Πολυστοχική βελτιστοποίηση κλιματικών στρατηγικών υπό αβεβαιότητα

Abstract

Climate change and the objectives set by international climate change conferences on global climate action require the development and implementation of a range of climate strategies, which in turn imply the appropriate adaptation of human activities and are assessed not only in terms of their effectiveness in addressing climate change, but also in terms of their (positive or negative) economic and social impact on a national and global scale. At the same time, in the climate policy-making effort, rapid geopolitical, social, technological, and scientific developments significantly increase the complexity of decision-making, exerting increased uncertainties in the process of evaluating the different parameters in framing policy recommendations, and creating the need to assess related risks and uncertainties in order to make viable and robust decisions. Το address the above challenges, this dissertation develops an integrated framework for multi - objective optimization of climate strategies under uncertainty, which allows for the engagement of stakeholders both in terms of identifying and evaluating risks and in selecting the optimal out of a set of robust suboptimal solutions. Starting from the presentation of the basic concepts and methods of multi - objective optimization, the family of ε - constraint methods and in particular Augmecon methods are selected as the basis for the development of an improved multi - objective linear programming algorithm, which generates the exact set of optimal solutions and allows the efficient and timely solution of hard or practically impossible, in terms of time and processing requirements, problems of numerous objective functions. Due to the reduced solution times of the new algorithm, it becomes possible to iteratively solve them in order to evaluate the robustness of the solutions through stochastic simulations. The improved multi-objective programming algorithm is then integrated as part of a complete tool for solving problems of selecting optimal portfolios of climate strategies under uncertainty, which enables decision makers to easily manipulate the inputs of the problem, as well as analyze the outputs with and without uncertainty, ensuring data transparency and robustness of results.The value of the proposed multi - objective optimization methodology is enhanced by its integration with widely used tools for climate policy making, such as climate-economy modelling and multi-criteria analysis, as well as by the proposal and application of three uncertainty management frameworks within three critical, real-world energy and climate policy problems that are differentiated in terms of: the geographical levels of analysis (local, national, regional), the examined time horizon (short- and medium-term analysis), the number and nature of objectives to be optimized (optimization based on energy savings targets, cost-effectiveness, related risk, optimization criteria connected to sustainable development goals related to health, climate action and access to clean, modern energy and social criteria, like job creation), and finally the uncertainty integration framework (risk integration within the evaluation, stochastic uncertainty, simulation of uncertainty in the form of different socio-economic scenarios combined with stochastic analysis to propose a new scenario between different socio-economic paths, stochastic simulation and analysis between the modelling results of three climate-economy models).

