Применение методов визуализации для анализа выработки возобновляемой и ядерное энергии в странах Азии, Европы и Америки

В XXI веке наблюдается тенденция сокращения доли возобновляемых ресурсов среди общего потребления энергии. Это свидетельствует о том, что в настоящее время некоторое количество государств стараются перестроить энергообеспечения на использование энергии солнца, ветра, воды и геотермальной энергии1. Стоит заметить, что использование горючих (невозобновляемых) источников часто сопровождается выбросами загрязняющих веществ в биосферу нашей планеты, что дает весомый повод для постепенного перехода потребления на экологически чистую энергию.

В связи с нарастающей значимостью возобновляемых источников энергии автором был проделан анализ выработки экологически чистой (возобновляемой) энергии в разных регионах планеты.

Постановка задачи: целью проводимого анализа было выявление лидирующих государств в области выработки возобновляемой энергии, а также потенциальных будущих конкурентов, набирающих обороты в этой сфере производства.

• ¹ Renewables 2016 Global Status Report // Renewable Energy, Policy, Network for the 21st Century URL: http://www.ren21.net/wp-content/uploads/2016/10/REN21_GSR2016_FullReport_en_11.pdf (Дата обращения: 05.04.2018).

• 2.    Описание данных и методология анализа

Ознакомившись с уже проведенными исследованиями в области возобновляемой2 энергии, было решено провести анализ на основе данных именно ветро-, солнечной и ядерной энергии. Данные взяты с открытой платформы Kaggle. Приведем небольшую часть данного набора для понимания, что он из себя представляет и какие признаки объекта мы имеем.

Таблица 1 Верхушка набора данных по возобновляемой энергии

№	Country	Commodity transaction	Year	Unit	Qua ntity	Quantity footnotes	Category
0	Austria	Additives and Oxygenates -Exports	1996	Metric tons, thousand	5.0	NaN	Additives and oxygenates
1	Austria	Additives and Oxygenates -Exports	1995	Metric tons, thousand	17.0	NaN	Additives and oxygenates
2	Belgium	Additives and Oxygenates -Exports	2014	Metric tons, thousand	0.0	NaN	Additives and oxygenates
3	Belgium	Additives and Oxygenates -Exports	2013	Metric tons, thousand	0.0	NaN	Additives and oxygenates
4	Belgium	Additives and Oxygenates -Exports	2012	Metric tons, thousand	35.0	NaN	Additives and oxygenates
.
ОО о\ ОО	Viet Nam	Electricity -total wind production	2008	Kilowatt -hours, million	1.0	NaN	Wind electricity

Как можно заметить, количество торговых сделок превышает 1 миллион значений, а также не по всем торговым сделкам указаны значения, что немного усложняет нам задачу. Данные имеют общий объем

• ² Jaeger M. Renewable energies in Germany - challenges and advantages for an efficient power supply // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. 2016. №4 (62).

производства энергии в период с 1990 по 2014 год. Каждой торговой сделке соответствует страна производитель и год, в течение которого данное государство вырабатывало возобновляемую или ядерную энергию. Описательные статистики здесь бессмысленны, так как данные достаточно разнородны, не сгруппированы по странам или регионам, и, в конце концов, не дадут нам никакой важной информации. Поэтому давайте перейдем непосредственно к методологии анализа, а точнее сначала к преобразованию данных для анализа.

Шаг 1. . Cоздать многомерные таблицы поменьше, которые хранили бы всю нужную информацию по отдельной стране и виду выработанной энергии.

Страны будем использовать не все, а только некоторые из всего списка, которые были выбраны из-за их ВВП и личного любопытства автора: США, Канада, Бразилия, Китай, Индия, Япония, Россия, Великобритания и некоторые страны Евросоюза, такие как Италия, Германия, Франция, Нидерланды и Испания.

Все данные были сгруппированы по странам и виду энергии, к которой принадлежала торговая сделка. Для интереса страны Евросоюза также были отдельно сгруппированы в данные по Евросоюзу для сравнения с Китаем и США.

Данным со значениями «NaN» были присвоены нулевые значения, дабы исключить значения «NaN», при этом не сократив выборку.

Таблица 2 Представление данных в более удобном для анализа виде

	country„or_area	commodity „transaction	year	unit	quantity	category
1189193	Russian Federation	Electricity - total wind production	1997	Kilowatt-hours, million	0.0	wlnd„electriclty
1189192	Russian Federation	Electricity ■ total wind production	1998	Kilowatt-hours, million	0.0	wind electricity
1189191	Russian Federation	Electricity - total wind production	1999	Kilowatt-hours, million	2.0	wind_electricity
1189190	Russian Federation	Electricity - total wind production	2000	Kilowatt-hours, million	2.0	wind_electricity
1189189	Russian Federation	Electricity - total wind production	2001	Kilowatt-hours, million	3.0	wind „electricity
1189188	Russian Federation	Electricity - total wind production	2002	Kilowatt-hours, million	6.0	wind_electricity
1189187	Russian Federation	Electricity - total wind production	2003	Kilowatt-hours, million	90	wind_electricity
1189186	Russian Federation	Electricity - total wind production	2004	Kilowatt-hours, million	7.0	wind_electricity

Шаг 2. Данный шаг представлял собой знакомство с методами визуализации данных с помощью библиотеки matplotlib в интерактивной оболочке Jupyter. Проведенный анализ не имеет смысла, если нет возможности достаточно наглядно и просто визуализировать итоговую информацию для получения новых знаний.

Процесс визуализации начинается с производства энергии ветра, где можно увидеть тенденцию некоторых стран, ведущих гонку. Затем производство солнечной энергии, где очень интересно сравнить страны, которые лидируют в производстве солнечной энергии с производством энергии ветра. Но самая важная визуализация – это производство ядерной энергии и контраст между всеми источниками производства энергии.

