مقاله روششناسی الگوسازی تقاضای انرژی

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

روششناسی الگوسازي تقاضاي انرژي

چکیده

از دهه ي 70 میلادي که اقتصاد انرژي بـه عنـوان زیرشـاخهاي مهم از دانش اقتصاد مطرح شـد، پـیش بینـی تقاضـاي انـرژي کوشد همواره مورد اهتمام پژوهش گران و برنامه ریـزان انـرژي بـوده است؛ زیرا توسعه ي منابع عرضهي انرژيمعمولاً کاري زمانبر است و داشتن تخمینی مناسب از تقاضاي انرژي هايدردوره بعد، می تواند به دست اندرکاران انرژي در برنامـه ریـزي بـراي طرح هاي آتی عرضه ي انرژي کمک بسـیاري کنـد. الگوهـاي تقاضاي انرژي که براي این منظور به وجود آمدند، همواره در حال تکامل و تحول بوده اند. مقاله ي حاضر در تلاش است تا از دیدي تاریخی-تحلیلی به بررسی روش شناسی به کار رفتـه در این الگوها بپردازد. مرور مطالعات مهمـی کـه در نـیمقـرن اخیر در زمینه ي الگوسازي تقاضاي انرژي انجام شـده اسـت، در این مقاله مورد اهتمام است. در این مقاله، نگاهی کلـی بـه چهــارچوب مــدلهــاي مختلــف ارائــهي شــده از ســوي پژوهش گران خواهیم انداخت و به مزیت ها و نقائص هر کدام از آن ها اشاره خواهیم کرد. به طـور کلـی، مـی تـوان تقاضـاي انرژي را به سه بخش اصلی مسکونی، صنعتی و حمل و نقـل تقسیم بندي کرد. تلاشهاي متعـددي از سـوي پـژوهشگـران جهت کاربست الگوهاي تقاضا براي پیش بینی تقاضاي انـرژي در هر کدام از این سه بخـش انجـام شـده اسـت. ایـن مقالـه می با نگاهی تحلیلی به این تلاشها، به بررسی کاربست الگوهاي تقاضـاي انـرژي در هـر کـدام از بخـش هـاي فـوق بپردازد.
سه دلیل مهم براي الگوسازي تقاضاي انرژي وجود دارد. دلیل اول این است که پیشبینیهاي تقاضا میتوانند به برنامهریزي براي عرضهي تقاضا که امري حیاتی براي عملکرد اقتصاد مدرن است، کمک کنند. دلیل دوم این است که توسعهي ظرفیتهاي عرضهي انرژيمعمولاً نیازمند چندین سال زمان است. و سوم این که سرمایهگذاري در سامانههاي عرضهي انرژي در کل بسیار سرمایهبر است، و به طور متوسط، بیش از 30 درصد سرمایهگذاريهاي ناخالص در بیشتر کشورها را تشکیل میدهد. در صورتی که پیشبینیهاي تقاضا بسیار کمتر از مقدار واقعی باشد، کمبود انرژي میتواند باعث هزینههایی شود کهمعمولاً چندین برابر هزینهي انرژي عرضهنشده است؛ اما اگر پیشبینیها بسیار بیشتر از مقدار واقعی باشد، مقادیر زیادي سرمایه با هزینه فرصت بالا ممکن است بدون استفاده، براي مدت زمان طولانی معطل شود.

الگوهاي اقتصادسنجی خاصی براي تحلیل صریح تقاضا ایجاد شده اند. روشهاي مهندسی (فرآیندي) و روش داده-ستانده نیز براي این منظور به کار رفته است. از رویکردهاي اقتصادسنجی که براي پیشبینی استفاده میشوند، میتوان به الگوهاي تقاضاي محصول، الگوهاي تقاضاي قیمتی، الگوهاي ترانسلوگ یا شکل تابعی، الگوهاي تقاضاي سیستمی، الگوهاي دادههاي تابلویی، و الگوهاي انتخاب گسسته اشاره کرد. بررسیهاي متعددي بر اساس این رویکردها انجام شده است که در کارهاي گریفین( 1991) 1، فلیپس( 1974) 2، بوید3 (1992)، دونلی(1987)4، تیل و کلمنتز(1987) 5، مادلنر6 (1996)، موناسینگه(1990) 7، و استرنر و دال(1992) 8 میتوان قسمتی از آنها را دید. حیطههاي اصلی کاربست این مدلها شامل تقاضاي صنعتی، تقاضاي مسکونی، و تقاضاي سوخت حمل و نقل است.

