Towards a carbon-neutral economy: a multifaceted approach to integrated energy system modelling

This thesis investigates the energy transition towards decarbonisation through the development and application of the OMNI-ES (Optimisation Model for Network-Integrated Energy Systems) model, a novel framework designed to capture the complexity of multi-sector energy systems at a country scale. Adopting multiple modelling perspectives, the analyses provide valuable insights into different facets of the problem. Compared to state-of-the-art energy system models, this work introduces three key modelling novelties: (i) a formulation for endogenous end-use technology adoption, supporting a modelling-to-generate-alternatives approach that explores system-wide impact of different end-use technology choices; (ii) a multi-layer electricity network representation, which accounts for multiple voltage levels and distributed generation; and (iii) novel Benders decomposition methods, which improve the computational tractability of large-scale energy system models. While applications focus on the evolution of the Italian energy system, the identified general trends extend beyond the Italian context, contributing to a broader understanding of the decarbonisation problem. Results highlight the need for an integrated approach to energy system modelling. The inclusion of all sectors and energy vectors is crucial to avoid underestimating technical requirements and overestimating resource availability. The endogenous selection of end-use technologies proves particularly impactful, reducing system costs by 9% and causing variations up to 50% in conversion and storage capacities and energy vector consumptions. Different dynamics of technological competition are observed depending on the sector. Battery electric vehicles and electric heat pumps emerge as no-regret options, while a clear technological dominance is absent in industrial heat and steelmaking, requiring broader system considerations. Electrification can increase the need for battery storage and firm generation capacity by up to +70% and +40%, while hydrogen deployment in end uses can increase the total electricity consumption of by up to +20%. Modelling of liquid fuels emerges as essential, with stricter energy independence requirements increasing renewable generation capacity by 10-30% and hydrogen use by 20-60%. The introduction of a multi-layer electricity network representation shows that the added complexity of managing distributed power generation within a complex network structure extends beyond the power sector, with substantial variations in power generation capacities (+20-40%) and battery storage (+90%), as well as in electrolysis capacity (+20%), hydrogen consumption (+25%), and natural gas use (-20%). Overall, this thesis advances the understanding of economy-wide decarbonisation, demonstrating that integrated, holistic planning is essential for designing robust and effective decarbonisation strategies.

Questa tesi affronta il tema della transizione energetica verso la decarbonizzazione attraverso lo sviluppo e l'applicazione del modello OMNI-ES (Optimisation Model for Network-Integrated Energy Systems), che ambisce a cogliere la complessità dei sistemi energetici multi-settore su scala nazionale. Adottando molteplici prospettive modellistiche, le analisi svolte forniscono spunti su diverse dimensioni del problema. Rispetto allo stato dell’arte, questo lavoro introduce tre importanti novità metodologiche: (i) una formulazione per la selezione endogena delle tecnologie di uso finale, che supporta un approccio di tipo modelling-to-generate-alternatives che consente di valutare l’impatto sistemico di diverse scelte sulle tecnologie di domanda; (ii) una rappresentazione multilivello della rete elettrica, che considera la presenza di diversi livelli di tensione e la generazione distribuita; e (iii) nuovi metodi di decomposizione, che permettono di migliorare le prestazioni computazionali dei modelli di sistemi energetici di grande scala. Sebbene le applicazioni si concentrino sull’evoluzione del sistema energetico italiano, le tendenze identificate hanno una valenza più generale, contribuendo alla comprensione del problema della decarbonizzazione anche in altri contesti. I risultati evidenziano l’importanza di un approccio integrato alla modellazione dei sistemi energetici. L’inclusione di tutti i settori e i vettori energetici è fondamentale per evitare di sottostimare i requisiti tecnici e sovrastimare la disponibilità delle risorse. La selezione endogena delle tecnologie di uso finale si rivela particolarmente impattante, permettendo una riduzione dei costi di sistema del 9% e determinando variazioni fino al 50% nelle capacità di conversione e accumulo e nei consumi di vettori energetici. Le dinamiche di competizione tecnologica variano sensibilmente tra i diversi settori. I veicoli elettrici a batteria e le pompe di calore elettriche emergono come soluzioni preferibili in tutti gli scenari, mentre nei settori del calore industriale e della siderurgia primaria non si osserva una chiara tecnologia dominante, richiedendo valutazioni più ampie a livello di sistema. L’elettrificazione può aumentare il fabbisogno di accumulo elettrico e di capacità di generazione programmabile rispettivamente fino al +70% e +40%, mentre l’impiego dell’idrogeno negli usi finali può incrementare il consumo elettrico complessivo fino al +20%. La modellazione dei combustibili liquidi si dimostra essenziale. Requisiti più stringenti di indipendenza energetica per tali combustibili possono portare a un aumento della capacità rinnovabile del 10-30% e dell’utilizzo di idrogeno del 20-60%. L’introduzione di una rappresentazione multilivello della rete elettrica mostra come la complessità aggiuntiva nella gestione della generazione distribuita si ripercuota oltre il settore elettrico, generando variazioni significative nelle capacità di generazione (+20-40%), nell’accumulo a batteria (+90%), nell’elettrolisi (+20%), nel consumo di idrogeno (+25%), e nell’uso del gas naturale (-20%). Complessivamente, questa tesi contribuisce ad approfondire la comprensione del processo di raggiungimento di emissioni nette nulle, dimostrando come una pianificazione integrata sia imprescindibile per sviluppare strategie di decarbonizzazione efficaci e robuste.