Exploratory assessment of adaptive pathways toward renewable energy systems: a modelling framework facilitating decision making under deep uncertainty

Abstract

The European energy and climate policy is frequently revised in order to be aligned with uncertain factors, such as the influence of human activity on climate change, geopolitical tendencies, and energy market dynamics. Given such uncertainties, member states encounter difficulties in formulating their national contributions via the National Energy and Climate Plans, since, in addition to strengthening clean energy objectives, modifications to European energy and climate policy may entail structural adjustments, such as the minimization of natural gas use as an intermediate fuel during the energy transition. Hence, member states must not only select new technological trajectories, but also make decisions for implemented expenditures that may contradict with the revised European policy. Given the notable uncertainties that the European Union has encountered in recent years, including the economic crisis, the COVID-19 pandemic, and the energy crisis of 2022, energy policy and the energy models supporting it must shift away from optimized projections made under linear assumptions. Instead, modelling simulations and the consequent energy policy formulation, should be characterized by adaptability to non-linear trends. This is the case of exploratory assessment of adaptive pathways toward renewable energy systems. The purpose of this doctoral dissertation is the development of a modeling framework that: • Performs exploratory analysis of policy/strategy options, to identify those that perform well under deep uncertainty, while specifying coping strategies that can be implemented in the case of realization of unlikely uncertainties. • Supports adaptive policy making, by specifying why and when a policy change should be sought, which policies/strategies are prone to specific uncertainties, and therefore making explicit what should be monitored to trigger adaptation during actual implementation. • Supports stepwise implementation of policies. This means that a policy or strategy may be chosen for implementation for a specific period of time by a stakeholder, and the results, as well as the plausible policy/strategy pathways forward, are updated almost instantly. With this feature, a tight participatory modelling process is feasible. Based on the above, the doctoral dissertation answers to the following main research question: “How could energy models support the exploratory assessment of adaptive policies towards the design of electricity systems based on renewables, which are resilient to contextual uncertainties? ”More precisely, the dissertation focuses on three major challenges during the shift towards energy systems that are abundant in renewable energy sources (RES). • consumer engagement in the energy transition, • minimum waste of renewable energy, and • shielding the electricity system from external disruptions. The application of the modelling framework to the case study of Greece’s energy transition showcased its usefulness towards adaptive and robust policymaking. Specifically, policies for incentivizing citizens to participate in the energy transition through investments in small-scale photovoltaic systems were evaluated. Subsequently, mixes of RES and storage which minimize curtailment were explored, identifying those that minimize the cost of integrating renewable energy into the electricity mix. Finally, power generation mixes which disengage Greece’s electricity generation from natural gas, while concurrently achieving carbon emission and renewable energy targets in an economically efficient manner were assessed. Overall, the suggested modelling framework improves existing simulation practices, by supporting the development of energy strategies and policies which are robust under uncertainty, facilitating that way policymakers’ short- and long-term energy planning.

