Accounting for the long term impact of high renewable shares through energy system models : a novel formulation and case study

The sustainable integration of a large amount of renewable energy sources (RES) in the electric system is one of the key point of the strategies undertaken by the European Countries, to reach the objective of a low carbon energy system within few decades. The scenarios of the Roadmap 2050 envisage that strong regulatory measures may lead to 97% share of RES in the electricity consumption, therefore governments are developing strategies to support this potential exponential growth. Long-term optimization models have been designed to illustrate the possible evolution of the energy system under specific constrains, to support the policy makers in their decisions regarding the energy planning of a country. Some of these models optimize the energy mix of a region to satisfy the energy demands at the minimum overall cost, hence they might be used to evaluate the long-term impacts of high shares of RES in the power system. Many studies agree that a high penetration of RES may threaten the reliability of the electric system if the grid is not flexible enough to accommodate such a big amount. This thesis aims to create a synergy between short-term models, able to represent in detail the electricity dispatch, and long-term energy optimization models, so that they can take into account the flexibility aspects of the grid and the costs related. To pursue the objective, a long-term optimization energy system model is chosen among various possibilities, and by enhancing its code, a relationship between the penetration of intermittent RES and the demand of reserve is created. This modification allows the analyst to study the long-term effects of the flexible operation of thermoelectric power plants to supply electricity and to provide the reserves, and to explore the possible decarbonisation scenarios for the Italian energy system.

L’integrazione delle fonti energetiche rinnovabili (FER) nel sistema elettrico è uno dei punti chiave delle strategie di lungo temine delineate dai paesi Europei, con l’obiettivo di raggiungere in pochi anni un sistema energetico non più dipendente dai combustibili fossili. Gli scenari proposti nella Roadmap 2050 illustrano come forti misure di regolamentazione potrebbero portare al 97% di FER nei consumi elettrici, una potenziale crescita esponenziale che i governi dovrebbero supportare con strategie mirate. I modelli di ottimizzazione di lungo temine sono nati per mostrare una possibile evoluzione del sistema energetico soggetta a determinati vincoli e per sostenere le scelte relative alla pianificazione energetica di un paese. Alcuni di questi modelli ottimizzano il mix energetico di una regione per soddisfare le domande di energia al minimo costo, ciò li rende uno strumento adatto per la valutazione dell’impatto nel lungo termine di un’elevata quota di FER. Molti studi concordano che un’alta penetrazione di FER potrebbe minacciare l’affidabilità del sistema elettrico se la rete non si dimostra abbastanza flessibile da supportare una tale quantità. Questa tesi si propone di creare una sinergia tra modelli di breve termine, capaci di rappresentare nel dettaglio il dispacciamento di energia elettrica, e modelli di ottimizzazione di lungo termine, affinché possano tenere in considerazioni gli aspetti di flessibilità della rete e i costi associati. Per raggiungere l’obiettivo, si è scelto un modello energetico di ottimizzazione di lungo termine tra quelli esistenti e, modificandone il codice, è stata introdotta una relazione tra penetrazione di FER intermittenti e domanda di riserva. Questa modifica permette di studiare gli effetti che il comportamento flessibile degli impianti termoelettrici avrà nel lungo termine e consente di esplorare i possibili scenari di decarbonizzazione per il sistema energetico Italiano.