Μοντελοποίηση ενδογενούς οικονομικής ανάπτυξης με βάση τις ενεργειακές καινοτομίες

Abstract

The subject of this thesis focuses on the development and implementation of a state-of-the-art dynamic computable general equilibrium model with endogenous technological progress. The aim of the development of the proposed model, called GEME3-RD, is the more detailed endogenous representation of technological progress, which contributes to a more detailed analysis of the impact the transformation of the energy system has on industry and economy in order to drastically reduce carbon emissions and prevent / limit climate change globally. Therefore, this model includes all the countries of the world aggregated into groups/regions. Also, it includes all goods and service industries in detail, as well as the representation of energy technologies and the economic system.The theoretical background of the proposed model combines the theory of general equilibrium, endogenous growth, discrete choice, mathematical modeling and algorithms for the solution of nonlinear systems. The modeling represents the behavior of each economic agent (households, businesses and the public sector), as a result of the optimization of utility or minimization of cost under technical and economic constraints. These economic agents make their decisions based on myopic expectations, while there is an additional option to simulate their behaviour depending on rational expectations. The simulation of households’ decisions regarding their choice of durable consumer goods (e.g. automotive, electrical equipment, etc.) is based on discrete choice theory, which is suitable for representing decisions when there is a significant heterogeneity among decision makers. The model developed in the thesis, as a general equilibrium model, is able to capture the multiple interactions between all markets of the economic system and simulate consistently the mechanisms that determine the allocation of resources, activity and income.The model is constructed as a system of nonlinear equations, formulated as a mixed complementarity problem (MCP), which aims to calculate the simultaneous balance of markets in all countries / regions. Countries / regions are linked by bilateral trade, which are endogenously calculated. The design of the model was executed in the GAMS environment and the available nonlinear programming algorithms or the proposed algorithm of this thesis are used for its programming resolution.The proposed algorithm can be used to solve large-scale computable general equilibrium models (with more than five million non-linear equations), when algorithms in the literature so far have failed to resolve a model with more than 2 million non-linear equations. The model in its full dimension consists of a 616,000 nonlinear equations system. The proposed algorithm introduces more realistic simulations, since it can enhance considerably the model’s dimension. As part of the thesis, the database of the model was developed in full scale, and the numerical reports produced by the model were standardized. Moreover, a user friendly environment was developed for the model simulations. The model covers the period 2004-2050 and is simultaneously solved for all economies and all economic sectors for each year. For the dynamic adjustment of the model, an algorithm was constructed, which adjusts the output of the model for future extensions, related to economic, energy and environmental indicators, among which the most basic are GDP and its components, employment, industrial activity, consumption, energy production and, finally, emission of greenhouse gases.The development of the model was based on policy-related questions that led to a sequence of extensions incorporated in GEME3 model. The implemented extensions concern the integration of technological progress endogenously in the model and the analytical representation of the energy sector in order to examine the possible development benefits for the EU through its pioneering action to tackle climate change through energy innovations (GEME3-RD). Also, they are related to the detailed representation of the transport sector in order to examine the impacts of the deep reduction of GHG emissions on economy, energy, growth and competitiveness (GEME3-T). Finally, they concern the construction of a general equilibrium model with an analytical representation of the financial sector in order to improve the financing mechanisms of the model for energy efficiency scenarios (GEME3-FIN). Policies are evaluated based on the impact of alternative scenarios on GDP, the equivalent change indicator and the total emissions in these countries / regions.The key question examined in the current thesis is whether energy innovations can be a lever for economic development and, if so, under which conditions. The research mainly focuses on the European Union member states. The contribution of this thesis lies on (i) the development of an applied multi-sectoral dynamic computable general equilibrium model, which covers all the countries of the world including novel features, (ii) the development and implementation of an original algorithm of solving large scale computable general equilibrium models and (iii) the investigation of the economic impacts and potential benefits for the EU in the event of its pioneering action to tackle climate change. These features of the model led the European Commission in its selection for conducting studies that support recent EU’s major energy, climate and technology policy initiatives.

Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής αφορά την ανάπτυξη και εφαρμογή ενός πρωτότυπου δυναμικού μοντέλου υπολογιζόμενης γενικής οικονομικής ισορροπίας με ενδογενή τεχνολογική πρόοδο. Η ανάπτυξη του προτεινόμενου μοντέλου, με την ονομασία GEME3-RD, έχει ως σκοπό τη αναλυτικότερη μοντελοποίηση της τεχνολογικής προόδου, η οποία συμβάλλει στην καλύτερη ανάλυση των επιπτώσεων του μετασχηματισμού του ενεργειακού συστήματος στη βιομηχανία και την οικονομία, ώστε να μειωθούν δραστικά οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα και να αποτραπεί/περιοριστεί η κλιματική αλλαγή σε παγκόσμιο επίπεδο. Για το λόγο αυτό το μοντέλο έχει παγκόσμια εμβέλεια και περιλαμβάνει όλες τις χώρες του κόσμου συναθροισμένες σε ομάδες. Περιλαμβάνει, επίσης, όλους τους κλάδους παραγωγής αγαθών και υπηρεσιών στην οικονομία με αρκετή λεπτομέρεια, καθώς και την αναπαράσταση των ενεργειακών τεχνολογιών και του οικονομικού συστήματος.Το θεωρητικό υπόβαθρο του προτεινόμενου μοντέλου συνδυάζει τη θεωρία της γενικής ισορροπίας, της ενδογενούς μεγέθυνσης, της διακριτής επιλογής, της μαθηματικής μοντελοποίησης και των αλγορίθμων επίλυσης μη γραμμικών συστημάτων. Η μοντελοποίηση αφορά την αναπαράσταση της συμπεριφοράς κάθε οικονομικού παράγοντα (νοικοκυριά, επιχειρήσεις και δημόσιος τομέας), ως αποτέλεσμα της βελτιστοποίησης της χρησιμότητας ή του κόστους υπό τεχνικούς και οικονομικούς περιορισμούς. Οι οικονομικοί αυτοί παράγοντες λαμβάνουν τις αποφάσεις τους βασιζόμενοι σε μυωπικές προσδοκίες, ενώ υπάρχει επιπλέον η επιλογή να προσομοιωθούν με βάση ορθολογικές προσδοκίες. Η προσομοίωση των αποφάσεων των νοικοκυριών σχετικά με την επιλογή διαρκών καταναλωτικών αγαθών (π.χ. αυτοκίνητα, ηλεκτρικές συσκευές κτλ.) βασίζεται στη θεωρία διακριτών επιλογών, η οποία είναι κατάλληλη για την αναπαράσταση αποφάσεων όταν υφίσταται σημαντική ετερογένεια μεταξύ των αποφασιζόντων. Το μοντέλο που αναπτύχθηκε στη διατριβή, ως μοντέλο γενικής ισορροπίας, είναι σε θέση να αποτυπώσει τις πολλαπλές αλληλεπιδράσεις μεταξύ όλων των αγορών ενός οικονομικού συστήματος και να προσομοιώσει με συνέπεια τους μηχανισμούς που καθορίζουν την κατανομή πόρων, δραστηριότητας και εισοδημάτων.Το μοντέλο είναι κατασκευασμένο σαν σύστημα μη γραμμικών εξισώσεων διατυπωμένο με τη μορφή προβλήματος μεικτής συμπληρωματικότητας (MCP), που στοχεύει να υπολογίσει την ταυτόχρονη ισορροπία των αγορών σε όλες τις χώρες/περιοχές. Οι χώρες/περιοχές συνδέονται μεταξύ τους μέσω διμερών εμπορικών συναλλαγών, οι οποίες υπολογίζονται ενδογενώς. Η κατάστρωση του μοντέλου έγινε σε περιβάλλον GAMS και για την επίλυσή του σε Η/Υ χρησιμοποιούνται είτε έτοιμοι αλγόριθμοι μη γραμμικού προγραμματισμού, είτε ο προτεινόμενος αλγόριθμος της παρούσης διατριβής.