تعیین سهم بهینه انرژی­های تجدیدپذیر در یک الگوی رشد پایدار: مورد ایران

دکتر کریم اسلاملوئیان* و علی حسین استادزاد**

تاریخ دریافت: 20 دی 1391                      تاریخ پذیرش: 6 خرداد 1392

هدف اصلی این تحقیق، طراحی الگویی مناسب برای تعیین سهم بهینه انرژی­های تجدیدپذیر و تجدیدناپذیر در مسیر رشد پایدار و محاسبه این سهم­ها برای اقتصاد ایران است. در این راستا، ابتدا انرژی­های فسیلی و تجدیدپذیر به عنوان نهاده‌های تولید به یک الگوی رشد درونزا اضافه شده است. الگوی مورد نظر در قالب یک مسئله کنترل بهینه طراحی گردیده است. در مرحله بعد، مسیرهای بهینه مصرف، تولید و سهم انرژی­های تجدیدپذیر و تجدیدناپذیر با ملاحظات زیست‌محیطی و بدون ملاحظات زیست­محیطی تعیین گردیده است. نتایج بیانگر فاصله قابل توجه اقتصاد ایران از مسیر بهینه رشد پایدار است. براساس حل عددی الگو، در سال 1389، سهم بهینه انرژی تجدیدپذیر بایستی 8/0 درصد از کل انرژی باشد. امّا در عمل این سهم در این سال تنها 4/0 درصد بوده است.. همچنین با توجه به پیش­بینی الگو، برای اینکه اقتصاد ایران تا سال 1400 بر مسیر رشد پایدار قرار گیرد بایستی 1/2 درصد از کل انرژی به وسیله انرژی­های تجدیدپذیر تولید شود. دستیابی به این مهم،  مستلزم رشد متوسط سالانه 26 درصدی تولید انرژی‌های تجدیدپذیر در دوره 1389 تا 1400 است. 

واژه‌های کلیدی: مدل تعمیم­یافته رشد درون­زا، انرژی­های تجدیدپذیر، سهم بهینه انر‍ژی، اقتصاد ایران، الگوریتم ژنتیک.

طبقه‌بندی JEL: O11، O15، O41.

1. مقدمه

استفاده از انرژی در تمام مراحل تولید لازم و ضروری است و بدون مصرف انرژی امکان تولید وجود ندارد. بنابراین، الگوهای رشد اقتصادی که نقش انرژی را بر رشد اقتصادی نادیده گرفته­اند، کامل نیستند. بسیاری از تحقیقات در مورد انرژی و رشد اقتصادی، چگونگی تأثیر رشد اقتصادی بر روی مصرف انرژی را بیان می­کنند و تأثیر انرژی بر رشد محصول کمتر مورد بررسی قرار گرفته است.^[1] همچنین می­توان بیان کرد در بسیاری از الگوهای اصلی رشد اقتصادی، انرژی به عنوان یک عامل تأثیرگذار بر رشد اقتصادی در نظر گرفته نشده است.[2] از طرف دیگر، تمام فعالیت­های اقتصادی و مصرف انرژی به طور مستقیم و غیرمستقیم بر محیط زیست اثر می­گذارد، به طوری که تولید انرژی در مراحل مختلف استخراج، تولید و مصرف به محیط زیست آسیب می­رساند. ارتباط بین توسعه اقتصادی و محیط زیست، از مسائل مهم و پیچیده اقتصادی است.

از آنجا که انجام هر فعالیت اقتصادی مستلزم مصرف انرژی است، لذا از یک طرف انرژی به منزله عامل محرک رشد اقتصادی و بهبود کیفیت زندگی انسان تلقی می­شود و از سوی دیگر، موجب تولید آلاینده­های زیست­محیطی می­گردد.^[3] بنابراین، ایجاد آسیب­های زیست­محیطی همراه با توسعه و رشد باعث بروز یک جایگزینی بین منافع حاصل از رشد و تخریب محیط زیست گردیده و این عقیده که افزایش تولید موجب حداکثر رفاه می­گردد را مورد تردید قرار داده است. وجود این جایگزینی موجب اهمیت و توجه بیشتر به ملاحظات زیست­محیطی و پیامدهای جنبی ناشی از آن در طراحی سیاست­ها و پیگیری فرایند رشد و توسعه پایدار گردیده است.^[4]

با توجه به اهمیت و نقش انرژی در رشد، در این مطالعه در ابتدا انرژی، به عنوان یک نهاده تولید در نظر گرفته شده است که می­تواند رشد را تحت تأثیر قرار دهد. همچنین فرض شده است که انرژی توسط دو منبع انرژی­های فسیلی و انرژی­های تجدیدپذیر تولید شود و در بخش تولید کالاهای نهایی، انرژی یک نهاده تولید است. پس از توسعه تابع تولید، پارامترهای این تابع برای اقتصاد ایران برآورد شده است. استفاده از انرژی­های فسیلی آلودگی ایجاد می­کند که این باعث کاهش مطلوبیت می­شود. همچنین فرض بر این است که مصرف در طول زمان مطلوبیت فرد را افزایش می­دهد و آلودگی ناشی از استفاده از انرژی­های فسیلی مطلوبیت را کاهش می­دهد. افزایش هزینه­های اقتصادی و زیست­محیطی انرژی­های تجدیدناپذیر (فسیلی) باعث افزایش مصرف انرژی­های تجدیدپذیر خواهد شد. از طرف دیگر استفاده از انرژی­های تجدیدناپذیر آلودگی ایجاد می­کند که این باعث کاهش مطلوبیت می­گردد. بنابراین در این مطالعه فرض بر این است که استفاده از انرژی­های تجدیدناپذیر یا فسیلی از دو طریق محدود می­گردد. 1- افزایش هزینه­های زیست­محیطی در اثر کاهش منابع انرژی­های فسیلی 2- کاهش مطلوبیت به دلیل تولید آلودگی.

هر یک از دو عامل محدودکننده بالا برای تولید انرژی­های تجدیدناپذیر به طور جداگانه در مطالعات مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. اما در مطالعه­های موجود به طور همزمان محدودیت منابع انرژی فسیلی و محدودیت آلودگی مورد بررسی قرار نگرفته است. هدف این مطالعه بررسی همزمان این دو محدودیت برای مصرف و تولید انرژی­های فسیلی است.

چارچوب مورد استفاده در این مطالعه یک الگوی رشد تعمیم­یافته با در نظر گرفتن انرژی (فسیلی و تجدیدپذیر) در تابع تولید است. هدف نهایی این مطالعه پس از حل الگوی تعمیم­یافته و بررسی نتایج حاصل از الگو، پیدا کردن میزان سهم بهینه استفاده از انرژی­های تجدیدناپذیر و تجدیدپذیر از کل انرژی برای اقتصاد ایران در شرایط پایدار (شرایطی که حداکثر مطلوبیت بین دوره­ای را داشته باشیم) است.

در این تحقیق در ابتدا تابع تولید مورد نظر برای اقتصاد ایران برآورد شده است. پس از برآورد تابع تولید مناسب، به بررسی و برآورد معادله حرکت آلودگی پرداخته شده است. سپس دو الگو مورد توجه قرار گرفته است، در ابتدا الگوی رشد درونزایی بدون ملاحظات زیست­محیطی در نظر گرفته شده است و مسیر متغیرهای بهینه محاسبه گردیده است. پس از آن با در نظر گرفتن ملاحظات زیست­محیطی به بررسی مسیرهای حرکت بهینه پرداخته­ایم. پس از یافتن مسیرهای بهینه این دو حالت مورد مقایسه قرار گرفته است.

در این مطالعه به دلیل پیچیدگی الگو از روش بهینه­سازی الگوریتم ژنتیک برای حل الگو استفاده شده است. بررسی همزمان تعیین سهم بهینه انرژی­های تجدیدپذیر و تجدیدناپذیر تاکنون برای اقتصاد ایران در چارچوب یک الگوی رشد پایدار مورد بررسی قرار نگرفته، که هدف این مطالعه پر کردن این خلأ در ادبیات مربوط است.

این مقاله در پنج قسمت تنظیم شده است. در قسمت دوم پیشینه پژوهش و مطالعات گذشته آورده شده است. در قسمت سوم مبانی نظری و روش­شناسی برای برآورد الگو مورد بررسی قرار گرفته است. برآورد الگو و تحلیل نتایج در قسمت چهارم ارائه شده است. در قسمت نهایی نیز یک جمع­بندی اجمالی از مطالب آورده شده و پیشنهادهایی ارائه گردیده است.

2. پیشینه پژوهش

در این قسمت مروری بر مطالعات پیشین خواهیم داشت. الگوهای رشد با در نظر گرفتن منابع و بدون در نظر گرفتن پیشرفت تکنولوژی گروهی از مطالعات رشد اقتصادی را شامل می­شوند. داسگوپتا و هیل^[5] با تعمیم الگوهای رشد و در نظر گرفتن منابع طبیعی در این الگوها نشان دادند که برای یک نرخ تنزیل ثابت، مسیر رشد کارا باعث فرسایش منابع طبیعی می­شود که این فرسایش در بلندمدت باعث سقوط اقتصاد و کاهش رفاه می­گردد اما در این مطالعه پیشرفت تکنولوژی در نظر گرفته نشده بود.

