Assessing impact of global energy transition : a world trade model approach

In the recent years, we are witnessing to a gradual transition towards a low carbon energy system. For clean energy transition we mean a gradual shift from fossil fuel consumption to an electrification of final uses combined with an increased exploitation of renewable sources. In this context, energy modelling has come in the spotlight as a useful methodology for the creation and testing of future scenarios characterized by high renewable penetration. In this study we propose a feasibility analysis based on real resources availability of the Sustainable Development Scenario (SDS) depicted by IEA for 2040. In order to approach energy transition from a holistic perspective, we adopted the World Trade Model, a hybrid linear optimization model based on comparative advantage and subjected to resource limitations belonging to input-output category. This integrated approach allowed to involve the competitiveness of resources among productive sectors and permitted an evaluation of material requirements. The focus on environmental impacts were aimed to assess the implications on 5 different natural resources: CO2 emissions, fossil fuel depletion, metals and minerals depletion, land use and water consumption. Model output evidences benefits in the majority of the abovementioned indicators, aside from an increased exploitation of metals and land occupation. In SDS, land use related to power generation nearly doubles due to the abrupt rising of installed capacity concerning impactful technologies as wind turbines and biomass plants. For similar reasons, also extractive commodities mining will increase, particularly regarding non-metallic minerals and alluminium which will witness a significant leap of 50% and 40% respectively. A different outcome is outlined for what concerns global CO2 emissions, which are estimated to fall by 35%, and fossil fuel extraction, which is predicted to drop regarding mainly crude oil and natural gas. Along our analysis, each resource requirement has been compared with regional availability in order to identify possible critical shortages. In conclusion, our work assesses that a clean energy transition as the one depicted by IEA in their Sustainable Development Scenario would be a practicable path also concerning natural resource exploitation.

Negli ultimi anni stiamo assistendo a una graduale transizione verso un sistema energetico a basse emissioni di carbonio. Con “Clean Energy Transition” si intende un graduale passaggio dal consumo di combustibili fossili ad un'elettrificazione degli usi finali, combinata con un maggiore sfruttamento delle fonti rinnovabili. In questo contesto, la modellazione energetica si è imposta come metodologia utile per la creazione e la sperimentazione di scenari futuri caratterizzati da un'elevata penetrazione rinnovabile. In questo studio proponiamo un'analisi di fattibilità basata sulla reale disponibilità di risorse del Sustainable Development Scenario (SDS) elaborato dall'IEA per il 2040. Per affrontare la transizione energetica da una prospettiva olistica, abbiamo adottato il World Trade Model, un modello di ottimizzazione lineare ibrido appartenente alla categoria input-output basato sul vantaggio comparativo e soggetto alla limitazione di risorse. Questo approccio integrato ha permesso di coinvolgere la competitività delle risorse tra i settori produttivi, tenendo conto del fabbisogno di materiali. L'attenzione agli impatti ambientali è stata finalizzata a valutare le implicazioni su 5 diverse risorse naturali: emissioni di CO2, esaurimento dei combustibili fossili, esaurimento dei metalli e dei minerali, utilizzo di suolo e consumo di acqua. I risultati del modello mostrano benefici nella maggior parte dei suddetti indicatori, ad eccezione di un maggiore sfruttamento dei metalli e di occupazione di terreno. Nell’SDS, l'utilizzo del suolo relativo alla produzione di energia elettrica è quasi raddoppiato a causa del brusco aumento della capacità installata per quanto riguarda impattanti tecnologie come turbine eoliche e impianti a biomassa. Per ragioni analoghe, aumenterà anche l'estrazione di materie prime estrattive, in particolare per quanto riguarda i minerali non metallici e l'alluminio, che registreranno un significativo balzo rispettivamente del 50% e del 40%. Un risultato diverso si delinea per quanto riguarda le emissioni globali di CO2, che si stima diminuiranno del 35%, e l'estrazione di combustibili fossili, per cui si prevede una riduzione soprattutto per quanto riguarda il petrolio greggio e il gas naturale. Nel corso della nostra analisi, ogni fabbisogno di risorse è stato confrontato con la disponibilità regionale al fine di individuare eventuali insufficienze critiche. In conclusione, il nostro lavoro valuta che una transizione energetica come quella descritta dall'IEA nel loro Sustainable Development Scenario sarebbe un percorso praticabile anche per quanto riguarda lo sfruttamento delle risorse naturali.