ΣΤΟΧΑΣΤΙΚΗ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ ΠΑΓΚΟΣΜΙΟΥ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ - ΦΡΑΓΚΟΣ, ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ (Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, 2016)
Η παρούσα 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 παραμέτρων μαθηματικών μοντέλων) και της στοχαστικής προσομοίωσης. Η μοντελοποίηση αφορά στις συμπεριφορές καταναλωτών και παραγωγών ενέργειας (όλες οι μορφές) και ηλεκτρικής 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. Οι αποφάσεις για επενδύσεις σε τεχνολογίες ηλεκτροπαραγωγής εξαρτώνται από την χρήση του υπάρχοντος εξοπλισμού εργοστασίων, επηρεάζονται από την εξέλιξη του κόστους των τεχνολογιών καθώς και από παράγοντες πολιτικής. Η διαμόρφωση των διεθνών τιμών των ορυκτών καυσίμων είναι ενδογενής και εξαρτώνται από την εξέλιξη της παγκόσμιας ζήτησης και προσφοράς και τα κοιτάσματα στα οποία περιλαμβάνονται τα μη συμβατικά κοιτάσματα. 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 (σχέση που συνδέει τη μείωση του κόστους νέων τεχνολογιών με τη διάδοσή τους στην αγορά). Σ ε λ ί δ α | 10 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 δοκιμασθεί και 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 των χωρών και περιοχών που περιλαμβάνονται στο μοντέλο. Το μοντέλο εφαρμόσθηκε σε πληθώρα μελετών σχετικά με τον μετασχηματισμό του παγκόσμιου ενεργειακού συστήματος για τον μετριασμό της κλιματικής αλλαγής σε μακροπρόθεσμο ορίζοντα μέσω της δραστικής μείωσης των εκπομπών διοξειδίου του 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 ήταν η συστηματική ενσωμάτωση της αβεβαιότητας σε όλους τους παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται η προβολή στο μέλλον του ενεργειακού 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 από το μοντέλο 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 στο μέλλον. Για παράδειγμα το μοντέλο παράγει πιθανολογικές εκτιμήσεις για την εξέλιξη σημαντικών μεταβλητών του συστήματος (π.χ. η πιθανότητα ότι οι παγκόσμιες εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα δεν θα υπερβούν ένα συγκεκριμένο όριο το 2050) ως αποτέλεσμα της λειτουργίας του ενεργειακού συστήματος υπό αβεβαιότητα. Η πληροφορία σχετικά με την αβεβαιότητα των προβολών στο μέλλον αποτελεί κρίσιμη παράμετρο στον σχεδιασμό αποτελεσματικών πολιτικών και επομένως η ολοκληρωμένη ποσοτικοποίηση του κινδύνου που παρέχει το μοντέλο είναι στρατηγικής σημασίας. Κατά την κατασκευή του στοχαστικού μοντέλου, η κύρια προσπάθεια είναι η ενδελεχής κάλυψη της αβεβαιότητας με την εισαγωγή της στην δημιουργία των κατανομών πιθανοτήτων για όλες τις παραμέτρους εισόδου. Συνεπώς, 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 του μοντέλου (παραμετρική Σ ε λ ί δ α | 11 αβεβαιότητα) και την διακύμανση από μεταβλητές που δεν έχουν ενσωματωθεί ρητά στο μοντέλο (υπολείμματα εξισώσεων). Τα παραπάνω εισάγονται με τη μορφή κατανομών πιθανοτήτων. Το αντίστροφο της ισοδύναμης αθροιστικής των κατανομών χρησιμοποιείται στη συνέχεια για να παράγει πειραματικές τιμές με την μέθοδο "Monte Carlo" και το μοντέλο επιλύεται για 2000 πειράματα παρέχοντας κατανομές πιθανοτήτων για ενδογενείς μεταβλητές. Για την παραγωγή των κατάλληλων κατανομών για τις παραμέτρους και τις υποθέσεις που εισάγονται στο μοντέλο, χρησιμοποιούνται εκτενώς οικονομετρικές εκτιμήσεις που χρησιμοποιούν παρατηρημένες χρονολογικές σειρές, οι οποίες συλλέχθηκαν στο πλαίσιο της διατριβής. Η στατιστική επεξεργασία παρέχει βάση για την επιλογή των κατανομών και για ανάλυση διακύμανσης και 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. Ενώ αναγνωρίζονται οι δυσκολίες στον καθορισμό της μεταβλητότητας των παραμέτρων και του υποκειμενικού χαρακτήρα ορισμένων υποθέσεων, η προσπάθεια στην δημιουργία τόσο του μοντέλου όσο και των κατανομών για τις παραμέτρους βασίσθηκε σε αμερόληπτα μέτρα αβεβαιότητας στον βαθμό που τα ιστορικά στοιχεία χρονοσειρών το επιτρέπουν. 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. Στο πλαίσιο της διατριβής πραγματοποιήθηκαν εφαρμογές μεγάλης κλίμακας και τα αποτελέσματα έγιναν αντικείμενο ελέγχου από εμπειρογνώμονες, επειδή 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 αυτή βασίσθηκε σε μεθόδους μεικτού ακεραίου γραμμικού Σ ε λ ί δ α | 12 προγραμματισμού και τα δεδομένα για την αβεβαιότητα του κόστους τεχνολογικών επιλογών, των κλιματικών πολιτικών και της τιμής πώλησης της ηλεκτρικής ενέργειας τροφοδοτούνται από το στοχαστικό ενεργειακό μοντέλο. Το κύριο πλεονέκτημα του μοντέλου έναντι της βιβλιογραφίας, έγκειται στην ολοκληρωμένη και συστηματική αναπαράσταση της αβεβαιότητας που περιβάλλει την εξέλιξη των κύριων συστατικών του ενεργειακού συστήματος και στην ολοκληρωμένη μοντελοποίηση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των ενεργειακών και κλιματικών πολιτικών, της εξέλιξης του παγκόσμιου ενεργειακού συστήματος και διεθνών τιμών πετρελαίου, φυσικού αερίου και άνθρακα. Επίσης εκτενώς μοντελοποιούνται οι αναδράσεις του συστήματος με την ανάπτυξη των αναγκαίων υποδομών και με την τεχνολογική πρόοδο κυρίως για τις τεχνολογίες χαμηλών και μηδενικών εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα.