Ενεργειακό-οικονομικό μοντέλο για τον τομέα των μεταφορών
Authors: Σίσκος Πελοπίδας 
Published: September 2021

Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής αφορά την ανάπτυξη και εφαρμογή ενός πρωτότυπου ολοκληρωμένου ενεργειακού - οικονομικού μοντέλου για τον τομέα των Ευρωπαϊκών επιβατικών και εμπορευματικών μεταφορών. Η ανάπτυξη του προτεινόμενου μοντέλου, με την ονομασία PRIMES-TREMOVE, έχει ως σκοπό τη μελέτη συγκεκριμένων πολιτικών και το σχεδιασμό σεναρίων με στόχο τη διερεύνηση των επιπτώσεών τους στα πλαίσια της απανθρακοποίησης του συστήματος των μεταφορών μέχρι το 2050 και της αντιμετώπισης της κλιματικής αλλαγής. Το μοντέλο που αναπτύχθηκε στη διατριβή θεμελιώνεται στην μικροοικονομική θεωρία σύμφωνα με την οποία αναπαρίστανται οι αποφάσεις των καταναλωτών/παραγωγών ως αποτέλεσμα ατομικής βελτιστοποίησης της χρησιμότητας ή του κόστους υπό τεχνικούς και οικονομικούς περιορισμούς. Οι ατομικές αποφάσεις επιδρούν στο σύστημα και στις αγορές και επηρεάζουν τις τιμές/κόστη, καθώς και το κόστος του χρόνου (λόγω συμφορήσεων) μεταφορών, και στη συνέχεια οι ατομικές αποφάσεις αναθεωρούνται με βάση την ανάδραση αυτή. Οι αποφάσεις αφορούν στην επιλογή μεταφορικού μέσου, μεταφορικού εξοπλισμού (επένδυση) και στην επιλογή είδους καυσίμου από κάθε καταναλωτή/παραγωγό. Οι αποφάσεις είναι δυναμικές μέσα στο χρόνο και επηρεάζονται από την μεταφορική υποδομή και την υποδομή τροφοδοσίας καυσίμου (ή φόρτισης μπαταριών) καθώς και από την εξέλιξη της τεχνολογίας. Η τελευταία επηρεάζεται επίσης από τον αναμενόμενο όγκο των μελλοντικών πωλήσεων, δεδομένου ότι οι νέες τεχνολογίες που είναι ακόμα ακριβές αναμένεται να μειώνουν το κόστος τους ανάλογα με τον όγκο πωλήσεων χάρις σε καινοτομίες και βιομηχανικές οικονομίες κλίμακας. Η δυναμική εξέλιξη επηρεάζεται από ενεργειακές και μεταφορικές πολιτικές, όπως οι φόροι, η διαθεσιμότητα νέων καυσίμων, τα όρια εκπομπών για νέα οχήματα, οι τυχόν προδιαγραφές ενεργειακής απόδοσης τεχνολογιών και η κατασκευή νέων υποδομών.Το μαθηματικό πρόβλημα που επιλύει το μοντέλο εντάσσεται στο γενικό πρόβλημα εύρεσης ισορροπίας μεταξύ ανεξάρτητων πολλαπλών προβλημάτων βελτιστοποίησης τα οποία αλληλοεπιδρούν μέσω συνθηκών ισορροπίας και συνολικών περιορισμών σε επίπεδο συστήματος που αφορούν σε πόρους και εκπομπές. Για την επίλυσή του, τα ατομικά προβλήματα βελτιστοποίησης μετατρέπονται σε προβλήματα μη γραμμικής συμπληρωματικότητας και ενώνονται μεταξύ τους περιλαμβάνοντας και τους συνολικούς περιορισμούς και συνθήκες ισορροπίας. Το μοντέλο επιλύεται δυναμικά στο χρόνο. Το μοντέλο καταστρώθηκε σε περιβάλλον GAMS και επιλύεται σε Η/Υ χρησιμοποιώντας παράλληλη επεξεργασία με βάση αλγόριθμους μη γραμμικού προγραμματισμού.