Η κλιματική αλλαγή και οι στόχοι που τίθενται από τις διεθνείς περιβαλλοντικές συσκέψεις σχετικά με την αντιμετώπισή της απαιτούν την ανάπτυξη και εφαρμογή μιας σειράς κλιματικών στρατηγικών οι οποίες προϋποθέτουν την κατάλληλη προσαρμογή των ανθρώπινων δραστηριοτήτων και αξιολογούνται όχι μόνο ως προς την αποτελεσματικότητά τους ως προς τη μείωση των επιπέδων των εκπεμπόμενων αερίων του θερμοκηπίου, αλλά και ως προς τις επιπτώσεις τους (θετικές ή αρνητικές) στην οικονομία και τις κοινωνικές δραστηριότητες σε εθνική και παγκόσμια κλίμακα. Παράλληλα, στην προσπάθεια χάραξης κλιματικής πολιτικής, οι ραγδαίες γεωπολιτικές, κοινωνικές, τεχνολογικές και επιστημονικές εξελίξεις αυξάνουν σε σημαντικό βαθμό την πολυπλοκότητα της λήψης απόφασης, ασκώντας σημαντική επιρροή στην αυξανόμενη αβεβαιότητα κατά τη διάρκεια της διαδικασίας αξιολόγησης των διαφορετικών παραμέτρων συστάσεων πολιτικών και δημιουργώντας την ανάγκη διαχείρισης του κινδύνου και της αβεβαιότητας προκειμένου να ληφθούν βιώσιμες και εύρωστες αποφάσεις. Στην προσπάθεια αντιμετώπισης των παραπάνω προκλήσεων, η παρούσα διατριβή αναπτύσσει ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο πολυστοχικής αξιολόγησης κλιματικών στρατηγικών υπό αβεβαιότητα, το οποίο επιτρέπει τη συμμετοχική εμπλοκή των εμπειρογνωμόνων τόσο ως προς τη διαχείριση του κινδύνου, όσο και στην επιλογή της βέλτιστης εκ ενός συνόλου ευσταθών υποβέλτιστων λύσεων. Ξεκινώντας από την παρουσίαση των βασικών εννοιών και μεθόδων πολυστοχικής βελτιστοποίησης, επιλέγεται η κατηγορία των μεθόδων των περιορισμών και συγκεκριμένα η οικογένεια των μεθόδων Augmecon ως βάση για την ανάπτυξη ενός βελτιωμένου αλγορίθμου πολυστοχικού γραμμικού προγραμματισμού, ο οποίος επιτυγχάνει την παραγωγή του ακριβούς συνόλου των βέλτιστων λύσεων και επιτρέπει την αποτελεσματική επίλυση προβλημάτων με πολλά κριτήρια βελτιστοποίησης, και συγκεκριμένα στις περιπτώσεις μεγάλων προβλημάτων, δηλαδή σε προβλήματα όπου το εύρος των προς βελτιστοποίηση συναρτήσεων είναι μεγάλο. Λόγω της επίτευξης της αποτελεσματικής επίλυσης τέτοιων προβλημάτων εντός περιορισμένου χρόνου, καθίσταται δυνατή η επαναληπτική επίλυση με σκοπό την αξιολόγηση της ευρωστίας των λύσεων μέσω στοχαστικών προσομοιώσεων. Ο βελτιωμένος αλγόριθμος πολυστοχικού προγραμματισμού ενσωματώνεται στη συνέχεια ως μέρος ενός ολοκληρωμένου εργαλείου επίλυσης προβλημάτων επιλογής βέλτιστων χαρτοφυλακίων κλιματικών στρατηγικών με ανάλυση αβεβαιότητας, με το οποίο καθίσταται εφικτός ο εύκολος χειρισμός των εισόδων του προβλήματος από τον εκάστοτε αποφασίζοντα, καθώς και η εποπτεία και ανάλυση των εξόδων με και χωρίς αβεβαιότητα, ώστε να διασφαλίζεται η διαφάνεια των δεδομένων και η ευρωστία των αποτελεσμάτων της επίλυσης. Η αξία της προτεινόμενης πολυστοχικής επίλυσης ενισχύεται με τη σύνδεσή της με ευρέως χρησιμοποιούμενα εργαλεία για την χάραξη κλιματικής πολιτικής, όπως η μοντελοποίηση κλίματος- οικονομίας και η πολυκριτήρια ανάλυση, καθώς και με την πρόταση και εφαρμογή τριών πλαισίων διαχείρισης αβεβαιότητας εντός τριών κρίσιμων, πραγματικών προβλημάτων ενεργειακής και κλιματικής πολιτικής τα οποία διαφοροποιούνται ως προς: τα γεωγραφικά επίπεδα της ανάλυσης (τοπικό, εθνικό, περιφερειακό επίπεδο), την έννοια του χρόνου (ανάλυση σε βραχυπρόθεσμο και μεσοπρόθεσμο ορίζοντα), τον αριθμό των προς βελτιστοποίηση κριτηρίων και τους παράγοντες με βάση τους οποίους αυτά επιλέγονται (βελτιστοποίηση με βάση στόχους εξοικονόμησης, σχέση κόστους αποδοτικότητας, εμπλεκόμενου κινδύνου, με κριτήρια σχετικά με τους στόχους βιώσιμης ανάπτυξης που αφορούν την υγεία, τη δράση για το κλίμα και την πρόσβαση σε καθαρή, σύγχρονής μορφής ενέργεια και με κοινωνικά κριτήρια - δημιουργίας νέων θέσεων εργασίας), και τέλος το πλαίσιο ενσωμάτωσης αβεβαιότητας (ενσωμάτωση της έννοιας του κινδύνου και στοχαστικής αβεβαιότητας και προσομοίωση αβεβαιότητας υπό τη μορφή διαφορετικών κοινωνικοοικονομικών σεναρίων σε συνδυασμό με στοχαστική ανάλυση για την πρόταση ενός νέου σεναρίου μεταξύ διαφορετικών κοινωνικοοικονομικών μονοπατιών, στοχαστική προσομοίωση και ανάλυση μεταξύ των αποτελεσμάτων μοντελοποίησης τριών μοντέλων κλίματος - οικονομίας).