Optimal renewable energy deployment scenarios: analysis of climate drivers, demand-meeting and cost-related challenges

Abstract

[cat] Els darrers anys han vist un augment significatiu en l'adopció de fonts d'energia renovable variable, una tendència que continua creixent. En particular, Espanya ha experimentat un notable augment en la capacitat d'energia renovable, amb una capacitat eòlica que ha augmentat més del 30% i l'energia solar fotovoltaica que ha augmentat més del 350% en l'última dècada.

Per assolir ambiciosos objectius de descarbonització, el Pla Nacional Integrat d'Energia i Clima d'Espanya té com a objectiu assolir una penetració d'energia renovable del 42% per a 2030, la qual cosa requereix inversions substancials. Els mètodes d'optimització són essencials per trobar el millor camí per complir amb aquests objectius, amb dos enfocaments prominents: l'anàlisi de mitjana-variança i la minimització del cost total del sistema, tots dos utilitzant la complementaritat entre les fonts d'energia renovable.

La tesi té tres objectius principals: primer, abordar les incerteses en la planificació energètica, incloent-hi components previsibles i imprevisibles de la radiació solar i la granularitat espacial del modelatge; segon, explorar el vincle terreny-energia, centrant-se en les compensacions entre la preservació del terreny i el desplegament d'energia renovable; i tercer, avaluar la resiliència del sistema elèctric al canvi climàtic, considerant els canvis projectats en els patrons de la temperatura, la radiació i el vent.

Dos estudis deriven del primer objectiu, destacant la importància de considerar la variabilitat solar previsible en les avaluacions de risc i els beneficis de fer servir una granularitat espacial més fina en el modelatge per a escenaris òptims d'energia renovable.

Per al segon objectiu, s'empra el marc del nexe terreny-energia per quantificar les compensacions entre la idoneïtat de la terra i les instal·lacions renovables. Revela tres règims, amb l'enfocament intermedi alineant-se millor amb els objectius de desenvolupament sostenible i els plans oficials de desenvolupament d'Espanya.

El tercer objectiu examina l'impacte del canvi climàtic en els escenaris òptims de desplegament d'energia renovable, anticipant factors de capacitat generalment més baixos per a l'energia eòlica i lleugerament més baixos per a l'energia solar fotovoltaica a causa dels canvis climàtics. Això podria reduir la penetració mitjana de l'energia renovable del 30% al 20% a mitjans de segle, la qual cosa requeriria costos més alts i compromisos en l'ús del terreny per mantenir l'objectiu del 30%. En resum, aquesta tesi contribueix a la planificació d'energia renovable abordant les incerteses climàtiques, estudiant les compensacions entre la terra i l'energia i avaluant els reptes plantejats pel canvi climàtic. A més, emfasitza la necessitat de considerar amb cura aquests factors per assolir sistemes d'energia renovable sostenibles i resistents.

[eng] Los últimos años han presenciado un aumento significativo en la adopción de fuentes de energía renovable variable, una tendencia que continúa creciendo. En particular, España ha experimentado un notable aumento en la capacidad de energía renovable, con una capacidad eólica que ha aumentado más del 30% y la energía solar fotovoltaica que ha aumentado más del 350% en la última década.

Para lograr ambiciosos objetivos de descarbonización, el Plan Nacional Integrado de Energía y Clima de España tiene como objetivo alcanzar una penetración de energía renovable del 42% para 2030, lo que requiere inversiones sustanciales. Los métodos de optimización son esenciales para encontrar el mejor camino para cumplir con estos objetivos, con dos enfoques prominentes: el análisis de media-varianza y la minimización del coste total del sistema, ambos utilizando la complementariedad entre las fuentes de energía renovable.

La tesis tiene tres objetivos principales: primero, abordar las incertidumbres en la planificación energética, incluyendo componentes predecibles e impredecibles de la radiación solar y la granularidad espacial del modelado; segundo, explorar el vínculo entre el terreno y la energía, centrándose en los compromisos entre la preservación del terreno y el despliegue de energía renovable; y tercero, evaluar la resiliencia del sistema eléctrico al cambio climático, considerando los cambios proyectados en los patrones de la temperatura, la radiación y el viento.

Dos estudios se derivan del primer objetivo, destacando la importancia de considerar la variabilidad solar predecible en las evaluaciones de riesgo y los beneficios de utilizar una granularidad espacial más fina en el modelado para escenarios óptimos de energía renovable.

Para el segundo objetivo, se emplea el marco del nexo entre el terreno y la energía para cuantificar los compromisos entre la idoneidad del terreno y las instalaciones renovables. Revela tres regímenes, con el enfoque intermedio alineándose mejor con los objetivos de desarrollo sostenible y los planes oficiales de desarrollo de España.

El tercer objetivo examina el impacto del cambio climático en los escenarios óptimos de despliegue de energía renovable, anticipando factores de capacidad generalmente más bajos para la energía eólica y ligeramente más bajos para la energía solar fotovoltaica debido a los cambios climáticos. Esto podría reducir la penetración media de la energía renovable del 30% al 20% a mediados de siglo, lo que requeriría costos más altos y compromisos en el uso de la tierra para mantener el objetivo del 30%.

En resumen, esta tesis contribuye a la planificación de energía renovable al abordar las incertidumbres climáticas, estudiar los compromisos entre el terreno y la energía y evaluar los desafíos planteados por el cambio climático. Además, enfatiza la necesidad de considerar cuidadosamente estos factores para lograr sistemas de energía renovable sostenibles y resistentes.

[eng] Recent years have witnessed a significant increase in the adoption of variable renewable energy sources, a trend that is continuing to grow. Particularly, Spain has experienced a remarkable surge in renewable energy capacity, with wind capacity increasing by over 30% and solar photovoltaic by over 350% in the last decade.

To achieve ambitious decarbonization goals, Spain's National Integrated Energy and Climate Plan aims for a 42% renewable energy penetration by 2030, requiring substantial investments. Optimization methods are essential in finding the best path to meet these targets, with two prominent approaches being mean-variance analysis and system total cost minimization, both of which utilize complementarity between renewable sources.

The thesis has three main objectives: first, addressing uncertainties in energy planning, including predictable and unpredictable solar radiation components and the spatial granularity of modeling; second, exploring the land-energy nexus, focusing on the trade-offs between land preservation and renewable energy deployment; and third, assessing the resilience of the electricity system to climate change, considering the projected changes in temperature, radiation, and wind patterns.

Two studies stem from the first objective, highlighting the importance of considering predictable solar variability in risk assessments and the benefits of using finer spatial granularity in modeling for optimal renewable energy scenarios.

For the second objective, the land-energy nexus framework is employed to quantify the trade-offs between land suitability and renewable installations. It reveals three regimes, with the intermediate approach aligning best with sustainable development goals and Spain's official development plans.

The third objective examines the impact of climate change on optimal renewable energy mixes, anticipating generally lower capacity factors for wind and slightly lower capacity factors for solar photovoltaic due to climate shifts. This could reduce the mean penetration of renewable energy from 30% to 20% by mid-century, necessitating higher costs and land use compromises to maintain the 30% target.

In summary, this thesis contributes to renewable energy planning by addressing climatic uncertainties, evaluating land-energy trade-offs, and assessing the challenges posed by climate change. Moreover, it emphasizes the need for careful consideration of these factors to achieve sustainable and resilient renewable energy systems.