Μοντελοποίηση ανοικτού κώδικα του Ελληνικού ενεργειακού συστήματος με υψηλή γεωγραφική και χρονική ευκρίνεια για την ανάλυση και υποστήριξη της εθνικής κλιματικής πολιτικής

Abstract

The transformation of the energy sector, and particularly electricity generation, constitutes the first line of defence in tackling climate change at the global, European, and national levels. Given the key role of energy consumption in everyday life and economic activity, the decarbonisation of the power generation sector becomes particularly complex, rendering energy policymaking challenging. From this perspective, the development and application of energy-system modelling tools become essential to evaluating alternative energy transition scenarios toward carbon-neutral economies. The aim of this dissertation is to investigate how the Greek energy sector is modelled, identify scientific gaps, develop an open-source modelling tool based on the open-source OSeMOSYS modelling framework that is capable of studying the Greek power generation sector and its decarbonisation in detail, and apply it to help underpin national energy and climate policy in the light of critical emerging research questions. Initially, a detailed mapping of the problem space is conducted, consisting of (a) a systematic literature review of the energy modelling landscape for Greece over the past decade, and (b) a detailed overview of OSeMOSYS applications. In the former, despite the abundance of relevant publications, significant gaps are identified concerning geographical detail, temporal resolution, openness, and representation of complex technological issues such as power curtailment of variable renewable energy sources (RES), hourly electrical load distribution, energy storage, and interregional and cross-border electricity flows. Focusing on the issue of open science and examining the applications of the OSeMOSYS framework, the overview identifies similar gaps, noting that OSeMOSYS has not been extensively used in the context of the Greek energy sector, nor that of bridging the reviewed instrumental gaps. Subsequently, an initial version of an OSeMOSYS model for Greece is developed and combined with the LEAP energy demand simulation model, as well as a fuzzy cognitive mapping methodology. The aim of this application is to evaluate the transition of the Greek electricity sector up to 2035, towards eliminating the country’s dependence on Russian natural gas imports, in the aftermath of the Russian invasion of Ukraine. By exploring different scenarios restricting RES technologies in response to stakeholder input (including the risk of non-materialisation of geothermal power generation and wind power deployment exclusively outside zones of environmental interest), it is established that Greece can achieve its mid-term electricity-sector decarbonisation goals. It is noted, however, that the employed modelling tool in the study lacks geographic detail at the sub-national level as well as omits important technological innovations such as energy storage, thereby aligning with the scientific gaps highlighted in the literature review. The dissertation then proceeds to the development of an integrated modelling tool for the Greek power generation sector, HERMES, with the aim of bridging said gaps. Emphasis is placed on the open-source code innovations within the new model, the introduction of new technological capabilities, the enhanced temporal resolution of the optimisation framework, and notably the improved geographic granularity through breaking down Greece into 10 mainland NUTS-2 regions and 11 islands. Beyond presenting its novelties and validation process, HERMES is eventually used in two studies, including on (a) the regional implications of national energy policy on the decarbonisation of the power generation sector, and (b) the extent to which the National Energy and Climate Plan (NECP) can align with biodiversity constraints to onshore and offshore wind farm siting. The two applications present results at both the national and regional levels, highlighting all the innovative approaches incorporated into the HERMES model and, in turn, its added value compared to existing energy modelling tools.

