A multi-layer energy modelling methodology to support heat-electricity integrated decarbonisation

The decarbonisation of energy systems is urgent. Increasingly, the large-scale expansion of renewable capacity, combined with the electrification of the transport, heating and industry sectors, are seen as key to achieve such an ambition. In particular, coupling residential heating and power generation through power-to-heat technologies is raising increasing attention, due to their untapped potential to improve heating efficiency, power system flexibility and renewables penetration at once. However, the effects that the mass-scale electrification of residential heating would have on the electricity demand, on power system capacity expansion needs and on the supply-chain of other sectors are yet to be fully quantified. Energy system models are typically adopted to shed lights on such questions. Yet, the complexity of such problems, encompassing technical, economic, environmental and social dimensions, and involving a multitude of diverse stakeholders, unveils limitations in state-of-the-art models which require conceptual and methodological advancements. This thesis proposes a novel methodological conceptualisation of energy modelling, specifically conceived to go beyond such limitations. Energy modelling questions should be tackled from multiple perspectives, or layers. The energy system representation should be only one of such layers, to be systematically integrated with: the generation of demand profiles; the assessment of the impact of energy policies beyond the energy sector; and the mathematical control of the structural uncertainty arising from the identification of a single, optimal solution. I call this a multi-layer energy modelling methodology. This work formalises and demonstrates such methodology, while also presenting original scientific contributions specific to individual layers. Results show that heat-electricity integration is a no-regret option when efficiency and flexibility improvements are substantial, as for power-to-heat systems for domestic hot water. Otherwise, it requires integration within a broader renewable capacity expansion plan: for Italy, the expansion of PV capacity emerges as a must-have, whilst there is flexibility of choice for decisions like where to locate potentially problematic capacity, such as large wind farms.

La decarbonizzazione dei sistemi energetici è urgente. A tal fine, l’espansione della capacità rinnovabile su larga scala e la parallela elettrificazione dei settori dei trasporti, del riscaldamento e dell’industria, sono sempre più riconosciute come passaggi essenziali. Particolarmente promettente è l’integrazione tra la produzione di calore residenziale e la generazione di potenza attraverso tecnologie “power-to-heat”, che offrono benefici sia in termini di efficienza nella produzione del calore, sia in termini di flessibilità nella generazione di potenza e di penetrazione delle rinnovabili. Nondimeno, gli effetti che un’elettrificazione su larga scala del calore residenziale avrebbe sulla domanda di elettricità, sulle necessità di espansione della capacità di generazione di potenza e sulle catene di approvigionamento di altri settori sono ancora da quantificarsi. Per far luce su problemi simili, è consuetudine avvalersi di modelli computazionali del sistema energetico. Tuttavia, la complessità del problema, che include aspetti tecnici, economici, ambientali e sociali, e che coinvolge una moltitudine di soggetti con diverso potere decisionale, rivela sostanziali limitazioni nello stato dell’arte, che richiedono avanzamenti concettuali e metodologici. Questa tesi propone una nuova concettualizzazione della modellazione energetica, specificatamente concepita per consentire il superamento dei limiti sopracitati. I problemi complessi della modellazione energetica devono essere affrontati sulla base di prospettive (“layer”) molteplici. La rappresentazione del sistema energetico dovrebbe essere solo una di queste, da integrarsi sistematicamente con: la simulazione di profili di domanda; la valutazione dell’impatto delle politiche energetiche oltre i confini del settore energetico stesso; e il controllo dell’incertezza strutturale associata all’identificazione di un’unica soluzione ottimale. Questo lavoro formalizza e dimostra tale metodologia, che prende il nome di “multi-layer energy modelling”, presentando al contempo contributi scientifici originali relativi a specifici “layer”. I risultati mostrano come l’elettrificazione calore-elettricità sia sempre positiva laddove caratterizzata da miglioramenti sostanziali di efficienza e flessibilità, come nel caso delle tecnologie power-to-heat per la produzione di acqua calda sanitaria. Diversamente, l’integrazione settoriale risulta efficace solo se inserita all’interno di una strategia più ampia di espansione di capacità rinnovabile. Per l’Italia, l’ulteriore espansione di capacità fotovoltaica su tutto il territorio appare essenziale in tal senso, mentre esiste ampia flessibilità per l’individuazione di siti per l’installazione di tecnologie potenzialmente problematiche, come i grandi parchi eolici.