Τεχνοοικονομική μοντελοποίηση ενεργειακού συστήματος με υδρογόνο και καύσιμα παραγόμενα από ηλεκτρική ενέργεια: εφαρμογή σε μακροχρόνιο σχεδιασμό προς την κλιματική ουδετερότητα

Abstract

The increasing concern regarding climate change drives the legislation of policy measures to curb carbon emissions growth at a global scale. The European Union leads the way in implementing ambitious policy measures to mitigate carbon emissions, heading towards a net zero carbon neutral economy by 2050. This climate target raises few challenges and questions regarding the future pathways and the possible strategies to deliver emissions reduction.The achievement of ambitious climate goals requires a penetration of new technologies and an enhancement of interactions and collaborations within the energy sector (i.e. electricity, heat, hydrogen and gas). An example of sectoral interaction is the indirect electrification of end-uses through the use of synthetic fuels. Synthetic fuels such as hydrogen, synthetic methane and synthetic liquid hydrocarbons produced by renewable electricity would play a key role in the future climate neutral energy system, delivering climate neutrality and providing storage services. This dissertation aims to design and develop a novel techno-economic energy model which captures a wide range of technologies that produce and use hydrogen and synthetic fuels, as well as their interactions with the energy system. The main target of the model is to project an optimal long-term planning of the energy system to achieve decarbonisation. The model also estimates the optimal location of synthetic fuels and hydrogen production units in both economic and technical aspects within a country.The model includes and examines various sub-sectors of the energy system (i.e. electricity, gas, biofuels, refineries), as well as transmission and distribution networks which transfer energy forms, while ensuring that production, storage, transmission and distribution of energy forms satisfy the energy demand at the lowest total cost. The optimization takes into account operation costs, investment costs, environmental carbon footprint, variability of demand and renewables, operation of storage facilities and spatial representation of production, consumption and transmission/distribution. The model projects investments and operation of technologies which produce electricity, heat, synthetic fuels, biofuels and conventional hydrocarbons, considering techno-economic constraints. In addition, the model analyzes in detail the storage technologies of various energy and non-energy commodities such as gas, hydrogen, carbon dioxide (CO2) and electricity (i.e. batteries). The networks include transmission/distribution networks of electricity and gas, as well as virtual networks (highways and sea corridors). Different techno-economic characteristics are assumed for each storage technology and transmission/distribution networks, depending on the energy form they carry. The electricity networks are modelled using DC analysis and the dynamic approach is applied for modelling gas flows in the pipelines (gas network).Regarding the sectoral integration, the model focuses on estimating the optimal economic and technical combination of the direct use of electricity and the indirect use to produce hydrogen and synthetic fuels, which could moderate possible fluctuations in the electricity production due to the stochastic nature of renewables. The smart combination of the energy sector, exploiting the advantages of each sub-sectors, such as electricity and gas, could lead to a viable carbon-free economy and also lower the costs of energy transitions. The dissertation studies the case of Greece, which is disaggregated in 13 interconnected sub-regions/provinces (NUTS-1 resolution), considering geographical characteristics. Long-term energy policy scenarios have been assessed. Conclusions are drawn considering the optimal combination of electricity, hydrogen and synthetic fuel use. In addition, the interactions between the production, the transmission/distribution and the storage systems of different energy forms, as well as the penetration of renewables are analyzed in the model. The optimal location of synthetic fuels production units, considering the economies of scale, is also part of this analysis. Finally, the role of networks (electricity and gas) in the energy system has been also assessed, as well as the optimal simultaneously operation of transmission/distribution networks in relation to storage facilities.