شولز و زیمس^[6] نشان می­دهند که رشد و توسعه پایدار با وجود منابع تجدیدناپذیر در یک الگوی رشد درون­زا و فرض رقابت کامل امکان­پذیر است. اسشولز و زیمس این سؤال را مطرح می­سازند که آیا مسیر تعادلی^[7] که ما را به نرخ رشد پایدار هدایت می­کند با وجود بازار رقابت ناقص و همچنین در نظر گرفتن منابع طبیعی در الگوی رشد درونزا وجود خواهد داشت؟ نتیجه­ای که از این الگو حاصل می­شود نشان می­دهد در صورتی که کشش تولید نسبت به انباشت سرمایه کوچکتر از کشش تولید نسبت به منابع طبیعی باشد، رشد پایدار امکان­پذیر خواهد بود.

گروت و اسچو^[8] در مطالعه خود به این سؤال پاسخ می­دهند که آیا با در نظر گرفتن انرژی تجدیدناپذیر به عنوان یک نهاده اساسی تولید در این مدل­ها آیا امکان توسعه پایدار وجود خواهد داشت؟ با حل یک مدل رشد بهینه یک بخشی^[9] تحت فروض مشخص نشان داده می­شود که رشد مصرف سرانه غیرپایدار است مگر اینکه رشد جمعیت در الگو وجود داشته باشد. گریمود و روگ^[10]، منابع طبیعی تجدیدناپذیر را در یک مدل رشد درونزای شومپترین^[11] وارد نموده­اند. در این الگو مسیر تعادلی و بهینه بررسی شده است. سپس مقادیر بهینه جهت اجرای سیاست­های پولی و مالی محاسبه شده است.

دی ماریا و والنت^[12]، مدلی دو بخشی با تغییرات تکنولوژی و همچنین منابع تجدیدناپذیر به عنوان یک نهاده اساسی تولید را توسعه داده­اند. در این مطالعه دو حالت سرمایه افزا^[13] و منابع طبیعی افزا^[14] برای تولید تکنولوژی در نظر گرفته شده است. نتیجه این مطالعه نشان می­دهد که در صورت تغییرات تکنولوژیک در صورت استفاده از منابع طبیعی نرخ رشد تعادلی و تعادل پایدار خواهیم داشت.

در مطالعاتی که تا کنون مورد بررسی قرار گرفت، تأثیر رشد اقتصادی بر محیط زیست در نظر گرفته نشده است. در ادامه، الگوهای رشد با توجه به اثرات زیست­محیطی مورد بررسی قرار گرفته است. اهمیت و تأثیر منفی پیامد جنبی آلودگی بر مسیر رشد و توسعه پایدار کشورها موجب شده است تا مطالعات تئوریک و تجربی زیادی در این زمینه انجام گیرد. در طول سا­ های اخیر، تجزیه و تحلیل­های اقتصادی توسعه پایدار و سیاست محیطی در چارچوب الگوهای رشد نیز مورد توجه محققین قرار گرفته است. در این چارچوب بسیاری از مطالعات با وارد کردن متغیرهای زیست‌محیطی مانند آلودگی یا کیفیت محیط زیست در الگوهای رشد اقدام به توسعه این الگوها نموده­اند. قسمت عمده­ای از این مطالعات به شرایطی که تحت آن رشد پایدار ممکن و مطلوب است، اختصاص یافته است.

در چارچوب تئوری­های رشد درونزا پیامدهای جنبی زیست­محیطی، به سبب انباشت آلودگی، بر مسیر رشد بهینه و رفاه تأثیر می­گذارد. در این چارچوب اعتقاد بر این است که محیط زیست از طریق کانال­های مختلف از جمله مطبوعیت^[15] محیط زیست، سلامت و بهره­وری می­تواند اقتصاد را تحت تأثیر قرار دهد. مطبوعیت محیط زیست و سلامت از طریق اثر بر رفاه کل و با در نظر گرفتن آلودگی یا کیفیت محیط زیست در تابع مطلوبیت مصرف­کننده نمونه در الگوهای رشد وارد می‌گردند. همچنین اثر بهره­وری با در نظر گرفتن کیفیت محیط زیست به عنوان یک عامل تولید قابل بررسی است.^[16]

شروع مطالعات در حوزه رشد و محیط زیست به طرح ایده سنتی «محدودیت برای رشد» توسط میدو^[17] باز می­گردد که بیانگر این است که بین رشد اقتصادی بالاتر و حفاظت از محیط زیست یک جایگزینی وجود دارد. بر این اساس از یک سو ظرفیت محیط زیست برای جذب ضایعات و پسماندهای ایجاد شده توسط سیستم اقتصادی محدود است و از سوی دیگر منابع طبیعی و زیست­محیطی محدود است.

برخی تحقیقات نشان داده­اند که در مراحل اولیه رشد اقتصادی شاهد افزایش افت کیفیت محیط زیست بوده و در مراحل بعدی همراه با رشد اقتصادی کیفیت محیط زیست بهبود پیدا می‌کند. این ارتباط به صورت یک منحنی U معکوس و به عنوان منحنی زیست­محیطی کوزنتس معروف گردیده است. بررسی تجربی این منحنی برای اولین بار توسط گروسمن و کروگر^[18] دررابطه با موافقت­نامه تجارت آزاد شمال آمریکا^[19] انجام گرفت.

اسمولدز^[20] در یک مدل رشد درون­زا به بررسی شرایطی که با وجود محدودیت دسترسی به منابع طبیعی بتوان به رشد اقتصادی مناسب و پایدار دست پیدا کرد، می­پردازد. نتایج این مطالعه نشان می­دهد که دستیابی به رشد پایدار مستلزم اجرای سیاست­های زیست­محیطی مناسب، سرمایه‌گذاری مناسب در محافظت از منابع، کنترل و توسعه تکنولوژی­های پاک است.

مهتدی^[21] با استفاده از یک الگو رشد درونزا به بررسی و تحلیل سیاست بهینه زیست­محیطی برای رسیدن به رشد بلندمدت با وجود اثرگذاری کیفیت محیط زیست بر رفاه و تولید می­پردازد. براین اساس سیاست ترکیبی کنترل­های مقداری و مالیات یا سوبسید بهینه موجب دستیابی به یک سطح بالاتری از رفاه اجتماعی در مقایسه با  اجرای سیاست سوبسید یا مالیات مجزا می­گردد.

آریگا^[22] از یک الگو رشد درونزای ساده که آلودگی هم در تابع تولید و هم در مصرف وارد گردیده است به منظور بررسی اثرات سیاست­های زیست­محیطی بر مصرف و تولید و بر تعادل وضعیت باثبات استفاده می­کند. الگو مورد استفاده توسط آنها شکل توسعه­یافته الگو اسمولدرز و گرادوس^[23] است که به منظور ارتباط بین رشد اقتصاد و محیط زیست و بالاخص سیاست زیست‌محیطی بهینه و اثرات سیاست بر نرخ­های رشد و رفاه مورد استفاده قرار گرفته است. نتایج الگو نشان می­دهد که بهبود یا افت کیفیت محیط زیست بستگی به تغییر کیفیت محیط زیست طی زمان دارد.

تهونون و سالو^[24] با استفاده از یک الگوی رشد تعمیم­یافته، گذار بین انرژی­های تجدیدپذیر و فسیلی را مورد مطالعه قرار داده­اند. دو الگوی متفاوت در این مقاله در نظر گرفته شده است. یک الگو بدون در نظر گرفتن پیشرفت تکنولوژی و الگوی دیگر با در نظر گرفتن پیشرفت تکنولوژی مورد بررسی قرار گرفته است. در الگوی اول که تکنولوژی در نظر گرفته نشده است، قیمت انرژی­های فسیلی، هزینه استخراج منابع فسیلی در نظر گرفته شده است. با افزایش تولید و مصرف انرژی فسیلی و کاهش منابع، هزینه استخراج و در نتیجه آن قیمت انرژی­های فسیلی افزایش می‌یابد. در مطالعه تهونون ابتدا تنها از انرژی­های تجدیدپذیر استفاده می­شود. وی نشان می­دهد که در طول زمان با افزایش تولید، استفاده از انرژی­های فسیلی با توجه به قیمت پایین این انرژی افزایش می­یابد تا به یک نقطه اوج می­رسد. اما با افزایش استخراج انرژی­های فسیلی، سطح منابع کاهش می­یابد. در این حالت هزینه استخراج و در نتیجه قیمت انرژی­های فسیلی افزایش می­یابد. با توجه به افزایش قیمت انرژی­های فسیلی مصرف انرژی­های فسیلی کاهش و مصرف انرژی­های تجدیدپذیر افزایش می­یابد. در الگوی دوم تهونون تکنولوژی را نیز وارد الگو می­نماید. در این الگو هزینه تولید انرژی­های فسیلی با پیشرفت تکنولوژی به نسبت قبل کمتر افزایش می­یابد. ولی در هر دو الگو، در طول زمان مصرف انرژی­های تجدیدپذیر افزایش می­یابد.

فولرتون و کیم^[25] با استفاده از یک الگوی رشد درونزا به تعیین آلودگی و کیفیت محیط زیست و انباشت سرمایه خصوصی و دانش کنترل آلودگی به صورت درونزا می­پردازد. نتایج بیانگر این است که نسبت بهینه سرمایه عمومی به خصوصی بستگی به کشش­های تولید، اختلال ناشی از مالیات و پیامد جنبی آلودگی است.

