sector de la minería, con el fin de evitar conflictos potencialmente peligrosos y la exposición a riesgos sociales. Smith et al., 2015 remarca la necesidad de la licencia social debido al alto componente emocional del debate sobre la fracturación hidráulica. Boutilier et al., 2012 establece las condiciones que debe establecer una compañía para alcanzar el mayor nivel de licencia social, por este orden: legitimidad, credibilidad y confianza (de menor a mayor aceptación social). Morrison, 2014 propone un modelo de tres hebras formado por las licencias económica, legal y social para el desarrollo de una actividad.
Decima.- Los resultados obtenidos, que resaltan la importancia prioritaria de la percepción social, son invariables ante sensibles cambios en los juicios. La sensibilidad ha sido analizada como la variación mínima en la desviación del juicio inicial para que el orden de prioridad de los factores de la sostenibilidad se vea modificado. El modelo es robusto a los cambios en la importancia de EC1 (rentabilidad), y prácticamente insensible a EC3 (impacto en el PIB) y SP5 (pérdida o ganancia patrimonial), manteniendo SP3 la primera posición en cualquier caso ante cualquier variación de dichos parámetros.
Decimoprimera.- Los factores que muestran una mayor sensibilidad en general son, por este orden: SP4 (falta de regulación) SP3 (percepción social) T1 (experiencia, dependencia tecnológica, infraestructuras) y MA1 (cargas ambientales). Se requiere un descenso del 19,18% en la importancia de SP4 para que T1 desplace a SP3 de la primera posición. Un aumento en la importancia de SP4 del 7,15% hace que MA1 pase a ocupar la segunda posición, aunque manteniendo SP3 la primera.
Decimosegunda.- la figura siguiente muestra los principales cambios en la importancia dada por los juicios a los factores que motivan la modificación del orden inicial, así como los motores de dichos cambios.
Figura 3. Cambios en la importancia de los criterios que modifican el ranking de prioridades en la sostenibilidad de la fracturación hidráulica.
Se concluye que el modelo es poco sensible a los cambios en los juicios iniciales, manteniéndose la percepción social como el aspecto más relevante desde el punto de vista de la sostenibilidad.
Decimotercera.- Una vez superados estos aspectos socio-políticos y ambientales (por cambios en la percepción social, disminución de los impactos ambientales como consecuencia de mejoras tecnológicas, regulación estricta etc.), es determinante la experiencia, dependencia tecnológica e infraestructuras, principalmente porque determina además de los impactos ambientales, la rentabilidad de la técnica. El elevado coste del pozo, que se deriva de la actual dependencia tecnológica de EE.UU., hace que la fracturación hidráulica sea económicamente inviable en la actualidad en España.
En el Anexo III se ha desarrollado un análisis de la rentabilidad de un pozo de gas de pizarra en España. La viabilidad económica depende de que se alcancen las siguientes condiciones: • Los costes de capital deben ser menores de 15 millones de dólares.
• Asumiendo que en España se logren rebajar los costes de ejecución de un pozo hasta los 15 millones de dólares, los precios del gas no deben bajar de los 10 dólares por cada millón de Btu.
La reducción de la dependencia tecnológica vendrá determinada por una fuerte implantación de la técnica en países europeos con grandes reservas y poco rechazo social, como Polonia, que provoque el desarrollo de una industria asociada a la fracturación hidráulica y la presencia de mano de obra especializada en la materia.
En la figura siguiente se esquematiza el proceso que llevaría a la implantación de la tecnología del gas de pizarra en nuestro país, y que comienza con la superación de las barreras socio-políticas y ambientales.
Figura 4. Secuencia jerárquica de superación de barreras existentes en España para la implantación de la fracturación hidráulica.
Una vez superados estos aspectos socio-políticos y ambientales, mediante el logro de un compromiso viable con la Sociedad (licencia social), el siguiente aspecto determinante es la experiencia, dependencia tecnológica e infraestructuras. Para la superación de las barreras tecnológicas es necesario la reducción significativa del coste del pozo y el mantenimiento del precio del gas.
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- English
This work advances a methodology of evaluation the sustainability of the hydraulic fracturing technique to graduate the environmental, economic, socio- political and technological aspects, relevant far decision making.
The sustainability evaluation methodology followed in this work is based on the combination of the multicriteria decision method called "Analytic Network Process" (ANP) designed by Professor Thomas L. Saaty in the 90s as a generalization of the hierarchical analytical process (Analytic Hierarchy Process, 1980), and Fuzzy logic.
Fuzzy theory was developed by Lofti A. Zadeh in 1965 in arder to mathematically represent the intrinsic imprecision of certain categories of objects.
In arder to determine the priority ranking of criteria, that is, which criteria have greater influence on others and, therefore, greater weight on the sustainability of hydraulic fracturing, once the 14 criteria grouped into four clusters have been defined (environmental, economic, socio-political and technological), and to support the judgments by pairs, characteristic of the ANP technique, an intense bibliographical research on hydraulic fracturing has been developed, fundamentally derived from the wide American experience. The data inventory is the result of this research in relation to the definition of the different factors of sustainability, particularized, as far as possible, to the Spanish case.
The interrelations between the different factors within the cluster itself and with other different clusters are considered, determining that there is a great dependence between them, reflected in the different peer comparison matrices covered by the ANP methodology. With the obtaining of the limit supermatrix in which ali the columns converge, the ranking of importance of the different factors in terms of influence over the others is obtained, resulting in social perception (SP3) as the most influential aspect (16.92%). Social aspects, with 37.85% are the most relevant, while the economic ones occupy the last position, due to the little influence they exert on factors belonging to other clusters.
In arder to assess the subjectivity of the evaluation carried out, the analysis is repeated, incorporating the assessment of vacademics in the field of Chemical Engineering, through conducting surveys, obtaining similar results.
The analysis has been completed with an economic study of the profitability of a shale gas well in Spain determining the variables that would make economically profitable its exploitation.
- español
