Comparative analysis of bottom-up energy system models: a case study of the Brazilian power sector

Climate change is continuously emerging as a global concern, affecting governments’ policies and decisions. In this framework, energy modelling is facing a significant challenge and represents the most powerful tool to analyse and understand the increasing complexity of the electricity systems in the energy transition era. However, choosing the most appropriate tool can often prove to be challenging. The extensive amount of existing energy modelling tools makes it difficult to comprehensively evaluate which one is most suitable for a specific energy strategy development. Furthermore, some models often require extensive prior knowledge and expertise in programming. Consequently, there is a need for a more comprehensive methodology that can provide customized insights on energy planning. This thesis aims to conduct an analysis of the various energy modelling tools available, providing a new classification, based on the user point of view, to identify the most suitable tool for specific needs based on the inputs required, the outputs that the model is able to provide, and the required learning curve. The first part involves an in-depth analysis of the recent literature, focusing on the strengths and weaknesses of different energy models. After this selection process, a case study examining the electric system of Brazil is undertaken and analysed using two selected tools, Calliope and OSeMOSYS. Both models use a bottom-up approach and take as inputs data related to energy demand and specific constraints on technologies. The results obtained from the analysis demonstrate qualitative distinctions between the two energy modelling tools, underscoring the influence of their underlying structures and emphasizing the criticality of selecting an appropriate model based on the specific objectives of the implemented case study. These disparities elucidate the need for a careful evaluation and discernment when choosing a modelling tool to ensure its alignment with the desired analytical goals. Moreover, in light of these findings, several considerations are done on the future development of energy modelling tools, taking into account the challenges that lie ahead and the potential avenues for advancement.

Il cambiamento climatico rappresenta oggigiorno un tema sempre più cruciale in ambito globale, influenzando le politiche e le decisioni di governi e organizzazioni internazionali. In questo contesto, la modellazione energetica si confronta con una sfida significativa e rappresenta uno strumento fondamentale per analizzare e comprendere l'aumento della complessità dei sistemi elettrici nell'era della transizione energetica. Tuttavia, scegliere lo strumento più appropriato può spesso rivelarsi difficile. L'ampia categorizzazione dei sistemi di modellazione energetica rende difficile valutare in modo completo quale sia il più adatto per uno scenario energetico specifico. Inoltre, alcuni modelli richiedono una vasta conoscenza preventiva e competenze nella programmazione. Di conseguenza, è necessaria una metodologia più completa che possa fornire approfondimenti personalizzati sulla pianificazione energetica. Questa tesi si propone di condurre un'analisi dei vari strumenti di modellazione energetica disponibili, fornendo una nuova classificazione per identificare lo strumento più adatto a specifiche esigenze. La prima parte prevede un'analisi approfondita della recente letteratura, concentrandosi sui punti di forza e sulle debolezze dei diversi modelli energetici. Dopo questo processo di selezione, la metodologia proposta viene applicata al sistema elettrico del Brasile utilizzando i due strumenti di modellazione energetica selezionati, Calliope e OSeMOSYS. Entrambi i modelli utilizzano un approccio bottom-up e hanno come input dati relativi alla domanda di energia e vincoli specifici che caratterizzano le diverse tecnologie di produzione di energia. I risultati ottenuti dall'analisi mostrano distinzioni qualitative tra i due strumenti di modellazione energetica, evidenziando l'influenza delle loro caratteristiche intrinseche, come la risoluzione spazio-temporale e la granularità del modello in termini tecnologici, sottolineando così l'importanza di selezionare un modello appropriato in base agli obiettivi specifici del caso studio implementato. Queste disparità mettono in luce la necessità di una valutazione e di una scelta oculata nella scelta di uno strumento di modellazione per garantire la sua conformità con gli obiettivi analitici desiderati. Inoltre, alla luce di questi risultati, vengono effettuate diverse considerazioni sul futuro sviluppo degli strumenti di modellazione energetica, tenendo conto delle sfide che si presentano e delle potenziali direzioni di sviluppo.