• 3.    Визуализация результатов анализа

1) Ветроэнергия;

Совокупная выработка ветроэнергии

1990                   1995                  2000                  2005                  2010

Год

Рисунок 1 Совокупная выработка ветроэнергии

По данному графику нетрудно выявить 3 несомненных лидеров: США, Евросоюз и Китай. По состоянию на 2014 год с приличным отрывом и выработкой энергии более 175 000 ГВатт-час в год лидируют Соединенные Штаты, более 150 000 ГВатт-час научился вырабатывать Китай, и чуть 150 000 ГВатт-час ЕС. В свою очередь остальные страны вырабатывают в разы меньше, а именно немногим более 25 000 ГВатт-час вырабатывают Канада, Индия и Великобритания, и совсем внизу на графике расположены Япония и Бразилия. Ожидалось увидеть значение Японии выше, так как Япония достаточно высокотехнологичная страна, а в результате анализа мы видим, что на 2014 год она уступает Бразилии по выработке ветроэнергии.

Рисунок 2 Выработка ветроэнергии в Евросоюзе и США

Очевидная связь между производством ветроэнергии в США и ЕС наглядно демонстрирует гонку среди развитых стран, а также стремительное наращивание мощностей производства ветроэнергии.

Как видно по графику, бывшая британская колония эффективно развивается в области выработки ветроэнергии уверенно обгоняя до 2013 года Великобританию. Примерно наравне с Соединенным Королевством наращивает производства и Канада.

Рисунок 4 Совокупная выработка ветроэнергии в США и ЕС

Здесь на графике представлены уже прежде визуализированные данные, которые свидетельствуют об активном соперничестве использования возобновляемых источников энергии.

Рисунок 5 Совокупная выработка ветроэнергии в ЕС по странам

По данному графику можно понять, какие из стран ЕС вносят наибольший вклад в производство ветроэнергии (хотя я не анализировал Скандинавские страны, которые, возможно, вносят не меньше очевидных по графику лидеров). Здесь опять же наблюдается соперничество между

Испанией и Германией, которые вырабатывают более 50 000 ГВатт-час в год, Франция, Нидерланды и Италия в свою очередь производят не более 20 000 ГВатт-час самостоятельно в год.

2) Солнечная энергия;

Рисунок 6 Совокупная выработка солнечной энергии по всем странам

Абсолютным лидером по выработке солнечной энергии является Евросоюз, который производит более 70 000 ГВатт-час в год по состоянию на 2014 год. США и Япония уверенно идут конкурируя за 2-е место, производя при этом около 25 000 ГВатт-час в год. Оставшиеся страны производят не более 20 000 ГВатт-час.

Рисунок 7 Совокупная выработка солнечной энергии в ЕС и США

На данном графике видно, что страны ЕС более чем в 2 раза активнее используют современные технологии выработки солнечной энергии, чем США. Но если взглянуть на относительное изменение в течение периода с 2000-2014 гг., можно наблюдать, что США немного интенсивнее. Скорее всего, отставание США в данной сфере связано с неприоритетным направлением инвестирования, потому что можно с уверенностью предположить, что в ядерной энергетике США значительно превосходят Евросоюз.

3) Ядерная энергия.

Совокупная выработка ядерной энергии п овеем странам

Рисунок 8 Совокупная выработка ядерной энергии по всем странам

Один из самых информативных графиков, который наглядно демонстрирует тех же самых 3 лидеров, что и в производстве ветроэнергии: это США, Евросоюз и Китай. Интересно то, что Китай вырабатывает примерно в 2 раза меньше энергии, чем Евросоюз, и в 3 раза меньше, чем США. После 2010 года наблюдается резкий спад у Китае, что возможно связано с законодательством или иной причиной. Оставшиеся же страны вырабатывают не более 150 000 ГВатт-час в год, в то время как США вырабатывает порядка 800 000 ГВатт-час, а ЕС 600 000 ГВатт-час.

При развитии в странах ЕС и США возобновляемых источников энергии, ядерная энергетика еще долго не утратит интерес, так как в 1990 году США вырабатывало засчет ядерной энергетики в 3 раза больше энергии, чем засчет ветряных генераторов в 2014 году.

Совокупная выработка ветро-, солнечной и ядерной энергии в США

Рисунок 10 Выработка ветро-, солнечной и ядерной энергии в ЕС

Рисунок 10 Выработка ветро-, солнечной и ядерной энергии в ЕС

Как нетрудно заметить, ядерная энергетика превосходит показатели любой другой в разы. При стабильном росте выработки возобновляемых источников энергии США уровняется выработку ядерной энергетики с возобновляемой энергетикой примерно к 2030-му году.

Европейский Союз в свою очередь имеет более плавную линию развития возобновляемых источников энергии, поэтому их показатели достигнуть значения ядерной энергии примерно через 20 лет. Но нельзя не учитывать то, что здесь представлены далеко не все страны ЕС. Скорее всего, при участии Норвегии, Швеции, Австрии и Польши США уже не будет уверенно лидировать по представленным показателям.

• 4.    Заключение

В заключении хочется отметить, что представленный анализ является начальным этапом для более глубокого анализа, который можно было бы провести по такой актуальной и интересной теме. В ближайшем будущем автору было бы также интересно и дальше пытаться преобразовывать и визуализировать данные тем образом, чтобы выявлять новые зависимости и характеристики состояния тех или иных регионов мира.

Анализ выявил несколько региональных лидеров в области производства энергии в мире. Также в результате проделанной работы автор улучшил навыки работы с данными в оболочке Jupyter, преобразовывать их в удобный вид для удобного анализа, а также строить графики для наглядной визуализации данных.