Exploring sustainable energy system scenarios integrating Life-Cycle CO2 emissions and water consumption

The transition towards a sustainable and decarbonized energy system requires a comprehensive approach that extends beyond the traditional cost-optimal solutions. This thesis explores the integration of life-cycle greenhouse gas (GHG) emissions and water consumption into Energy System Modelling (ESM), analysing how these environmental dimensions influence the long-term energy planning. Several energy system scenarios are developed for the Italian 2050 scenario to assess the implications of deep decarbonization targets on GHG emissions and water use. The study adopts the OMNI-ES modelling framework, developed by the Group of Energy Conversion Systems (GECoS) of the Department of Energy at Politecnico di Milano. This framework is here extended to include aspects from Life Cycle Assessment (LCA) and Water Footprint methodologies, which provide impact data for renewable, nuclear, and storage systems technologies, as well as for energy vectors involved in the energy transition. The integration of these environmental aspects data into OMNI-ES follows two complementary approaches: in the ex-post analysis, LCA- based GHG emissions and water use are evaluated after the optimization of the 2050 reference scenario; in the embedded analysis, the incorporation is made through environmental constraints within the optimization problem, capturing the direct influence in the identification of optimal energy system configurations. Results reveal that the inclusion of these environmental factors significantly modifies the optimal energy mix, often with the need for external compensations and leading to increased overall system costs. The resulting optimal configurations become largely dominated by wind power generation, the most environmentally performant solution in both dimensions, while photovoltaic capacity decreases notably. Furthermore, nuclear power emerges as the most water-intensive technology due to its high operational requirements, resulting in its exclusion when water use is constrained. Overall, this thesis emphasizes the importance of integrating the life-cycle environmental aspects into energy system design, with a particular focus on water resources, aiming at a sustainable and resilient transition towards the net-zero while ensuring energy system adaptability also under water scarcity scenarios.

La transizione verso un sistema energetico sostenibile e decarbonizzato richiede un approccio che vada oltre le tradizionali soluzioni basate sulla sola ottimizzazione dei costi. Questa tesi esplora l’integrazione delle emissioni gas serra (GHG) e il consumo idrico lungo l’intero ciclo di vita nella modellizzazione dei sistemi energetici (ESM), analizzando come questi aspetti ambientali influenzino la pianificazione energetica sul lungo termine. Diversi scenari di sistema energetico sono sviluppati per l’Italia al 2050 per valutare le implicazioni della decarbonizzazione su emissioni e consumo d’acqua. Lo studio adotta il modello OMNI-ES, sviluppo dal Gruppo di Sistemi di Conversione dell’Energia (GECoS) del Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano. In questo framework, le metodologie Life Cycle Assessment (LCA) e Water Footprint vengono utilizzate per raccogliere dati coerenti sulle tecnologie rinnovabili, nucleare e accumulo, assieme ai vettori energetici coinvolti nella transizione. I dati ambientali sono integrati in OMNI-ES attraverso due approcci: un’analisi ex-post, dove emissioni e il consumo idrico vengono valutati dopo l’ottimizzazione dello scenario di riferimento al 2050, e un’analisi integrata, in cui i vincoli ambientali sono inseriti direttamente nel processo di ottimizzazione cogliendo l’influenza diretta sulla configurazione del sistema energetico. I risultati mostrano che l’inclusione dei vincoli ambientali modifica significativamente il mix ottimale, richiedendo compensazioni esterne che aumentano i costi complessivi. La configurazione risulta dominata dall’eolico, soluzione più performante in entrambe le dimensioni ambientali, mentre la capacità fotovoltaica diminuisce sensibilmente. Inoltre, il nucleare emerge come la tecnologia più idro-esigente, con la sua esclusione in presenza di limiti all’uso dell’acqua. In conclusione, la tesi evidenzia l’importanza di integrare gli aspetti ambientali nella modellizzazione dei sistemi energetici, con focus alla risorsa idrica, per una transizione sostenibile e resiliente al net-zero assicurando l’adattabilità del sistema anche in condizioni di stress idrico.