Modeling system integration of variable renewable energies for long-term climate objectives : the role of electric grid and storage

Among the efforts towards climate change mitigation, the decarbonization of the power sector is a necessary step in order to meet the Paris Agreement target of keeping the temperature increase at the end of the current century well below 2°C with respect to pre-industrial levels. In this context, it is a shared opinion that Variable Renewable Energy (VRE) sources, mainly wind turbines and solar photovoltaics (PV), will play a key role. On the other hand, the variable and uncertain nature of VREs supply, especially at high shares in the electricity mix, introduces multiple challenges for modern energy systems. Working on the World Induced Technical Change Hybrid (WITCH) energy-economy-climate model, we aimed at evaluating the long-term contribution of VREs in climate constrained scenarios, by introducing in the model a more accurate representation of both electric grid and electricity storage technologies. The contribution of our work is as follows: (1) among the main electricity storage technologies, identify which ones are more suitable for being included in long-term models; (2) investigate the effect of different climate policy scenarios on the diffusion of VRE sources, grid and storage technologies; (3) clarify how grid and storage technologies affect the electricity generation mix and their impact on economic growth and costs, in the context of VRE system integration; (4) individuate the cost and performance parameters that have the strongest impact on VRE, grid and storage diffusion; (5) understand how the new, more accurate representation of grid and storage affects the results, if compared to previous versions of the model. We address these research questions by providing an extensive literature review, designing analytic formulations of the studied dynamics and implementing them in the WITCH Integrated Assessment Model (IAM), running a set of policy scenarios and verifying the robustness of our results through a set of sensitivity analyses and comparisons with other models. The main conclusions can be summarized as follows. Imposing a global carbon tax in order to achieve the 2°C target, VREs become the most widespread technology options, accounting for 51% of global net electricity generation in 2100 (against 24% in Business As Usual case). This deployment requires higher investments in distribution, smartening and pooling of the grid. Concerning storage capacity, the introduction of a carbon tax benefits Compressed Air Storage and Lithium-ion batteries, that leverage on cost reductions from learning effect to become the dominant technologies. Conversely, results indicate that without the installation of storage capacity, it is not possible to reach high shares of VRE generation. Concerning grid parameters, grid cost and grid requirement per unit of generation capacity installed show a great influence on average grid investments. However, they do not show a significant impact on the installed generation capacity. As regards storage parameters, decreasing the capability of storage to provide flexibility and firm capacity dramatically affects both VRE share and storage investments. Moreover, the costs of storage technologies, both the initial and the minimum one they can achieve, are other two important drivers of VRE share growth and overall storage investments.

Nell’ambito degli sforzi globali per mitigare il cambiamento climatico, la decarbonizzazione del settore elettrico è un passaggio necessario per rispettare l’obiettivo, concordato nell’Accordo di Parigi, di mantenere l’aumento della temperatura al di sotto dei 2°C rispetto ai livelli preindustriali. In questo contesto, è opinione condivisa che le Fonti Rinnovabili Non Programmabili (FRNP), in particolar modo fotovoltaico ed eolico, svolgeranno un ruolo chiave. D’altro canto, la variabilità e l’incertezza associate alla produzione da FRNP, specialmente ad alte quote nel mix di generazione, com portano molteplici complicazioni per i moderni sistemi energetici. Utilizzando il modello di valutazione integrata energia-economia-clima WITCH (World Induced Technical Change Hybrid), abbiamo introdotto una più accurata rappresentazione della rete elettrica, delle tecnologie di accumulo di energia elettrica e del loro ruolo nell’integrazione delle FRNP. Il contributo del nostro lavoro è il seguente: (1) fra le principali tecnologie di accumulo, identificare quali sono le più adatte ad essere modellate in WITCH; (2) investigare l’effetto di differenti scenari di politiche climatiche sull’installazione di FRNP, rete elettrica e tecnologie di accumulo; (3) analizzare l’impatto della rete e dell’accumulo di energia elettrica sul mix di generazione, e di conseguenza sulla crescita economica e sui costi associati all’integrazione delle FRNP; (4) individuare i parametri di costo e performance più rilevanti in termini di impatto sull’installazione di FRNP, rete e accumulo elettrico; (5) valutare come la nuova, più accurata rappresentazione di rete e accumulo elettrico condiziona i risultati, se paragonati alle precedenti versioni del modello WITCH. Affrontiamo queste domande di ricerca sintetizzando i risultati di un’approfondita ricerca bibliografica, sviluppando formulazioni analitiche dei fenomeni studiati e implementandole nel modello WITCH, esplorando diversi scenari di politiche climatiche e verificando la solidità dei nostri risultati tramite analisi di sensitività e paragoni con altri modelli. Le conclusioni principali possono essere così sintetizzate. Imponendo una carbon tax globale con l’obiettivo di rispettare l’aumento massimo di temperatura di 2°C, le FRNP diventano le tecnologie più utilizzate, rappresentando il 51% della produzione globale netta di energia elettrica nel 2100 (24% nello scenario Business As Usual). Riguardo l’accumulo elettrico, l’introduzione di una carbon tax favorisce l’installazione di accumulo ad aria compressa e di batterie agli ioni di litio, che, grazie alla riduzione nel loro costo di investimento per apprendimento, diventano le tecnologie dominanti. D’altra parte, i risultati del modello WITCH indicano che, senza l’installazione di capacità di accumulo elettrico, non sarà possibile raggiungere alte quote di generazione da FRNP. Riguardo la rete elettrica, il suo costo di installazione e il requisito di rete per unità di capacità di generazione installata presentano un impatto notevole sugli investimenti medi in rete, ma non sulla generazione elettrica. A proposito dei parametri caratterizzanti le tecnologie di accumulo, diminuire la loro capacità di fornire flessibilità e capacità continua impatta drasticamente sugli investi menti in FRNP e in tecnologie di accumulo. Inoltre, anche i costi di investimento delle tecnologie di accumulo, sia quello iniziale che quello minimo raggiungibile, mostrano di essere fattori chiave nel determinare gli investimenti totali in queste tecnologie.