V tomto cvičení pokračujem v téme Dátová analýza pre udržateľnú energetiku.
Cieľom práce je pomocou ekonometrických metód preskúmať vzťahy medzi výrobou elektrickej energie z obnoviteľných, fosílnych a jadrových zdrojov.
Používam databázu Global Data on Sustainable Energy (2000–2020) dostupnú na platforme Kaggle.
Analýza sa zameriava na rok 2020, pričom jednotlivé pozorovania predstavujú krajiny. Výsledky dopĺňam porovnaním Slovenska s vybranými krajinami Európskej únie.
Dôležité rozlíšenie: V práci analyzujem výrobu elektrickej energie, nie jej konečnú spotrebu. Výroba a spotreba nie sú totožné, pretože krajiny môžu elektrinu dovážať alebo vyvážať.
2 1. Načítanie a príprava databázy
Kód
knitr::opts_chunk$set(echo =TRUE,warning =FALSE,message =FALSE)# Vyhľadanie databázy CSVpriecinky <-unique(c(".","..","data","udaje",file.path(path.expand("~"), "Downloads"),file.path(path.expand("~"), "Desktop"),file.path(path.expand("~"), "Documents")))subory <-unlist(lapply(priecinky, function(p) {if (dir.exists(p)) {list.files( p,pattern ="\\.csv$",full.names =TRUE,ignore.case =TRUE ) } else {character(0) } }),use.names =FALSE)subory <-unique(subory)kandidati <- subory[grepl("global.data.on.sustainable.energy",basename(subory),ignore.case =TRUE )]povinne <-c("Entity","Year","Electricity from renewables (TWh)","Electricity from fossil fuels (TWh)","Electricity from nuclear (TWh)")energia <-NULLfor (subor in kandidati) { pokus <-tryCatch(read.csv( subor,check.names =FALSE,stringsAsFactors =FALSE,na.strings =c("", "NA", "N/A") ),error =function(e) NULL )if (!is.null(pokus) &&all(povinne %in%names(pokus))) { energia <- pokusbreak }}if (is.null(energia)) {stop("CSV databáza sa nenašla. ","Vlož súbor global-data-on-sustainable-energy (1).csv ","do rovnakého priečinka ako QMD súbor." )}# Výber a premenovanie stĺpcovudaje <- energia[, povinne]names(udaje) <-c("Krajina","Rok","Obnovitelna","Fosilna","Jadrova")for (p innames(udaje)[-1]) { udaje[[p]] <-suppressWarnings(as.numeric(as.character(udaje[[p]])) )}# Výber roku 2020udaje2020_povodne <-subset( udaje, Rok ==2020)# Odstránenie úplne zhodných duplicitných riadkovudaje2020_povodne <-unique( udaje2020_povodne)# Kontrola krajín s úplnými údajmiudaje2020 <- udaje2020_povodne[complete.cases( udaje2020_povodne[, c("Obnovitelna","Fosilna","Jadrova" )] ),]rownames(udaje2020) <-NULLif (nrow(udaje2020) <10) {stop("Nedostatok úplných pozorovaní ","na regresnú analýzu." )}cat("Počet krajín použitých v analýze:",nrow(udaje2020))
Počet krajín použitých v analýze: 169
2.1 Ukážka databázy
Kód
knitr::kable(head(udaje2020, 10),digits =2,caption ="Ukážka údajov o výrobe elektriny v roku 2020")
Ukážka údajov o výrobe elektriny v roku 2020
Krajina
Rok
Obnovitelna
Fosilna
Jadrova
Afghanistan
2020
0.68
0.12
0.00
Albania
2020
5.31
0.00
0.00
Algeria
2020
0.72
72.01
0.00
Angola
2020
12.10
4.49
0.00
Antigua and Barbuda
2020
0.02
0.31
0.00
Argentina
2020
37.05
91.58
10.06
Armenia
2020
1.92
2.98
2.55
Aruba
2020
0.15
0.73
0.00
Australia
2020
63.99
186.92
0.00
Austria
2020
55.42
13.77
0.00
Poznámka: Každý riadok predstavuje krajinu. Obnovitelna je výroba elektriny z obnoviteľných zdrojov, Fosilna z fosílnych palív a Jadrova z jadrovej energie. Všetky tri ukazovatele sú vyjadrené v TWh (terawatthodinách).