الگوهاينخستینِ تقاضاي انرژي فرض میکردند که تقاضاي انرژي به محصول بستگی دارد. (براي مثال، شار9، .(1960 این رابطهمعمولاً با استفاده ازتابع تولید لئونتیف ایجاد میشد که در آن محصول Q بستگی به ارزش افزوده (انرژيVA(K,L، E و مواد اولیه M داشت. ضرایب فنی γضریب،γ و γ لئونتیف را براي ارزش پولی هر کدام از نهادههاي لازم براي تولید محصول به ارزش یک واحد پول را نشان میدهد: پ

گرفتن GNP به عنوان نمایندهاي از مقدار محصول، تقاضاي انرژي میتواند از طریق ضریبی که بر اساس ملاحظاتفنی تعیینشود می (δ)، به صورت زیر به GNP مرتبط شود.

به این ترتیب، پیشبینیهاي تقاضاي انرژي به طور کامل به رشد GNP بستگی پیدا میکند. بهسازيشناختیهاي روش سعی کرده اند که تغییرات γ2 را به تغییرات در کارآیی فنی ماشینآلات، خطوط آهن، سردخانهها و مانند آن ربط دهند. پس از محاسبهي مصرف کل انرژي به این شکل، پژوهشگران اقدام به توزیع آن میان چهار نوع اصلی انرژي، برقآبی، زغالسنگ، گاز طبیعی، و نفت براي برنامهریزي عرضهي آن نمودند. در این الگو، قیمت چه در تعیین تقاضاي کل انرژي، و چه در توابع عرضه و تقاضا براي هر کدام از انواع سوختهاکاملاً بیتأثیر بود. به همین دلیل تعیین قیمت هر کدام از سوختها بدون توجه به تقاضاي آنها به صورت برونزا انجام میشد.
قیمت گاز طبیعی و زغالسنگ در آمریکا توسط دولت تعیین میشد و به این جهت نیازي به الگوسازي این قیمتها احساس نمیشد. به دلیل بیاهمیت انگاشتن قیمتها، تحلیلها بیشتر رویکرد مهندسی داشتند و تمرکز آنها بیشتر بر روي مؤلفههاي فنی بود که بر هر دو طرف عرضه و تقاضا تأثیر میگذاشت. با این حال، مطالعات مهمی مانند مطالعهي مربوط به بالسترا و نرلاو(1966) 10 نشان داد که نه تنها قیمتها، بلکه قیمتهاي نسبی نیز حائز اهمیت هستند.

مقدار کل ارزش افزوده میتواند به نوبهي خود شامل ايرابطه کابداگلاس یا CES میان سرمایه K و کار L باشد. با در نظر الگوهاي اولیهي قیمت- تقاضاي انرژي معطوف به بخشهاي مسکونی، تجاري و/یا صنعتی، و به صورت تکمعادلهاي بودند. این الگوها ناظر بر تعادل بلندمدت، ومعمولاً ایستا بودند و تقاضا D براي یک سوخت به صورت تابعی از قیمت خود آن سوخت P، قیمت سوختهاي رقیب PC و فعالیت صنعتی یا درآمد ملی A در نظر گرفته میشد.

با توجه به این که ویژگیهاي تجهیزات مصرفکنندهي سوخت در جایگزینی سوختهاي رقیب منعکس میشود، در این الگو به طور ضمنی فرض میشود، تعدیل انباشت سرمایه نسبت به تقاضاي سوخت به صورت آنی انجام میشود.

بر اساس این الگوها، کششهاي تقاضا نسبت به قیمت و محصول به طور گستردهاي براي پیشبینی تقاضا مورد استفاده قرار گرفتند. در متداولترین الگو، که الگوي دوکششی1 خوانده میشد، تقاضاي انرژي E (کلی یا بخشی) به شاخصی از فعالیت یا درآمد A، و به قیمت انرژي P مرتبط می شد:

که در آن a و b به ترتیب کشش محصول (یا درآمد) و کشش قیمتی هستند. هر چند در چنین الگوهایی واکنشهاي مصرفکنندگانبه نوسانهاي قیمتی آنی فرض میشود، در واقعیت نوعی اینرسی (ایستایی) در رفتارهاي مصرفی وجود دارد که ناشی از این امر است که مصرفکنندگان در گام نخست میزان استفاده از لوازم انرژيبر خود را تعدیل میکنند و در گام دوم موجودي تجهیزات را تعدیل میکنند. به همین دلیل، مدلهاي دوکششیِ ساده به گونهاي اصلاح میشد که بینهايواکنش کوتاهمدت (یعنی با فرض ثابت بودن لوازم) و بلندمدتتا 5) 10 سال) تمایز قائل شود.

