Modeling and Information System in Economics

Modeling and Information System in Economics

Поетапне моделювання викидів CO₂ із використанням самоорганізаційних карт Кохонена

Step by step modeling of CO₂ emissions using Kohonen self-organizing maps

DOI:

10.33111/mise.105.4

Анотація: Стаття присвячена виявленню закономірностей у динаміці декарбонізації національних економік на основі методу само організаційних карт (SOM). Дослідження полягає у виявленні типології країн світу в контексті генерації та споживання енергії, а також аналізі змін у структурі їхніх енергетичних профілів у 2013–2022 роках. Було розроблено та апробовано емпіричну модель оцінки потенціалу декарбонізації за допомогою само організаційних карт. Методологія дослідження включає шість ета пів. На першому етапі автори зібрали та систематизували дані з відкритих джерел, зокрема Світового банку та щорічника EnerData, які включають макроекономічні, енергетичні та екологічні показники. Другий етап передбачав попередню обробку даних – виключення пропусків, ідентифікацію викидів та перетворення їх в єдиний формат «країна-рік-показник значення». На третьому етапі було сформовано узгоджений багатовимірний набір даних з 14 змінними (із забезпеченням відсутності мультиколінеарності), виконано нормалізацію даних. На четвертому етапі побудовано та навчено SOM із гексагональною топологією, оптимальну структуру якої було визначено за показниками Quantization Error і Topographic Error. Пʼятий етап присвячений кластеризації вагових векто рів нейронів за допомогою агломеративного підходу, де оптимальну кіль кість кластерів визначено за метриками Silhouette Score, Davies–Bouldin та Calinski-Harabasz. На заключному етапі результати були інтерпретовані, країни були типологізовані за енергетичними профілями (лідери, промислові, ресурсоорієнтовані тощо) та проаналізовані динаміки їхнього руху між кластерами в часі. Отримані результати дозволили виявити структурні відмінності в моделях декарбонізації та визначити ключові фактори, які забезпечили успіх енергетичного переходу країни на глобальному рівні.
Abstract: The article is devoted to identifying patterns in the dynamics of decarbonization of national economies based on the methods of self-organizing maps (SOM). The study consists in revealing a typology of countries of the world in the context of energy generation and consumption, as well as analyzing 45 changes in the structure of their energy profiles in 2013–2022. An empirical model for assessing the decarbonization potential using self-organizing maps was developed and tested. The research methodology includes six stages. At the first stage, the authors collected and systematized data from open sources, in particular the World Bank and the EnerData yearbook, which include macroeconomic, energy and environmental indicators. The second stage involved pre-processing of data – eliminating omissions, identifying outliers and converting them into a single format "country-year-indicator-value". At the third stage, a coordinated multidimensional data set with 14 variables was formed (ensuring the absence of multicollinearity), and data normalization was performed. In the fourth stage, a SOM with hexagonal topology was built and trained, the optimal structure of which was defined using quantization and topographic error indicators. The fifth stage is devoted ti the clustering of neuron weight vectors using an agglomerative approach, where the optimal number of clusters was determined using the Silhouette Score, Davies-Bouldin, and Calinski-Harabasz indices. In the final stage, the results were interpreted, countries were typified by energy profiles (leaders, industrial, resource-oriented, etc.) and the dynamics of their movement between clusters over time were analyzed. The results obtained allowed us to identify structural differences in decarbonization models and identify key factors that ensured the success of the countryʼs energy transition at the global level.
Ключові слова: декарбонізація, самоорганізаційні карти, кластеризація, викиди CO₂, сценарне моделювання, багатовимірний аналіз.
Key words: decarbonization, self-organizing maps, clustering, CO₂ emissions, scenario modeling, multivariate analysis.
УДК: 330.303.4:338.2
UDC: 330.303.4:338.2
To cite paper
In APA style
Zhytkevych, O. (2025). Step by step modeling of CO₂ emissions using Kohonen self-organizing maps. Modeling and Information System in Economics, 105, 45-70. http://doi.org/10.33111/mise.105.4
In MON style
Житкевич О.В. Поетапне моделювання викидів CO₂ із використанням самоорганізаційних карт Кохонена. Моделювання та інформаційні системи в економіці. 2025. № 105. С. 45-70. http://doi.org/10.33111/mise.105.4 (дата звернення: 28.06.2026).
With transliteration
Zhytkevych, O. (2025) Poetapne modeliuvannia vykydiv CO₂ iz vykorystanniam samoorhanizatsiinykh kart Kokhonena [Step by step modeling of CO₂ emissions using Kohonen self-organizing maps]. Modeling and Information System in Economics, no. 105. pp. 45-70. http://doi.org/10.33111/mise.105.4 (accessed 28 Jun 2026).
# 105 / 2025 # 105 / 2025
Download Paper
73
Views
7
Downloads
0
Cited by

