A modelling framework in support of residential energy policy: assessing transition pathways across local, regional, and national scales

Abstract

Residential buildings occupy a central position in the European energy transition, accounting for a substantial share of final energy consumption and energy-related greenhouse gas emissions, while also constituting a primary interface between climate and energy policy and citizens’ everyday lives. This importance is reflected in the European Union’s evolving energy and climate policy framework, which increasingly connects renovation, energy efficiency, electrification, carbon pricing, and social protection. At the same time, decisions in the residential sector are shaped by long investment lifetimes, slow stock turnover, and strong dependence on previous technology and infrastructure choices, making the timing and sequencing of transition pathways critical for avoiding lock-in effects and aligning near-term decisions with long-term climate, resilience, and justice objectives. In this context, energy system models have been widely used to support policymaking, particularly for exploring long-term decarbonisation pathways and assessing system-level feasibility. However, in most cases, such models are following “top-down” approaches, representing the residential sector in an aggregated manner, abstracting from building-level characteristics and household heterogeneities. While such representations are useful for ambition-setting and consistency checks at national or European scales, they often function as black boxes from a policy-delivery perspective, offering limited transparency on the mechanisms through which emissions reductions are achieved within the building stock, how policy measures translate into household-level change, and how their impacts vary across household groups and regions. Building on these considerations, this dissertation contributes to demand-side energy system modelling by developing additional capabilities within the Dynamic high-Resolution dEmand-sidE Management (DREEM) model. The resulting framework supports the assessment of residential energy transition pathways across time horizons and spatial scales, while retaining a bottom-up representation of household energy demand. To do so, the dissertation develops and integrates two complementary components within DREEM. The first enables household-level demand profiles to be aggregated to local, regional, and national levels, while the second creates a scenario space in which key residential transition parameters evolve over time (e.g., renovation and heating technology substitution rates, energy prices, technology costs, demographic change, building-stock evolution, emission factors, and carbon-pricing-related costs). The dissertation applies this framework to the Greek residential sector across national, regional, and local levels, examining residential transition pathways through the interconnected dimensions of decarbonisation, energy resilience, and energy justice. Across the three applications, the analysis examines how different residential transition strategies, characterised by varying renovation ambition, heating technology substitution, and policy conditions, shape energy, emissions, and cost trajectories over time. These trajectories provide the basis for assessing how pathway choices affect not only the feasibility of emissions reduction, but also exposure to fossil-fuel dependence, price and carbon-pricing risks, household affordability, and territorially specific transition challenges. At the national level, the dissertation examines how alternative renovation rates and heating technology substitution pathways affect the feasibility of achieving residential decarbonisation in Greece by 2050 or, under a more ambitious pathway, by 2040. At the regional level, it examines how nationally driven energy planning translates into region-specific transition outcomes, focusing on the expansion of natural gas infrastructure and the associated increase in natural gas use for residential heating in the Peloponnese region. At the local level, it focuses on the municipality of Megalopolis, a coal- and carbon-intensive region undergoing post-lignite transition, comparing the replacement of lignite-linked district heating with subsidised gas boilers against alternative pathways prioritising electrification and energy efficiency. Across these applications, the results show that pathways relying on modest renovation progress and fossil-fuel-based transitional solutions risk delaying emissions reductions, and increasing long-term costs, while prolonging fossil-fuel dependence. By contrast, electrification- and efficiency-oriented pathways deliver more favourable outcomes in terms of decarbonisation and long-term cost reduction, while reducing exposure to fossil-fuel dependence, imported fuel volatility, and additional costs associated with carbon pricing. Overall, the dissertation demonstrates that dynamic bottom-up demand-side modelling can support residential energy transition policymaking by translating high-level decarbonisation objectives into implementation requirements, including renovation rates, heating technology pathways, emissions trajectories, and cost implications. Its multi-level application shows that residential transition strategies need to be assessed not only where policy targets are defined, but also where their implications unfold: across regions and municipalities with distinct building-stock characteristics, heating systems and socio-economic conditions. Finally, it should be mentioned that the framework has been applied in policy-facing research activities within European Commission-funded projects, where modelling assumptions, scenario narratives, and transition pathways were discussed with policymakers, practitioners, and stakeholders. In parallel, it was used to support the Greek Ministry of Environment and Energy in the development of targets and implementation steps for the updated Greek Long-Term Renovation Strategy. These applications strengthen the policy relevance of the dissertation by demonstrating how the modelling framework can inform real-world residential energy policy design, from analytical scenario assessment to the formulation of implementation-oriented targets and measures.

