Μαθηματική μοντελοποίηση για την πρόβλεψη και την οικονομοτεχνική βελτιστοποίηση της ενεργειακής κατανάλωσης και αποδοτικότητας στον κτηριακό τομέα
Authors: Φωτίου Θεοφανώ 
Published: May 2022

Η έρευνα στο πλαίσιο της διατριβής επικεντρώθηκε στην ανάπτυξη και υπολογιστική κατασκευή μοντέλου ενεργειακής οικονομίας για την πρόβλεψη της κατανάλωσης ενέργειας και της ενεργειακής αποδοτικότητας στον κτηριακό τομέα. Το μοντέλο είναι σχεδιασμένο να μελετά λεπτομερώς στρατηγικές και πολιτικές ενεργειακής απόδοσης, στο πλαίσιο της επίτευξης φιλόδοξων στόχων για την ενέργεια και το κλίμα μακροπρόθεσμα. Στο πλαίσιο της διατριβής εφαρμόστηκε το μοντέλο στα αριθμητικά δεδομένα όλων των χωρών της Ευρωπαϊκής Ένωσης (ΕΕ). Το μοντέλο αναπαριστά, με μεγάλη λεπτομέρεια, κατάτμηση σε τύπους κτηρίων και καταναλωτών του κτηριακού αποθέματος του οικιακού τομέα και του τομέα των κτηρίων γραφείων και υπηρεσιών της κάθε χώρας. Η λεπτομερής κατάτμηση του κτηριακού αποθέματος, σε συνδυασμό με τη θεωρία διακριτών επιλογών που εφαρμόζει το μοντέλο, ως προς την προσομοίωση των επενδυτικών αποφάσεων για ενεργειακή αποδοτικότητα στα κτήρια, επιτρέπει την αναπαράσταση της ετερογένειας των καταναλωτικών επιλογών και της αποτύπωσης των ιδιοσυγκρασιών στις συμπεριφορές, εγγενές χαρακτηριστικό της ζήτησης ενέργειας στα κτήρια. Η προσέγγιση του μοντέλου συνίσταται στην αναπαράσταση των συμπεριφορών των καταναλωτών σχετικά με τη βελτιστοποίηση της επιλογής τεχνολογίας και επενδύσεων για την εξοικονόμηση ενέργειας σε τεχνικό και οικονομικό επίπεδο υπό την παρουσία πολλαπλών εμποδίων που στην πράξη δυσκολεύουν και στρεβλώνουν την βελτιστοποίηση. Η ενσωμάτωση με συστηματικό τρόπο των παραγόντων αυτών στη μοντελοποίηση της βελτιστοποίησης στην ουσία εφαρμόζουν τη θεωρία της περιορισμένης ορθολογικότητας (bounded rationality) ως κατάλληλη σε συνδυασμό με τη λεπτομερή κατάτμηση του κτηριακού αποθέματος σε τύπους κτηρίων και καταναλωτών για την προσομοίωση των φαινομενικά μη-ορθολογικών συμπεριφορών σχετικά με την εξοικονόμηση ενέργειας. Αυτή η μεθοδολογική προσέγγιση αλλά και η αριθμητική της εφαρμογή αποτελούν την πρωτοτυπία της διατριβής. Η προσέγγιση της περιορισμένης ορθολογικότητας είναι μεγάλης σημασίας για την αξιολόγηση της ενεργειακής πολιτικής σχετικά με την ενεργειακή αποδοτικότητα γιατί μόνο αυτή καταφέρνει να αποτιμήσει σωστά τη δυσκολία που αντιμετωπίζει η πολιτική για την επιτυχή παροχή κινήτρων για την εξοικονόμηση ενέργειας σε μεγάλη κλίμακα. Για το σκοπό αυτό, η προσέγγιση του μοντέλου θεωρεί ότι η περιορισμένη ορθολογικότητα που δυσκολεύει τα κίνητρα πολιτικής οφείλεται σε μη-οικονομικά εμπόδια, εκτός δυσκολιών κόστους, δηλαδή οικονομικά εμπόδια (market barriers). Η προσέγγιση διαχωρίζει τα μη-οικονομικά εμπόδια (non-market barriers) που δυσκολεύουν την ενεργειακή αποδοτικότητα σε «κρυφά» κόστη και παράγοντες που σχετίζονται με την πρόσβαση σε χρηματοδότηση αλλά και σε θεσμικά εμπόδια που αντιστοιχούν σε