تاکنون مطالعات نظری رشد اقتصادی مورد بررسی قرار گرفت. در ادامه مطالعات تجربی مورد بررسی قرار خواهد گرفت. مطالعات تجربی بسیاری در این حوزه صورت گرفته است که در ادامه تعدادی از این مطالعات برای نمونه بررسی خواهد شد.

گلاسور^[26] با بکارگیری یک مدل تصحیح خطای برداری به بررسی رابطه علی بین تولید ناخالص داخلی و مصرف انرژی در طول دوره 1990-1961 در کره جنوبی می­پردازد. در این مطالعه مخارج دولتی به عنوان متغیر نماینده^[27]  فعالیت­های دولتی و عرضه پول به عنوان متغیر نماینده سیاست­های پولی و قیمت­های نفت به عنوان یک عامل تعیین­کننده در توضیح رابطه علی مورد استفاده قرار گرفته است و تکانه­های قیمت نفت نیز به عنوان یک متغیر مجازی جهت شکست ساختاری در نظر گرفته شدند. نتایج مقاله گلاسو نشان­دهنده یک رابطه علی دوطرفه بین قیمت نفت و سیاست پولی بوده و نفت بیشترین تأثیر را بر رشد اقتصادی و مصرف انرژی داشت.

آنگ^[28] در مطالعه خود به بررسی رابطه علی پویا بین انتشار گاز دی­اکسیدکربن، مصرف انرژی و تولید در کشور فرانسه طی سال­های 2000-1960 پرداخته است. نتایج مطالعه وی نشان می­دهد که رشد اقتصادی علیت بلندمدت مصرف انرژی و آلودگی محیط زیست بوده و یک رابطه علی یک طرفه از سوی مصرف انرژی به رشد تولید در کوتاه­مدت برقرار است. همچنین، یافته­های این مطالعه نشان داد که با افزایش استفاده از انرژی، انتشار گاز دی­اکسیدکربن نیز افزایش می­یابد.

مطالعات داخلی کاربردی در این زمینه محدود است که در زیر به تعدادی از این مطالعات اشاره شده است.

صادقی و سعادت (1383) در مطالعه خود با استفاده از داده­های سری زمانی طی سال­های 1380-1346 به بررسی رابطه علی بین رشد جمعیت، رشد اقتصادی و اثرات زیست­محیطی در ایران پرداخته­اند. نتایج به دست آمده از بررسی رابطه علی نشان داد که در دوره مورد مطالعه، یک رابطه علی یک طرفه از رشد جمعیت به سوی تخریب محیط زیست وجود داشته است. همچنین رابطه علی دو طرفه بین تخریب محیط زیست و رشد اقتصادی در ایران برقرار است.

برقی اسکویی (1387) در مطالعه خود به بررسی آثار آزادسازی تجاری بر انتشار گازهای گلخانه­ای در منحنی زیست­محیطی کوزنتس طی سال­های 2002-1992 برای کشورهای با درآمد سرانه بالا، متوسط بالا، متوسط پایین و پایین پرداخته است. نتایج مطالعه نشان داد افزایش آزادسازی تجاری و درآمد سرانه در کشورهایی با درآمد سرانه بالا و متوسط بالا به کاهش انتشار گاز دی­اکسیدکربن و در کشورهای با درآمد سرانه متوسط پایین و پایین به افزایش انتشار گاز دی­اکسیدکربن منجر می­شود.

پورکاظمی و ابراهیمی (1387) در مطالعه خود با استفاده از داده­های سری زمانی سالانه طی سال­های 2003-1980 به بررسی منحنی زیست­محیطی کوزنتس در کشورهای خاورمیانه پرداخته‌اند. در این مطالعه از دو مدل لگاریتمی برای بررسی منحنی کوزنتس زیست­محیطی استفاده شده است و انتشار گاز دی­اکسیدکربن به عنوان متغیر جانشین آلودگی محیط زیست به کار رفته است. نتایج به دست آمده نشان داد که مدل ساده، تأیید فرضیه منحنی زیست­محیطی کوزنتس برای نمونه تحت بررسی را در پی دارد.

همان گونه که مشاهده می­شود در داخل کشور، هیچ مطالعه­ای به بررسی همزمان سهم انرژی‌های تجدیدناپذیر و تجدیدپذیر در قالب یک الگوی رشد پایدار نپرداخته است. بنابراین همان­طور که قبلاً اشاره گردید یکی از اهداف این مطالعه پرداختن به این موضوع برای اقتصاد ایران است. در این راستا در این تحقیق فرض می­کنیم که انرژی توسط دو منبع انرژی­های فسیلی و انرژی­های تجدیدپذیر تولید شود و در بخش تولید نهایی انرژی یک نهاده تولید است. استفاده از انرژی­های فسیلی آلودگی ایجاد می­کند که این باعث کاهش مطلوبیت می­شود (اثرات زیست‌محیطی). همچنین مصرف انرژی­های تجدیدناپذیر باعث کاهش منابع انرژی فسیلی می‌گردد. با کاهش منابع هزینه­های زیست­محیطی افزایش می­یابد. هر یک از این دو عامل محدودکننده برای تولید انرژی­های تجدیدناپذیر (هزینه­های کاهش منابع و ایجاد آلودگی) به طور جداگانه در مطالعات مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. اما به طور همزمان محدودیت هزینه و محدودیت آلودگی مورد بررسی قرار نگرفته است. هدف این مطالعه بررسی همزمان این دو محدودیت برای مصرف و تولید انرژی­های فسیلی است. حل الگو و تعیین سهم بهینه استفاده از انرژی­های تجدیدپذیر با توجه به داده­های اقتصاد ایران از دیگر یافته­ها و تفاوت این مطالعه نسبت به مطالعات موجود است. نکته دیگری که این مطالعه متمایز از مطالعات موجود می­سازد، روش حل الگو است. در این مطالعه از روش بهینه­سازی تکاملی الگوریتم ژنتیک پیوسته برای بهینه­سازی و یافتن مسیرهای بهینه استفاده شده است که در قسمت­های بعد به این بحث پرداخته شده است.

3. مبانی نظری و ساختار الگو

در این بخش مبانی نظری و ساختار الگو مورد بررسی قرار گرفته است. در الگوهای رایج رشد اقتصادی، منابع طبیعی یا انرژی تا حدود زیادی مغفول واقع شده است. پیشرفت تکنولوژی در الگوهای اولیه رشد مانند الگوی رشد سولو^[29] به صورت برون­زا در نظر گرفته شده است. بیشتر الگوهای رشد اخیر سعی در درون­زا کردن پیشرفت تکنولوژی دارند.^[30] همان­گونه که در مطالعات رومر (1990) دیده می­شود، مطالعات مربوط به الگوهای رشد از دهه 90 به سمت الگوهای رشد درون­زا گرایش یافته است. در این مدل­ها، رشد بلندمدت با تمرکز بر پیشرفت فن­آوری درون­زا از طریق آموزش، تحقیق و توسعه و یادگیری همراه با کار است. هر اختراع و نوآوری، بهره­وری را افزایش می­دهد و چنین کشفیاتی، سرانجام منبع رشد بلندمدت است.

تحقیقات نشان می­دهد که در مطالعات محدودی انرژی به صورت عامل تولید در نظر گرفته شده است و در مطالعات محدودتر انرژی به دو گروه تجدید­پذیر و تجدیدناپذیر تقسیم شده است. اما به منظور داشتن توسعه پایدار، استفاده از منابع تجدیدپذیر و سرمایه­گذاری در محیط زیست و انباشت سرمایه فیزیکی برای جبران خالی شدن طبیعت در تابع تولید لازم است.

در ادامه، ساختار الگوی مورد استفاده بررسی می­شود. در طراحی الگو از تحقیقات تهونون (2001)، آریگا (2002) و گریموت (2003) استفاده شده است. الگوی مورد استفاده بیانگر یک اقتصاد بسته شامل افراد زیادی با طول عمر نامحدود است. در عین حال این افراد همزمان مصرف‌کننده و تولیدکننده هستند.

1-3. رفتار مصرف­کننده

مصرف­کننده به دنبال حداکثرسازی مطلوبیت در طول زمان است و یا به بیان دیگر به دنبال حداکثرسازی مطلوبیت بین دوره­ای می­باشد. بنابراین با توجه به مطالعه آندریونی^[31] برنامه­ریز اجتماعی به دنبال حداکثرسازی تابع زیر هستیم.

(1)                                      

در رابطه (1)، r نرخ ترجیحات زمانی است و همواره دارای مقداری مثبت است ().  تابع بیانگر مطلوبیت در هر دوره است. در این تابع فرض می­شود که مطلوبیت مصرف­کننده نمونه تابع دو عامل مصرف کالای نهایی () و کیفیت محیط زیست (En) که عکس آلودگی () است باشد. تابع مطلوبیت می­تواند جدایی­ناپذیر و یا جدایی­پذیر نسبت به مصرف و کیفیت محیط زیست باشد. در این مطالعه فرض شده است که مطلوبیت از یک تابع جدایی­پذیر به صورت زیر پیروی می­کند:

(2)                             

شکل­های تابعی مختلفی می­توان برای تابع مطلوبیت در نظر گرفت. با توجه به فرض جدایی­پذیر بودن تابع مطلوبیت در هر لحظه از زمان را می­توان طبق رابطه (3) فرض کرد.

