Integrating energy and economy models based on a dynamic input-output framework : development of dynamic rectangular-choice-of-technology model and application

Energy policy has become increasingly important over the years since the early seventies. Analysts and policymakers have to address transversal issues involving the power sector as much as the economic and environmental spheres. Such complex matters require more and more exhaustive instruments of investigation: energy modelling is responsible for providing the appropriate models, frameworks and tools for energy demand projection, supply curve definition, choice of the energy mix, long-term scenarios, energy security analysis and import/export strategy. The current challenges of energy modelling are the improvement in time and spatial resolution, the growing complexity of the energy sector also due to renewables penetration, the ability to capture the human dimension and the focus on transparency. The objective of this research is to develop a new comprehensive hybrid integrated model, the regional Dynamic Rectangular-Choice-of-Technology model. It is designed to link economic perspective and energy into an innovative and extensive framework. Based on Input-Output approach and linear optimization, the proposed model allows to follow hourly phenomena, to define electricity supply curve and the energy mix and to analyse interindustrial transactions in order to estimate electricity consumption patterns and industrial demand. It is a demand-driven model that takes into account the production of economic industries, the hourly availability of natural resources and labour supply, but the focus is on technological alternatives for electricity generation. Two different versions are presented: the operational mode is assessed in detail both in terms of framework and results, instead a first approach to planning mode is experienced. The model aims at determining, respectively, the output of each sector and, in case of planning purposes, the capacities of power technologies to install as additional endogenous variables. The thesis opens with a broad overview of energy system models showing various approaches, strengths, weaknesses and applications, thereby identifying frequent topics in the literature. After outlining methods and models that underpin the suggested framework, the rationale behind the Dynamic Rectangular-Choice-of-Technology model, its attributes and its mathematical formulation are explained. A practical application to the Italian case follows and an accurate analysis of the outputs of the model is carried out. Despite a certain inaccuracy in the numerical solution with respect to officially recognised databases, the result appears consistent with the theory of energy economics and reasonable with modelling logic.

Le politiche energetiche hanno acquisito una sempre maggiore importanza col passare del tempo fin dai primi anni Settanta. Analisti e politici devono affrontare problematiche trasversali che coinvolgono tanto il settore elettrico quanto la sfera economica ed ambientale. Tematiche di una tale complessità richiedono sempre più esaustivi strumenti di indagine: all’energy modelling spetta fornire gli adeguati modelli, strutture e strumenti per proiezioni di domanda energetica, per la definizione della curva dell’offerta, la scelta del mix produttivo energetico, per scenari a lungo termine, analisi di sicurezza energetica nazionale e strategie import/export. Le sfide attuali dell’energy modelling sono il miglioramento della risoluzione temporale e spaziale, la crescente complessità del settore energetico anche dovuto alla penetrazione delle rinnovabili, l’abilità di catturare la dimensione umana in un modello e l’attenzione alla trasparenza. L’obiettivo di questa ricerca è sviluppare un nuovo modello globale, ibrido ed integrato, il modello regionale Dynamic Rectangular-Choice-of-Technology. È concepito per congiungere prospettiva economica ed energia in un originale ed approfondito framework. Basato sull’approccio Input-Output e sull’ottimizzazione lineare, il modello proposto consente di seguire fenomeni su base oraria, di definire la curva di generazione di elettricità ed il mix energetico e di analizzare le transazioni tra industrie al fine di stimare gli schemi di consumo di elettricità e la domanda industriale. È un modello guidato dalla domanda esogena e che prende in considerazione la produzione dei settori economici, la disponibilità oraria di risorse naturali e manodopera, ma il cui focus resta sulle opzioni tecnologiche per la generazione di potenza. Due diverse versioni vengono presentate: la modalità operativa viene studiata nel dettaglio sia in termini di inquadramento teorico che di risultati, mentre soltanto un primo approccio alla pianificazione viene sperimentato. Il modello si propone di determinare, rispettivamente, l’output di ogni settore e, in caso di finalità di pianificazione, le capacità delle tecnologie da installare come ulteriore variabile endogena. La tesi si apre con un’ampia panoramica dei modelli che analizzano sistemi energetici mostrando vari approcci, punti di forza, di debolezza ed applicazioni per poi identificare temi ricorrenti nella letteratura. Dopo aver descritto metodi e modelli che sostengono il framework suggerito, vengono spiegati la logica dietro al modello Dynamic Rectangular-Choice-of-Technology, le relative caratteristiche e la formulazione matematica. Segue un’applicazione pratica sul caso italiano e viene condotta un’accurata analisi degli output del modello. Nonostante una certa imprecisione della soluzione numerica rispetto ai database ufficialmente riconosciuti, il risultato risulta coerente con la teoria di economia energetica e ragionevole rispetto alla logica cui è improntata la modellazione.