Accelerating the Transition: Energy systems modelling under low-carbon policies

Abstract

As the dangers of anthropogenic climate change become clearer on an almost daily basis, energy systems modelling is fast becoming an essential component of modern societies, following a trend which begun some decades ago. As discussed in the IPCC’s fifth assessment report in 2014, working group III, energy systems are responsible for the largest portion of greenhouse gas emissions, and have the largest and most cost- effective potential for climate change mitigation. With this in mind, it is crucial that we have robust energy models, combining the energy, economy and environment societal components, and that these can provide us with clear paths towards decarbonization and the accelerated introduction of renewable energy. Some of the main issues that have been raised in recent years regarding these models include the fact that the process of decision-making may be extremely hard to capture, and that the models might be skewed towards favouring already existing infrastructure and models of energy generation and consumption. General criticisms have also been made towards the underestimation by some of these models of the rate of implementation of renewable energy. This dissertation investigates this issue, looking at several projections for renewable energy, including wind and solar power. In this work, past projections made by energy models used by several entities are analysed, with particular emphasis on the World Energy Outlook reports, published by the International Energy Agency, and the EU Reference Scenario, published by the European Commission. In the first case, we look at projections for total primary energy demand, percentage of renewable energy and carbon dioxide emissions for the energy sector, for eight different regions: world, OECD, OECD Europe, OECD North America, China, India, Russia and Africa. When we compare the maximum variation between the projections for 2030 CO2 emissions from the energy sector, made between 2006 and 2018 for OECD, Europe and North America these were found to have a magnitude close to the gap between the Paris Agreement goals and the voluntary (unconditional) nationally determined contributions for 2030. These were submitted with the goal of remaining below a 2ºC global temperature increase, compared to pre-industrial levels, and the gap is currently around 27%. For the same period, IEA projections for the percentage of renewable electricity were found to have by far the largest variations, in all cases signalling a significant underestimation. This seems to indicate that the transformation in global energy systems required to meet the 2ºC target may well be less challenging than has been suggested, at least in the case of richer nations. A similar methodology is then applied for projections made for six EU countries (Portugal, Spain, Greece, Ireland, Sweden and Germany), with a focus on the percentage of renewable electricity, and total generated amounts of wind and solar power, as well as CO2 emissions from the energy sector. It was found that the modelled energy scenarios point towards a slight underestimation of renewable electricity, as well as a slight overestimation of CO2 emissions from the energy sector. In order to better understand how energy modelling has evolved in the EU, several expert modelers from different countries were interviewed, all with a vast experience in the field. The interviews helped to identify a few common threads in the field, particularly the emphasis on the need to have consistent long-term public policies in place, the need for energy modellers to better communicate their results and assumptions, but also how the drop in solar and wind energy prices occurred much faster than most modellers had projected. The thesis ends by discussing some proposals regarding how energy systems modelling can be improved, so that it may play a larger role towards promoting decarbonization efforts. These include the issues of improving communication between modellers and stakeholders, as well as with the general public, and of developing a larger range of scenarios that may account for greater variations within the structure of energy systems, particularly the analysis of deep, accelerated decarbonization pathways, in line with the range of emission cuts that recent climate science findings tell us is necessary. These aspects can in turn influence public opinion and policy making, in a positive feedback which may hopefully lead to greater innovation and a more sustainable future.

