Ενεργειακός σχεδιασμός υπό συνθήκες αβεβαιότητας

Abstract

Αντικείμενο της διατριβής είναι ο Ενεργειακός Σχεδιασμός, με άλλα λόγια η διαμόρφωση στρατηγικών οι οποίες αποσκοπούν στην ορθολογική και αειφόρο διαχείριση ενός ενεργειακού συστήματος. Στόχος της διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου μεθοδολογικού πλαισίου για την πραγματοποίηση του ενεργειακού σχεδιασμού σε τοπικό, περιφερειακό ή εθνικό επίπεδο, λαμβάνοντας ταυτόχρονα υπόψη την αβεβαιότητα η οποία πηγάζει τόσο από την αδυναμία ακριβούς εκτίμησης της εξέλιξης των εμπλεκομένων μεγεθών όσο και από την υποκειμενικότητα κατά τη λήψη των αποφάσεων. Το προτεινόμενο μεθοδολογικό πλαίσιο χωρίζεται σε επτά διακριτά στάδια και βασίζεται στην αποτύπωση του ενεργειακού ισοζυγίου με τη μορφή ενός ενεργειακού συστήματος αναφοράς. Κεντρικοί άξονές του είναι η ιστορική ανάλυση του συστήματος, η καταγραφή των εναλλακτικών δράσεων, η διαμόρφωση των στρατηγικών ανάπτυξης και τέλος η αξιολόγησή τους με βάση την εκτιμώμενη εξέλιξη του συστήματος. • Η ιστορική ανάλυση εξυπηρετεί τον προσδιορισμό των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών του συστήματος καθώς και των τάσεων που εμφανίζονται κατά την εξέλιξη διαφόρων μεγεθών. Εντοπίζονται οι βασικές του αδυναμίες, οι αιτίες που τις προκαλούν και καθορίζονται οι προτεραιότητες και οι στόχοι του Ενεργειακού Σχεδιασμού. • Για την αξιολόγηση των προτεινομένων δράσεων χρησιμοποιείται η ανάλυση κόστους-αποτελεσματικότητας σε συνδυασμό με την ανάλυση αυξητικού κόστους. Η κωδικοποίηση των συμπερασμάτων και η σύγκριση των αποτελεσμάτων διευκολύνεται με την ανάπτυξη και χρησιμοποίηση ενός υποσυνόλου δεικτών το οποίο περιγράφει τη βιώσιμη ανάπτυξη ενός ενεργειακού συστήματος. Βασίζεται στα ήδη ανεπτυγμένα σύνολα δεικτών και εμπλουτίζεται με βάση τους ειδικούς ενεργειακούς και περιβαλλοντικούς στόχους του υπό μελέτη συστήματος. Για την υποστήριξη του μεθοδολογικού πλαισίου υλοποιήθηκαν δύο υπολογιστικά εργαλεία. Το πρώτο χρησιμοποιείται για την αξιολόγηση των εναλλακτικών δράσεων και τη διαμόρφωση του τελικού σχεδίου δράσης. Ο αλγόριθμός που εφαρμόζεται έχει αναπτυχθεί από το Σώμα Μηχανικού του Στρατού των ΗΠΑ αλλά προσαρμόζεται κατάλληλα ώστε να συμπεριληφθεί σε αυτόν η ανάλυση επικινδυνότητας με τη χρήση της μεθόδου Monte Carlo. Το δεύτερο σχεδιάζει και επιλύει ένα ενεργειακό ισοζύγιο. Ακολουθεί την τεχνολογική προσέγγιση και υπολογίζει την απαιτούμενη παροχή ενέργειας για την κάλυψη δεδομένης ζήτησης. Στηρίζεται στη λεπτομερή καταγραφή των χαρακτηριστικών όλων των τελικών χρήσεων και των διεργασιών παραγωγής και μετατροπής ενέργειας. Ο αλγόριθμος επίλυσης του ισοζυγίου αποτελεί στην ουσία ένα συνδυασμό υφιστάμενων αλγορίθμων που χρησιμοποιούνται στη θεωρία δικτύων αλλά και μίας ιεραρχικής διαδικασίας επίλυσης κάθε κόμβου του δικτύου ξεχωριστά, η οποία προσδιορίζει την απαιτούμενη παροχή για την κάλυψη των ενεργειακών του αναγκών. Παράλληλα, ενσωματώνεται στον αλγόριθμο η ανάλυση επικινδυνότητας με τη χρήση της μεθόδου Monte Carlo. Το γεγονός αυτό αποτελεί τη σημαντικότερη καινοτομία του προτεινόμενου εργαλείου σε σχέση με άλλα αντίστοιχα. Το μεθοδολογικό πλαίσιο που αναπτύχθηκε, εφαρμόζεται στο ελληνικό ενεργειακό σύστημα. Στόχος είναι η παρακολούθηση της βιώσιμης ανάπτυξής του κατά την τελευταία πεντηκονταετία αλλά και η διαμόρφωση ενός ολοκληρωμένου σχεδίου δράσης, το οποίο θα περιλαμβάνει επεμβάσεις σε όλους τους τομείς οικονομικής δραστηριότητας, με σκοπό την επίτευξη των στόχων που έχουν τεθεί για το 2020, τόσο από την ευρωπαϊκή και όσο και από την ελληνική νομοθεσία. Η ιστορική ανάλυση απέδειξε πως η ανάπτυξη του συστήματος ήταν ανισοβαρής και η έμφαση δόθηκε στην κοινωνική διάσταση της βιωσιμότητας. Αντίθετα, στην οικονομική αλλά και στην περιβαλλοντική συνιστώσα δεν δόθηκε τόσο μεγάλη βαρύτητα. Κατά συνέπεια, η μεν πρώτη να αναμένεται να επιδεινωθεί περαιτέρω λόγω της παγκόσμιας οικονομικής κρίσης, η δε δεύτερη εμφανίζει σταθερότητα κατά την τελευταία δεκαετία. Τρία εναλλακτικά σενάρια της μελλοντικής εξέλιξης του συστήματος καταστρώθηκαν, τα οποία αναφέρονται στις περιόδους προ (2008), κατά τη διάρκεια (2009) και μετά την παγίωση (2010) της διεθνούς οικονομικής κρίσης η οποία επηρέασε και την Ελλάδα, τα οποία θα αποκαλούνται στο εξής, για λόγους συντομίας, Σενάριο 1, 2 και 3 αντίστοιχα. Εξετάζεται η αναμενόμενη εξέλιξη του συστήματος με δεκαετή χρονικό ορίζοντα, με βάση τις προγραμματισμένες δράσεις στον τομέα της ενέργειας, και εντοπίζεται αδυναμία επίτευξης των περισσότερων δεσμευτικών στόχων. Για την βελτίωση, λοιπόν, της κατάστασης κρίνεται αναγκαία η λήψη μέτρων εξοικονόμησης ενέργειας σε όλους του τομείς της οικονομικής δραστηριότητας αλλά και προώθησης των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ). Για τη διαμόρφωση του τελικού σχεδίου δράσης, συγκεντρώθηκαν και καταγράφηκαν όλες οι πιθανές επεμβάσεις εξοικονόμησης ενέργειας, μέσα από βιβλιογραφική έρευνα σε επίσημες εκθέσεις, μελέτες, επιστημονικά άρθρα και άρθρα του ημερήσιου τύπου για την περίοδο 2006-2010. Το σχέδιο δράσης εφαρμόζεται για τα τρία σενάρια και υπολογίζονται οι πιθανότητες επίτευξης των στόχων σε κάθε περίπτωση καθώς και το κατά πόσο ευνοείται από τα μέτρα αυτά η βιώσιμη ανάπτυξη του συστήματος. Από την ανάλυση των αποτελεσμάτων προκύπτει ότι, με βάση τις εκτιμήσεις που έγιναν για την εξέλιξη της ζήτησης πριν την παγίωση της διεθνούς οικονομικής κρίσης (Σενάριο 1), μόνο δύο από τους στόχους είναι εφικτοί με την εφαρμογή των προτεινόμενων επεμβάσεων, η μείωση των συνολικών εκπομπών και η μείωση των εκπομπών για τους τομείς εντός του Συστήματος Εμπορίας Δικαιωμάτων Εκπομπών (ΣΕΔΕ). Αντιθέτως, για τα άλλα δύο σενάρια (Σενάριο 2 και 3), τα οποία είναι και πιο ρεαλιστικά καθώς διαμορφώθηκαν έχοντας λάβει υπόψη όλες τις πρόσφατες οικονομικές και κοινωνικές εξελίξεις, η κατάσταση είναι διαφορετική. Μεταξύ τους παρατηρούνται τόσο ομοιότητες όσο και διαφορές. Και στις δύο περιπτώσεις υπάρχει υψηλή πιθανότητα επίτευξης του στόχου διείσδυσης των ΑΠΕ στις μεταφορές ενώ είναι σχεδόν μηδενική η πιθανότητα εξοικονόμησης της κατανάλωσης τελικής ενέργειας μέχρι το 2016. Το Σενάριο 2 είναι πιο ευνοϊκό για την επίτευξη των στόχων διείσδυσης των ΑΠΕ σε ηλεκτροπαραγωγή και τελική κατανάλωση ενώ το Σενάριο 3 ευνοεί σημαντικά τη μείωση των εκπομπών CO2 τόσο για τους κλάδους εντός ΣΕΔΕ όσο και για τους κλάδους εκτός ΣΕΔΕ. Συνοψίζοντας, η εφαρμογή του προτεινόμενου σχεδίου δράσης με δεκαετή χρονικό ορίζοντα θα έχει ως αποτέλεσμα την επίτευξη έξι εκ των επτά στόχων που έχουν τεθεί, με πιθανότητα επίτευξης μεγαλύτερη του 50%. Παράλληλα, ελέγχεται και η επίδραση των επεμβάσεων στη αειφορία του συστήματος και επιβεβαιώνεται το γεγονός ότι δεν διαταράσσεται η βιώσιμη ανάπτυξη του συστήματος, ενισχύοντας περισσότερο, όπως είναι αναμενόμενο, την περιβαλλοντική της συνιστώσα.