παράγοντες που δεν έχουν άμεσο πληρωτέο κόστος. Τα μη οικονομικά εμπόδια μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ευρέως σε τρεις ομάδες: α) την (ασύμμετρη) πληροφόρηση, και β) την αβεβαιότητα σχετικά με τις οικονομικές και τεχνικές επιδόσεις των επενδυτικών επιλογών (συμπεριλαμβανομένου του κόστους ευκαιρίας των ιδίων και δανειακών κεφαλαίων), γ) τη ρυθμιστική αβεβαιότητα (κανονιστικές διατάξεις). Η συμπλήρωση της πληροφόρησης αλλά και η άρση των αβεβαιοτήτων έχουν δυναμική εξέλιξη στην προσέγγιση του μοντέλου: όσο περισσότερο γίνονται επενδύσεις σε εξοικονόμηση ενέργειας και νέες τεχνολογίες, τόσο πιο πολύ εξοικειώνονται με αυτές οι επενδυτές και τόσο πιο πολύ μηχανισμοί κοινωνικής μίμησης ευθυγραμμίζουν μεταξύ τους τις ιδιοσυγκρασιακές συμπεριφορές των επενδυτών, ενώ ταυτόχρονα βελτιώνεται η τεχνολογία μέσω μαζικής παραγωγής και εκμάθησης. Οι πολιτικές παροχής κινήτρων για επενδύσεις εξοικονόμησης ενέργειας έχουν στην προσέγγιση του μοντέλου όχι μόνο ρόλο παροχής οικονομικών διευκολύνσεων αλλά και ρόλο μόχλευσης – εναύσματος (enabling conditions) του δυναμικού μηχανισμού εκμάθησης και άρσης των θεσμικών εμποδίων, πληροφόρησης και αβεβαιότητας. Με τον τρόπο αυτό η προσέγγιση τονίζει το ρόλο του κράτους ως μοχλού ανάπτυξης, ο οποίος στην οικονομική θεωρία εντοπίζεται στην επίτευξη θετικών εξωτερικοτήτων. Η μαθηματική αναπαράσταση περιλαμβάνει πολλαπλά εργαλεία πολιτικής, οικονομικά, και θεσμικά, τα οποία δρουν υπέρ της άρσης των εμποδίων ώστε να διευκολύνουν τις επενδύσεις και την επίτευξη ενεργειακής αποδοτικότητας στα κτήρια. Το μοντέλο έχει συμπεριλάβει επίσης τις υποχρεώσεις ρυθμιστικού χαρακτήρα της κείμενης νομοθεσίας, όσον αφορά τους οικοδομικούς κανονισμούς για τα νέα κτήρια (Οδηγία για την Ενεργειακή Απόδοση των Κτηρίων) και τα ελάχιστα πρότυπα ενεργειακής απόδοσης για τον ενεργειακό εξοπλισμό (Οδηγία για τον Οικολογικό Σχεδιασμό των Προϊόντων). Μαθηματικά το μοντέλο λύνει πρόβλημα δυναμικού προγραμματισμού για την επιλογή επενδύσεων το οποίο ενσωματώνεται σε πρόβλημα μη γραμμικής συμπληρωματικότητας, το οποίο αναπαριστά την ταυτόχρονη επίτευξη βέλτιστης ωφέλειας για τον καταναλωτή και ικανοποίησης των στόχων πολιτικής σχετικά με την ενεργειακή αποδοτικότητα, τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα (CO2) και το μερίδιο των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ). Το τελευταίο συνδέεται με τη διάδοση των αντλιών θερμότητας καθώς και άλλων τεχνολογιών ΑΠΕ που προκύπτουν από τη βελτιστοποίηση επενδύσεων. Η διατύπωση των επενδυτικών αποφάσεων στο μοντέλο είναι ιεραρχική και η επιλογή ενεργειακού εξοπλισμού για θέρμανση και ψύξη εξαρτάται από τις επιλογές ενεργειακής αναβάθμισης του κελύφους. Οι επιλογές ενεργειακού εξοπλισμού για θέρμανση επηρεάζουν με τη σειρά τους τις επιλογές για τις υπόλοιπες θερμικές χρήσεις.