Strategic investment decisions in the energy supply and demand sectors under uncertain technical change and sustainability concerns

The problem of transforming the energy sector towards more sustainable alternatives in a cost-effective way is complex and multi-faceted. Five sets of questions related to energy innovation, both on the supply and the demand side, needed or helpful for a successful climate-constrained strategy, are explored in this thesis. Answers tackle the problem from different angles and are elaborated through a variety of quantitative tools, resulting in both generalizable novel approaches and specific policy-relevant insights. The thesis demonstrates the feasibility and usefulness of different combinations of techniques, including integrated assessment modelling with endogenous technical change, global sensitivity analysis, decomposition scenario techniques, experts' elicitations, approximate dynamic programming and energy data analytics. As decisions are informed by increasingly complicated models and always larger datasets, priority is given to keeping a clear understanding of the robustness of findings, especially as our empirical or probabilistic knowledge of uncertain inputs change. Climate policy makers, clean energy investors and power operators will find relevant insights on optimal clean energy R&D investment portfolios, best R&D risk-hedging strategies, and smart-meter potential for emission reductions. The contribution of this Ph.D. thesis lies at the intersection of these topics, exploring sensitivities of emissions and abatement costs to uncertain technological and economic factors, proposing optimal clean energy R&D investment portfolios under different climate policy contexts and degrees of uncertainty, and exploring new venues of energy conservation possibilities from behavioral interventions. The combination of novel and robust methodologies will hopefully be of inspiration for the design of improved strategies to prepare the ground for future stringent climate stabilization.

Il problema di trasformare il settore dell'energia verso alternative più sostenibili in modo economicamente efficiente è complesso e sfaccettato. Questa tesi esplora cinque serie di domande legate all'innovazione energetica, sia lato produzione che lato domanda, necessarie o utili per una strategia di controllo climatico di successo. Le risposte affrontano il problema da prospettive diverse e sono elaborate attraverso un insieme di strumenti quantitativi, offrendo sia nuovi approcci generalizzabili sia specifiche osservazioni di rilevanza di politica. La tesi dimostra la possibilità e l’utilità di combinare diverse tecniche, che includono modelli di valutazione integrata con progresso tecnologico endogeno, analisi di sensitività globale, tecniche di decomposizione di scenario, valutazione di pareri di esperti, programmazione dinamica approssimata, e analisi di dati energetici. Mentre le decisioni sono supportate da modelli sempre più complicati e basi di dati sempre più ampie, priorità va data nel mantenere una chiara comprensione della robustezza dei risultati, specialmente al variare della nostra conoscenza empirica o probabilistica degli input di tali modelli. Decisori politici sul clima, investitori in energia pulita e operatori nel settore elettrico potranno trovare analisi rilevanti su portafogli ottimi d’investimento in ricerca e sviluppo in energia pulita, strategie efficienti di copertura dai rischi della ricerca, e potenziali di riduzione delle emissioni da nuove tecnologie come gli smart meter. Il contributo di questa tesi di dottorato si trova all’intersezione di questi argomenti, esplorando la sensitività di emissioni e costi di mitigazione a fattori economici e tecnologici incerti, proponendo portafogli ottimi di investimenti in ricerca e sviluppo in energia pulita per diversi contesti di politica climatica e diversi livelli di incertezza, ed esplorando nuove possibilità di conservazione di energia provenienti dalle scienze comportamentali. La combinazione di metodologie nuove e robuste sarà sperabilmente di ispirazione per la progettazione di strategie migliori nella preparazione a future esigenze di stabilizzazione stringente del clima.