The subject of the present thesis is Energy Planning or in other words the process of developing long-range policies aiming at a rational and sustainable management of an energy system. Its objective is the development of a complete methodological framework for conducting energy planning at a local, regional or national level, taking into account at the same time the uncertainty stemming from both the inability of accurate estimation of the evolution of all variables involved and the subjectivity in decision making. The proposed methodological framework is divided into seven distinct steps and it is based on representing the energy balance in the form of a reference energy system. Its main axes are the system’s historical analysis, the recording of all alternative measures, the formulation of an implementation plan and its evaluation on the basis of the estimated evolution of the system. • The historical analysis helps to determine the special characteristics of the system as well as the trends in the development of the various variables. The system’s basic weaknesses are identified and the priorities and goals of Energy Planning are defined. • For the evaluation of the proposed measures, cost-effectiveness analysis and incremental cost analysis are used. The interpretation of the conclusions and the comparison of the results are facilitated by the development and use of a subset of indices, which describes the sustainable development of an energy system. It is based on the existing sets of indicators which are enriched on the basis of the specific energy and environmental goals of the system under study. For the support of this methodological framework two applications have been developed. The first is used for the evaluation of the alternative measures and the formulation of the final action plan. The algorithm used is developed by the U.S. Army Corps of Engineers, but is suitably adjusted in order to include risk analysis through Monte Carlo method. The second simulates and solves an energy balance. It follows the technological approach and calculates the energy supply needed to satisfy a given energy demand. It is based on the detailed monitoring of all the energy production and transformation processes and the end uses. The algorithm used for solving the energy balance is a combination of a number of existing algorithms from graph theory and of a hierarchical solution procedure for every node of the network separately, which calculates the required energy supply to satisfy its energy needs. Risk analysis is also incorporated in this tool with the use of Monte Carlo method. This fact constitutes its main innovation as compared to other similar tools. The methodological framework developed is applied to the Greek energy system, in order to monitor its sustainable development over the last fifty years and to formulate an action plan, which will include energy saving measures in all sectors of economic activity, and will help in achieving the targets set by the Greek and European legislation for the year 2020. The historical analysis shows an unbalanced development of the Greek energy system. During the last 47 years, emphasis has been given to the social dimension, and not so much to the economic and environmental viability. Hence, economic viability is expected to further deteriorate due to global financial crisis while environmental remains stable over the last decade. Three alternative scenarios for estimating the evolution of the system were developed corresponding to the periods before (2008), during (2009) and after the consolidation (2010) of the world economic crisis, which influenced Greece. They will be referring to hereafter as Scenario 1, 2 and 3 respectively. By examining the expected evolution of the system over a ten-year period, it can be noticed that the majority of the targets set will not be achieved. Therefore, further measures should be taken towards energy savings in all sectors of economic activity and RES penetration in electricity generation and final energy consumption. For the formulation of the final action plan, all potential energy saving measures have been collected and recorded through literature review in official reports, research studies, scientific articles and articles of the daily press for the period 2006-2010. The proposed action plan is applied to all three scenarios. The probabilities of achieving the targets set are calculated and the contribution of each one to the sustainable development of the system is estimated. The results show that according to the estimated energy demand before the economic crisis (Scenario 1), only two of the targets were feasible, the reduction of the total GHG emissions and the reduction of emissions for the sectors included in the Emissions Trading System. On the contrary, for the other two scenarios, which are more realistic, as they take into consideration all recent economic and social developments, the results are different. In both scenarios, there is a high probability of achieving the required level of penetration in the transport sector; while on the other hand, it is impossible to reduce final energy consumption until 2016. RES penetration in electricity generation is more likely in Scenario 2, while GHG emissions reduction is more likely in Scenario 3. Overall, the application of the proposed implementation plan over a ten-year period will result in achieving six out of seven targets, with probability over 50%. At the same time, the effect of the measures taken to improve the system’s sustainability is monitored and it is verified that the system’s sustainable development is not disturbed, strengthening even more, as expected, the environmental aspect.