3 2. Kontrola a čistenie údajov
3.1 Chýbajúce hodnoty
Pred vytvorením regresných modelov skontrolujem chýbajúce hodnoty.
Kód
chybajuce <-data.frame(Premenna =names(udaje2020_povodne),Pocet_NA =colSums(is.na(udaje2020_povodne) ))knitr::kable( chybajuce,caption ="Chýbajúce hodnoty v databáze za rok 2020")
Chýbajúce hodnoty v databáze za rok 2020
Premenna
Pocet_NA
Krajina
Krajina
0
Rok
Rok
0
Obnovitelna
Obnovitelna
1
Fosilna
Fosilna
1
Jadrova
Jadrova
6
Poznámka:Pocet_NA predstavuje počet chýbajúcich hodnôt v jednotlivých premenných pred odstránením neúplných pozorovaní. Nejde o počet elektrární ani o množstvo vyrobenej elektriny.
3.2 Odstránenie neúplných pozorovaní
Kód
kontrola <-data.frame(Ukazovatel =c("Pozorovania pred čistením","Pozorovania po čistení","Vyradené pozorovania" ),Pocet =c(nrow(udaje2020_povodne),nrow(udaje2020),nrow(udaje2020_povodne) -nrow(udaje2020) ))knitr::kable( kontrola,caption ="Výsledok čistenia databázy")
Výsledok čistenia databázy
Ukazovatel
Pocet
Pozorovania pred čistením
175
Pozorovania po čistení
169
Vyradené pozorovania
6
Poznámka:Pocet označuje počet riadkov databázy. Pri tejto analýze ide o počet pozorovaní krajín v roku 2020.
Chýbajúce hodnoty automaticky nenahrádzam nulou. Nulová výroba jadrovej elektriny a chýbajúci údaj totiž nemusia znamenať to isté.
4 3. Opisná štatistika
Vypočítam základné štatistiky výroby elektriny podľa jednotlivých zdrojov.
Kód
premenne <-c("Obnovitelna","Fosilna","Jadrova")statistiky <-data.frame(Zdroj =c("Obnoviteľná energia","Fosílne palivá","Jadrová energia" ),Pocet =sapply( udaje2020[premenne],function(x) sum(!is.na(x)) ),Priemer =sapply( udaje2020[premenne], mean ),Median =sapply( udaje2020[premenne], median ),SD =sapply( udaje2020[premenne], sd ),Minimum =sapply( udaje2020[premenne], min ),Maximum =sapply( udaje2020[premenne], max ))rownames(statistiky) <-NULLknitr::kable( statistiky,digits =3,caption ="Opisná štatistika výroby elektriny v roku 2020")
Opisná štatistika výroby elektriny v roku 2020
Zdroj
Pocet
Priemer
Median
SD
Minimum
Maximum
Obnoviteľná energia
169
40.482
2.57
188.665
0
2184.94
Fosílne palivá
169
79.962
3.11
450.738
0
5184.13
Jadrová energia
169
13.187
0.00
72.754
0
789.88
Vysvetlivky:Pocet je počet dostupných pozorovaní krajín. Priemer predstavuje aritmetický priemer, Median prostrednú hodnotu a SD smerodajnú odchýlku. Výroba je vyjadrená v TWh.
Rozdiely medzi krajinami môžu byť ovplyvnené ich veľkosťou, počtom obyvateľov, priemyselnou štruktúrou a energetickou politikou.
