Energetikai gazdasgtan 3 Energiatervezs A lehetsgek forrsok s

Energetikai gazdaságtan 3. Energiatervezés

A lehetőségek (források) és igények összehangolása ENERGIATERVEZÉ S

Energiatervezés Globális, regionális, országos hosszú távú Források Fogyasztás Energetika tervezés energia tőke szennyezés

Rugalmasság Hozzáférhetőség Megbízhatóság Hatékonyság Biztonság Ellátásbiztonság Hozzáférés (piaci alapon) az energiahordozókhoz Minőségi és mennyiségi energiaszolgáltatás Korszerű szabályozás, magas technológiai színvonal Biztonságos létesítmények, szabványok, jogszabályok Folyamatos, megbízható, megfizethető, igazságos szolgáltatás Fenntarthatóság Változó igények követése megfelelő műszaki megoldásokkal Fenntartható környezet, gazdaság, politika, kultúra Energiatervezés – Hét pillér STRATÉGIA – RENDSZERELVŰ MEGKÖZELÍTÉS – FOLYAMATKÖZPONTÚSÁG

• Energiapolitikai és -stratégiai célkitűzések – függőség csökkentése, – hatékonyság növelése, – ÜHG kibocsátás csökkentés, – ellátásbiztonság szinten tartása • Eszközök Energiatervezés Célkitűzések – megújulók nagyobb mértékű és hatékonyabb használata, – hazai energiahordozók jobb használata, – pontosabb kép a jövőről

Energiatervezés Okok: • energiahordozó-szerkezet strukturális változásai; • technológiai fejlődés; • gazdasági átalakulások; • társadalmi elvárások; • környezetvédelmi célkitűzések.

Energiatervezés Szempontok: • energiahordozókhoz való hozzáférhetőség; • a biztonságos energiaellátás: készletezési lehetőségek; • gazdasági hatások; • technikai-technológiai lehetőségek; • társadalmi elvárások; • igény oldali befolyásolás lehetőségi; • környezeti hatások; • „legkisebb társadalmi költség” elvének érvényesítése.

Energiatervezés Legfontosabb befolyásoló tényezők: 1. gazdasági növekedés; 2. társadalmi lehetőségek; 3. energiatakarékosság és 4. 5. 6. 7. hatékonyság; az energetika tőkeigényessége; energiahordozók árstabilitása; környezeti hatások; regionális fejlődés.

Energiatervezés Alapelvek (Római Klub) (globális hosszú távú tervezés) • igények kielégítésének korlátai; • növekedés korlátai; • hiányos információk; • visszajelzések; • a trendek folytatása nem a jövő; • a jövő nem előre determinált; • folyamatok tehetetlensége; • komplex szemléletmód; • növekvő kölcsönös függőség (globalizáció); • egyedi és közösségi érdekek ütközése; • verseny helyett együttműködés. https: //www. clubofrome. org/report/the-limits-to-growth/

Előrejelzési módszerek • A múltbéli folyamatok kivetítése a jövőre (forecasting): – időben előrehaladó, – bázis a jelenben, a cél kialakul – ökonometriai modell, regresszió alapú. • A jövőbeli cél kitűzése (backcasting) és visszavezetése a jelenig: – időben visszafelé haladó, – bázis=cél a jövőben, – egyes időszakokban végzendő feladatok.

Előrejelzési módszerek Forecasting és backcasting elképzelt jövő cselekvési terv indikátor, közbenső cél nd t tre l á l o p extra tok a d a y tén MÚLT JELEN JÖVŐ várt, valószínű jövő

Előrejelzési módszerek • Backcasting C CÉL VÍZI ÓK LEHETŐSÉGEK L k ó i íz D BÁZIS B DÖNTÉSEK El d n e ér ő l cé o v , k

Előrejelzési módszerek • trend extrapoláció (GDP, energiafelhasználás) – előny: egyszerű – hátrány: függetlenül kezeli a mennyiségeket – bizonytalanság: milyen szakaszt kell extrapolálni és milyen függvénnyel (lineáris vagy hatvány vagy exponenciális) • makrogazdasági forgatókönyv alapján – előny: megbízhatóbb, mint az előző – hátrány: komplexebb (mi legyen a másik változó: hatékonyság vagy a rugalmasság) – bizonytalanság: makrogazdasági előrejelzések

Korreláció, trend extrapoláció MATEMATIKAI MÓDSZEREK AZ ENERGIATERVEZÉSBEN

Korreláció, trend extrapoláció Két mennyiség közötti lineáris kapcsolat nagysága (0. . 1) Tapasztalati szórás:

Trend extrapolációs módszer Az extrapoláció bázisidőszaka meghatározza a jövőbeli értékeket. GDP Mrd 1995 Ft A függvény típusának megválasztása kritikus. Esetünkben exponenciális, de „ránézésre” lineáris is lehetne. 9000. 0 R 2 = 0. 9616 8500. 0 8000. 0 7500. 0 7000. 0 6500. 0 6000. 0 2002 2004 évek 2006 2008 2010

Trend extrapolációs módszer Bázisidőszak megválasztása: GDP 20052010

Trend extrapolációs módszer 1180 Primerenergia, PJ 1160 1140 R 2 = 0. 0687 1120 1100 1080 1060 1040 1020 1000 1995 2000 2005 év Primerenergia, PJ Linear(Primerenergia, PJ) 2010 2015 2020

Cobb-Douglas függvény Általános alak: folytonos, n differenciálható, n monoton növekvő, n konkáv. n

Cobb-Douglas függvény Energiaigények meghatározása c: skálázási együttható Y: jövedelem (pl. GDP) P: energiaár d: energetikai rugalmasság b: ár rugalmasság

Rendszerelvű/rendszerelméleti megközelítés Dinamikus rendszerek elmélete Alapfogalmak ENERGIATERVEZÉS

Rendszerelmélet RENDSZER = Elemek együttese, melyeket kölcsönös függőség kapcsol össze. Cirkuláris okság: egy elem hat a többire Hierarchikus struktúra: rész/alrendszerek Nonszummativitás: a részek összesége nem az egész (szinergia: 2+2=5; diszfunkció: 2+2=3) Homeosztázis: törekvés az állandóságra Autoregularitás: önszabályozó funkciók Ekvifinalitás: több út, azonos cél Morfogenezis: képesség a változásra, alkalmazkodásra Karl Ludwig von Bertalanffy (1901 -1972)

Rendszerelmélet További rendszer fogalmak Russel L. Ackoff: kölcsönös kapcsolatban álló elemek halmaza Mihajlo D. Mesarović (Михајло Д. Месаровић): halmazelméleti reláció V. N. Szadovszkij (В. Н. Садовский): elemek meghatározott módon rendezett halmaza

Modellezés filozófiája • Ockham (Occam) borotvája – lex parsimoniae = takarékosság (tömörség) elve – „Pluralitas non est ponenda sine necessitate” – A sokaság szükségtelenül nem tételezendő – általában az egyszerűbb megoldás a helyes William Ockham (kb. 1285– 1348) angol nemzetiségű ferences rendi szerzetes

Modellezés filozófiája Mindent olyan egyszerűen kell csinálni, amennyire csak lehetséges, de semmivel sem egyszerűbben. Everything should be made as simple as possible, but not simpler. Előláb-szöveg 2020. 11. 02.

Modellezés filozófiája Neumann János a modellekről: „… a tudomány nem magyarázni próbál, alig próbál interpretálni – a tudomány főként modelleket állít fel. A modellen olyan matematikai konstrukciót értünk, amely – bizonyos szóbeli értelmezést Budapest, 1903. hozzáadva – leírja a megfigyelt december 28. – jelenségeket. Az ilyen matematikai Washington, 1957. február 8. , magyar konstrukciókat kizárólag és származású matematikus pontosan az igazolja, hogy működnek. ”

Modellalkotás Köztes (…) modell Matematikai modell (megoldás) interpretáció s, é d sö ok ű r ze olás s y eg nyag elha Valóság (probléma)

Alapfogalmak • modell – a modell hasonló a modellezetthez, vagyis az modell, ami a modellezettel hasonlósági relációban van – eszmeileg elképzelt vagy anyagilag realizált rendszer, amely visszatükrözve vagy reprodukálva a kutatás objektumát képes helyettesíteni • hasonlóság – szerkezeti (vagy strukturális) – működési (vagy funkcionális) és – formai (vagy geometriai, tágabb értelemben: topológiai) hasonlóság

Alapfogalmak - Rendszertípusok Rendszerek felosztása a IIASA szerint • Közgazdasági rendszerek: – nemzetközi kereskedelem és gazdaság, – nemzetközi gazdaságtervezés, fejlesztés és irányítás, – ágazati és ipari tervezés. • Emberi és társadalmi rendszerek: – – – – népesség, városi és regionális tervezés, fejlesztés és vezetés, lakáshelyzet, oktatás, képzés, egészségügyi szolgáltatások (tervezés, szervezés, az ellátás irányítása), társadalmi és jóléti szolgáltatások, munkaerőképzés és -elhelyezés, biztonsági szolgáltatások, igazságszolgáltatás. IIASA: International Institute for Applied Systems Analysis, http: //www. iiasa. ac. at