در این حالت، تقاضاي کوتاهمدت و بلندمدت در هم ادغام میشوند و یک معادله، یا الگوي پویا را تشکیل میدردهند. این الگو تجهیزات به طور صریح در نظر گرفته نمیشوند، اما از طریق متغیرهاي وقفهاي در الگو لحاظ میشوند:

که در آن، کششهاي قیمتی کوتاه و بلندمدت به ترتیب 1−c و b /1 −c هستند. تفاوت بین کششهاي کوتاه و بلندمدت را با استفاده از الگوي تعدیل جزئیتواننیز می اندازهگیري کرد. فرض کنیم معادلهي (6) نشاندهندهي
تقاضاي مطلوب D* باشد.

در الگوي تعدیل جزئی چنین فرض میشود که تغییرات در تقاضاي واقعی D از دورهي زمانی t −1 تا t به طور جزئی با ضریب λ نسبت به تغییر مطلوب تعدیل خواهد شد.

با ترکیب این دو معادله، میتوان میان واکنشهاي کوتاه و بلندمدت تمایز قائل شد. با گسترش این الگو به یک الگوي چندمعادلهتواناي، می تقاضاي کوتاهمدت را که تابعی از موجودي سرمایهي ثابت K است، از یک تقاضاي بلندمدت که در آن موجودي سرمایه متغیر شود،فرض می تفکیک کرد.

که در این معادلات، U نرخ استفاده از سرمایه، δ نرخ استهلاك، و KC شامل هزینههاي سرمایه و کارآیی موجودي سرمایه است. در مطالعات بعدي مشخص شد که بهتر است به جاي مدلسازي اثر جانشینی با استفادهمتقاطعاز کششهاي قیمتی PC از یک الگوي جایگزینی بینسوختی استفاده شود که در آن جزئیات مربوط به سوختهاي رقیب به طور صریح در الگو وارد میشوند. در این الگوها تقاضا براي هر سوخت تابعی از قیمت، هزینهي سرمایهاي و رقابت غیرقیمتی از سوي سوختهاي دیگر (و تجهیزات مصرفکنندهي آنها) فرض میشود. در این الگوها سرمایه K، کار L ،سایرانژي E و نهادههاي واسطهاي M به عنوان نهادههاي تولید محسوب میشوند و محصول به صورت QO تعریف میشود:

این تابع داراي شکلتابعیِ انعطافپذیرِ ترانسلوگ است. جاذبهي اصلی اشکال تابعی ترانسلوگ این است که امکان انواع مختلف جانشینی را در فنآوري تولید فراهم میکنند. براي مثال، به جاي فرض بازده به مقیاس ثابت، یا کشش جانشینی واحد میان همهي نهادهها، میتوان الگوهاي فوقرا به گونهاي توصیف کرد که برخی کالاها جانشین یکدیگر و برخی دیگر مکمل هم باشند. این اشکال تابعی،معمولاً و نه ضرورتاً، فرض میکنند که بازده به مقیاس ثابت استو تغییرات فنی که بر K، L، E و M مؤثر است، از نوع خنثاي هیکسی است. با فرض قیمتهاي دادهشده براي نهادهها و با فرض یک سطح محصول معین، میتوان تقاضاي انرژي را به طور همزمان با سایر نهادهها، با فرض رفتار حداقلسازي هزینه، استخراج کرد.

جایگزینی بینسوختها را میتوان با استفاده از تجزیهي تقاضاي کل انرژي E به انواع مختلف سوخت مورد مطالعه قرار داد. به این ترتیب میتوان کششهاي جانشینی بین سوختها را در هر سطح از تقاضاي انرژي E اندازهگیري کرد. این کششها فقط به نهادههاي سوختخواهدFiبستگی داشت. براي مثال، زمانی که چهار نهادهي سوخت وجود دارد، مقدار کل انرژي به صورت زیر خواهد بود:

تعیین سهم هر کدام از سوختها در گام دوم انجام میشود.این منظور از طریق فرضیهي اقتصادي جداییپذیري1 استفاده میشود، که این امکان را فراهم میکند که انتخاب هر سوخت مستقل از انتخاب سایر نهادهها صورت گیرد. الگوسازي اقتصادسنجی با این رویکرد بیشتر با استفاده از الگوي ترانسلوگ انجام میشود که نخستین بار توسط برنت و وود(1975) 2 انجام شده است. در این الگو قیمت انرژي به
عنوان یک متغیر مستقل منفرد به صورت تابعی از قیمت انواع مختلف سوخت در نظر گرفته شده و به این ترتیب، به طور ضمنی، جداییپذیري مذکور را در خود لحاظ میکند. نظیر تقاضاي کل انرژي در معادلهي (12)، تابع هزینهي یک واحد انرژي به صورت زیر تعریف می شود:

شروط کافی براي صحت این توصیف از قیمتهاي انرژي (فرض جداییپذیري) آن است که نسبت سهم هزینهي هر کدام از انواع سوخت مستقل از قیمت نهادههاي غیرانرژي، از جمله قیمتهاي کار یا سرمایه مستقل باشد. و یا به عبارت دیگر، نسبت سهم هزینهي سوختها تنها به قیمت سوختها بستگی داشته باشد. چنانچه فرض همگنی خطی در قیمت نهادهها را بپذیریم، سهم هزینهي هر کدام از سوختها مستقل از کل مخارج صرفشده براي انرژي خواهد بود.تابع ترانسلوگ به صورت زیر تعریف میشود:


که در آن است. با فرضهزینهرفتار حداقلسازي از سوي بنگاهها و مفروض بودن قیمتدید سوختها از بنگاهها و با استفاده از لم شفارد، معادلات سهم هزینه به صورت زیر به دست میآید:

با توجه به این که باید ∑Si 1 باشد، تنها سه معادله سهم هزینه برآورد میشود و محدودیتهاي ذیل بر آن اعمال میشود:

(براي يهمه تعیین امکان جانشینی بین سوختها، از کششهاي جانشینی آلن 3(AES) استفاده میشود که براي تابع ترانسلوگ به صورت زیر محاسبه میشود:

مقدار کششهاي جانشینی آلن ثابت نیست و هايبهسهم هزینه بستگی دارد. برنت و وود (1975) پس از برآورد کششهاي جانشینی به کمک توابع ترانسلوگ به رابطه مکمل بودن بین انرژي و سرمایه پی بردند. این یافتهي آن ها منازعات و علایق زیادي را دربارهي توابع ترانسلوگ برانگیخت.

مطالعات دیگري نیز از این رویکرد براي ارزیابی و اندازهگیري کششهاي جانشینی مختلف و همچنین کششهاي قیمتی عرضه و تقاضاي مربوطه استفاده کردند.

گریفین (1991) به برخی دیگر از توسعههاي رویکرد KLEM اشاره میکند. برخی از پژوهشگران تابع هزینهي واحد را کنار گذاشتند و از تابع ترانسلوگ براي بررسی هايفنآوري غیرهموتتیک و بدون بازده به مقیاس ثابت استفاده کردند. کریستنسن و گرین(1976) 1 عبارت زیر را به معادلهي (14)

افزودند:

که در نتیجه جملهي γi ln Q نیز به شدمعادلهي (15) افزدوه و به این ترتیب یک تابع هزینهي غیرهمگن غیر هموتتیکبه دست آمد. در این حالت، وضعیت اقتصاد مقیاس به کشش هزینه نسبت به محصول ( ( εCQ بستگی خواهد داشت:

توسعهي دیگر در مدلسازي این بود که متغیر سنتی روند زمانی T براي انعکاس نرخ ثابتی از تغییرات فنیخنثیهیکسـ در مدل وارد شد، و عبارت زیر به معادلهي (14) افزدوه شد:

که این امر به نوبهي خود منجر به افـزوده شـدن جملـه يψ jT و T به معادلات سهم هزینه (15) شد. بدین ترتیـب،
تغییرات فنی γ به صورت زیر اندازهگیري میشود:

این ویژگی این امکان را فراهم می کند کـه تغییـرات فنـی بتواند باعث تغییر در استفاده از نهادههاي مختلف شود (اگر
(ψ j ≠0 و نـرخ آن در طـول زمـان تغییـر نمایـد (اگـر.( φj ≠0

به گفته ي جورگنسون و ویلکاگسن( 1991) 2 تغییرات فنـی می تواند باعث افزایش مصرف انرژي شود. بنابراین، کاهش قابلیت تولید در دهه ي 1970 را می توان تا حـدي بـه بـالا بودن قیمت انرژي نسبت داد.

