Creation of a pan-African energy planning model for development of long-term strategies

Africa power sector is still underdeveloped and the continent suffers of limited electricity supply and access to electricity. Nevertheless, Africa has been experiencing substantial economic and demographic growth over the last years, which have been accompanied by increasing electrification rates and expansion of power systems. In a context where climate change has become one of global fundamental concerns, the path that the continent will choose to meet its growing electricity demand will affect the entire world. Energy policy can have an essential impact on the evolution that the electricity sector will undergo, but it should always rely on technical findings. Energy planning based on results from accurate energy models can give a valuable support in designing effective energy policies. In this project, a new energy model, named CalAMo (Calliope Africa Model), is created to describe the existing Africa power system and to optimize its expansion under a set of different scenarios. CalAMo is a multi-nodal dynamic bottom-up energy model created in the Calliope environment. Calliope offers great flexibility since it allows to customize technologies and problem constraints and can be used in operational mode, which optimizes the operation of the existing power system, and in planning mode, which, besides operating it, installs new capacity of most suitable technologies to meet imposed constraints. Particular attention is dedicated to VREs. Every on-grid VRE power station in Africa is modelled in its actual location, considering its specifications and local availability of the utilized resource. The model is validated by comparing its results for the existing power system with data from IEA, to verify that they are representative of the real energy system. Findings show results are descriptive of the actual system, with minor variations mainly because of differences in climatic years. CalAMo is then used to study scenarios for 2040 based on different demand projections from IEA’s Africa Energy Outlook. Further scenarios are analysed imposing a CO2 cap that complies with a 1.5 °C increase of global temperature. Investment costs resulting from scenarios with an emission cap result significantly higher than in unconstrained scenarios, while total costs are only marginally higher in most regions. This suggests that constraining expansion of the power system with an emission cap does not result in significant costs increase, but policies to stimulate investments in low-emitting technologies could be required.

Il settore energetico africano è ancora sottosviluppato e il continente soffre pesanti limitazioni in termini di fornitura elettrica e accesso all'elettricità. Tuttavia, negli ultimi anni l'Africa ha registrato una notevole crescita economica e demografica, accompagnata da un aumento dei tassi di elettrificazione e dall'espansione dei sistemi energetici. In un contesto in cui il cambiamento climatico è diventato uno delle principali preoccupazioni a livello globale, il percorso che il continente sceglierà per soddisfare la sua crescente domanda elettrica influenzerà il mondo intero. Le politiche energetiche possono avere un impatto importante sull'evoluzione che subirà il settore dell'elettricità, ma queste dovrebbero sempre essere basate su risultati tecnici. La pianificazione energetica basata su risultati di accurati modelli energetici può fornire un valido supporto nella creazione di politiche energetiche efficaci. In questo progetto, viene creato un nuovo modello energetico, denominato CalAMo (Calliope Africa Model), per descrivere il sistema energetico africano esistente e ottimizzare la sua espansione sotto una serie di diversi scenari. CalAMo è un modello energetico bottom-up dinamico multi-nodale creato nell'ambiente Calliope. Calliope offre una grande flessibilità in quanto consente di personalizzare le tecnologie e i vincoli del problema e può essere utilizzato in modalità operativa, che ottimizza il funzionamento del sistema energetico esistente, e in modalità di pianificazione, che installa nuove capacità delle tecnologie più idonee a soddisfare i vincoli imposti. Particolare attenzione è dedicata alle energie rinnovabili variabili. Ogni impianto rinnovabile collegato alla rete africana è modellato nella sua posizione reale, considerando le sue specifiche e la disponibilità locale della risorsa utilizzata. Il modello viene convalidato confrontando i risultati ottenuti per il sistema energetico esistente con i dati della IEA, per verificare che siano rappresentativi del sistema reale. La descrizione data dal modello risulta essere rassomigliante alla situazione reale, con differenze minori dovute principalmente a differenze tra anni climatici. CalAMo viene quindi utilizzato per studiare scenari per il 2040 sulla base di diverse proiezioni della domanda derivate dall’Africa Energy Outlook della IEA. Vengono analizzati ulteriori scenari che impongono un limite sulle emissioni di CO2 conforme ad un aumento della temperatura globale di 1,5 °C. I costi di investimento derivanti da scenari con un limite sulle emissioni risultano significativamente più elevati rispetto a quelli negli scenari non vincolati, mentre i costi totali sono solo leggermente più elevati nella maggior parte delle regioni. Ciò suggerisce che limitare l'espansione del sistema energetico con una soglia sulle emissioni non comporta un aumento significativo dei costi, ma politiche per stimolare gli investimenti in tecnologie a basse emissioni potrebbero essere necessarie.