Alapfogalmak - Rendszertípusok • • Erőforrások és környezeti rendszerek: – ásványi nyersanyagok, beleértve az energiahordozókat, – vízforrások, beleértve az energetikai felhasználásokat, – éghajlat, – környezet, – ökológia, – mezőgazdaság, beleértve az erdőgazdaságot és állattenyésztést. Ipari rendszerek: – kutatás és fejlesztés (beleértve az új technológiákat), – tervezés és irányítás, – termelés és elosztás, – energiaágazat, – petrolkémia, – elektronika, – szállítóeszközök tervezése (pl. gépkocsi, repülőgép), – élelmiszerelosztás, – textil - és ruházati ipar, – nukleáris energia.

Alapfogalmak - Rendszertípusok • Biológiai rendszerek: – elemi biológiai rendszerek, – humán biológia és pszichológia, – bionika: az emberi és más biológiai funkciók modellezése. • Információs és számítógép rendszerek: – – távközlési és számítógépes hálózatok, információtárolás és - visszakeresés, számítógép hardver és szoftver tervezés és kiválasztás, vezetési információs rendszerek. – – – mezőgazdaság - élelmiszer - népesség, energia - környezet - ipar, ipar - környezet - egészségügy, területi ipari komplexumok, globális és regionális rendszerek. • Külön csoport az ún. integrált rendszerek:

Modellek jellemzői – osztályozás Modell Hasonlóság szerkezeti Típus anyagi Rendszer gondolati pszichikai működési elektromos szimbolikus társadalmi formai mechanikai verbális termelési termikus ikonikus fizikai . . .

Modellek csoportosítása Modell funkció struktúra szempont (hasonlóság) jelleg probléma megoldó ikonikus formai leíró analóg szerkezeti gondolati heurisztikus előíró szimbolikus működési verbális szimulációs szemléltető kvalitatív (minőségi) folyamat kvantitatív (mennyiségi) sztochasztikus statikus dinamikus

Feladat- és problémamegoldás • Feladat akkor, ha ismert – a meglévő állapot, annak ellentmondásai, – az igények és a lehetőségek közötti feszültség, (általában) a célállapot és – (algoritmizált) a teljes megoldási út. • Probléma akkor, ha nincs (teljes) ismeretünk – a meglévő helyzetről és/vagy – a megoldás útjáról és/vagy – a célállapotról.

Feladattípusok Feladat Y Direkt ? T ismert adott Indirekt előírt adott Induktív ismert X ? Példa Mérés, minősítés ? Tervezés, fejlesztés ismert Kutatás, irányítástechnika X: a rendszer (modell) bemenete Y: a rendszer (modell) kimenete T: a rendszer viselkedése

Feladat- és problémamegoldás Probléma felismerése kiindulási állapot megfogalmazás ismeretlen részek feltételek saját tapasztalat szükséges ismeretek átvett ismeretek ismert részek elemzés biztos! bizonytalan! terv és lényegkiemelés kísérlet végrehajtás végállapot

Megoldási módszerek • Analitikus módszer – a feladat verbális (szöveges) megfogalmazása, – a matematikai modell megalkotása, – a matematikai modell transzformációja (ill. egyszerűsítése) megoldásra alkalmas formára, – a megoldás egymás utáni lépéseinek (algoritmusának) rögzítése, – a matematikai modell megoldását jelentő összefüggések meghatározása,

Megoldási módszerek • Numerikus módszer – a feladat verbális (szöveges) megfogalmazása, – a matematikai modell megalkotása, – a matematikai modell átalakítása numerikus megoldásra alkalmas formára (diszkretizálás), – a megoldás egymás utáni lépéseinek (algoritmusának) rögzítése, a blokkséma összeállítása, – a számítási modell megoldását adó program megírása, és annak futtatása, – a megoldás ellenőrzése.

Megoldási módszerek • Kísérleti módszer – a feladat verbális (szöveges) megfogalmazása, – a matematikai modell megalkotása, – a matematikai modell hasonlósági transzformációja, a kísérleti objektum megfelelő kiválasz-tása és a kísérleti eredmények (későbbi) általános felhasználhatósága érdekében, – a kísérleti program (a kísérletterv) összeállítása, – a kísérletek lefolytatása és értékelése alapján a matematikai modell megoldását jelentő összefüggések meghatározása, – a megoldás ellenőrzése.