(3)                                     

در رابطه (3) پارامتر f بیانگر وزن کیفیت زیست­محیطی در تابع مطلوبیت و معرف حس آگاهی زیست­محیطی مصرف­کنندگان است. در یک مقدار معین کیفیت محیط زیست (عکس آلودگی) f بزرگ نشان­دهنده مطلوبیت بیشتر از سطح معینی از کیفیت محیط زیست است که به بیان دیگر پارامتر f حساسیت جامعه نسبت به آلودگی را نشان می­دهد.

پارامتر s بیانگر عکس کشش جانشینی بین دوره­ای مصرف است. بدین صورت که هر چه مقدار s کوچکتر باشد، کشش جانشینی بین دوره­ای مصرف بزرگتر خواهد بود و مصرف‌کنندگان در مقایسه با آینده، کمتر نگران هستند. همان گونه که مطرح شد، هدف از این مطالعه بررسی مسیر بهینه متغیرهای الگو مانند مقدار بهینه مصرف انرژی­های فسیلی و تجدیدپذیر و سهم بهینه هر کدام در طول زمان در دو حالت در نظر گرفتن ملاحظات زیست­محیطی و بدون در نظر گرفتن ملاحظات زیست­محیطی است. در صورت صفر بودن پارامتر k قسمت دوم تابع مطلوبیت حذف می­شود و ملاحظات زیست­محیطی در الگو در نظر گرفته نخواهد شد و در صورت یک بودن این پارامتر، ملاحظات زیست­محیطی در الگو در نظر گرفته خواهد شد. که یکی از نوآوری­های این مطالعه تعریف این پارامتر است. با توجه به خصوصیات تابع مطلوبیت لحظه­ای (مثبت بودن مشتقات اول و خاصیت مقعر بودن) باید  باشد.

2-3. تولید کالای نهایی

قانون دوم ترمودینامیک (قانون راندمان یا کارایی) بیان می­دارد که حداقل مقداری انرژی برای انتقال ماده یا به طور عمومی­تر، کار فیزیکی در فرآیند تولید لازم است. انجام انتقالات در زمان کمتر و محدودتر نیازمند انرژی بیشتر از این مقدار حداقل است. برای انجام تولید باید حتماً کار فیزیکی انجام شود. برای انجام کار فیزیکی نیز حتماً انرژی لازم است، بنابراین تمامی پروسه­های اقتصادی نیازمند انرژی هستند. در فرآیند تولید، نیروی کار و سرمایه فیزیکی در بلندمدت قابل جانشین شدن هستند، ولی محدودیت­هایی برای جانشینی یا جایگزینی انرژی با دیگر نهاده­های تولید وجود دارد.^[32] بنابراین انرژی همیشه یک نهاده لازم و ضروری برای تولید است.

بعضی از نهاده­های تولیدی، غیر قابل تولید مجدد^[33] هستند (مانند نفت و گاز طبیعی)، در حالی که بعضی از نهاده­های دیگر می­توانند با یک هزینه، در سیستم اقتصادی باز تولید شوند که به این نهاده ها، نهاده­های با قابلیت بازتولید^[34] گویند. سرمایه فیزیکی، نیروی انسانی و در بلندمدت منابع طبیعی نهاده­های با قابلیت بازتولید هستند. انرژی و ماده اولیه غیر قابل بازتولید هستند. این در حالی است که بردارهای انرژی (شامل سوخت و الکتریسیته) و مواد اولیه مانند مواد معدنی، در تئوری، نهاده­های قابل بازتولید در نظر گرفته می­شوند.

برای تولید، نهاده­های مهم دیگری (اطلاعات و دانش) استفاده می­شود که شبیه به انرژی ممکن است نهاده­های غیرتجدیدپذیر باشند.^[35] برخلاف انرژی، اطلاعات و دانش نمی­توانند به آسانی اندازه­گیری شوند. علاوه بر این، اگرچه سرمایه و کار نسبت به اطلاعات و دانش راحت­تر اندازه­گیری می­شوند اما هنوز اندازه­گیری این نهاده­های تولید در مقایسه با اندازه­گیری انرژی، ناقص است. رابطه (4) تابع تولید در این الگوها را نشان می­دهد:

(4)                                             

که در این رابطه، K انباشت سرمایه فیزیکی، E مصرف انرژی و L نیروی کار در تولید است. بدون شک رابطه نزدیکی میان تقاضای انرژی (E) و روش تولید وجود دارد. البته این رابطه یک رابطه دو طرفه است. یعنی هر چه نهاده انرژی را زیاد کنیم تولید زیادتر خواهد شد و هر چه تولید زیاد شود تقاضای انرژی زیاد خواهد شد. چنین ارتباطی می­تواند از طریق آزمون­های مختلف بررسی گردد. گفتنی است که زمان مستقیماً وارد تابع تولید نمی­شود، یعنی تولید در طی زمان تغییر می­کند تنها اگر نهاده­های تولید تغییر کنند.

در این مطالعه علاوه بر انرژی، انباشت سرمایه در بخش تحقیق و توسعه نیز به عنوان یک نهاده تولید در نظر گرفته شده است. که براساس رابطه (5) حجم سرمایه در تحقیق و توسعه در هر دوره از جمع سرمایه­گذاری در بخش تحقیق و توسعه در هر دوره (RD) و حجم سرمایه در دوره قبل وقتی که استهلاک از آن کم شده باشد به دست می­آید. 

(5)                                     

در این مطالعه، تابع تولید یک تابع تولید کاب داگلاس در نظر گرفته شده است که نهاده­های تولید در این تابع به ترتیب حجم سرمایه فیزیکی (K)، نیروی کار(L)، انرژی مصرفی (r و n) و حجم سرمایه در تحقیق و توسعه (A) است.^[36]   

(6)                              

که در این رابطه n و r به ترتیب میزان انرژی اولیه فسیلی و انرژی­های تجدیدپذیر تولید شده در کشور است. در مطالعه استادزاد (1391) پارامترهای معادلات (5) و (6) به صورت همزمان برآورد شده است. برآورد این پارامترها در جدول 1 قابل مشاهده است.

3-3. معادله­های انباشت

سه معادله انباشت و تغییر موجودی در این مطالعه در نظر گرفته شده است.

1. معادله انباشت سرمایه فیزیکی
2. معادله کاهش سطح منابع طبیعی موجود
3. معادله تغییر موجودی آلودگی

 که این معادلات در روابط (7) تا (9) نشان داده شده است.

(7)                                

(8)                                                               

(9)                                                       

معادله (7) نشان­دهنده معادله انباشت سرمایه فیزیکی است که بیانگر شرط تسویه بازار کل اقتصاد است. این رابطه معرفی می­کند که کالای تولید شده در اقتصاد، به سرمایه­گذاری و مصرف اختصاص داده می­شود و یا با ضریب  مستهلک می­شود. تفاوتی که رابطه (7) با مطالعات متداول دارد این است که هزینه­های استفاده از انرژی­های تجدیدپذیر و فسیلی نیز در این معادله در نظر گرفته شده است.

معادله (8) نشان­دهنده میزان کاهش منابع طبیعی بر اثر استخراج است که به صورت تابعی از میزان مصرف انرژی­های تجدیدپذیر در نظر گرفته شده است. معادله (7) و (8) در مطالعات بسیاری بررسی شده است. در ادامه معادله انباشت آلودگی مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

1-3-3. معادله انباشت آلودگی

در چارچوب مدل مورد بررسی فرض می­شود که تغییر در موجودی آلودگی زیست­محیطی از دو قسمت تشکیل شده است. بخشی از انتشار آلودگی که در نتیجه فرآیند تولید اتفاق می­افتد و به عنوان یک محصول فرعی^[37] همراه با تولید شناخته می­شود. بخشی از آلودگی به طور طبیعی توسط محیط زیست پاک­سازی (جذب) می­شود. بنابراین، ‌به پیروی از اواتا و همکاران (2010) خواهیم داشت:

(10)                                       

رابطه (10) بیانگر تغییرات موجودی آلودگی طی زمان است. عبارت  بیانگر کل انتشار آلودگی در زمان t است که Y تولید در زمان t و  شدت مصرف انرژی­های فسیلی^[38] است. پارامتر  بیانگر نرخ طبیعی پاک­سازی محیط زیست است. با توجه به رابطه (10) و انجام مقداری ساده­سازی خواهیم داشت:

(11)                              

با توجه به رابطه (11) با مشتق­گیری از آلودگی نسبت به تولید خواهیم داشت:

(12)                                

در  این رابطه اگر  باشد با رشد اقتصادی و افزایش تولید کیفیت محیط زیست کاهش می­یابد (آلودگی افزایش می­یابد) تا یک سطح آستانه () که از این سطح به بعد کیفیت محیط زیست با افزایش تولید بهبود خواهد یافت () (آلودگی کاهش می­یابد). این رابطه را می­توان به صورت منحنی U وارون نشان داد.

براساس این رابطه در مراحل اولیه تولید با افزایش رشد اقتصادی به دلیل استخراج بی­رویه از منابع تولید و همچنین سازگار نبودن تکنولوژی تولید با محیط زیست، افزایش تولید و رشد اقتصادی باعث کاهش کیفیت محیط زیست می­شود (کشورهای در حال توسعه). این روند تا یک سطح آستانه­ای ادامه پیدا می­کند. از این سطح آستانه به بعد به دلیل بهبود تکنولوژی تولید و همچنین سازگار بودن تکنولوژی تولید با محیط زیست، کیفیت محیط زیست بهبود می­یابد.