Οι κύριες εφαρμογές του προτεινόμενου μοντέλου επιχειρούν να δώσουν απαντήσεις σε ερωτήματα ενεργειακής πολιτικής αναφορικά με τη βαθιά μείωση των εκπομπών CO2 στον ορίζοντα του 2050 και κυρίως τη συνεισφορά της ηλεκτρικής ενέργειας στο στόχο αυτό. Οι κύριοι άξονες που επηρεάζουν το βαθμό διείσδυσης της ηλεκτρικής ενέργειας στις οδικές μεταφορές είναι κυρίως ο τεχνολογικός και ο πολιτικός. Οι εφαρμογές και τα σενάρια ενεργειακής πολιτικής που εξετάζονται με το μοντέλο PRIMES-TREMOVE βασίζονται σε συνδυασμούς των παραπάνω αξόνων με σκοπό την άντληση συμπερασμάτων. Οι πολιτικές αξιολογούνται με βάση τις επιπτώσεις τους στο συνολικό κόστος, τις συνολικές εκπομπές CO2, τη ζήτηση ενέργειας και τις επιπτώσεις στην Ευρωπαϊκή αγορά.Η εισαγωγή κλάσεων ταξιδιών αυξάνει περαιτέρω τη διακριτική ικανότητα του μοντέλου που έχει σκοπό να προσομοιώσει ορθότερα την ετερογένεια που επικρατεί στον τομέα των επιβατικών μεταφορών με την ύπαρξη των εκατομμυρίων μετακινουμένων. Εξετάσθηκαν επίσης διαφορετικά σενάρια σχετικά με την αποτελεσματικότητα της φόρτισης μπαταριών από τη σκοπιά του ηλεκτρικού συστήματος και την ανάδραση στις μεταφορές από τις τιμές της ηλεκτρικής αγοράς οι οποίες εξαρτώνται από τη μορφή φορτίου που προκύπτει από τη διαχείριση της φόρτισης. Για το σκοπό αυτό το μοντέλο μεταφορών επιλύθηκε σε αλληλεπίδραση με το μοντέλο ηλεκτρικού συστήματος του PRIMES.Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής αφορά την ανάπτυξη και εφαρμογή ενός πρωτότυπου ολοκληρωμένου ενεργειακού - οικονομικού μοντέλου για τον τομέα των Ευρωπαϊκών επιβατικών και εμπορευματικών μεταφορών. Η ανάπτυξη του προτεινόμενου μοντέλου, με την ονομασία PRIMES-TREMOVE, έχει ως σκοπό τη μελέτη συγκεκριμένων πολιτικών και το σχεδιασμό σεναρίων με στόχο τη διερεύνηση των επιπτώσεών τους στα πλαίσια της απανθρακοποίησης του συστήματος των μεταφορών μέχρι το 2050 και της αντιμετώπισης της κλιματικής αλλαγής. Το μοντέλο που αναπτύχθηκε στη διατριβή θεμελιώνεται στην μικροοικονομική θεωρία σύμφωνα με την οποία αναπαρίστανται οι αποφάσεις των καταναλωτών/παραγωγών ως αποτέλεσμα ατομικής βελτιστοποίησης της χρησιμότητας ή του κόστους υπό τεχνικούς και οικονομικούς περιορισμούς. Οι ατομικές αποφάσεις επιδρούν στο σύστημα και στις αγορές και επηρεάζουν τις τιμές/κόστη, καθώς και το κόστος του χρόνου (λόγω συμφορήσεων) μεταφορών, και στη συνέχεια οι ατομικές αποφάσεις αναθεωρούνται με βάση την ανάδραση αυτή. Οι αποφάσεις αφορούν στην επιλογή μεταφορικού μέσου, μεταφορικού εξοπλισμού (επένδυση) και στην επιλογή είδους καυσίμου από κάθε καταναλωτή/παραγωγό. Οι αποφάσεις είναι δυναμικές μέσα στο χρόνο και επηρεάζονται από την μεταφορική υποδομή και την