Στοχαστική μοντελοποίηση του παγκόσμιου ενεργειακού συστήματος και εφαρμογές
Authors: Φράγκος Παναγιώτης 
Published: August 2021

Η διατριβή αφορά τον σχεδιασμό και την ανάπτυξη ενός πρωτότυπου ολοκληρωμένου ενεργειακού-οικονομικού μοντέλου για το παγκόσμιο ενεργειακό σύστημα στην προοπτική εξέλιξής του μέχρι το 2050, στο οποίο συστηματικά ενσωματώνεται αναπαράσταση της αβεβαιότητας σχετικά με όλες τις παραμέτρους του μοντέλου. Υπάρχουν μοντέλα του παγκόσμιου ενεργειακού συστήματος που έχουν μελετήσει παράγοντες αβεβαιότητας, αλλά οι παράγοντες αυτοί είναι περιορισμένοι τον αριθμό. Η σημαντικότερη πρωτοτυπία της διατριβής έγκειται στο ότι δεν υπάρχει στη βιβλιογραφία μοντέλο ενεργειακού συστήματος το οποίο να ενσωματώνει σε πλήρη έκταση και σε όλες τις παραμέτρους την αβεβαιότητα. Το θεωρητικό υπόβαθρο του προτεινόμενου μοντέλου συνδυάζει τον κλάδο της ενεργειακής οικονομίας, της μαθηματικής μοντελοποίησης και τη στατιστική, ειδικότερα τους κλάδους της οικονομετρίας (προηγμένες τεχνικές στατιστικής εκτίμησης) και της στοχαστικής προσομοίωσης. Η μοντελοποίηση αφορά στις συμπεριφορές καταναλωτών και παραγωγών ενέργειας, καθώς και τη διαμόρφωση οικονομικής ισορροπίας στις ενεργειακές αγορές σε εθνικό και παγκόσμιο επίπεδο. Η ισορροπία προσφοράς και ζήτησης των ενεργειακών προϊόντων επιτυγχάνεται στο μοντέλο μέσω των τιμών αγοράς οι οποίες επηρεάζονται από το κόστος παραγωγής, τους ενεργειακούς πόρους και την εξέλιξη των ενεργειακών τεχνολογιών. Οι αποφάσεις είναι δυναμικές μέσα στον χρόνο και προσομοιώνονται με βάση αναπροσαρμοζόμενες μυωπικές προσδοκίες. Οι αλγεβρικές μορφές που προσομοιώνουν τις αποφάσεις των καταναλωτών σχετικά με την επιλογή τεχνολογίας και μορφής ενέργειας βασίζονται στη θεωρία διακριτών επιλογών η οποία είναι κατάλληλη για αναπαράσταση αποφάσεων όταν υφίσταται σημαντική ετερογένεια μεταξύ των αποφασιζόντων. Οι δυναμικές σχέσεις του μοντέλου προσομοιώνουν τη χρονική πορεία των εξοπλισμών ενεργειακών τεχνολογιών που μπορούν να αντικαθίστανται δυναμικά με βάση οικονομικά κριτήρια. Η διαμόρφωση των διεθνών τιμών των καυσίμων είναι ενδογενής και εξαρτάται από την εξέλιξη της παγκόσμιας ζήτησης και προσφοράς και τα κοιτάσματα υδρογονανθράκων. Η δυναμική εξέλιξη του συστήματος επηρεάζεται στο μοντέλο από ενεργειακές και κλιματικές πολιτικές, όπως η επιβολή φόρου στις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα, η διαθεσιμότητα νέων ενεργειακών μορφών, οι πολιτικές προώθησης των ΑΠΕ, οι τυχόν προδιαγραφές ενεργειακής απόδοσης τεχνολογιών και η κατασκευή νέων υποδομών. Επηρεάζεται επίσης από την εξέλιξη των τεχνολογιών η οποία είναι ενδογενής στο μοντέλο εξαρτώμενη από τις δαπάνες σε έρευνα και την εκμάθηση μέσω εμπειρίας (σχέση που συνδέει τη μείωση του κόστους νέων τεχνολογιών με τη διάδοσή τους στην αγορά).