Role of flexibility in future energy systems : an implementation in the OMNI-ES model

Future energy systems with high penetration of renewables are expected to feature significant flexibility requirements, both in terms of cyclic operation of thermal plants and of reserve margins. These aspects are often underrated in the energy system models that are used to investigate the evolution of energy systems towards decarbonisation. The aim of this work is to assess the integration of thermoelectrical plants constraints related to cycling costs and appropriate reserve requirements in the OMNI-ES model, a multi-node, multi-vector, and multi-sector integrated energy system linear model. The model is then applied to the Italian energy system in the target year 2050 to study a net-zero CO2 emission scenario, comparing the outcome to the results of previous versions of the model. Results shows that cycling costs of thermal plants do not have an important effect on the final system configuration, since they represent less than 0.1% of the total annual costs, which is the objective function to be minimized. But their main effect is to limit the overall ramps of thermal plants, smoothing their daily power output. The introduction of reserve requirements introduces stringent constraints, which result in a modified renewable sources mix and increased storage installations. Photovoltaic introduces higher reserve requirements, and its capacity is therefore decreased (reduction of 10.9%) in favour of wind power (increase of 8.1%). Storage systems (especially batteries) capacity increases because they offer fast response times, which can comply with fast reserves activation times. Reserve allocation is mostly determined by the operational characteristics of plants. Electrolysers, pumped hydro storage and batteries play a crucial role ensuring fast reserves, due to their fast response and starting times. Thermal plants are instead providing relevant margins of slower reserves, because of their longer reacting times.

Si prevede che i futuri sistemi energetici con un'elevata penetrazione di fonti rinnovabili avranno importanti requisiti di flessibilità, sia in termini di funzionamento ciclico degli impianti termici che di margini di riserva. Questi aspetti sono spesso trascurati nei modelli utilizzati per studiare l'evoluzione dei sistemi energetici verso la decarbonizzazione. L'obiettivo di questo lavoro è valutare l'integrazione dei limiti operativi di andamento ciclico delle centrali termiche, insieme ai relativi costi, e di appropriati requisiti di riserva nel modello OMNI-ES, un modello di sistema energetico integrato lineare, multi-nodo, multi-vettore e multi-settore. Il modello viene poi applicato al sistema energetico italiano nell'anno target 2050 per studiare uno scenario a zero emissioni nette di CO2, confrontando i risultati con quelli delle versioni precedenti del modello. I risultati mostrano che i costi delle centrali termiche non hanno un effetto rilevante sulla configurazione finale del sistema, in quanto rappresentano meno dello 0.1% dei costi annuali totali, che rappresentano la funzione obiettivo da minimizzare. Tuttavia, il loro effetto principale è quello di limitare le rampe complessive di tali impianti, tendendo ad appiattire il loro profilo giornaliero di produzione di energia. L'introduzione dei requisiti di riserva introduce vincoli stringenti, che richiedono una variazione del mix di fonti rinnovabili e aumento delle installazioni di stoccaggio. Il fotovoltaico introduce requisiti di riserva più elevati e, conseguentemente, la sua capacità installata viene ridotta (del 10.9%) a favore dell'eolico (aumento del 8.1%). La capacità dei sistemi di stoccaggio (in particolare le batterie) aumenta perché caratterizzati da tempi di risposta rapidi, capaci di soddisfare i tempi di attivazione delle riserve più veloci. L'allocazione dei margini di riserva è determinata principalmente dalle caratteristiche operative degli impianti. Gli elettrolizzatori, i sistemi di pompaggio e le batterie svolgono un ruolo cruciale nel garantire riserve veloci grazie a rapidi tempi di risposta e di attivazione. Le centrali termiche, invece, forniscono margini significativi di riserve più lente a causa dei loro tempi di risposta più lunghi.