4-3. بسط الگوی رشد

در ادامه به دنبال توسعه الگوی رشد تعمیم­یافته برای اقتصاد ایران هستیم. الگو را به گونه­ای بسط خواهیم داد که به کمک روش­های حل عددی قابل بررسی باشد. با توجه به رابطه (8) معادله حرکت سرمایه را می­توان به صورت زیر نوشت:

(13)       

با توجه به مباحث مطرح شده به دنبال حداکثرسازی مطلوبیت بین دوره­ای تنزیل شده در T دوره با توجه به محدودیت­های مشخص شده 15 تا 21 هستیم.

(14)                        

(15)       

(16)                               

(17)                                    

(18)                               

(19)                                           

(20)                                                         

(21)                                                     

تمام معادلات و روابط و پارامترها در مباحث و قسمت­های قبل تعریف شده است. تنها معادله (21) معادله حرکت نیروی کار است که نرخ رشد نیروی کار در این مطالعه، درون­زا فرض شده است و نرخ رشد نیروی کار در دوره­های مختلف در الگو مشخص می­شود و برونزا نیست^[39] ( نرخ  رشد نیروی کار در دوره t است). همان گونه که مشاهده می­شود در این الگو انباشت سرمایه در بخش تحقیق و توسعه درون­زا در نظر گرفته شده است (رابطه (16)). بنابراین الگوی توسعه داده شده یک الگوی رشد درون­زا است. از طرفی در الگوی فوق نیروی کار و همچنین نرخ­های رشد انرژی و تولید، درون­زا در نظر گرفته شده است.

با توجه به قیود دینامیک مرتبه اول الگو، K، R و L متغیرهای وضعیت و متغیرهای C، r و n متغیرهای کنترل هستند. t متغیر مستقلی است که عموماً زمان است.

در روش غیرمستقیم، که رهیافتی برای حل مسائل کنترل بهینه است، با استفاده از حساب تغییرات برای به دست آوردن شرایط مرتبه اول، به یک مسئله مقدار مرزی می‌رسیم که خود، شکل مشتقات همیلتونین را دارد. وی اثبات کرد که یک شرط لازم برای حل مسئله کنترل بهینه این است که متغیر کنترل و حالت باید به گونه‌ای انتخاب شوند که همیلتونین را کمینه کند. بنابراین سیستم همیلتونین و شرایط اولیه بهینه­سازی مقید زیر را خواهیم داشت:

(22)       

(23)              

با استفاده از شرایط مرزی مناسب، مسئله به صورت تحلیلی حل خواهد شد. با توجه به گستردگی الگو، حل از طریق روش­های بهینه­سازی به صورت نظری امکان­پذیر نیست. بنابراین در این مطالعه از روش­های حل عددی استفاده می­شود. از بین این روش­ها، روش الگوریتم ژنتیک انتخاب شده است که در ادامه به بررسی مزیت­های این روش خواهیم پرداخت.

4. حل الگو و تحلیل نتایج

در این قسمت الگوی مورد نظر در این مطالعه (روابط (14) تا (21)) حل و نتایج مورد بررسی قرار خواهد گرفت. نظریه کنترل بهینه در پی یافتن قانون کنترل برای یک سیستم معین است به شکلی که ضابطه بهینگی خاصی به دست آید. مسئله کنترل، تابعی از متغیرهای کنترل و متغیرهای وضعیت است. کنترل بهینه، در واقع مجموعه‌ای از معادلات حرکت است که «مسیری» از متغیرهای کنترل که تابع هدف را بهینه می‌کند، نشان می‌دهند. کنترل بهینه می‌تواند با استفاده از اصل حداکثرسازی پونتریاگین (شرط لازم)، یا حل معادله همیلتن- ژاکوبی- بلمن (شرط کافی) به دست آید. در این مطالعه به منظور حل الگو از روش عددی الگوریتم ژنتیک با استفاده از برنامه‌نویسی در نرم­افزار Matlab استفاده شده است.^[40] در ادامه به بررسی پارامترهای الگو و پس از آن به حل الگو و رسم مسیرهای بهینه سهم انرژی­های تجدیدپذیر از کل انرژی و بررسی و تحلیل نتایج خواهیم پرداخت.

1-4. روش­شناسی

در کنار روش­های بهینه­سازی مبتنی بر گرادیان، روش­های بهینه­سازی دیگری نیز معرفی شده­اند که به حل مسائل مختلف در این حوزه کمک می­کنند. این روش­ها در بسیاری از دسته­بندی­ها تحت عنوان روش­های بهینه­سازی هوشمند، روش­های بهینه­سازی و محاسبات تکاملی و یا جستجوی هوشمند شناخته می­شوند. مزیت این روش­ها این است که بدون نیاز به مشتق تابع هدف به یافتن نقطه بهینه آن می­پردازند. همچنین در مقایسه با روش­های مبتنی بر گرادیان کمتر مشکل افتادن در دام کمینه محلی را دارند. در مقابل اگر هدف رسیدن به یک جواب بهینه محلی باشد، این روش­ها بسته به کاربرد ممکن است سرعت کمتری در مقایسه با روش­های مبتنی بر گرادیان داشته باشند. از میان این روش­ها می­توان به الگوریتم­های ژنتیک، الگوریتم اجتماع ذرات، الگوریتم کلونی (مورچه­ها)، جستجوی تابو، تبرید شبیه­سازی شده، تکامل تفاضلی، الگوریتم کلونی زنبورها و الگوریتم رقابت استعماری اشاره نمود.

در این مطالعه از الگوریتم ژنتیک به منظور برآورد توابع تولید استفاده شده است. مزیت­های این روش عبارت است از:

1. توانایی انجام بهینه­سازی با متغیرهای گسسته و پیوسته.
2. عدم نیاز به مشتق­گیری که مشکلات توابع گسسته و یا شکسته است.
3. جستجوی همزمان با نمونه­برداری وسیع از رویه هزینه.
4. توانایی کار کردن با متغیرهای زیاد.
5. الگوریتم ژنتیک می­تواند کمینه­های بهینه را تشخیص دهد.
6. ارائه فهرستی از متغیرهای بهینه، نه فقط یک راه حل.
7. امکان رمزگذاری متغیرها به طوری که عملیات بهینه­سازی با متغیرهای رمز شده انجام شود.
8. توانایی کار با داده­های عددی، تجربی و توابع تحلیلی.^[41]

2-4. برآورد پارامترهای الگو

با توجه به روابط (14) تا (21)، پارامترهای  مورد نیاز برای حل عددی الگو عبارت است از ، ، ، ، ، ، ، ، ، f، r و s که در مبانی نظری این پارامترها مورد بررسی قرار گرفته است. برای برآورد ضرایب تابع تولید در ادبیات موضوع انواع توابع خطی و غیرخطی تولید با روش­های مختلف استفاده شده است. به طور نمونه می­توان به لیندنبرگر^[42]، مسانجلا^[43]، پاپاگئورگیو^[44]، میشرا^[45]، مارکاندیا^[46]، سو و همکارانش^[47]،  لیو^[48]، دلیری (1389)، ابونوری (1389)، محمودزاده (1389) و خدادادکاشی (1390) اشاره نمود.

در این تحقیق توابع (16) و (17) به صورت همزمان با روش الگوریتم ژنتیک پیوسته با استفاده از برنامه­نویسی در نرم­افزار Matlab توسط نویسندگان برآورد شده است. به منظور برآورد تابع تولید، محصول به عنوان متغیر وابسته است. سری زمانی تولید ناخالص داخلی به قیمت­های ثابت 1376 برحسب میلیارد ریال طی سال­های 1389-1357 به عنوان نماینده­ای از محصول استفاده شده است. حجم سرمایه یکی از متغیرهای مستقل در توابع تولید است که به قیمت­های ثابت 1376 برحسب میلیارد ریال طی سال­های 1389-1357 است.^[49] کل انرژی اولیه تولید شده در کشور که مجموع انرژی­های فسیلی و تجدیدپذیر برحسب میلیون بشکه معادل نفت خام است برای سال­های 1389-1357 از ترازنامه انرژی ایران استخراج شده است. نیروی کار برحسب نفر و براساس داده‌های مرکز آمار ایران و همچنین داده­های سری زمانی بانک مرکزی طی سال­های 1389-1357 در نظر گرفته شده است. با توجه به اینکه در ایران بخش خصوصی مقدار کمی از سرمایه‌گذاری در بخش تحقیق و توسعه را به خود اختصاص داده است. بنابراین از داده­های سرمایه تحقیق و توسعه بخش دولتی به قیمت ثابت 76 برحسب میلیارد ریال[50] استفاده شده است. نتایج حاصل از برآورد تابع تولید نشان می­دهد کشش تولید نسبت به انرژی­های فسیلی و تجدیدپذیر به ترتیب 259/0 و 127/0 است.