Megoldási módszerek összefoglalás lépés Analitikus Kísérleti Numerikus 1 A feladat verbális megfogalmazása 2 A matematikai modell megalkotása 3 Transzformáció megoldásra alkalmas formára Hasonlósági transzformáció Diszkretizálás 4 A megoldás egymás utáni lépéseinek rögzítése A kísérleti terv összeállítása Algoritmus és blokkséma 5 A megoldást jelentő összefüggés meghatározása Kísérletek és azok értékelése Gépi program futtatása, eredménye 6 A megoldás ellenőrzése

Összetett rendszerek Parciális modellezés – integrált rendszerek • részrendszerekre és • részfolyamatokra bontás • modellrendszer alkotás 1. szint teljes rendszer 2. szint 1. részfolyamat 3. szint elem 2. részfolyamat elem

Társadalmi-gazdasági folyamatok modelljei ENERGIATERVEZÉS

Társadalmi-gazdasági folyamatok • Csak parciális modellek léteznek – részrendszerek: regionális modellek (térbeli szétválasztás) – részfolyamatok: jelenségek, folyamatok (funkcionális szétválasztás) • Megoldási elvek és módszerek – analitikus módszer csak korlátozottan használható – dinamikus kapcsolat a részek között – jól definiált input/output változók – számítógépi (numerikus) módszerek

Társadalmi folyamatok modelljei • Matematikai leírás – differenciális mérlegegyenlet – kapcsolt differenciálegyenlet-rendszer • Megoldási módszer – egyszerű modellek: analitikus – összetett modellek: numerikus (szoftver) Általános mérlegegyenlet: xi: extenzív jellemző Q: forrás erőssége, I: nyelő erőssége, t: idő

Társadalmi folyamatok modelljei Alapvető modellezési eszközök és módszerek Áramfüggvények példák: extenzív áram: termékek és szolgáltatások int. kül. : ár vez. tényező: szállítási költség, adók

Társadalmi folyamatok modelljei Alapvető modellezési eszközök és módszerek Növekedési függvények (korlátlan) példák: extenzív mennyiség: népesség, GDP növekedési ráta: növekedési ütem, szül. -hal. ráta

Társadalmi folyamatok modelljei Egyértelműségi feltételek valós jellemző leképezés vizsgált terület határai korlátok kiinduló adatok jellemző tulajdonság belső összefüggések matematikai értelmezési tartomány értékkészlet kezdeti feltételek együtthatók közötti fgv-ek

Egyszerű modellek Korlátlan növekedés Globális (időbeli) mérlegegyenlet: Q=g∙xi, ahol g a növekedési ráta 1/idő g>0: növekedés g=0: stagnálás g<0: fogyás

Egyszerű modellek Korlátlan növekedés (MALTHUS-féle modell) xi Megoldás xi(t) Thomas Robert Malthus (1766 -1834), angol demográfus, matematikus, 1798 t

Egyszerű modellek Népesedési (demográfiai) modell Verbális modell Differenciálegyenlettel (matematikai modell):

Egyszerű modellek A világ népessége Népesség, milliárd fő 6 5 4 3 2 1 0 10, 000 BC 8000 6000 4000 2000 AD 1 1000 2000

Egyszerű modellek Nettó növekedési ráta, %/a A növekedési ráta időfüggő 2. 2 2. 0 1. 8 1. 6 1. 4 1. 2 1. 0 0. 8 0. 6 0. 4 0. 2 0 1960 1970 1980 1990 2000 2010 év 2020 2030 2040

Egyszerű demográfiai modellek Népesség Nettó növekedési ráta Lineárisan extrapolált nettó növekedési ráta

Egyszerű demográfiai modellek Népesség Nettó növekedési ráta Exponenciálisan csökkenő nettó növ. ráta

Korlátozott növekedés Növekedési korlát = eltartóképesség

Korlátozott növekedés

Korlátozott növekedés

Korlátozott növekedés Pierre François Verhulst (1804 -1849) belga matematikus, 1838

Korlátozott növekedés Népesség Évenkénti növekedés

Korlátozott növekedés Általánosított logisztikus függvény (RICHARDS-féle függvény, növekedés modellezés) Pmin: alsó asszimptota C*: eltartóképesség, ha Pmin=0 g: növekedési ráta t: idő M: a max. növ. ideje, ha Q=v v: segédparaméter Q: segédparaméter, P(0) függvénye

Kimerülő erőforrások A HUBBERT-féle elmélet: olajhozam-csúcs alkalmas a kimerülő erőforrások leírására Marion King Hubbert (1903 -1989), közzététel: 1956