Ο οικιακός τομέας βρίσκεται στον πυρήνα της ευρωπαϊκής ενεργειακής μετάβασης. Αφενός, αντιπροσωπεύει σημαντικό μέρος της συνολικής τελικής κατανάλωσης ενέργειας και των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου· αφετέρου, αποτελεί πεδίο στο οποίο οι επιλογές κλιματικής και ενεργειακής πολιτικής συναντούν άμεσα την καθημερινότητα των πολιτών, επηρεάζοντας το κόστος διαβίωσης, τη θερμική άνεση και την έκθεση των νοικοκυριών σε ενεργειακές διακυμάνσεις. Η σημασία του αποτυπώνεται στο εξελισσόμενο πλαίσιο πολιτικής της Ευρωπαϊκής Ένωσης, όπου η ανακαίνιση του κτιριακού αποθέματος, η έμφαση στην ενεργειακή απόδοση, ο εξηλεκτρισμός, η τιμολόγηση του άνθρακα και η προστασία των ευάλωτων νοικοκυριών αντιμετωπίζονται πλέον ως αλληλένδετες πτυχές. Παράλληλα, οι ενεργειακές παρεμβάσεις στον οικιακό τομέα εντάσσονται σε ένα περιβάλλον με μεγάλους χρονικούς ορίζοντες επενδύσεων, αργή ανανέωση του κτιριακού αποθέματος και ισχυρή εξάρτηση από υφιστάμενες τεχνολογίες και υποδομές. Επομένως, ο χρόνος, η αλληλουχία και η κατεύθυνση των σημερινών αποφάσεων αποκτούν ιδιαίτερη σημασία, καθώς μπορούν είτε να διευκολύνουν τη μετάβαση προς ένα πιο αποδοτικό και χαμηλών εκπομπών οικιακό απόθεμα είτε να παγιώσουν επιλογές που θα δυσχεράνουν την απανθρακοποίηση σε βάθος χρόνου. Η έγκαιρη και συνεκτική επιλογή διαδρομών μετάβασης είναι, συνεπώς, κρίσιμη για την ευθυγράμμιση της βραχυπρόθεσμης εφαρμογής πολιτικής με τους μακροπρόθεσμους στόχους της κλιματικής ουδετερότητας, της ενεργειακής ανθεκτικότητας και της ενεργειακής δικαιοσύνης. Στο πλαίσιο αυτό, τα μοντέλα ενεργειακών συστημάτων αξιοποιούνται ευρέως για την υποστήριξη της χάραξης πολιτικής, ιδίως για τη διερεύνηση μακροπρόθεσμων μονοπατιών απανθρακοποίησης και την αξιολόγηση των επιπτώσεων διαφορετικών τεχνολογικών και πολιτικών επιλογών στην εξέλιξη του ενεργειακού συστήματος. Ωστόσο, πολλές υφιστάμενες προσεγγίσεις εξακολουθούν να εξετάζουν τον οικιακό τομέα με ιδιαίτερα συγκεντρωτικούς όρους, χωρίς να αποτυπώνουν επαρκώς τις διαφορές μεταξύ κτιρίων, νοικοκυριών και συνθηκών εφαρμογής της πολιτικής. Οι προσεγγίσεις αυτές μπορεί να είναι χρήσιμες για τον καθορισμό στόχων και τον έλεγχο συνοχής σε εθνικό ή ευρωπαϊκό επίπεδο, αλλά συχνά δεν επαρκούν για την κατανόηση των μονοπατιών μετάβασης στο επίπεδο της υλοποίησης. Περιορίζουν, δηλαδή, τη δυνατότητα να εξεταστεί το πώς επιτυγχάνονται οι μειώσεις εκπομπών εντός του κτιριακού αποθέματος, πώς τα μέτρα πολιτικής μεταφράζονται σε αλλαγές σε επίπεδο νοικοκυριού και πώς οι επιπτώσεις τους διαφοροποιούνται μεταξύ κοινωνικών ομάδων, περιφερειών και τοπικών περιοχών. Με βάση τα παραπάνω, η