برای حل عددی الگو نیاز به برآورد پارامترهای معادله حرکت آلودگی است. در این راستا پارامترهای رابطه (18) برآورد گردیده است. نتایج حاصل از برآورد معادله حرکت آلودگی توسط نویسندگان نشان می­دهد کشش آلودگی نسبت به تولید و شدت انرژی به ترتیب 02/1 و 47/0 است.^[51] به منظور برآورد پارامترهای این رابطه از متغیر انباشت آلودگی کربن دی­اکسید[52]، انرژی فسیلی تولید شده در کشور برحسب میلیون بشکه معادل نفت خام برای سال­های 1389-1357[53] و سری زمانی تولید ناخالص داخلی به قیمت­های ثابت 1376 برحسب میلیارد ریال طی سال­های 1389-1357 به عنوان نماینده­ای از محصول[54] استفاده شده است. 

3-4. حل الگو و تحلیل نتایج

در این قسمت مسیر بهینه سهم انرژی‌های تجدیدپذیر از کل انرژی در سال‌های 1382 تا 1400 ارائه می‌گردد. سال مبنا، سال 1382 قرار گرفته و مقادیر تحقق‌یافته و بهینه تا سال 1389 مقایسه می‌شود. به منظور سیاستگذاری برای قرار گرفتن در حالت بهینه، مسیرهای بهینه مصرف و سهم انرژی‌های تجدیدپذیر از کل انرژی تا سال 1400 پیش‌بینی شده است. در ادامه به دنبال حل الگوی مورد مطالعه (روابط (14) تا (21)) با استفاده از الگوریتم ژنتیک پیوسته با دو سناریو هستیم.

سناریوی اول، الگوی رشد با وجود انرژی تجدیدپذیر بدون توجه به ملاحظات زیست‌محیطی است که در این حالت مقدار k در تابع مطلوبیت (رابطه (14)) صفر در نظر گرفته شده است. در سناریوی دوم، الگوی رشد با وجود انرژی تجدیدپذیر و ملاحظات زیست‌محیطی مورد بررسی قرار گرفته است. در این حالت مقدار k برابر با یک فرض می‌شود و الگوی بهینه‌سازی دوباره حل می‌شود. با استفاده از برنامه‌نویسی در نرم‌افزار Matlab و حل بهینه الگو با استفاده از الگوریتم ژنتیک، مقادیر بهینه نرخ‌های رشد و تولید بهینه انرژی‌های فسیلی و تجدیدپذیر محاسبه و نتایج به دست آمده به طور خلاصه در نمودارهای 1 تا 4 آمده است.

نمودار 1، سهم انرژی‌های تجدیدپذیر از کل  انرژی بین سال‌های 1382 تا 1389 را نشان می‌دهد. با توجه به نمودار 1، سهم انرژی‌های تجدیدپذیر تحقق‌یافته دارای نوسانات زیادی است. در سال‌های 1385 تا 1387 سهم انرژی‌های تجدیدپذیر کاهش بسیار زیادی داشته که دلیل این امر، خشکسالی‌های کشور در سال‌های اخیر و کاهش توان تولیدی نیروگاه‌های برق آبی است. با توجه به این نمودار 1، سهم انرژی‌های تجدیدپذیر تحقق‌یافته در سال 1389، 45/0 است. این در حالی است که مقادیر بهینه سهم انرژی‌های تجدیدپذیر با در نظر گرفتن ملاحظات زیست‌محیطی باید 824/0 درصد و بدون در نظر گرفتن ملاحظات زیست‌محیطی باید 821/0 درصد باشد.

با توجه به نمودار 2، بین سال‌های 1382 تا 1389 با در نظر گرفتن ملاحظات زیست‌محیطی و بدون در نظر گرفتن ملاحظات زیست‌محیطی، رشد انرژی‌های تجدیدپذیر باید به ترتیب دارای رشد 7/52 و 7/38 درصد باشد. این در حالی است که انرژی‌های تجدیدپذیر به طور متوسط دارای رشدی معادل با 3/1 درصد بوده است که این نشان‌دهنده رشد پایین برای تولید و مصرف انرژی‌های تجدیدپذیر در طی این دوره است. برای جبران پایین بودن نرخ رشد تحقق‌یافته برای انرژی‌های تجدیدپذیر در سال‌های اخیر باید نرخ رشد تولید انرژی‌های تجدیدپذیر تا 1400 به طور نسبی رشد بیشتری داشته باشد.

نمودار 1. مقادیر تحقق‌یافته و بهینه سهم انرژی‌های تجدیدپذیر از کل انرژی

(میلیون بشکه معادل نفت خام)

نمودار 2. مقادیر تحقق‌یافته و بهینه رشد انرژی‌های تجدیدپذیر (%)

نمودار 3. پیش‌بینی رشد بهینه انرژی‌های فسیلی (%)

نمودار 4. پیش‌بینی سهم انرژی‌های تجدیدپذیر از کل انرژی (%)

نمودار 3، پیش‌بینی رشد بهینه انرژی‌های فسیلی برای سال‌های 1389 تا 1390 برای دو الگوی مورد نظر در این مطالعه را نشان می‌دهد. با توجه به نمودار 3، به طور متوسط تولید انرژی‌های فسیلی باید سالانه رشدی معادل با 2/5 و 1/5 درصد به ترتیب برای الگوی بدون در نظر گرفتن ملاحظات زیست‌محیطی و با در نظر گرفتن ملاحظات زیست‌محیطی باشد. پایین‌تر بودن نرخ رشد تولید انرژی‌های فسیلی برای حالتی که ملاحظات زیست‌محیطی در نظر گرفته شده است، نشانی از لزوم جایگزینی بیشتر انرژی‌های تجدیدپذیر به جای انرژی‌های فسیلی است.

با توجه به نمودار 4، تا سال 1400 با در نظر گرفتن ملاحظات زیست‌محیطی باید 2 درصد از کل انرژی توسط انرژی‌های تجدیدپذیر تولید شود. برای رسیدن به این هدف باید انرژی‌های تجدیدپذیر سالانه رشدی معادل با 56 درصد داشته باشد. این در حالی است که نرخ رشد کنونی تولید انرژی‌های تجدیدپذیر، به طور متوسط 3/1 است که بسیار نرخ رشد پایینی است. انتظار داریم با پیشرفت تکنولوژی تولید انرژی‌های تجدیدپذیر در سال‌های آتی این نوع از انرژی نرخ رشد بالاتری نسبت به سال‌های گذشته داشته باشد.

نمودار 5. تولید تحقق‌یافته و بهینه در دو الگو (میلیارد ریال)

با توجه به حل الگو، نتایج نشان می‌دهد که متوسط رشد بهینه مصرف تا سال 1400 با در نظر گرفتن ملاحظات زیست‌محیطی و بدون در نظر گرفتن ملاحظات زیست‌محیطی باید به ترتیب 2/6 و 5/6 باشد. نتیجه نشان می‌دهد که رشد مصرف با در نظر گرفتن ملاحظات زیست‌محیطی باید در هر سال 3/0 درصد کمتر از حالتی باشد که ملاحظات زیست‌محیطی در نظر گرفته نمی‌شود. همچنین به طور متوسط بین سال‌های 1389-1382 رشد تولید ناخالص داخلی 92/4 درصد بوده این در حالی است که در حالت بهینه و حل الگو متوسط رشد بهینه تولید ناخالص داخلی با در نظر گرفتن ملاحظات زیست‌محیطی و بدون در نظر گرفتن ملاحظات زیست‌محیطی باید به ترتیب 8/5 و 9/5 درصد باشد. همان گونه که در مصرف نیز توضیح داده شد، نرخ رشد تولید نیز مانند مصرف در حالتی که ملاحظات زیست‌محیطی در نظر گرفته می‌شود بالاتر از حالتی است که ملاحظات زیست‌محیطی در نظر گرفته نشود. گفتنی است که الگو یک دوره 18 ساله را در نظر گرفته و مجموع مطلوبیت‌های لحظه‌ای تنزیل شده در این دوره‌ها را حداکثر می‌کند. بین عدم مطلوبیت ناشی از آلودگی و مطلوبیت ناشی از مصرف در دوره‌های مختلف انتخاب صورت می‌گیرد و حالت بهینه انتخاب می‌شود. از طرفی در این الگو انرژی‌های تجدیدپذیر به عنوان نهاده تولید در نظر گرفته شده است. جایگزین شدن انرژی‌های تجدیدپذیر به جای انرژی‌های فسیلی و کاهش آلودگی با تولید بیشتر، در الگویی که ملاحظات زیست‌محیطی در نظر گرفته شده است می‌تواند توجیهی برای نزدیک بودن نرخ رشد در این الگو نسبت به الگویی باشد که ملاحظات زیست‌محیطی در نظر گرفته نشده است.

5. جمع‌بندی، نتایج و پیشنهادها

از آنجا که انجام هر فعالیت اقتصادی مستلزم مصرف انرژی است، لذا از یک طرف انرژی به منزله عامل محرک رشد اقتصادی و بهبود کیفیت زندگی انسان تلقی می‌شود و از سوی دیگر، موجب تولید آلاینده‌های زیست‌محیطی می‌گردد. بنابراین ایجاد آسیب‌های زیست‌محیطی همراه با توسعه و رشد باعث بروز یک جایگزینی بین منافع حاصل از رشد و تخریب محیط زیست گردیده و این عقیده که افزایش تولید موجب حداکثر رفاه می‌گردد را مورد تردید قرار داده است. وجود این جایگزینی موجب اهمیت و توجه بیشتر به ملاحظات زیست‌محیطی و پیامدهای جنبی ناشی از آن در طراحی سیاست‌ها و پیگیری فرایند رشد و توسعه پایدار گردیده است.