Ο προτεινόμενος αλγόριθμος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επίλυση μεγάλης κλίμακας μοντέλων υπολογιζόμενης γενικής ισορροπίας (με πάνω από 5 εκατομμύρια μη γραμμικών εξισώσεων), όταν οι αλγόριθμοι, στη μέχρι τώρα βιβλιογραφία, αδυνατούν να επιλύσουν ένα μοντέλο με πάνω από 2 εκατομμύρια μη γραμμικές εξισώσεις. Το μοντέλο στην πλήρη διάστασή του αποτελείται από ένα σύστημα 616,000 μη γραμμικών εξισώσεων. Ο προτεινόμενος αλγόριθμος ανοίγει το δρόμο για προσομοιώσεις με μεγαλύτερο ρεαλισμό, αφού μπορεί να μεγαλώσει αρκετά τη διάσταση του μοντέλου. Στο πλαίσιο της διατριβής αναπτύχθηκε, επίσης, η βάση δεδομένων του μοντέλου σε πλήρη κλίμακα, καθώς επίσης τυποποιήθηκε η μορφή των αριθμητικών εκθέσεων που παράγονται από το μοντέλο. Επίσης, αναπτύχθηκε ένα περιβάλλον φιλικό προς τον χρήστη για τις προσομοιώσεις του μοντέλου. Το μοντέλο που αναπτύχθηκε καλύπτει την περίοδο 2004-2050, επιλύεται ταυτόχρονα για όλες τις οικονομίες και για πολλούς κλάδους της οικονομίας για κάθε κάθε έτος επιλογής. Επίσης, κατασκευάστηκε αλγόριθμος για τη δυναμική προσαρμογή του μοντέλου, ο οποίος προσαρμόζει τα αποτελέσματα του μοντέλου σε μελλοντικές προεκτάσεις, οι οποίες αφορούν οικονομικούς, ενεργειακούς και περιβαλλοντικούς δείκτες, με βασικότερους το ΑΕΠ και τα συστατικά του, την απασχόληση, την κλαδική δραστηριότητα, την κατανάλωση και την παραγωγή ενέργειας και, τέλος, την εκπομπή αερίων του θερμοκηπίου.Η ανάπτυξη του μοντέλου έγινε με γνώμονα τα ερωτήματα πολιτικής που τέθηκαν και οδήγησαν σε μια σειρά από επεκτάσεις που ενσωματώθηκαν στο μοντέλο GEME3. Οι επεκτάσεις που υλοποιήθηκαν αφορούν στην ενσωμάτωση της τεχνολογικής προόδου ενδογενώς στο μοντέλο και την αναλυτική αναπαράσταση του ενεργειακού τομέα, με σκοπό να εξεταστούν πιθανά αναπτυξιακά οφέλη της ΕΕ στην πρωτοπόρα δράση της για την αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής μέσω των ενεργειακών καινοτομιών (GEME3-RD). Επίσης, αφορούν στη λεπτομερή αναπαράσταση του κλάδου των μεταφορών, με σκοπό την εξέταση ερωτημάτων οικονομικής, ενεργειακής πολιτικής, ανάπτυξης και ανταγωνιστικότητας αναφορικά με τη βαθιά μείωση των εκπομπών των αερίων του θερμοκηπίου (GEME3-T). Τέλος, αφορούν στην κατασκευή ενός μοντέλου υπολογιζόμενης γενικής ισορροπίας με αναλυτική αναπαράσταση του χρηματοπιστωτικού τομέα, με σκοπό τη βελτίωση των μηχανισμών χρηματοδότησης του μοντέλου σε σενάρια εξοικονόμησης ενέργειας (GEME3-FIN). Οι πολιτικές αξιολογούνται με βάση τις επιπτώσεις τους στο ΑΕΠ, στο δείκτη ισοδύναμης μεταβολής, και στις συνολικές εκπομπές στις χώρες/περιοχές στο υποεξέταση σενάριο.Το βασικό ερώτημα το οποίο ερευνά η διατριβή είναι αν οι ενεργειακές καινοτομίες μπορούν να αποτελέσουν μοχλό για οικονομική ανάπτυξη και, αν ναι, κάτω από ποιες προϋποθέσεις. Η έρευνα επικεντρώνεται κυρίως στα κράτη-μέλη της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Η συμβολή της διατριβής έγκειται (i) στην ανάπτυξη εφαρμοσμένου πολυτομεακού δυναμικού μοντέλου υπολογιζόμενης γενικής ισορροπίας, το οποίο καλύπτει όλες τις χώρες του κόσμου και ενσωματώνει πρωτότυπα χαρακτηριστικά, (ii) στην ανάπτυξη και εφαρμογή ενός πρωτότυπου αλγορίθμου επίλυσης μεγάλης κλίμακας μοντέλων υπολογιζόμενης γενικής ισορροπίας και (iii) στην διερεύνηση των οικονομικών επιπτώσεων και των πιθανών ωφελειών για την ΕΕ σε περίπτωση πρωτοπόρας δράσης της στην αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής. Αυτές οι ιδιότητες του μοντέλου οδήγησαν την Ευρωπαϊκή Επιτροπή στην επιλογή του για την εκπόνηση μελετών που υποστήριξαν πρόσφατες μεγάλες πρωτοβουλίες πολιτικής της ΕΕ.