υποδομή τροφοδοσίας καυσίμου (ή φόρτισης μπαταριών) καθώς και από την εξέλιξη της τεχνολογίας. Η τελευταία επηρεάζεται επίσης από τον αναμενόμενο όγκο των μελλοντικών πωλήσεων, δεδομένου ότι οι νέες τεχνολογίες που είναι ακόμα ακριβές αναμένεται να μειώνουν το κόστος τους ανάλογα με τον όγκο πωλήσεων χάρις σε καινοτομίες και βιομηχανικές οικονομίες κλίμακας. Η δυναμική εξέλιξη επηρεάζεται από ενεργειακές και μεταφορικές πολιτικές, όπως οι φόροι, η διαθεσιμότητα νέων καυσίμων, τα όρια εκπομπών για νέα οχήματα, οι τυχόν προδιαγραφές ενεργειακής απόδοσης τεχνολογιών και η κατασκευή νέων υποδομών.Το μαθηματικό πρόβλημα που επιλύει το μοντέλο εντάσσεται στο γενικό πρόβλημα εύρεσης ισορροπίας μεταξύ ανεξάρτητων πολλαπλών προβλημάτων βελτιστοποίησης τα οποία αλληλοεπιδρούν μέσω συνθηκών ισορροπίας και συνολικών περιορισμών σε επίπεδο συστήματος που αφορούν σε πόρους και εκπομπές. Για την επίλυσή του, τα ατομικά προβλήματα βελτιστοποίησης μετατρέπονται σε προβλήματα μη γραμμικής συμπληρωματικότητας και ενώνονται μεταξύ τους περιλαμβάνοντας και τους συνολικούς περιορισμούς και συνθήκες ισορροπίας. Το μοντέλο επιλύεται δυναμικά στο χρόνο. Το μοντέλο καταστρώθηκε σε περιβάλλον GAMS και επιλύεται σε Η/Υ χρησιμοποιώντας παράλληλη επεξεργασία με βάση αλγόριθμους μη γραμμικού προγραμματισμού.Οι κύριες εφαρμογές του προτεινόμενου μοντέλου επιχειρούν να δώσουν απαντήσεις σε ερωτήματα ενεργειακής πολιτικής αναφορικά με τη βαθιά μείωση των εκπομπών CO2 στον ορίζοντα του 2050 και κυρίως τη συνεισφορά της ηλεκτρικής ενέργειας στο στόχο αυτό. Οι κύριοι άξονες που επηρεάζουν το βαθμό διείσδυσης της ηλεκτρικής ενέργειας στις οδικές μεταφορές είναι κυρίως ο τεχνολογικός και ο πολιτικός. Οι εφαρμογές και τα σενάρια ενεργειακής πολιτικής που εξετάζονται με το μοντέλο PRIMES-TREMOVE βασίζονται σε συνδυασμούς των παραπάνω αξόνων με σκοπό την άντληση συμπερασμάτων. Οι πολιτικές αξιολογούνται με βάση τις επιπτώσεις τους στο συνολικό κόστος, τις συνολικές εκπομπές CO2, τη ζήτηση ενέργειας και τις επιπτώσεις στην Ευρωπαϊκή αγορά.Η εισαγωγή κλάσεων ταξιδιών αυξάνει περαιτέρω τη διακριτική ικανότητα του μοντέλου που έχει σκοπό να προσομοιώσει ορθότερα την ετερογένεια που επικρατεί στον τομέα των επιβατικών μεταφορών με την ύπαρξη των εκατομμυρίων μετακινουμένων. Εξετάσθηκαν επίσης διαφορετικά σενάρια σχετικά με την αποτελεσματικότητα της φόρτισης μπαταριών από τη σκοπιά του ηλεκτρικού συστήματος και την ανάδραση στις μεταφορές από τις τιμές της ηλεκτρικής αγοράς οι οποίες εξαρτώνται από τη μορφή φορτίου που προκύπτει από τη διαχείριση της φόρτισης. Για το σκοπό αυτό το μοντέλο μεταφορών επιλύθηκε σε αλληλεπίδραση με το μοντέλο ηλεκτρικού συστήματος του PRIMES.