با توجه به اهمیت و نقش انرژی در رشد، این مطالعه انرژی را به عنوان یک نهاده تولید در نظر گرفته که می‌تواند رشد را تحت تأثیر قرار دهد. همچنین فرض شده است که انرژی توسط دو منبع انرژی­های فسیلی و انرژی­های تجدیدپذیر تولید و در بخش تولید کالاهای نهایی، استفاده شود. استفاده از انرژی‌های فسیلی آلودگی ایجاد می‌کند که این باعث کاهش مطلوبیت می‌شود. همچنین فرض بر این است که مصرف در طول زمان، مطلوبیت فرد را افزایش می‌دهد و آلودگی ناشی از استفاده از انرژی‌های فسیلی و تولید بیشتر، مطلوبیت را کاهش می‌دهد.

در این تحقیق دو الگوی جداگانه مورد توجه قرار گرفته است. ابتدا الگوی رشد درون‌زایی بدون ملاحظات زیست‌محیطی در نظر گرفته شده و مسیر متغیرهای بهینه محاسبه گردیده است. پس از آن با در نظر گرفتن ملاحظات زیست‌محیطی به بررسی مسیرهای حرکت بهینه پرداخته‌ایم. بعد از یافتن مسیرهای بهینه این دو حالت مورد مقایسه قرار گرفته است.

فرض شده است که مصرف‌کننده به دنبال حداکثرسازی مطلوبیت در طول زمان است و یا به بیان دیگر به دنبال حداکثرسازی مطلوبیت بین دوره‌ای است. همچنین فرض شده است که مطلوبیت تابعی از کیفیت محیط زیست و مصرف است.

در این مطالعه علاوه بر انرژی، انباشت سرمایه در بخش تحقیق و توسعه نیز به عنوان یک نهاده تولید در نظر گرفته شده است. سه معادله انباشت و تغییر موجودی در این مطالعه در نظر گرفته شده است:

1. معادله انباشت سرمایه فیزیکی
2. معادله کاهش سطح منابع طبیعی موجود
3. معادله تغییر موجودی آلودگی

در چارچوب مدل مورد بررسی فرض می‌شود که تغییر در موجودی آلودگی زیست‌محیطی از دو قسمت تشکیل گردیده است. بخشی از انتشار آلودگی که در نتیجه فرآیند تولید اتفاق می‌افتد و به عنوان یک محصول فرعی همراه با تولید شناخته می‌شود. همچنین بخشی از آلودگی به طور طبیعی توسط محیط زیست پاک‌سازی (جذب) می‌شود. تابع تولید در این مطالعه یک تابع تولید کاب داگلاس در نظر گرفته شده است که نهاده‌های تولید در این تابع به ترتیب حجم سرمایه فیزیکی (K)، نیروی کار(L)، انرژی مصرفی (n,r) و حجم سرمایه در تحقیق و توسعه (A) است. الگوی طراحی شده با استفاده از روش‌های کنترل بهینه عددی حل شده است.

مسائل کنترل بهینه اغلب غیرخطی هستند و بنابراین عموماً جواب تحلیلی ندارند. در نتیجه، به‌کارگیری روش‌های عددی برای حل مسائل کنترل بهینه، به نظر ضروری می‌رسد. در کنار روش‌های بهینه‌سازی مبتنی بر گرادیان، روش‌های بهینه‌سازی دیگری نیز معرفی شده‌اند که به حل مسائل مختلف در این حوزه کمک می‌کنند. این روش‌ها در بسیاری از دسته‌بندی‌ها تحت عنوان روش‌های بهینه‌سازی هوشمند، روش‌های بهینه‌سازی و محاسبات تکاملی و یا جستجوی هوشمند شناخته می‌شود. مزیت این روش‌ها در این است که بدون نیاز به مشتق تابع هزینه به یافتن نقطه بهینه آن می‌پردازند. همچنین در مقایسه با روش‌های مبتنی بر گرادیان کمتر مشکل افتادن در دام کمینه محلی را دارند. در مقابل اگر هدف رسیدن به یک جواب بهینه محلی باشد، این روش‌ها بسته به کاربرد ممکن است سرعت کمتری در مقایسه با روش‌های مبتنی بر گرادیان داشته باشند. در این مطالعه از الگوریتم ژنتیک برای حداکثرسازی مطلوبیت بین دوره‌ای با توجه به محدودیت‌های مشخص استفاده شده است.

با استفاده از برنامه‌نویسی در نرم‌افزار Matlab و حل بهینه الگو با استفاده از الگوریتم ژنتیک مقادیر بهینه تولید بهینه انرژی‌های فسیلی و تجدیدپذیر محاسبه شده است. گفتنی است که در این مطالعه دو الگو توسعه داده شده است. در ابتدا الگویی بدون در نظر گرفتن ملاحظات زیست‌محیطی و پس از آن با در نظر گرفتن ملاحظات زیست‌محیطی، الگو دوباره حل شده است. پس از حل این دو الگو مقادیر بهینه و همچنین مقادیر تحقق‌یافته بین سال‌های 1389-1382 برای مصرف، تولید ناخالص داخلی و تولید انرژی‌های فسیلی و تجدیدپذیر در هر یک از این دو الگو و با مقدار تحقق‌یافته مقایسه شده است. پس از این برای سال‌های 1400-1390 مقادیر بهینه تولید انرژی‌های فسیلی و تجدیدپذیر در دو الگوی توسعه داده شده (با ملاحظات زیست‌محیطی و بدون ملاحظات زیست‌محیطی) مورد بررسی قرار گرفته است.

از جمله وظایف وزارت نیرو و سازمان‌های مربوط در برنامه‌های توسعه و سند چشم‌انداز 20 ساله‏ کشور، تنوع‌بخشی به سند انرژی کشور است. زیرا با تنوع‌بخشی سبد انرژی، امنیت تأمین انرژی کشور افزایش پیدا می‌کند که خود متضمن افزایش امنیت ملی است. لذا در کنار سایر منابع انرژی مثل انرژی هسته‌ای، توسعه‏ کاربرد انرژی‌های تجدیدپذیر نیز اهمیت بالایی دارند. استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر نه تنها باعث تنوع‌بخشی در سبد انرژی کشور می‌شود بلکه با استفاده از این انرژی و با حداقل‌سازی مصرف داخلی سوخت‌های با ارزش فسیلی می‌توان آنها را صادر کرد که ارزآوری فراوانی برای کشور به ارمغان خواهد آورد. با توجه به اهداف برنامه پنجم توسعه کشور، دولت در قالب وزارت نیرو و سازمان انرژی‌های نو ایران موظف شده‌اند تا پایان برنامه 500 مگاوات از برق مورد نیاز کشور را با استفاده از منابع انرژی‌های تجدیدپذیر تأمین کنند. این میزان تولید برق از انرژی‌های تجدیدپذیر برابر با یک درصد از تولید برق کشور است که تأمین آن به‌وسیله انرژی‌های تجدیدپذیر به عهده دولت گذاشته شده است. برای رسیدن به اهداف برنامه پنجم و سند چشم‌انداز، توسعه کاربرد انرژی‌های نو از جمله زمین گرمایی، باد، خورشید، برق آبی و زیست توده از اهمیت بسیار بالایی برخوردارند.

با توجه به نتایج تحقیق (نمودار 4) مقدار بهینه انرژی‌های تجدیدپذیر در سال 1394 یعنی پایان برنامه توسعه پنجم باید 33/1 درصد از کل برق تولیدی باشد. این در حالی است که در برنامه توسعه این مقدار 1 درصد از کل انرژی پیش‌بینی شده است.

به طور متوسط بین سال‌های 1389-1382، رشد تولید ناخالص داخلی 92/4 درصد بوده این در حالی است که براساس نتایج تجربی الگو متوسط رشد بهینه تولید ناخالص داخلی با در نظر گرفتن ملاحظات زیست‌محیطی و بدون در نظر گرفتن ملاحظات زیست‌محیطی باید به ترتیب 8/5 و 9/5 درصد باشد. پایین‌تر بودن مقدار تحقق‌یافته از مقدار بهینه نشان‌دهنده شکاف میان نرخ رشد بهینه در بلندمدت و نرخ رشد تحقق‌یافته در اقتصاد ایران است.

براساس ماده 234 برنامه توسعه پنجم بین سال‌های 1390 تا 1394 نرخ رشد متوسط هشت درصد (8%) سالیانه برای تولید ناخالص داخلی در نظر گرفته شده است. این در حالی است که در این مطالعه با توجه به ملاحظات زیست‌محیطی رشد بهینه به طور متوسط برای این سال‌ها باید 86/5 درصد در نظر گرفته شود.

