Development of a Pyomo-based multi-zonal optimization model for the italian electricity system

The objective of this thesis is to explore and establish the context for the long-term transition of the Italian electricity system toward a decarbonized energy system, in line with the goals of the National Integrated Energy and Climate Plan (PNIEC 2024) and the Scenario Description Document (DDS 2024). The aim is to investigate under which techno-economic conditions the power generation sector can sustain deep emission reductions by 2050 and to understand the boundary constraints of a feasible transition in a cost-efficient way. In this respect, a multi-zonal optimization algorithm for the Italian power system was developed in Pyomo and solved with Gurobi. The model uses hourly resolution and minimizes overall system cost across three core years—2023, 2030, and 2050—as well, subject to real-world, technical, and policy constraints. The deployment and dispatch of renewables are determined endogenously within investment limits that account for siting potential, grid capabilities, and technology growth rates, enabling system evolution to be driven by pure economics. The results revealed that solar and wind generation gradually become the primary energy providers and serve as the system backbone, in combination with battery and pumped-hydro storage, and strengthened inter-zonal transmission, while thermoelectric plants will continue to play a small, residual role to supply adequacy during rare scarcity periods. Renewable generation can be controlled relative to the weather, and system reliability varies with climatic conditions, and a diversified flexibility portfolio is achieved. This study stresses the importance of coherent enabling conditions for the transition: timely grid expansion, streamlined permitting, long-term policy stability, on-time technology innovation, and technology and market coherence. When these variables evolve continuously, decarbonization is not an exogenous constraint but becomes the least-cost equilibrium of the energy system. Assembled with high temporal and spatial resolution and with an explicit treatment of Italy’s zonal market and price-formation mechanisms, the present work provides a transparent analytical framework for policymakers, system operators, and investors to design a resilient, flexible, fully renewable power system for Italy.

L'obiettivo di questa tesi è esplorare e delineare il contesto della transizione a lungo termine del sistema elettrico italiano verso un sistema energetico decarbonizzato, in linea con gli obiettivi del Piano Nazionale Integrato per l'Energia e il Clima (PNIEC 2024) e del Documento di Descrizione dello Scenario (DDS 2024). L'obiettivo è indagare in quali condizioni tecnico-economiche il settore della produzione di energia elettrica possa sostenere profonde riduzioni delle emissioni entro il 2050 e comprendere i limiti di una transizione efficiente in termini di costi. A questo proposito, è stato sviluppato in Pyomo un algoritmo di ottimizzazione multizonale per il sistema elettrico italiano, risolto con Gurobi. Il modello utilizza una risoluzione oraria e minimizza il costo complessivo del sistema in tre anni fondamentali - 2023, 2030 e 2050 - nel rispetto dei vincoli reali, tecnici e politici coerenti con quelli stabiliti nei documenti di pianificazione nazionale. L'impiego e la distribuzione delle energie rinnovabili sono determinati endogenamente entro i limiti di investimento che tengono conto del potenziale, delle capacità della rete e dei tassi di crescita tecnologica, consentendo all'evoluzione del sistema di essere guidata esclusivamente da fattori economici. I risultati indicano che l'energia solare ed eolica dominano, supportate da batterie, impianti idroelettrici di pompaggio e miglioramenti alla trasmissione, con centrali termoelettriche a copertura delle eventuali carenze. La generazione rinnovabile varia in base alle condizioni meteorologiche e alle annate, rendendo la produzione regolabile in base al clima, ottenendo un portafoglio diversificato e flessibile. Questo studio evidenzia l'importanza di condizioni favorevoli per la transizione, come l'espansione della rete, la semplificazione delle autorizzazioni, la stabilità politica, l'innovazione tecnologica e la coerenza tra tecnologia e mercato. Quando queste variabili evolvono, la decarbonizzazione diventa l'equilibrio a minor costo del sistema energetico. Assemblato con un'elevata risoluzione temporale e spaziale e con un trattamento esplicito del mercato zonale italiano e dei meccanismi di formazione dei prezzi, il presente lavoro fornisce un quadro analitico trasparente ai responsabili politici, agli operatori di sistema e agli investitori per progettare un sistema energetico resiliente, flessibile e completamente rinnovabile per l'Italia.