5 4. Grafické zobrazenie údajov
5.1 Vzťah obnoviteľnej a fosílnej výroby
Kód
plot( udaje2020$Fosilna, udaje2020$Obnovitelna,pch =19,col ="steelblue",xlab ="Fosílna výroba (TWh)",ylab ="Obnoviteľná výroba (TWh)",main ="Vzťah obnoviteľnej a fosílnej výroby")
Poznámka: Každý bod predstavuje jednu krajinu v roku 2020. Obe osi vyjadrujú výrobu elektriny v TWh. Graf nezobrazuje spotrebu elektriny.
5.2 Porovnanie troch zdrojov výroby
Kód
boxplot( udaje2020[, c("Obnovitelna","Fosilna","Jadrova" )],names =c("Obnoviteľná","Fosílna","Jadrová" ),col =c("lightgreen","orange","lightblue" ),ylab ="Výroba elektriny (TWh)",main ="Rozdelenie výroby elektriny podľa zdroja")
Poznámka: Boxplot zobrazuje medián, kvartily a odľahlé hodnoty. Rozdiely sú ovplyvnené aj veľkosťou jednotlivých krajín.
6 5. Jednoduchá lineárna regresia
6.1 Definovanie modelu
Cieľom je preskúmať štatistický vzťah medzi výrobou elektriny z fosílnych palív a výrobou elektriny z obnoviteľných zdrojov.
Model má tvar:
\[
REN_i = \beta_0 + \beta_1 FOS_i + u_i
\]
Kde:
\(REN_i\) predstavuje obnoviteľnú výrobu elektriny v TWh,
\(FOS_i\) predstavuje fosílnu výrobu elektriny v TWh,
Poznámka: Koeficient pri premennej Fosilna vyjadruje zmenu predikovanej obnoviteľnej výroby pri rozdiele 1 TWh vo fosílnej výrobe. Nejde o dôkaz, že fosílna výroba priamo spôsobuje zmenu obnoviteľnej výroby.
6.4 Regresná priamka
Kód
plot( udaje2020$Fosilna, udaje2020$Obnovitelna,pch =19,col ="steelblue",xlab ="Fosílna výroba (TWh)",ylab ="Obnoviteľná výroba (TWh)",main ="Jednoduchá lineárna regresia")abline( model1,col ="red",lwd =2)
Poznámka: Modré body predstavujú krajiny a červená priamka odhadnutý lineárny vzťah. Model je zjednodušený, pretože nezohľadňuje veľkosť krajín ani ďalšie faktory.
7 6. Viacnásobná lineárna regresia
Jednoduchý model rozšírim o výrobu elektriny z jadrovej energie.
Poznámka: Koeficient pri fosílnej výrobe vyjadruje štatistický vzťah k obnoviteľnej výrobe pri rovnakej hodnote jadrovej výroby. Analogicky sa interpretuje koeficient pri jadrovej výrobe.
Model stále nezohľadňuje viaceré dôležité faktory, napríklad veľkosť ekonomiky, spotrebu elektriny, energetickú politiku či štruktúru priemyslu.
Vysvetlivky:R2 predstavuje koeficient determinácie, Upraveny_R2 jeho upravenú hodnotu zohľadňujúcu počet vysvetľujúcich premenných a Pocet počet pozorovaní použitých pri odhade modelu.
Vyššia hodnota R² znamená, že model opisuje väčšiu časť variability závislej premennej. Sama osebe však neznamená, že model je správne špecifikovaný.