Η ύπαρξη φιλόδοξων κλιματικών και ενεργειακών στόχων στην ΕΕ βραχυπρόθεσμα και κυρίως η δέσμευση της ΕΕ να είναι η πρώτη κλιματικά ουδέτερη ήπειρος μέχρι το 2050, προϋποθέτει βαθύ μετασχηματισμό ολόκληρου του ενεργειακού συστήματος. Τα αποτελέσματα του μοντέλου αναφορικά με την εφαρμογή του σε διάφορα ζητήματα πολιτικής για την εξοικονόμηση ενέργειας έχουν ως κοινό υπόβαθρο φιλόδοξο κλιματικό στόχο, και παρέχουν βάση διαμόρφωσης ολοκληρωμένης πολιτικής για την ενεργειακή αποδοτικότητα στα κτήρια αλλά και της αξιολόγησής της από την οπτική της οικονομικότητας, αποτελεσματικότατης, εφικτότητας και κοινωνικών επιπτώσεων.Από τα αποτελέσματα προκύπτει ότι η άρση των εμποδίων στην ενεργειακή αποδοτικότητα, είναι κομβικής σημασίας για το μετασχηματισμό του κτηριακού αποθέματος όπως απαιτείται στο πλαίσιο της μετάβασης προς την κλιματική ουδετερότητα. Οι κατάλληλες πολιτικές οικονομικών κινήτρων αλλά και οι θεσμικές πολιτικές άρσης εμποδίων είναι εξίσου απαραίτητες για να κινητοποιήσουν τις απαραίτητες επενδύσεις σε ενεργειακή αποδοτικότητα. Απλά θεσμικά μέτρα που σχετίζονται με την ενημέρωση και την πληροφόρηση των καταναλωτών, μπορούν να μοχλεύσουν επενδύσεις με αποτελεσματικότητα. Τα αποτελέσματα του μοντέλου δείχνουν επίσης ότι η ένταση των μέτρων πολιτικής εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τις υποθέσεις σχετικά με την άρση των εμπόδιων στην ενεργειακή αποδοτικότητα, το οποίο τελικά σημαίνει ότι τα εμπόδια στην ενεργειακή αποδοτικότητα επηρεάζουν σε μεγάλο βαθμό τις καταναλωτικές επιλογές.Όσον αφορά τις εναλλακτικές λύσεις, τα αποτελέσματα του μοντέλου δείχνουν ότι οι βασικοί πυλώνες είναι η μεγάλης έντασης ενεργειακή αναβάθμιση του κελύφους των παλαιών κτηρίων και ο εξηλεκτρισμός της θέρμανσης. Άλλωστε, ο εξηλεκτρισμός της θέρμανσης συνάδει με την ενεργειακή αναβάθμιση των κτηρίων και έτσι γίνεται οικονομικά αποδοτικός. Ειδικά οι αντλίες θερμότητας καταναλώνουν ηλεκτρική ενέργεια πολύ αποδοτικά και μπορούν να συμβάλουν στους στόχους για τις ΑΠΕ. Η χρήση των κλιματικά ουδέτερων καυσίμων (δηλαδή του υδρογόνου, του συνθετικού μεθανίου και του βιοαερίου) συνάδουν με την κλιματική ουδετερότητα, αλλά δεν μπορούν να υποκαταστήσουν το ρόλο της εξοικονόμησης ενέργειας. Τα συνθετικά καύσιμα ενέχουν τεχνικές και συστημικές αβεβαιότητες και είναι μεγάλης εντάσεως ηλεκτρικής ενέργειας με αποτέλεσμα να απαιτούν υπερβολικά εκτεταμένες επενδύσεις σε ΑΠΕ στο σύστημα ηλεκτροπαραγωγής αν στα κτήρια και σε άλλους τομείς δεν γίνεται εξοικονόμηση ενέργειας σε πολύ μεγάλη κλίμακα. Επιπλέον, η αβεβαιότητα που ενέχει η εξέλιξη των τιμών των κλιματικά ουδέτερων καυσίμων για τους τελικούς καταναλωτές, εξαίρει τη σημασία της συνεισφοράς της ενεργειακής αναβάθμισης των κτηρίων στο πλαίσιο του μετασχηματισμού προς την κλιματική ουδετερότητα, διότι η ενεργειακή αναβάθμιση μειώνει το συνολικό κόστος ενέργειας αλλά και τη δαπάνη αγοράς ενεργειακών προϊόντων.