Kimerülő erőforrások Hubbert eredeti diagramja 1956 -ból M. King Hubbert (1903– 89)

Kimerülő erőforrások Norvégia olajkitermelése Világtrendek Forrás: World Energy Outlook 2013

Kimerülő erőforrások Többciklusú Hubbert-model STB=Standard Stock Barrels Venezuela olajkitermelése Forrás: Ibrahim Sami Nashawi, Adel Malallah, and Mohammed Al-Bisharah, Forecasting World Crude Oil Production Using Multicyclic Hubbert Model Energy Fuels 2010, 24, 1788– 1800

Általános trend- és életgörbe függvények Inflexió nélküli trendfüggvények 1 0. 9 0. 8 0. 7 0. 6 0. 5 0. 4 0. 3 0. 2 0. 1 0 0 10 20 Mitscherlich 30 40 Bertalanffy 50 60 Törnquist 1. 70 80 Törnquist 2. (a<b) 90 100

Általános trend- és életgörbe függvények Inflexióval rendelkező életgörbe függvények Általánosított Verhulst-féle függvény: Pearl-Reed-féle függvény: Késleltetett logisztikus függvény: Gompertz-féle függvény: Életkorfüggő halálozási ráta Tumorsejtek burjánzása

Általános trend- és életgörbe függvények Inflexióval rendelkező trendfüggvények 1 0. 9 0. 8 0. 7 0. 6 0. 5 0. 4 0. 3 0. 2 0. 1 0 0 10 20 Verhulst 30 40 Perl-Reed 50 60 késleltetett 70 80 Gompertz 90 100

Általános trend- és életgörbe függvények Két inflexióval rendelkező életgörbe függvények 1 0. 9 0. 8 0. 7 0. 6 0. 5 0. 4 0. 3 0. 2 τ 0. 1 0 0 10 20 30 40 életciklus 50 60 Hubbert 70 80 90 100

Gazdasági folyamatok Nagy időközű ciklikusság – Kondratyevciklus Technológiai változások gazdasági változások gőzgép Elektromosság, Vasút, nehézipar acélgyártás mobilizáció (olajipar) infokomm Vitatott elmélet 50. . 80 éves ciklusidő Никола й Дми триевич Кондра тьев, 1892 -1938

Kondratyev-hullám (USA) Forrás: http: //www. safehaven. com/article/23510/kondratiev-is-alive-and-well

Kondratyev-évszakok Forrás: http: //afterthemillennials. com/the-patterns-of-change/

Kölcsönható rendszerek Populációdinamika – Lotka-Volterra Alfred J. Lotka (1880– 1949), 1910; Vito Volterra (1860– 1940); 19

Kölcsönható rendszerek Populációdinamika – Lotka-Volterra

Kölcsönható rendszerek Populációdinamika – Lotka-Volterra

Kölcsönható rendszerek Populációdinamika – Lotka-Volterra Egyedszám – idő ciklikus folyamatok leírására Egyedszám – egyedszám Fázisgörbe

Kölcsönható rendszerek Lotka-Volterra modell a valóságban Kanadai megfigyelések havasi nyúl -- hiúz

Modellező/szimulációs eszköz Kereskedelmi szoftverek: STELLA: http: //www. iseesystems. com/ Power. Sim Studio: http: //www. powersim. com/ Oktatási célú (ingyenes) szoftverek: Vensim PLE (Personal Learning Edition) www. vensim. com Scilab www. scilab. org

Energiaigények előrejelzése ENERGIAMODELL EK

Energiamodellek Az energiatervezés eszközei Tervezési/Modellezési szintek

Modelltípusok „Top-down” fentről-lefelé, „lebontó” típus globális (nemzetgazdasági) előrejelzés lebontva ágazatokra, termékcsoportokra „Bottom-up” lentről-felfelé, „építkező” típus termékek/termékcsoportok a kiindulás sorozatos összegzés nemzetgazdasági szintig Köztes modellek hasonlít a „bottom-up”-ra, de elnagyoltabb

Globális modell WORLD 3

Előláb-szöveg 2020. 11. 02. 82

WORLD 3 - 1972

WORLD 3 1972 -es modellezés Forrás: http: //theoildrum. com/node/5330

WORLD 3 - 2000

Interaktív szimuláció Ki lesz a világ megmentője? https: //insightmaker. com/insight/1954/The -World 3 -Model-A-Detailed-World. Forecaster Előláb-szöveg 2020. 11. 02. 86

USA - NEMS National Energy Modelling System párhuzamos részmodellek