گذشته از مزایاي متعدد تابع ترانسلوگ که در بالا اشاره شد،کسانی که از الگوهاي ترانسلوگ براي پیشبینی و شبیهسازي استفاده میکنند به دو محدودیت اساسی ایناشارهالگوها کرده اند. اول، هر چند شرایط تقعر، که نزولی بودن توابع تقاضاي نهادهها را تضمین میکند، ممکن است در قسمتهاي میانی نمونه برقرار باشد، اما امکان دارد که در سایر نواحی قیمتی نقض شود. متأسفانه، تقعر تنها زمانی به طور مطلق و فراگیر برقرار است که ترانسلوگ به حالت خاص تابع کابـداگلاس تقلیل یابد. به همین منظور، دیورت و ویلز(1987) 3 یک فرآیند تخمین مقید را پیشنهاد کردند که در دامنهي مشخصی از تغییرات شرط تقعر را وتحمیل کرده این شرطلزوماً برقرار میشود.

دوم، الگوي ترانسلوگ به طور ضمنی بر انتظارات ایستا و تعدیل دفعی به سمت تعادل بلندمدت دلالت دارد. در نتیجه، چنین فرض میشود که هنگام تغییر قیمت نهادهها، بنگاه به طور آنی از یک تعادل کمینهساز هزینه در بلندمدت به تعادل بلندمدت دیگر جابهجا میشود. در کاربستهاي انرژي، که به خاطر ماهیت دیرپاي موجودي سرمایه، وقفههاي زمانی طولانی در آن وجود دارد، این ویژگی به طور خاص مشکلزا است. برنت، فاس، و ویورمن( 1980) 1 در تلاشی براي يارائه چارچوب واحدي جهت توضیح تعادل کوتاهمدت و مسیر تعدیل به تعادل بلندمدت، الگویی توسعه دادند که در آن تعدیل سرمایه فرآیند هزینهبري است. پس از آن، پیندیک2 (1980) انتظارات عقلایی را در تابع هزینهي متغیر، با یک معادلهي انباشت هزینه که در طول زمان به طور بهینه تعدیل میشود، وارد کرد. به خاطر مشکلاتی که در حل مسائل کنترل بهینهي استوکاستیک وجود دارد، مسیر تعدیل پویا تنها براي سناریوهاي قیمتی از پیش تعیینشده قابل شبیهسازي است، واین امر استفاده ي آن به عنوان یک ابزار پیشبینی را محدود میکند.

-1 تقاضاي صنعتی انرژي
کاربرد فرم تابعی ترانسلوگ در تخمین توابع تقاضاي انرژي در صنعت را میتوان در کار برنت و وود (1975) مشاهده کرد. آنان جانشینی بیننهادهاي میان انرژي، کار و سرمایه را در تقاضاي صنعتی انرژي بررسی کردند. در الگوي ایشان، تقاضاي انرژي به صورت مشتقشده با توجه به یک سطح ثابت محصول برآورد میشود. در این الگو، تقاضاي انرژي به سطح محصول، امکانات جانشینی میان نهادهها با توجه به فنآوري تولید، و قیمتهاي نسبی همهي نهادهها بستگی دارد.
گسترش پویاي این الگو را میتوان در کار هارتمن(1979) 3 مشاهده کرد. او به بررسی کششهاي کوتاه و بلندمدت قیمتی تقاضاي انرژي پرداخت. علاوه بر پژوهشهاي فوق که به تقاضاي انرژي در بخش صنعت آمریکا پرداختند، کاربردهاي این الگو در سطح بینالملل را میتوان در کار گریفین و گرگوري(1976) 4 و پیندیک(1979) 5 مشاهده کرد. کارسون و همکاران(1981) 6 در مطالعهي دیگري المللیتقاضاي بین انرژي را با الگوي عرضهي نفت ترکیب نمودند و تحلیلی از تقاضا و جانشینی بینسوختها در بازار جهانی نفت ارائه کردند.

در زمینهي کاربرد الگوي تقاضاي انرژي در فضاي مقرراتگذاريشده یا غیررقابتی، پژوهشهاي بسیار اندکی انجام شده است. فاس(1980) 7 به بررسی الگوي جانشینی میان سوختها در بازارهاي ناکامل پرداخت. در حالی که در الگوهاي سنتی قبلی به طور معمول فرض میشدهايمنحنی عرضهي نهادههاي انرژي بینهایت کششپذیر فاسهستند،نشان میدهد که در یک بازار با محدودیت عرضه نیز از این