Η συχνότητα αναθεώρησης της Ευρωπαϊκής ενεργειακής και κλιματικής πολιτικής, είναι αποτέλεσμα της προσπάθειας εναρμονισμού της με αβέβαιες εξελίξεις, όπως η επίδραση της ανθρώπινης δραστηριότητας στην κλιματική αλλαγή, οι γεωπολιτικές εντάσεις ή οι χρηματιστηριακές τιμές ενέργειας. Εν μέσω τέτοιων αβεβαιοτήτων, τα κράτη μέλη συναντούν δυσκολίες ως προς τον σχεδιασμό των εθνικών τους συνεισφορών μέσω των Εθνικών Σχεδίων για την Ενέργεια και το Κλίμα, διότι εκτός από εντατικοποίηση των στόχων καθαρής ενέργειας, οι αναθεωρήσεις των Ευρωπαϊκών στρατηγικών και κανονισμών μπορεί να περιέχουν διαρθρωτικές αλλαγές, όπως η μείωση της χρήσης φυσικού αερίου ως ενδιάμεσο καύσιμο κατά την ενεργειακή μετάβαση. Κατά συνέπεια, τα κράτη μέλη, όχι μόνο πρέπει να επιλέξουν ένα νέο τεχνολογικό μονοπάτι, αλλά πρέπει να πάρουν και αποφάσεις για επενδύσεις που έχουν ήδη ξεκινήσει και ενδέχεται να έρχονται σε αντίθεση με την επικαιροποιημένη στρατηγική της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Λαμβάνοντας υπόψη σημαντικές αβεβαιότητες που αντιμετώπισε η Ευρωπαϊκή Ένωση τα τελευταία χρόνια (όπως η οικονομική κρίση, η πανδημία COVID-19 και η ενεργειακή κρίση του 2022), γίνεται εμφανές ότι ο ενεργειακή πολιτική/στρατηγική και τα αντίστοιχα ενεργειακά μοντέλα που την υποστηρίζουν, πρέπει να απομακρυνθούν από προβλέψεις που βασίζονται σε βελτιστοποιήσεις υπό γραμμικές υποθέσεις. Αντίθετα, τόσο τα μοντέλα όσο και οι ενεργειακές στρατηγικές/πολιτικές, θα πρέπει να χαρακτηρίζονται από ικανότητα προσαρμογής σε περιπτώσεις πραγματοποίησης μη-γραμμικών εξελίξεων. Αυτή είναι η περίπτωση της διερευνητικής αξιολόγησης προσαρμοστικών μονοπατιών για την μετάβαση σε συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ) υπό συνθήκες μεγάλης αβεβαιότητας.Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός πλαισίου μοντελοποίησης το οποίο: • Πραγματοποιεί διερευνητική αξιολόγηση διαφόρων πολιτικών/στρατηγικών προς ενεργειακά συστήματα πλούσια σε ΑΠΕ, για τον εντοπισμό εκείνων που αποδίδουν καλύτερα, καθορίζοντας παράλληλα εναλλακτικές πολιτικές/στρατηγικές για την αντιμετώπιση συνθηκών αβεβαιότητας. • Υποστηρίζει τον προσαρμοστικό σχεδιασμό μονοπατιών ενεργειακής μετάβασης, καθορίζοντας γιατί και πότε πρέπει να γίνει αλλαγή πολιτικής/στρατηγικής, καθώς και ποιες πολιτικές/στρατηγικές είναι ευάλωτες σε συγκεκριμένες αβεβαιότητες. Με αυτό τον τρόπο γίνεται εμφανές τι πρέπει να παρακολουθείται κατά την υλοποίηση των ενεργειακών στρατηγικών/πολιτικών, δίνοντας την δυνατότητα στους υπευθύνους χάραξης πολιτικής και στρατηγικής να παρακολουθούν συστηματικά την απόδοση των επιλογών τους, και να ενσωματώνουν διορθωτικές κινήσεις σε μελλοντικές αποφάσεις. • Υποστηρίζει την σταδιακή εφαρμογή πολιτικών/στρατηγικών και την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων τους πριν την λήψη μακροπρόθεσμων αποφάσεων. Με αυτό τον τρόπο, η χάραξη μονοπατιών πολιτικής είναι διαδραστική, και επιτυγχάνεται στενή συνεργασία μεταξύ μοντέλου και υπεύθυνου χάραξης πολιτικής/στρατηγικής.Με βάση τα παραπάνω, η διδακτορική διατριβή απαντάει στο εξής κύριο ερευνητικό ερώτημα:«Πως μπορούν τα ενεργειακά μοντέλα να υποστηρίξουν την διερευνητική αξιολόγηση προσαρμοστικών μονοπατιών για την μετάβαση σε συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας υπό συνθήκες μεγάλης αβεβαιότητας;»Συγκεκριμένα, αναλύονται τρία καίρια ζητήματα για την μετάβαση προς ενεργειακά συστήματα πλούσια σε ΑΠΕ: • Ενεργός συμμετοχή των πολιτών στην ενεργειακή μετάβαση.• Ελαχιστοποίηση περικοπών ανανεώσιμης ενέργειας. • Βιωσιμότητα του ενεργειακού συστήματος υπό συνθήκες αβεβαιότητας.Η εφαρμογή του πλαισίου μοντελοποίησης στην μελέτη περίπτωσης της μετάβασης του συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας της Ελλάδας, επέτρεψε την αξιολόγηση της πληρότητας και της αξιοπιστίας των αποτελεσμάτων που παρέχει. Συγκεκριμένα, αρχικά αξιολογήθηκαν πολιτικές για την εμπλοκή των πολιτών σε επενδύσεις ΑΠΕ μικρής κλίμακας. Στην συνέχεια αναλύθηκαν μίγματα ΑΠΕ και αποθήκευσης τα οποία ελαχιστοποιούν τις περικοπές ενέργειας, εντοπίζοντας εκείνα που πετυχαίνουν ελάχιστο κόστος ενσωμάτωσης της ενέργειας ΑΠΕ στο μίγμα ηλεκτροπαραγωγής. Τέλος, μελετήθηκαν ενεργειακά μίγματα τα οποία αποσυνδέουν την ηλεκτροπαραγωγής της Ελλάδας από το φυσικό αέριο, ενώ ταυτόχρονα πετυχαίνουν τους στόχους εκπομπών άνθρακα και ανανεώσιμης ενέργειας, με οικονομικά αποδοτικό τρόπο. Συνολικά, οι προσεγγίσεις μοντελοποίησης που αναπτύχθηκαν βελτιώνουν τα υφιστάμενα υπολογιστικά εργαλεία προσομοίωσης, αναδεικνύοντας ενεργειακές στρατηγικές και πολιτικές οι οποίες αποδίδουν καλά υπό πολλά σενάρια αβεβαιότητας του μέλλοντος. Με αυτό τον τρόπο, οι υπεύθυνοι χάραξης πολιτικής και στρατηγικής μπορούν να βοηθηθούν τόσο κατά τον βραχυπρόθεσμο όσο και κατά τον μακροπρόθεσμο ενεργειακό σχεδιασμό.