παρούσα διατριβή συμβάλλει στη μοντελοποίηση της ζήτησης ενέργειας μέσω της ανάπτυξης πρόσθετων υπολογιστικών δυνατοτήτων στο μοντέλο “Dynamic high-Resolution dEmand-sidE Management ” (“DREEM”). Το πλαίσιο που αναπτύσσεται υποστηρίζει την αξιολόγηση μονοπατιών ενεργειακής μετάβασης στον οικιακό τομέα σε διαφορετικούς χρονικούς ορίζοντες και χωρικά επίπεδα, διατηρώντας παράλληλα μια «από κάτω προς τα πάνω» αναπαράσταση της ενεργειακής ζήτησης των νοικοκυριών. Για τον σκοπό αυτό, η διατριβή αναπτύσσει και ενσωματώνει στο “DREEM” δύο συμπληρωματικά συστατικά στοιχεία. Το πρώτο επιτρέπει τη συγκέντρωση των προφίλ ενεργειακής ζήτησης των νοικοκυριών σε τοπικό, περιφερειακό και εθνικό επίπεδο, ενώ το δεύτερο διαμορφώνει έναν χώρο σεναρίων, μέσα στον οποίο βασικές παράμετροι της οικιακής ενεργειακής μετάβασης (π.χ., ρυθμοί ανακαίνισης και αντικατάστασης τεχνολογιών θέρμανσης, τιμές ενέργειας, κόστος τεχνολογιών, δημογραφικές μεταβολές, εξέλιξη του κτιριακού αποθέματος, συντελεστές εκπομπών και κόστη που συνδέονται με την τιμολόγηση του άνθρακα) εξελίσσονται διαχρονικά. Το πλαίσιο μοντελοποιήσης εφαρμόζεται στον ελληνικό οικιακό τομέα σε εθνικό, περιφερειακό και τοπικό επίπεδο, εξετάζοντας μονοπάτια ενεργειακής μετάβασης μέσα από τις αλληλένδετες διαστάσεις της απανθρακοποίησης, της ενεργειακής ανθεκτικότητας και της ενεργειακής δικαιοσύνης. Στις τρεις εφαρμογές, η ανάλυση διερευνά πώς διαφορετικές στρατηγικές μετάβασης, οι οποίες μπορεί να διαφοροποιούνται ως προς τη φιλοδοξία των ανακαινίσεων, την έμφαση σε διαφορετικά καύσιμα και τεχνολογίες θέρμανσης και την εξέλιξη κρίσιμων παραμέτρων, όπως οι τιμές ενέργειας, διαμορφώνουν την ενεργειακή κατανάλωση, τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα και τα κόστη μετάβασης έως το 2050. Σε εθνικό επίπεδο, η διατριβή εξετάζει πώς εναλλακτικοί ρυθμοί ανακαίνισης και διαφορετικές διαδρομές αντικατάστασης τεχνολογιών θέρμανσης επηρεάζουν τη δυνατότητα επίτευξης απανθρακοποίησης του ελληνικού οικιακού τομέα έως το 2050 ή, σε ένα πιο φιλόδοξο σενάριο, έως το 2040. Σε περιφερειακό επίπεδο, η διατριβή διερευνά πώς ο εθνικός ενεργειακός σχεδιασμός αποτυπώνεται σε περιφερειακές διαδρομές μετάβασης, εστιάζοντας στην επέκταση των υποδομών φυσικού αερίου και, κατ’ επέκταση, στη διεύρυνση της χρήσης του στον οικιακό τομέα της Περιφέρειας Πελοποννήσου. Σε τοπικό επίπεδο, η ανάλυση επικεντρώνεται στον Δήμο Μεγαλόπολης, μια περιοχή με μακρά εξάρτηση από τη λιγνιτική δραστηριότητα και σήμερα σε διαδικασία μεταλιγνιτικής μετάβασης, συγκρίνοντας την αντικατάσταση της τηλεθέρμανσης που συνδεόταν με τη λειτουργία των λιγνιτικών μονάδων με επιδοτούμενους λέβητες φυσικού αερίου, έναντι εναλλακτικών διαδρομών που δίνουν προτεραιότητα στον εξηλεκτρισμό και την ενεργειακή απόδοση. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης δείχνουν ότι τα μονοπάτια που συνδυάζουν περιορισμένη πρόοδο ανακαινίσεων με μεταβατικές λύσεις βασισμένες σε ορυκτά καύσιμα οδηγούν σε καθυστέρηση της διαδικασίας μείωσης των εκπομπών, σε αύξηση του μακροπρόθεσμου κόστους για τα νοικοκυριά, ενώ ταυτόχρονα παρατείνουν την εξάρτηση από τα ορυκτά καύσιμα. Αντίθετα, οι διαδρομές που δίνουν προτεραιότητα στον εξηλεκτρισμό και την ενεργειακή απόδοση παρουσιάζουν ευνοϊκότερα αποτελέσματα ως προς την απανθρακοποίηση και τη μείωση του μακροπρόθεσμου κόστους, ενώ περιορίζουν την έκθεση σε εισαγόμενα καύσιμα, στη μεταβλητότητα των τιμών τους και στις πρόσθετες επιβαρύνσεις που συνδέονται με την τιμολόγηση του ανθράκα στον οικιακό τομέα. Συνολικά, η διατριβή δείχνει ότι η δυναμική, «από κάτω προς τα πάνω» μοντελοποίηση της ζήτησης μπορεί να υποστηρίξει τη χάραξη πολιτικής για την ενεργειακή μετάβαση του οικιακού τομέα, μεταφράζοντας υψηλού επιπέδου στόχους απανθρακοποίησης σε συγκεκριμένες παραμέτρους υλοποίησης, όπως οι απαιτούμενοι ρυθμοί ανακαίνισης, οι διαδρομές αντικατάστασης τεχνολογιών θέρμανσης, η εξέλιξη των εκπομπών και οι επιπτώσεις στο κόστος. Η πολυεπίπεδη εφαρμογή του πλαισίου αναδεικνύει ότι οι στρατηγικές μετάβασης στον οικιακό τομέα χρειάζεται να αξιολογούνται όχι μόνο στο επίπεδο όπου τίθενται οι στόχοι πολιτικής, αλλά και στα επίπεδα όπου οι επιπτώσεις τους εκδηλώνονται: σε περιφέρειες και δήμους με διαφορετικά χαρακτηριστικά κτιριακού αποθέματος, υφιστάμενα συστήματα θέρμανσης και γενικότερες κοινωνικοοικονομικές συνθήκες.Τέλος, αξίζει να σημειωθεί ότι το πλαίσιο μοντελοποίησης αξιοποιήθηκε σε ερευνητικές δραστηριότητες με άμεση συνάφεια με τη χάραξη πολιτικής, στο πλαίσιο έργων χρηματοδοτούμενων από την Ευρωπαϊκή Επιτροπή. Στις δραστηριότητες αυτές, οι παραδοχές μοντελοποίησης, τα σενάρια και οι διαδρομές ενεργειακής μετάβασης συζητήθηκαν με φορείς χάραξης πολιτικής και λοιπά ενδιαφερόμενα μέρη. Παράλληλα, το πλαίσιο χρησιμοποιήθηκε για την υποστήριξη του Υπουργείου Περιβάλλοντος και Ενέργειας στην ανάπτυξη στόχων και βημάτων υλοποίησης για την επικαιροποιημένη Μακροπρόθεσμη Στρατηγική για την Ανακαίνιση του Κτιριακού Αποθέματος της Ελλάδας. Οι εφαρμογές αυτές ενισχύουν τη συνάφεια της διατριβής με την πραγματική διαδικασία σχεδιασμού ενεργειακής πολιτικής, αναδεικνύοντας πώς το αναπτυγμένο πλαίσιο μπορεί να υποστηρίξει τη μετάβαση από την αναλυτική αξιολόγηση σεναρίων στη διαμόρφωση στόχων και μέτρων προσανατολισμένων στην υλοποίηση.