Beyond optimal cost in energy models : overview of methodologies and application to the Italian energy system as a case-study

Energy system optimization models (ESOMs) have helped policy makers over the years outlining the most cost-effective strategies for the deployment of energy technologies. However, research in the last years has shown how the least cost strategy often neglects other important issues, such as land usage or the mismatch in energy balance between regions. For this reason, policy makers are showing an increased interest in finding alternative strategies, as long as the increase in total cost is limited with respect to the cost-optimized strategy. This thesis, hence, provides an overview of all existing methods to generate near optimal solutions in ESOMs, and implements one of these methodologies into a supply-side ESOM, named Hypatia, applying the methodology to a case study inspired by the decarbonization of the Italian electricity sector by 2050. The near optimal solutions obtained, which refer to alternative decarbonization strategies, present different electricity mixes at equal electricity produced throughout the planning period. Highest land usage reduction is obtained when solar photovoltaic is preferred in the electricity mix. Conversely, the capacity factor is maximized for the whole sector in 2050 when hydroelectric, biofuels and waste power plants are prevalent in the mix. Lastly, the alternative strategy with the lowest total carbon dioxide emissions entails the largest deployment of new wind on-shore capacity, among all scenarios found. Overall, results present insightful energy strategies, which can be tailored to policy makers’s needs worldwide.

I modelli di ottimizzazione dei sistemi energetici (in inglese ESOM) hanno aiutato politici e legislatori nel corso degli anni a delineare le strategie più economiche per l’implementazione di nuove tecnologie energetiche a lungo termine. Tuttavia, la ricerca degli ultimi anni ha dimostrato come la strategia dal minimo costo spesso trascuri altre questioni importanti, come l’uso del suolo o il disallineamento del bilancio energetico tra le regioni. Pertanto, i responsabili politici stanno mostrando un crescente interesse nel trovare strategie alternative, purché l’aumento del costo totale rispetto alla strategia più economica sia limitato. Questa tesi fornisce, dunque, una panoramica di tutti i metodi esistenti per generare soluzioni quasi ottimali negli ESOMs, e l’implementazione di una o più di queste metodologie in un ESOM incentrato sul lato generazione dell’energia, chiamato Hypatia, applicando la metodologia a un caso di studio ispirato dalla decarbonizzazione del settore elettrico italiano entro il 2050. Tutte le strategie alternative generate presentano un diverso mix energetico, a parità di energia elettrica prodotta lungo tutto il periodo di pianificazione. Gli scenari mostrano una prevalenza di solare fotovoltaico nel mix di generazione con la più alta riduzione dell’uso del suolo. Al contrario, la massimizzazione del fattore di capacità dell’intero settore elettrico al 2050 si ottiene con una prevalenza nel mix energetico di centrali idroelettriche e centrali alimentate da biocarburanti e rifiuti. Infine, tra tutti gli scenari individuati, la strategia alternativa con le più basse emissioni totali di anidride carbonica comprende il più grande dispiegamento di nuova capacità eolica on-shore. Nel complesso, i risultati mostrano delle strategie energetiche a diverso carattere nozionistico, che possono quindi essere adattate alle esigenze dei responsabili politici di tutto il mondo.