Η μείωση των λογαριασμών ενέργειας στα νοικοκυριά, στο πλαίσιο της επίτευξης κλιματικής ουδετερότητας, είναι οπωσδήποτε ένα πλεονέκτημα της στρατηγικής, όπως προκύπτει από τα αποτελέσματα. Όμως η δυσκολία έγκειται στη συλλογή επενδυτικών κονδυλίων, γιατί η ενεργειακή αναβάθμιση των παλαιών κτηρίων, και μάλιστα μέχρι και σε σχεδόν παθητικά κτήρια, είναι εντάσεως κεφαλαίου. Το ίδιο συμβαίνει και με τον εξηλεκτρισμό της θέρμανσης. Αναδεικνύεται επομένως ως μεγάλης σημασίας η παροχή επιδοτήσεων ιδίως προς τους καταναλωτές με περιορισμένη δυνατότητα συλλογής επενδυτικών κονδυλίων. Τα αποτελέσματα του μοντέλου επιβεβαιώνουν τη σημασία των επιδοτήσεων για τη μόχλευση επενδύσεων. Όμως, τα αποτελέσματα δείχνουν επίσης ότι οι επιδοτήσεις οφείλουν να διαφοροποιούνται κατά εισοδηματική κατηγορία γιατί ενυπάρχει μεγάλη ασυμμετρία μεταξύ κατηγοριών σχετικά με τις επενδυτικές δυνατότητες. Η πολιτική επιδοτήσεων πρέπει να αμβλύνει τις διαφορές μεταξύ των κατηγοριών (όπως αυτές μπορούν να υπολογιστούν από το ποσοστό του εισοδήματος που τα νοικοκυριά δαπανούν για αγορά ενέργειας), ώστε να μοχλεύσει συνολικά μεγάλες επενδύσεις εξοικονόμησης ενέργειας. Κατά συνέπεια, ο σχεδιασμός των οικονομικών κινήτρων πρέπει να λάβει υπόψη τις κοινωνικές-οικονομικές διαφορές. Το μοντέλο χρησιμοποιήθηκε επίσης για την αποτίμηση πολιτικής ρυθμιστικού χαρακτήρα η οποία επιβάλλει πρότυπα ενεργειακής απόδοσης (standards) στα κτήρια. Η ανάλυση καταδεικνύει την ανάγκη διαφοροποίησης των προτύπων κατά τύπο κτηρίου με πολλά κριτήρια. Τα αποτελέσματα όμως έδειξαν ότι η πολιτική προτύπων δεν καταφέρνει να αντιμετωπίσει αποτελεσματικά τη διαφοροποίηση των δυνατοτήτων κατά εισοδηματική κατηγορία και ως προς αυτό υστερεί έναντι της πολιτικής οικονομικών κινήτρων. Αν και πρακτικά δεν είναι εφικτό, για λόγους ανάλυσης, στο πλαίσιο της διατριβής μελετήθηκε και η περίπτωση διαφοροποίησης των προτύπων ενεργειακής απόδοσης ανά κατηγορία νοικοκυριού και ενώ μια τέτοια πολιτική αμβλύνει τις κοινωνικές διαφορές μεταξύ των νοικοκυριών, ο προϋπολογισμός της πολιτικής αυτής γίνεται ιδιαίτερα υψηλός. Τίθεται επομένως ζήτημα βελτιστοποίησης της πολιτικής. Η διατριβή εντοπίζει και αναλύει θέματα προς περαιτέρω έρευνα. Θεωρεί μεγάλης σημασίας να γίνει προσπάθεια περαιτέρω εμβάθυνσης της προσέγγισης της περιορισμένης ορθολογικότητας με τρόπο ώστε να βελτιωθούν οι δυναμικές ιδιότητες του μοντέλου, σχετικά με την ανάδραση των πολιτικών επί των παραμέτρων που προσομοιώνουν τα εμπόδια στη λήψη ορθολογικών συμπεριφορών. Άλλος τομέας περαιτέρω έρευνας με μεγάλη σημασία αναδεικνύεται η προσομοίωση των τεχνικών και οικονομικών δυνατοτήτων αυτό-παραγωγής ενέργειας από ΑΠΕ, σε συνδυασμό με αποθήκευση και περιορισμό της ζήτησης, με παράλληλη δυναμική συμμετοχή στις αγορές, ιδίως από συμπλέγματα όμορων κτηρίων.Το μοντέλο της διατριβής και οι εφαρμογές του αποτέλεσαν αντικείμενο πρωτότυπων δημοσιεύσεων σε διεθνή επιστημονικά περιοδικά μετά από κρίση και έτυχαν ερευνητικής χρηματοδότησης αλλά και αναγνωρισμένης εφαρμογής σε ανάλυση πολιτικών Κυβερνήσεων και της Ευρωπαϊκής Επιτροπής για τον τομέα των κτηρίων.