Η αντιμετώπιση της απειλής από την κλιματική αλλαγή οδηγεί στην υιοθέτηση πολιτικών μετασχηματισμού του ενεργειακού συστήματος με σκοπό τον δραστικό περιορισμό των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα από την καύση ορυκτών καυσίμων. Η Ευρωπαϊκή Ένωση πρωτοστατεί θέτοντας φιλόδοξους στόχους για τη μείωση των εκπομπών και έχοντας ως βασικό σκοπό τη μετάβαση σε μία οικονομία κλιματικής ουδετερότητας με μηδενικές εκπομπές άνθρακα μέχρι το 2050. Ο στόχος της επίτευξης της κλιματικής ουδετερότητας συνεπάγεται πολλές προκλήσεις και ερωτήματα σχετικά με τους τρόπους μετάβασης και τις πιθανές στρατηγικές για τη μείωση των εκπομπών.Η επίτευξη φιλόδοξων περιβαλλοντικών στόχων προϋποθέτει την είσοδο νέων τεχνολογιών αλλά και την ενίσχυση των αλληλεπιδράσεων και των συνεργασιών διαφόρων τομέων ενέργειας (ηλεκτρισμού, θερμότητας, υδρογόνου και αερίου). Παραδείγματα αλληλεπίδρασης αποτελούν ο άμεσος εξηλεκτρισμός της ενέργειας για θερμότητα και μεταφορές αλλά και ο έμμεσος εξηλεκτρισμός μέσω της χρήσης συνθετικών καυσίμων. Τα συνθετικά καύσιμα όπως το υδρογόνο, το συνθετικό μεθάνιο και οι συνθετικοί υγροί υδρογονάνθρακες, αναμένεται να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στο μελλοντικό ενεργειακό σύστημα καθώς εκτός από το ότι συμβάλλουν στην επίτευξη της κλιματικής ουδετερότητας προσφέρουν ταυτόχρονα υπηρεσίες αποθήκευσης στο σύστημα. Απαραίτητη προϋπόθεση για να είναι κλιματικά ουδέτερα είναι να παράγονται από ΑΠΕ και από κλιματικά ουδέτερο διοξείδιο του άνθρακα (για τους υδρογονάνθρακες).Η παρούσα διατριβή έχει ως στόχο το σχεδιασμό και την ανάπτυξη ενός τεχνοοικονομικού μοντέλου βέλτιστου μακροχρόνιου σχεδιασμού του ενεργειακού συστήματος στο οποίο αναπαρίστανται οι τεχνολογίες παραγωγής και χρήσης υδρογόνου και καυσίμων που παράγονται από ηλεκτρική ενέργεια καθώς επίσης και οι αλληλεπιδράσεις τους με το λοιπό ενεργειακό σύστημα. Στόχος του μοντέλου είναι ο υπολογισμός των βέλτιστων επενδύσεων και της βέλτιστης οικονομικά λειτουργίας του συνολικού συστήματος ενεργειακής παραγωγής έτσι ώστε να επιτύχει το ενεργειακό σύστημα κλιματική ουδετερότητα μέχρι το 2050 καθώς και τους ενδιάμεσους στόχους μείωσης εκπομπών. Στο προτεινόμενο μαθηματικό μοντέλο περιλαμβάνεται η οικονομικά και τεχνικά βέλτιστη χωροθέτηση των υποδομών παραγωγής συνθετικών καυσίμων και υδρογόνου σε επίπεδο περιφερειών μίας χώρας. Το μαθηματικό μοντέλο περιλαμβάνει τα συστήματα παραγωγής, μεταφοράς και αποθήκευσης ενέργειας όλων των ενεργειακών μορφών και επιλύεται διαχρονικά μέσω γραμμικού-ακέραιου προγραμματισμού. Το προτεινόμενο υπολογιστικό εργαλείο αναπαριστά τους τομείς ηλεκτροπαραγωγής, αερίου, βιοκαυσίμων, διυλιστηρίων, συνθετικών καυσίμων και υδρογόνου, καθώς επίσης και τα δίκτυα μεταφοράς και τις εγκαταστάσεις αποθήκευσης. Οι υποδομές αυτές εξελίσσονται ενδογενώς στο χρόνο μέσω επενδύσεων και η λειτουργία τους ικανοποιεί τη ζήτηση για διάφορες ενεργειακές μορφές ελαχιστοποιώντας την παρούσα αξία του συνολικού κόστους. Η βελτιστοποίηση σε συνολικό επίπεδο ενεργειακού συστήματος αφορά το κόστος λειτουργίας, το κόστος επένδυσης και το τυχόν κόστος εκπομπής αερίων θερμοκηπίου. Το μοντέλο αναπαριστά τις χρονικές διακυμάνσεις εντός του έτους της ζήτησης και των ΑΠΕ και προσδιορίζει τη χρονική λειτουργία των μονάδων παραγωγή και αποθήκευσης για όλες τις μορφές ενέργειας ταυτόχρονα. Το μοντέλο θεωρεί δεδομένα για τα τεχνικά και τα οικονομικά στοιχεία πολλών εναλλακτικών τεχνολογιών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, θερμότητας, υδρογόνου συνθετικών καυσίμων, βιοκαυσίμων και συμβατικών υδρογονανθράκων. Στο μοντέλο περιλαμβάνονται επίσης, εναλλακτικές τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας όπως αποθήκευσης αερίου, υδρογόνου, διοξειδίου του άνθρακα (CO2) και ηλεκτρικής ενέργειας (αντλησιοταμίευση, μπαταρίες, συμπιεσμένος αέρας και τεχνολογίες έμμεσης αποθήκευσης μέσω υδρογόνου). Τα δίκτυα μεταφοράς περιλαμβάνουν τα δίκτυα ηλεκτρισμού, αερίου αλλά και οδικά/θαλάσσια δίκτυα για την αναπαράσταση της διανομής όλων των ενεργειακών μορφών. Η αποθήκευση και τα δίκτυα μεταφοράς αναφέρονται με διαφορετικά οικονομοτεχνικά χαρακτηριστικά ανάλογα με το ενεργειακό προϊόν που αποθηκεύουν ή μεταφέρουν, όπως ηλεκτρική ενέργεια, ή ενέργεια σε αέρια, στερεή ή υγρή μορφή. Για τη μοντελοποίηση του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιήθηκε η γραμμική αναπαράσταση ροών φορτίου συνεχούς ρεύματος. Για τα δίκτυα αερίου, η αναπαράσταση ακολουθεί τη γραμμική προσέγγιση που απλουστεύει το δυναμικό μοντέλο διατήρησης πίεσης και μάζας.Αναφορικά με τη σύζευξη των τομέων, έμφαση δίνεται στην εύρεση του άριστου οικονομικά και τεχνικά συνδυασμού μεταξύ της απευθείας χρήσης της ηλεκτρικής ενέργειας και της χρήσης της για την παραγωγή υδρογόνου και συνθετικών καυσίμων, τα οποία επιπλέον συνεισφέρουν έμμεσα στην εξομάλυνση των διακυμάνσεων της ηλεκτροπαραγωγής λόγω της στοχαστικότητας των ΑΠΕ. Για το σκοπό αυτό, συνυπολογίζονται οι επενδύσεις παραγωγής και αποθήκευσης, τα δίκτυα και ο χρονικός συντονισμός λειτουργίας τους συνδυάζοντας την παραγωγή, αποθήκευση και κατανάλωση. Το μοντέλο υπολογίζει επίσης ενδογενώς, τη βέλτιστη χωροθέτηση υποδομών παραγωγής συνθετικών καυσίμων, λαμβάνει υπόψη μη γραμμικές οικονομίες κλίμακας, τη γειτνίαση με δίκτυα και ενεργειακούς πόρους καθώς επίσης και την πυκνότητα της ζήτησης. Για το σκοπό αυτό, το μοντέλο εφαρμόζει ακέραιο μεικτό προγραμματισμό. Στο μοντέλο αναπαραστάθηκε αριθμητικά η περίπτωση της Ελλάδας. Η ανάλυση πραγματοποιήθηκε σε επίπεδο περιφερειών (NUTS-1 ανάλυση) για τις οποίες λήφθηκαν υπόψη τα γεωγραφικά χαρακτηριστικά και οι ιδιαιτερότητες της κάθε περιφέρειας. Η εφαρμογή του μοντέλου για την Ελλάδα έγινε για διάφορα εναλλακτικά σενάρια και για τον μακροχρόνιο ορίζοντα. Συμπεράσματα εξάγονται σχετικά με την εύρεση του βέλτιστου συνδυασμού χρήσης ηλεκτρισμού, υδρογόνου και συνθετικών καυσίμων που παράγονται από ηλεκτρική ενέργεια. Αναλύεται επιπλέον, η αλληλεπίδραση μεταξύ των συστημάτων παραγωγής, διανομής και αποθήκευσης διαφόρων ενεργειακών μορφών, καθώς και η διείσδυση των ΑΠΕ. Αντικείμενο μελέτης αποτέλεσε επίσης, η διερεύνηση της βέλτιστης χωροθέτησης μονάδων παραγωγής συνθετικών καυσίμων λαμβάνοντας υπόψη την εφαρμογή οικονομιών κλίμακας. Τέλος, εξετάζεται ο ρόλος των δικτύων (ηλεκτρισμού και αερίου) στο ενεργειακό σύστημα, καθώς επίσης και η βέλτιστη ταυτόχρονη λειτουργία των συστημάτων μεταφοράς και διανομής σε συνδυασμό με τις υποδομές αποθήκευσης.