Curtailment in a highly-renewable power system: a framework for scenario-based analysis

The rapid integration of variable renewable energy sources (VRES) in power systems is increasingly associated with renewable energy curtailment: power plants are forced to reduce or even shut down production due to grid constraints or insufficient demand, even when resources are abundant. Capturing the volume of untapped renewable potential is not straightforward, especially in future scenarios. To address this issue, the first objective of this thesis is to propose a reproducible methodology to quantify renewable energy curtailment within any power system. The second objective is to evaluate the prospective economic impact on renewable power producers, focusing on lost revenues. This is made possible by the high spatial resolution of the designed framework, enabling site-specific analysis. The methodology is applied to the Dutch energy system, a compelling case study due to its grid congestion, and covers both current conditions and three 2030 scenarios. Results show a lower bound for present curtailment levels of around 1% of potential VRES generation, a value projected to rise up to 3% by 2030 under current policies. An in-depth analysis of the potential impact on offshore wind projects indicates that the profitability of such assets may be compromised, with revenue losses of up to 3% of CAPEX in most affected locations. Scenario comparison highlights the crucial role of flexibility assets, which can drastically mitigate curtailment, as well as the importance of a balanced energy mix where system dependence on wind and solar is comparable. Lastly, interconnection emerges as the decisive factor in evaluating curtailment risk: a sensitivity analysis on export availability demonstrates that external market conditions strongly affect curtailment levels. By delivering a replicable workflow, this thesis provides a practical tool to support investment and policy decisions and accelerate renewable integration in congested power systems.

La rapida integrazione delle fonti energetiche rinnovabili (FER) non dispacciabili nei sistemi energetici è sempre più spesso associata al fenomeno del curtailment: gli impianti rinnovabili sono costretti a ridurre o arrestare la produzione a causa di vincoli di rete o domanda insufficiente, anche quando le risorse energetiche sono abbondanti. Quantificare il potenziale rinnovabile inutilizzato non è semplice, soprattutto in scenari futuri. Per far fronte a questo problema, il primo obiettivo di questa tesi è proporre una metodologia replicabile per valutare l’impatto del curtailment su qualsiasi sistema energetico. Il secondo obiettivo è la valutazione dell'impatto economico sui singoli generatori rinnovabili, grazie all’elevata risoluzione spaziale del framework impiegato che consente approfondimenti zonali mirati. La metodologia descritta viene applicata al sistema energetico olandese, caso studio ideale vista l’elevata congestione della rete. Viene simulata dapprima la situazione attuale, poi si esplorano tre scenari per il 2030. I risultati mostrano livelli di curtailment attuali intorno all’1% della generazione potenziale da FER, una cifra destinata però ad aumentare fino al 3% nello scenario più plausibile per il 2030. Un’analisi approfondita dell’impatto potenziale sui progetti eolici offshore indica che la redditività di tali impianti potrebbe diminuire considerevolmente. Il confronto tra scenari evidenzia il ruolo cruciale degli asset di flessibilità, che possono abbattere drasticamente i livelli di curtailment, nonché l’importanza di un mix energetico equilibrato che dipenda da eolico e solare in misura comparabile. Infine, l’interconnessione emerge come fattore decisivo: un’analisi di sensitività sulla disponibilità dell’export dimostra che le condizioni del mercato esterno sono determinanti nel computo dei livelli nazionali di curtailment. Offrendo un flusso di lavoro replicabile, questa tesi fornisce uno strumento pratico per supportare decisioni di investimento e politiche energetiche, nonché accelerare l’integrazione delle FER nei sistemi energetici a rischio di congestione.