Το μοντέλο επιλύεται σε Η/Υ χρησιμοποιώντας παράλληλη επεξεργασία για την εκτέλεση στοχαστικών πειραμάτων Monte Carlo. Το μοντέλο αναπτύχθηκε και εκτιμήθηκε στατιστικά σε ειδικό περιβάλλον λογισμικού (EViews) το οποίο παρέχει τους πλέον σύγχρονους αλγορίθμους στατιστικής εκτίμησης. Το μοντέλο επιλύεται αριθμητικά με επιτυχία σε πλήρη κλίμακα ώστε να παρέχει προβολές στο μέλλον για το παγκόσμιο ενεργειακό σύστημα και έχει χρησιμοποιηθεί σε πληθώρα πραγματικών εφαρμογών μεγάλης κλίμακας για ανάγκες της Ευρωπαϊκής Επιτροπής. Στις εφαρμογές δόθηκε ιδιαίτερη έμφαση στην διερεύνηση της σημασίας των κοιτασμάτων των υδρογονανθράκων και της εξέλιξης των διεθνών τιμών στο πλαίσιο της μακροχρόνιας εξέλιξης του ενεργειακού συστήματος. Το μοντέλο εφαρμόσθηκε σε πληθώρα μελετών για τον μετασχηματισμό του παγκόσμιου ενεργειακού συστήματος και τον μετριασμό κλιματικής αλλαγής μέσω της δραστικής μείωσης των εκπομπών διοξειδίου άνθρακα. Το μοντέλο αναπαριστά αλληλεπιδράσεις μεταξύ κλιματικών και ενεργειακών πολιτικών, διεθνών τιμών ενέργειας και τεχνολογικής προόδου καθώς και τις επιπτώσεις τους σε όλους τους κλάδους της ενέργειας κατά χώρα ή περιοχή, καλύπτοντας το σύνολο του πλανήτη και χρονικό ορίζοντα ως το 2050.Η κύρια προσπάθεια της έρευνας είναι η συστηματική ενσωμάτωση της αβεβαιότητας σε όλους τους παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται η προβολή στο μέλλον του συστήματος. Η λεπτομερής κάλυψη της αβεβαιότητας σε ένα ολοκληρωμένο μεγάλης κλίμακας μοντέλο του παγκόσμιου ενεργειακού συστήματος επιτρέπει την ποσοτικοποίηση όλων των αποτελεσμάτων και προβολών με τη μορφή κατανομών πιθανοτήτων που παράγονται ενδογενώς και οι οποίες δεν λαμβάνουν προ-καθορισμένη μορφή. Το ενδιαφέρον αποτέλεσμα του μοντέλου είναι ακριβώς η μορφή της κατανομής πιθανοτήτων που το μοντέλο παράγει για κάθε μέγεθος που προβάλλεται στο μέλλον. Η μορφή αυτή μπορεί να αξιολογηθεί από τον χρήστη του μοντέλου ώστε να προκύψουν συμπεράσματα σχετικά με το εύρος της αβεβαιότητας για κάθε προβολή. Για παράδειγμα το μοντέλο παράγει πιθανολογικές εκτιμήσεις για την εξέλιξη μεταβλητών (π.χ. η πιθανότητα ότι οι παγκόσμιες εκπομπές άνθρακα θα υπερβούν ένα συγκεκριμένο όριο το 2050) ως αποτέλεσμα της λειτουργίας του ενεργειακού συστήματος υπό αβεβαιότητα. Η πληροφορία σχετικά με την αβεβαιότητα των προβολών αποτελεί κρίσιμη παράμετρο στον σχεδιασμό αποτελεσματικών πολιτικών και συνεπώς η ολοκληρωμένη ποσοτικοποίηση κινδύνου που παρέχει η ανάλυση είναι στρατηγικής σημασίας.