1. Ministry of Economy of Ukraine. (2025, September 9). Ukraine advances in implementing the National Energy and Climate Plan. Government of Ukraine. https://mev.gov.ua/en/news/ukraine-advances implementing-national-energy-and-climate-plan-olha-yukhymchuk

2. DiXi Group. (2025, March). Ukraine submitted its first integrated report on NECP together with EU member states. DiXi Group. https://dixigroup.org/en/ukraine-submitted-its-first-integrated-report-on necp-together-with-eu-member-states/

3. Winkler, C., Dabrock, K., Kapustyan, S., Hart, C., Heinrichs, H., Weinand, J. M., Linßen, J., & Stolten, D. (2024). High-resolution rooftop-PV potential assessment for a resilient energy system in Ukraine. arXiv. https://arxiv.org/abs/2412.06937

4. Stockholm Environment Institute. (2025, July 1). Green transition report for Ukraine shows paths to green recovery and EU integration. Green Agenda. https://green-agenda.org/en/ukraine/news/green-transition-report ukraine

European Policy Centre. (2024). Greener, better, stronger together: Why cooperation in renewable energy should be a priority for EU-Ukraine relations. https://www.epc.eu/publication/greener-better-stronger-together why-cooperation-in-renewable-energy-should-be-a-priority-for-eu-ukraine relations/

6. European Commission. (2025). REPowerEU. Retrieved from October 4, 2025, from https://commission.europa.eu/topics/energy/repowereu_en

7. Qi, Y., Lu, J., & Liu, T. (2024). Measuring energy transition away from fossil fuels: A new index. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 200, Article 114546. https://doi.org/10.1016/j.rser.2024.114546

8. Misztal, A., Kowalska, M., Fajczak-Kowalska, A., & Strunecký, O. (2021). Energy efficiency and decarbonization in the context of macroeconomic stabilization in the European Union. Energies, 14(16), Article 5197. https://doi.org/10.3390/en14165197

9. Sinha, A., Verdolini, E., & Tavoni, M. (2024). Diverse decarbonization pathways under near cost-optimal conditions. Nature Communications, 15(1), 1-12. https://www.nature.com/articles/s41467-024-52433-z

10. Shahcheraghian, A., et al. (2025). K-means and agglomerative clustering for source-load mapping in district heating networks. ScienceDirect. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/ S2590174524003386

11. Rattle, I., Gailani, A., & Taylor, P. (2025). Towards a typology of industrial decarbonisation initiatives. Wiley Online Library. https://rgs ibg.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/geo2.70000 69

12. Jiménez-Preciado, A. L., Cruz-Aké, S., & Venegas-Martínez, F. (2024). Identification of patterns in CO₂ emissions among 208 countries: K means clustering combined with PCA and non-linear t-SNE visualization. Mathematics, 12(16), Article 2591. https://doi.org/10.3390/math12162591

13. Vlaović, Ž., Stepanov, B. L., & Anđelković, A. S. (2023). Mapping energy sustainability using the Kohonen self-organizing maps. Journal of Cleaner Production, 412, Article 137351. https://doi.org/10.1016/j. jclepro.2023.137351

14. Matviychuk, A. (2025, October 4). Як ми будували модель скоро чення викидів CO₂ за допомогою SOM (Kohonen Self-Organizing Maps). DOU. https://dou.ua/forums/topic/55663/?utm_source=other&utm_medium =email&utm_campaign=03102025

15. The World Bank. (2023). World development indicators [dataset]. https://datacatalog.worldbank.org/search/dataset/0037712

16. EnerData. (2023). World Energy & Climate Statistics – Yearbook 2023 [dataset]. consumption-statistics.html https://yearbook.enerdata.net/total-energy/world

17. Heaton, J. (2008). Introduction to neural networks for Java (2nd ed.). Heaton Research, Inc.

18. Poznyak, S., & Kolyada, Y. (2023). Comparative analysis of the effectiveness of dimensionality reduction algorithms and clustering methods on the problem of modeling economic growth. Neuro-Fuzzy Modeling Techniques in Economics, 12, 67–110. https://doi.org/10.33111/nfmte. 2023.067

19. Matviychuk, A., Zhytkevych, O., & Osadcha, N. (2024). Modeling carbon dioxide emissions reduction. Energy Reports, 12, 1876–1887. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2024.08.004