سهم انرژی‌های تجدیدپذیر تحقق‌یافته دارای نوسانات زیادی است. در سال‌های 1385 تا 1387 سهم انرژی‌های تجدیدپذیر کاهش بسیار زیادی داشته که به دلیل خشکسالی‌های کشور در سال‌های اخیر و کاهش توان تولیدی نیروگاه‌های برق آبی است. با توجه به این نمودار سهم انرژی‌های تجدیدپذیر تحقق‌یافته در سال 1389، 45/0 است. این در حالی است که مقادیر بهینه سهم انرژی‌های تجدیدپذیر با در نظر گرفتن ملاحظات زیست‌محیطی باید 824/0 درصد و بدون در نظر گرفتن ملاحظات زیست‌محیطی باید 821/0 درصد باشد. همچنین تا سال 1400 با در نظر گرفتن ملاحظات زیست‌محیطی باید 2 درصد از کل انرژی توسط انرژی‌های تجدیدپذیر تولید شود. برای رسیدن به این هدف باید انرژی‌های تجدیدپذیر سالانه رشدی معادل با 56 درصد داشته باشد. این در حالی است که نرخ رشد کنونی تولید انرژی‌های تجدیدپذیر به طور متوسط 3/1 است که بسیار نرخ رشد پایینی است. بنابراین پیشنهاد می‌گردد که سیاستگزاران با برنامه‌ریزی و تخصیص منابع لازم زمینه افزایش سهم انرژی‌های تجدیدپذیر را در اقتصاد افزایش داده و در جهت کاهش شکاف بین مقادیر بهینه براساس الگوهای رشد پایدار و مقدار تحقق‌یافته گام‌های جدی‌تری بردارند.

منابع

الف- فارسی

ابونوری، عباسعلی و عطیه همدانی (1389)، «بررسی رابطه بین رشد اقتصادی و تقاضای بنزین و گازوئیل در ناوگان حمل و نقل (زمینی- جاده‌ای)»، پژوهشنامه بازرگانی، شماره 57، صفحات 154-115.

بانک مرکزی جمهوری اسلامی ایران، نماگرهای اقتصادی، سال­های مختلف.

بانک مرکزی جمهوری ایران، گزارش اقتصادی و ترازنامه، سال‌های مختلف.

بهبودی، داود و اسماعیل برقی گلعذانی (1387)، «اثرات زیست‌محیطی مصرف انرژی و رشد اقتصادی در ایران»، اقتصاد مقداری، شماره 4، صفحات 53-35.

پورکاظمی، محمدحسین و ایلناز ابراهیمی (1387)، «بررسی منحنی کوزنتس زیست‌محیطی در خاورمیانه»، پژوهش‌های اقتصادی ایران، سال 10، شماره 34، صفحات 85-71.

خدادادکاشی، فرهاد و سیاوش جانی (1390)، «بررسی پویای رفتار تولیدکنندگان در استفاده از نهاده‌ها بر مبنای تابع تولید دو مرحله‌ای CES، با تأکید بر اصلاح الگوی مصرف انرژی در تولید و ارتقای اشتغال»، مطالعات اقتصاد انرژی، سال هشتم، شماره 30، صفحات 124-97.

دلیری، حسن و محسن رنانی (1389)،« سرمایه اجتماعی چگونه وارد تابع تولید می‌شود؟ (طراحی یک الگوی نظری و آزمون آن در چارچوب یک مدل رشد درونزا)»، اقتصاد تطبیقی، سال اول، شماره اول، صفحات 68-41.

صادقی، حسین و رحمان سعادت (1383)، «رشد جمعیت، رشد اقتصادی و اثرات زیست‌محیطی در ایران (یک تحلیل علی)»، تحقیقات اقتصادی، شماره 64، صفحات 180-164.

فطرس، محمدحسن و رضا معبودی (1389)، «رابطه علی مصرف انرژی، جمعیت شهرنشینی و آلودگی محیط زیست در ایران، 1350- 1385»، فصلنامه مطالعات اقتصاد انرژی، سال هفتم، شماره 27، صفحات 17-1.

محمودزاده، محمود (1389)، «اثرات فناوری اطلاعات و ارتباطات بر بهره‌وری کل عوامل تولید در کشور‌های در حال توسعه منتخب»، پژوهشنامه بازرگانی، شماره 57، صفحات 64-29.

مرکز آمار ایران، سالنامه آماری کشور، سال‌های مختلف

مرکز آمار ایران، سالنامه آماری کشور، سال‌های مختلف.

ب- انگلیسی

Aghion, P. and P. Howitt (1998), Endogenous Growth Theory, MIT Press, Cambridge, MA.

Aghion, P. and P. Howitt (2009), The Economics of Growth, MIT Press, Cambridge, MA.

Andreoni, J. and A. Levinson (2001), “The Simple Analytics of the Environmental Kuznets Curve”, Journal of Public Economics, Vol. 80, No. 2, pp. 269-286.

Ang, J. B. (2007), “CO2 Emission, Energy Consumption, and Output in France”, Energy Policy, No. 35, pp. 4772-4778.

Ariga, J. (2002), “Internalizing Environmental Quality in a Simple Endogenous Growth Model”, Working Paper, Department of Agricultural and Resource Economics University of Maryland Collge Park, MD 20742.

Beckerman, W. (1992), “Economic Growth and the Environment: Whose Growth? Whose Environment?”, World Development, No. 20, pp. 481-496.

Chen, X. (1994), “Substitution of Information for Energy: Conceptual Background, Realities and Limits”, Energy Policy, No. 22, pp. 15-28.

Dasgupta, M. and S. K. Mishra (2007), “Least Absolute Deviation Estimation of Linear Econometric Models: A Literature Review”, Working Paper, http://mpra.ub.uni-muenchen.de/1781/.

Dasgupta, P. S. and G. M. Heal (1979), Economic Theory and Exhaustible Resources, Cambridge University Press, Cambridge.

Di Maria, C. and S. Valente (2008), “Hicks Meets Hotelling: The Direction of Technical Change in Capital–resource Economies”, Environment and Development Economics, No. 13, pp. 691-717.

Fullerton, D. and S. R. Kim (2008), “Environmental Investment and Policy with Distortionary Taxes and Endogenous Growth”, Journal of Environmental Economics and Management, No. 56, pp. 141-154.

Glasure, Y. U. (2002), “Energy and National Income in Korea: Further Evidence on the Role of Omitted Variables”, Energy Economics, No. 24, pp. 355-365.

Grimaud, A. and L. Rougé (2003), “Non-renewable Resources and Growth with Vertical Innovations: Optimum, Equilibrium and Economic Policy”, Journal of Environmental Economics and Management, No. 45, pp. 433-453.

Grossman, G. M. and A. B. Krueger (1991), “Environmental Impacts of a North American Free Trade Agreement”,  NBER Working Paper Series, 3914.

Groth, C. and P. Schou (2002), “Can Non-renewable Resources Alleviate the Knife-edge Character of Endogenous Growth?”, Oxford Economic Papers, No. 54, pp. 386-411.

Lindenberger, D. (2003), “Service Production Functions”, EWI Working Paper No. 03.02, Institute of Energy Economics, University of Cologne (EWI).

LV, Z., Guo, J. and Y. Xi (2009), “Econometric Estimate and Selection on China Energy CES Production Function”, China Popuationl Resources Environment, Vol. 19, No. 4, pp. 156-160.

Maddison, A. (2001), “The World Economy, a Millennial  Perspective”, Development Centre Studies, OECD, Paris.

Markandya, A. and S. Pedroso Galinato (2007), “How Substitutable is Natural Capital?”, Environment Resource Economics, No. 37, pp. 297-312.

Mishra, S. K. (2006), “A Note on Numerical Estimation of Sato’s Two-level CES Production Function”,

SSRN at http://www.ssrn.com/author=353253.

Mohtadi, H. (1996), “Environment, Growth and Optimal Policy Design”, Journal of Public Economics, Vol. 63, No. 1, pp. 119-140.

Ozturk I. (2010), “A Literature Survey on Energy-growth Nexus”, Energy Policy, Vol. 38, No. 1, pp. 340-349.

Papageorgiou C. and M. Saam (2008), “Two-level CES Production Technology in the Solow and Diamond Growth Models”, Scandinavian Journal of Economics, Vol. 110, No. 1, pp. 119-143.

Ruth, M. (1995), “Information, Order and Knowledge in Economic and Ecological Systems: Implications for Material and Energy Use”, Ecological Economics, No. 13, pp. 99-114.

Scholz, C. and G. Ziemes (1999), “Exhaustible Resources, Monopolistic Competition, and Endogenous Growth”, Environmental and Resource Economics, No. 13, pp. 169-185.

Smulders, S. (1995), “Environmental Policy and Sustainable Economic Growth”, Economist, Vol. 143, No. 2, pp. 163-195.

Smulders, S. and R. Gradus (1996), “Pollution Abatement and Long-term Growth”, European Journal of Political Economy, Vol. 12, No. 3, pp. 505-532.

Solow, R. M. (1956), “A Contribution to the Theory of Economic Growth”, Quarterly Journal of Economics, No. 70, pp. 65-94.

Spreng, D. (1993), “Possibilities for Substitution between Energy, Time and Information”, Energy Policy, No. 21, pp. 13-23.

Stern, D. I. and A. Kander (2010), “The Role of Energy in the Industrial Revolution and Modern Economic Growth”, CAMA Working Papers.

Su, J., Wang S. Sha and Q. Xiao Wang (2008), “Empirical Research on Factor Allocation in Economic Growth”, Natural Science, Vol. 43, pp. 36-40.

Tahvonen, O. and S. Salo, (2001), “Economic Growth and Transitions between Renewable and Nonrenewable Energy Resources”, European Economic Review, No. 45, pp. 1379-1398.

Toman, M. A. and B. Jemelkova (2003), “Energy and Economic Development: an Assessment of the State of Knowledge”, Energy Journal, Vol. 24, No. 4, pp. 93-112.