9 8. Predikované hodnoty a rezíduá
9.1 Výpočet rezíduí
Rezíduum predstavuje rozdiel medzi skutočnou a modelom predikovanou hodnotou.
\[
e_i = y_i - \widehat{y}_i
\]
Kód
porovnanie <-data.frame(Krajina = udaje2020$Krajina,Skutocna = udaje2020$Obnovitelna,Predikovana =fitted(model2),Reziduum =residuals(model2))knitr::kable(head(porovnanie, 15),digits =3,caption ="Skutočné a predikované hodnoty výroby")
Skutočné a predikované hodnoty výroby
Krajina
Skutocna
Predikovana
Reziduum
Afghanistan
0.68
8.657
-7.977
Albania
5.31
8.609
-3.299
Algeria
0.72
37.245
-36.525
Angola
12.10
10.395
1.705
Antigua and Barbuda
0.02
8.732
-8.712
Argentina
37.05
45.084
-8.034
Armenia
1.92
9.809
-7.889
Aruba
0.15
8.900
-8.750
Australia
63.99
82.940
-18.950
Austria
55.42
14.085
41.335
Azerbaijan
1.22
17.819
-16.599
Bahamas
0.00
9.401
-9.401
Bahrain
0.01
20.479
-20.469
Bangladesh
1.31
38.199
-36.889
Barbados
0.07
8.979
-8.909
Vysvetlivky:Skutocna je pozorovaná výroba obnoviteľnej elektriny, Predikovana je hodnota odhadnutá modelom a Reziduum je ich rozdiel. Hodnoty sú v TWh.
Poznámka: Body predstavujú jednotlivé krajiny. Červená čiara označuje nulové rezíduum. Výrazné vzory alebo odľahlé hodnoty môžu upozorniť na nedostatky modelu.
10 9. Predikcia pomocou regresného modelu
Na základe odhadnutého modelu vypočítam predikované hodnoty obnoviteľnej výroby pre vybrané kombinácie fosílnej a jadrovej výroby.
Poznámka: Všetky hodnoty sú v TWh. Predikcie predstavujú výsledky štatistického modelu, nie skutočné budúce hodnoty. Model môže pri niektorých kombináciách vstupov poskytovať aj nereálne predikcie.
11 10. Porovnanie Slovenska s krajinami EÚ
Na základe pripomienky vyučujúceho doplním porovnanie Slovenska s vybranými krajinami Európskej únie.
Zameriam sa na Slovensko, Česko, Rakúsko, Nemecko a Poľsko.
11.1 Výber krajín
Kód
krajiny_eu <-c("Slovakia","Czechia","Czech Republic","Austria","Germany","Poland")porovnanie_eu <-subset( udaje2020, Krajina %in% krajiny_eu)# Súčet sledovaných zdrojov výrobyporovnanie_eu$CelkovaVyroba <- porovnanie_eu$Obnovitelna + porovnanie_eu$Fosilna + porovnanie_eu$Jadrova# Podiel obnoviteľnej výrobyporovnanie_eu$PodielObnovitelnej <-ifelse( porovnanie_eu$CelkovaVyroba >0,100* porovnanie_eu$Obnovitelna / porovnanie_eu$CelkovaVyroba,NA_real_)# Podiel jadrovej výrobyporovnanie_eu$PodielJadrovej <-ifelse( porovnanie_eu$CelkovaVyroba >0,100* porovnanie_eu$Jadrova / porovnanie_eu$CelkovaVyroba,NA_real_)knitr::kable( porovnanie_eu[, c("Krajina","Obnovitelna","Fosilna","Jadrova","PodielObnovitelnej","PodielJadrovej" )],digits =2,caption ="Porovnanie energetického mixu vybraných krajín EÚ")
Porovnanie energetického mixu vybraných krajín EÚ
Krajina
Obnovitelna
Fosilna
Jadrova
PodielObnovitelnej
PodielJadrovej
10
Austria
55.42
13.77
0.00
80.10
0.00
42
Czechia
10.39
39.72
30.04
12.96
37.48
61
Germany
251.48
251.40
64.38
44.33
11.35
123
Poland
28.23
128.91
0.00
17.96
0.00
139
Slovakia
6.85
6.22
15.44
24.03
54.16
Vysvetlivky: Výroba elektriny je v TWh. PodielObnovitelnej a PodielJadrovej predstavujú percentuálny podiel príslušného zdroja na súčte výroby z troch sledovaných zdrojov. Nejde o podiel na konečnej spotrebe energie.