Ο μετασχηματισμός του ενεργειακού τομέα και της ηλεκτροπαραγωγής αποτελεί την πρώτη γραμμή άμυνας στο πλαίσιο της αντιμετώπισης της κλιματικής αλλαγής, τόσο σε παγκόσμιο όσο και ευρωπαϊκό αλλά και εθνικό επίπεδο. Δεδομένης της καθοριστικής σημασίας της κατανάλωσης ενέργειας στην καθημερινότητα των ανθρώπων και την ανθρώπινη οικονομία, η απανθρακοποίηση του τομέα ηλεκτροπαραγωγής καθίσταται ιδιαίτερα σύνθετη και η χάραξη ενεργειακών πολιτικών εξαιρετικά απαιτητική. Υπό το πρίσμα αυτό, είναι απαραίτητη η αξιοποίηση σύγχρονων εργαλείων μοντελοποίησης ενεργειακών συστημάτων για την αξιολόγηση εναλλακτικών σεναρίων ενεργειακής μετάβασης προς μία ανθρακικά ουδέτερη οικονομία. Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι να διερευνήσει τον τρόπο με τον οποίο μοντελοποιείται ο ενεργειακός τομέας στην Ελλάδα, να εντοπίσει τα υφιστάμενα επιστημονικά κενά, να αναπτύξει ένα μοντέλο ανοιχτού κώδικα που είναι βασισμένο στο πλαίσιο μοντελοποίησης OSeMOSYS αλλά και ικανό να μελετήσει σε βάθος τον ελληνικό τομέα ηλεκτροπαραγωγής, και να το αξιοποιήσει προς υποστήριξη της εθνικής ενεργειακής και κλιματικής πολιτικής στο πλαίσιο κρίσιμων και σύγχρονων ερευνητικών ερωτημάτων. Αρχικά, πραγματοποιείται μία λεπτομερής καταγραφή του χώρου προβλήματος, η οποία αποτελείται από (α) μία συστηματική βιβλιογραφική ανασκόπηση της πρόοδού της ενεργειακής μοντελοποίησης στην Ελλάδα κατά την τελευταία δεκαετία, καθώς και (β) μία αναλυτική επισκόπηση των εφαρμογών του πλαισίου μοντελοποίησης OSeMOSYS. Στην πρώτη ανασκόπηση, παρά την πληθώρα των σχετικών δημοσιεύσεων, εντοπίζονται σημαντικά κενά που αφορούν τη γεωγραφική λεπτομέρεια, τη χρονική ανάλυση, τον βαθμό ανοιχτότητας των χρησιμοποιούμενων εργαλείων μοντελοποίησης, καθώς και τη μοντελοποίηση σύνθετων τεχνολογικών ζητημάτων όπως η αποκοπή ισχύος των μεταβλητών ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ), η ωριαία κατανομή ηλεκτρικού φορτίου, η αποθήκευση ενέργειας, καθώς και οι διαπεριφερειακές και διασυνοριακές ροές ηλεκτρισμού. Εστιάζοντας στο ζήτημα της ανοιχτότητας και εξετάζοντας τις εφαρμογές του πλαισίου μοντελοποίησης OSeMOSYS, η επισκόπηση εντοπίζει αντίστοιχα κενά, διαπιστώνοντας ότι το OSeMOSYS έχει αξιοποιηθεί ελάχιστα για την αξιολόγηση του ελληνικού ενεργειακού τομέα και τη γεφύρωση των ως άνω τεχνικών κενών. Στη συνέχεια, υλοποιείται μία πρώτη εκδοχή του OSeMOSYS για το ελληνικό ενεργειακό σύστημα και παρουσιάζεται μία συνδυαστική εφαρμογή του νέου αυτού μοντέλου με το εργαλείο προσομοίωσης ενεργειακής ζήτησης LEAP και μία μεθοδολογία ασαφούς γνωστικής χαρτογράφησης, με σκοπό την αξιολόγηση της ενεργειακής μετάβασης του ελληνικού ηλεκτροπαραγωγικού τομέα έως το 2035, υπό το πρίσμα της ανάγκης απεξάρτησης από τις εισαγωγές ρωσικού φυσικού αερίου, στον απόηχο της ρωσικής εισβολής στην Ουκρανία. Εξετάζοντας διαφορετικά σενάρια περιορισμού επιμέρους τεχνολογιών ΑΠΕ (συμπεριλαμβανομένης της μη αξιοποίησης της γεωθερμίας και της εγκατάστασης αιολικών αποκλειστικά εκτός ζωνών περιβαλλοντικού ενδιαφέροντος), διαπιστώνεται ότι η Ελλάδα δύναται να πετύχει τη μεσοπρόθεσμη απανθρακοποίηση του συστήματος ηλεκτροπαραγωγής της. Σημειώνεται, ωστόσο, ότι από το εργαλείο μοντελοποίησης της συγκεκριμένης μελέτης απουσιάζει η εστίαση στις επιμέρους γεωγραφικές ιδιαιτερότητες της χώρας καθώς και τεχνολογικές καινοτομίες, όπως τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας, επιβεβαιώνοντας τα επιστημονικά κενά που αναδείχθηκαν από τη βιβλιογραφική ανασκόπηση. Στη συνέχεια, η διατριβή προχωράει στην ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου εργαλείου μοντελοποίησης του ελληνικού τομέα ηλεκτροπαραγωγής, το HERMES, με γνώμονα την αντιμετώπιση αυτών των ζητημάτων. Μεγάλη έμφαση δίνεται στις καινοτομίες ανοιχτού κώδικα στο νέο μοντέλο, στην εισαγωγή των νέων τεχνολογικών δυνατοτήτων, στη χρονική ανάλυση του πλαισίου βελτιστοποίησης, και κυρίως στη γεωγραφική ευκρίνεια που συνίσταται στη διαίρεση της χώρας σε 10 ηπειρωτικές περιφέρειες και 11 νησιά. Πέραν της αναλυτικής παρουσίασης των καινοτομιών του HERMES και της διαδικασίας επικύρωσης του, η διατριβή εν συνεχεία το αξιοποιεί σε δύο επιμέρους εφαρμογές εξετάζοντας (α) τις επιδράσεις της εθνικής ενεργειακής πολιτικής για την απανθρακοποίηση του ηλεκτροπαραγωγικού τομέα σε επίπεδο περιφερειών και (β) τη δυνατότητα του Εθνικού Σχεδίου Ενέργειας και Κλίματος (ΕΣΕΚ) να εναρμονιστεί με περιβαλλοντικούς περιορισμούς που αφορούν την εγκατάσταση χερσαίων και υπεράκτιων αιολικών πάρκων. Αμφότερες οι εφαρμογές παρουσιάζουν αποτελέσματα τόσο σε εθνικό επίπεδο όσο και σε περιφερειακό επίπεδο, αναδεικνύοντας όλες τις καινοτόμες προσεγγίσεις που ενσωματώνονται στο μοντέλο HERMES και, κατ’ επέκταση, την προστιθέμενη αξία του έναντι ήδη υφιστάμενων εργαλείων ενεργειακής μοντελοποίησης.