Το μοντέλο ενσωματώνει με ρητό και αμερόληπτο τρόπο τις κυριότερες κατηγορίες αβεβαιοτήτων που αναγνωρίζονται στην διεθνή βιβλιογραφία και συγκεκριμένα την έλλειψη γνώσης για την εξέλιξη των εξωγενών υποθέσεων του μοντέλου, την αβεβαιότητα από ατελή γνώση του συστήματος για την τιμή των παραμέτρων (παραμετρική αβεβαιότητα) και την διακύμανση από μεταβλητές που δεν έχουν ενσωματωθεί ρητά (υπολείμματα εξισώσεων). Τα παραπάνω εισάγονται με τη μορφή κατανομών πιθανοτήτων που χρησιμοποιεί το μοντέλο για την ανάλυση "Monte Carlo" παρέχοντας κατανομές πιθανοτήτων για τις ενδογενείς μεταβλητές. Για την παραγωγή κατάλληλων κατανομών για τις παραμέτρους και τις υποθέσεις που εισάγονται στο μοντέλο, χρησιμοποιούνται εκτενώς οικονομετρικές εκτιμήσεις. Η στατιστική επεξεργασία των ιστορικών δεδομένων παρέχει βάση για την επιλογή των κατανομών και για την ανάλυση συνδιακύμανσης. Οι εκτιμήτριες των παραμέτρων βασίζονται σε μεθόδους αμερόληπτης εκτίμησης με χρήση κατάλληλων μεθόδων παλινδρόμησης και στατιστικού μετασχηματισμού χρονοσειρών. Η ανάλυση δίνει ιδιαίτερη προσοχή στη στατιστική εξάρτηση των παραμέτρων που εισάγονται στο μοντέλο, δεδομένου ότι η συνδιακύμανση διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στον προσδιορισμό της κατανομής των ενδογενών μεταβλητών και ιδιαίτερα των αθροιστικών. Στο πλαίσιο της διατριβής αναπτύχθηκε επίσης και η βάση δεδομένων του μοντέλου σε πλήρη κλίμακα, η οποία είναι ιδιαίτερα εκτενής καθώς περιλαμβάνει το σύνολο των δεδομένων για το παγκόσμιο ενεργειακό σύστημα, τις ενεργειακές τεχνολογίες κάθε είδους, αλλά και τα ιστορικά δεδομένα που χρησιμοποιούνται για οικονομετρικές εκτιμήσεις. Επιπλέον πραγματοποιήθηκαν εφαρμογές μεγάλης κλίμακας και τα αποτελέσματα χρησιμοποιήθηκαν εκτενώς από την Ευρωπαϊκή Επιτροπή. Στις εφαρμογές, δόθηκε ιδιαίτερη έμφαση στις επιπτώσεις εναλλακτικών ενεργειακών και κλιματικών πολιτικών στην εξέλιξη του παγκόσμιου συστήματος ενέργειας καθώς και στην εξέταση της σημασίας των υποθέσεων για τα παγκόσμια κοιτάσματα υδρογονανθράκων για την διαμόρφωση των διεθνών τιμών ενέργειας και μίγματος καυσίμων. Η σημασία της αβεβαιότητας αναλύθηκε εκτενώς και παρήχθησαν αμερόληπτες κατανομές πιθανοτήτων για το σύνολο των ενδογενών μεταβλητών του μοντέλου που μπορούν να δώσουν πιθανοτικές εκτιμήσεις για εναλλακτικά ενδεχόμενα. Η ανάλυση επεκτάθηκε σε στοχαστικά σενάρια κλιματικών πολιτικών και εκμετάλλευσης του σχιστολιθικού αερίου σε παγκόσμια κλίμακα και μελέτησε τις διαφορές στις κατανομές πιθανοτήτων των μεταβλητών και στις πιθανοτικές εκτιμήσεις που προκύπτουν. Τέλος, εξετάστηκε η βέλτιστη κατανομή των επενδύσεων σε τεχνολογίες ηλεκτροπαραγωγής με βάση την ελαχιστοποίηση του κινδύνου υποθέτοντας ότι οι επενδυτές αποστρέφονται τον κίνδυνο. Η μοντελοποίηση βασίσθηκε σε μεθόδους μεικτού ακεραίου γραμμικού προγραμματισμού, ενώ τα δεδομένα για την αβεβαιότητα τροφοδοτούνται από το στοχαστικό ενεργειακό μοντέλο.