À medida que os riscos das alterações climáticas antropogénicas se tornam mais claros numa base quase diária, a modelação de sistemas de energia está rapidamente a tornar-se uma componente essencial das sociedades modernas, seguindo uma tendência iniciada há já algumas décadas. Como é discutido no quinto relatório de avaliação do IPCC em 2014, grupo de trabalho III, os sistemas de energia são responsáveis pela maior parte das emissões de gases de efeito estufa, representando não só o maior potencial de mitigação das alterações climáticas, como também o mais custo-eficaz. Com isto em mente, é fundamental que possuamos modelos energéticos robustos, combinando as componentes energética, económica e ambiental, e que estes nos possam fornecer caminhos claros para a descarbonização e a introdução acelerada de energias renováveis. Algumas das principais questões que foram levantadas nos últimos anos em relação a estes modelos incluem o fato de que o processo de tomada de decisão pode ser extremamente difícil de descrever, e que os modelos poderão estar inerentemente enviesados no sentido de favorecer a infraestrutura e os modelos de geração e consumo de energia já existentes. Existem ainda críticas à subestimação por alguns desses modelos da taxa de implementação das energias renováveis. Esta dissertação investiga esta questão, olhando para várias projeções feitas para as energias renováveis, incluindo a energia eólica e solar. Neste trabalho são analisadas projeções anteriores efetuadas por modelos energéticos utilizados por diversas entidades, com particular destaque para os relatórios World Energy Outlook, publicados pela International Energy Agency, e EU Reference Scenario, publicados pela Comissão Europeia. No primeiro caso, olhamos para as projeções feitas para a projeção total de procura de energia primária, percentagem de energia renovável e emissões de dióxido de carbono do setor energético, para oito regiões diferentes: mundo, OCDE, OCDE Europa, OCDE América do Norte, China, Índia, Rússia e África. Quando comparamos a variação máxima entre as projeções para as emissões de CO2 do setor energético em 2030, feitas entre 2006 e 2018 para OCDE, Europa e América do Norte, constatou-se que estas têm uma magnitude próxima à lacuna entre as metas do Acordo de Paris e as contribuições voluntárias (incondicionais) determinadas nacionalmente propostas para 2030. Estas foram apresentadas de modo a manter um aumento da temperatura global abaixo de 2ºC da média pré-industrial, e a diferença para cumprir essa meta é de cerca de 27%. Para o mesmo período, as projeções para a percentagem de eletricidade renovável apresentaram, de longe, as maiores variações, indicando em todos os casos uma subestimação significativa. Isto parece indicar que a transformação dos sistemas energéticos globais necessária para cumprir a meta de 2ºC poderá ser menos difícil do que tem sido sugerido, pelo menos no caso das nações mais ricas. Uma metodologia semelhante é então aplicada para as projeções feitas para seis países da UE (Portugal, Espanha, Grécia, Irlanda, Suécia e Alemanha), com foco na percentagem de eletricidade renovável e nas quantidades totais geradas de energia eólica e solar, bem como nas emissões de CO2 do setor energético. Verificou-se que os cenários energéticos modelados apontam para uma ligeira subestimação da eletricidade renovável, bem como uma ligeira sobrestimação das emissões de CO2. A fim de compreender melhor como a modelação de energia tem evoluído na UE, vários modeladores de diferentes países foram entrevistados, todos com uma vasta experiência na área. As entrevistas ajudaram a identificar alguns pontos comuns nesta área, particularmente a ênfase na necessidade de políticas públicas consistentes de longo prazo, a necessidade de os modeladores comunicarem melhor seus resultados e premissas, mas também como a forma como a queda nos preços da energia solar e eólica ocorreu muito mais rápido do que a maioria dos modeladores havia projetado. A tese termina com a discussão de algumas propostas para melhorar a modelação de sistemas energéticos, por forma a que esta possa desempenhar um papel mais lato na promoção de esforços de descarbonização. Estas incluem a melhoria da comunicação entre modeladores e as partes interessadas, bem como com o público em geral, e o desenvolvimento de uma gama maior de cenários que possam descrever variações mais amplas dentro da estrutura dos sistemas energéticos, em particular a análise de vias de descarbonização aceleradas e profundas, de acordo com a gama de cortes de emissões que as descobertas mais recentes da ciência climática nos dizem ser necessários. Estes aspetos poderão, por sua vez, influenciar a opinião pública e a formulação de políticas, num circuito de retroalimentação positiva que poderá conduzir a maior inovação e a um futuro mais sustentável.