Ενεργειακό-οικονομικό μοντέλο για τον τομέα των μεταφορών

Abstract

The main scope of this thesis is the development and implementation of an innovative integrated energy - economic model for the European passenger and freight transport sector. The development of the model, called PRIMES-TREMOVE, aims to assess specific policies and energy planning scenarios to examine their impact in the decarbonisation of the transport system by 2050 and tackling climate change.The model developed in the thesis is based on the microeconomic theory under which the decisions of consumers / producers are represented as a result of individual optimization of their utility or cost under technical, economic and other constraints. The abovementioned decisions affect the system and the markets and influence prices / costs and travel time costs (due to congestion) and then the individual optimization problems are influenced again on the basis of this feedback. Decisions also concern the choice of means of transport, transport equipment (investment) and the choice of fuel by each consumer / producer. Decisions are dynamic over time and are influenced by the availability of transport infrastructure and refueling infrastructure (or recharging for batteries) as well as the technological development. The latter is also influenced by the expected volume of future sales, as new technologies are still expensive and are expected to reduce their costs according thanks to innovations and industrial economies of scale. The dynamic development is influenced by energy and transport policies, such as taxes, the availability of new fuels, the emission limits for new vehicles, any energy efficiency standards and the development of new infrastructure.The model solves a mathematical problem which falls under the category of finding the equilibrium between independent multiple optimization problems which interact through equilibrium conditions and overall constraints relating to resources and emissions. To solve the problem, the individual optimization problems are transformed into nonlinear complementarity problems and are concatenated including the overall constraints and equilibrium conditions. The model is resolved dynamically over time. The model is developed in the GAMS environment and is solved using parallel processing on the basis of non-linear programming algorithms. The main applications of the proposed model aim to provide answers to specific energy policy questions regarding deep reduction of CO2 emissions by 2050 and especially the contribution of electricity to this objective. The main axes influencing the penetration of electricity in road transport are mainly the technological and political. The applications and the energy policy scenarios examined during this thesis depend on combinations of the above axes to draw conclusions. Policies are evaluated based on their impact on the overall system costs, the total CO2 emissions, energy demand and impacts on the transport market.The implementation of travel distance classes in the model further increases its resolution and aims to simulate more accurately the heterogeneity characterizing passenger transport due to the existence of millions of commuters. Furthermore, the thesis considered different scenarios on the effectiveness of charging batteries from the standpoint of the electrical system and assessed the feedback on the transport system based on electricity market prices which depend on the form of load resulting from the management of charging. For this purpose the transport model was solved in interaction with the electrical system model 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.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.