11.2 Graf energetického mixu
Kód
if (nrow(porovnanie_eu) >0) { matica <-t(as.matrix( porovnanie_eu[, c("Obnovitelna","Fosilna","Jadrova" )] ))colnames(matica) <- porovnanie_eu$Krajinabarplot( matica,beside =FALSE,col =c("darkgreen","darkorange","steelblue" ),main ="Energetický mix vybraných krajín EÚ v roku 2020",ylab ="Výroba elektriny (TWh)",las =2,legend.text =c("Obnoviteľná","Fosílna","Jadrová" ),args.legend =list(x ="topright",bty ="n",cex =0.8 ) )} else {plot.new()title("Pre vybrané krajiny nie sú dostupné údaje.")}
Poznámka: Graf zobrazuje absolútnu výrobu elektriny, nie jej spotrebu. Preto krajiny s väčšími ekonomikami môžu mať výrazne vyššie hodnoty. Pri hodnotení štruktúry energetiky je vhodné sledovať aj percentuálne podiely.
12 11. Slovensko a tretí blok Mochoviec
Slovensko má špecifickú štruktúru výroby elektrickej energie, v ktorej významnú úlohu zohráva jadrová energetika.
Pri interpretácii historických údajov je potrebné zohľadniť aj zmeny vo výrobnej kapacite.
Tretí blok jadrovej elektrárne Mochovce začal dodávať elektrinu do siete v roku 2023.
Použitá databáza však obsahuje údaje iba za roky 2000 až 2020. Preto v nej nie je možné priamo sledovať vplyv spustenia tretieho bloku Mochoviec.
Táto skutočnosť predstavuje jedno z obmedzení práce. Na vyhodnotenie vplyvu nového jadrového bloku by bolo potrebné rozšíriť databázu o novšie roky.
13 12. Obmedzenia ekonometrickej analýzy
Pri interpretácii výsledkov je potrebné zohľadniť niekoľko obmedzení.
Po prvé, analýza využíva údaje o výrobe elektriny, nie o spotrebe. Tieto ukazovatele nie sú totožné.
Po druhé, jednotlivé krajiny sa výrazne líšia svojou veľkosťou, počtom obyvateľov, ekonomickou aktivitou a energetickou štruktúrou.
Po tretie, použité regresné modely nezohľadňujú všetky faktory, ktoré môžu ovplyvňovať výrobu elektriny. Výsledky preto nemožno interpretovať ako príčinné vzťahy.
Po štvrté, model je odhadnutý na prierezových údajoch za rok 2020. Neopisuje teda automaticky dlhodobý vývoj ani vplyv novších energetických zmien.
Regresné modely používam predovšetkým na precvičenie ekonometrických postupov, výpočtu koeficientov, rezíduí a predikcií.
14 Záver
V tomto cvičení som analyzoval vlastnú databázu Global Data on Sustainable Energy (2000–2020) pomocou ekonometrických metód.
Najskôr som načítal údaje, skontroloval chýbajúce hodnoty a pripravil databázu na regresnú analýzu.
Následne som vypočítal opisné štatistiky, vytvoril grafy a odhadol jednoduchý a viacnásobný regresný model.
Porovnal som koeficienty determinácie, vypočítal predikované hodnoty a rezíduá.
Na základe pripomienok vyučujúceho som doplnil vysvetlivky k tabuľkám a grafom, porovnanie Slovenska s vybranými krajinami Európskej únie a upozornenie na rozdiel medzi výrobou a spotrebou elektriny.
Zohľadnil som tiež skutočnosť, že databáza končí rokom 2020 a nezachytáva spustenie tretieho bloku Mochoviec.
Výsledky ukazujú možnosti využitia ekonometrických metód pri analýze energetiky, zároveň však upozorňujú na potrebu opatrnej interpretácie jednoduchých regresných modelov.
15 Použitý zdroj
Tanwar, A. Global Data on Sustainable Energy (2000–2020). Kaggle.