Analysing and modelling the variability of renewable energy sources in the energy transition

Abstract

The use of energy has played a fundamental role in social development since the beginning of humanity, allowing the expansion of its ecological niche through the utilization of the physical potentials available in nature. However, today we face the great challenge of reducing greenhouse gas emissions to mitigate climate change, which is the result of the massive use of fossil resources. The threat is enormous, the extinction of life forms and entire ecosystems that allow human beings to perpetuate themselves as a species. To mitigate this situation and sustain the level of social complexity achieved as civilization, part of the academia advocates for transitioning towards 100% renewable energy systems. Photovoltaic solar energy, onshore and offshore wind energy, and hydropower are the most mature technologies that support these decarbonization projections while electrifying the economy. However, an emerging discussion puts certain limits on their practicability and effectiveness through modelling and analysis. The stochastic and intermittent nature of renewable generation fluctuates the power output according to the instant resource available in the parks, variations that dramatically affect the traditional stability of the fossil-based electrical system. Despite the existence of numerous options to manage these fluctuations, there is not a single energy planning approach to meet the objectives. To assist in policy selection, Integrated Assessment Models (IAMs) have traditionally focused on global representations, resulting in limited temporal resolution that does not yield satisfactory results for energy analysis. These leave the responsibility to more technical models, specifically focused on renewable variability management. This problem is the main motivation of this doctoral thesis. Increasing the temporal resolution in IAMs has required experimentation in the fields of statistics, mathematics, and systems dynamics, among others. The results obtained in this thesis have revealed significant findings. First, emerging research lines have been identified from biophysics in the discussion on 100% renewable energy systems, recognizing technical, natural, and social barriers in a heterogeneous landscape where computational tools are still under intense development. Second, the statistical analysis on the case of Spain has identified differences in renewable generation and electricity consumption patterns, both on a seasonal and daily/hourly basis. Furthermore, future projections have shown the magnitude of storage and interstate transmission needs until 2050 derived from the massive "green" commitment, reaching maximum efficiency of the electrical system ideally by 2035, and dramatically declining from 2040 onwards. Third, a configuration of a 100% renewable energy system for Spain in 2050 is proposed based on official energy balances, detailing each policy applied by sector and energy type. This reveals the fundamental role that coupling technologies between the electrical and heat systems, the emerging hydrogen sector, and the profound transformation of transportation will play. These energy conversion technologies ("power-to-X" technologies) are explained throughout the document and gradually quantified in the conceptualized energy transition for the Spanish state. The fourth and final point refers to the two methods reproduced in IAMs to integrate renewable variability and its derived effects, accompanied by results and limitations to overcome. This thesis has been carried out as a compilation of articles. Three documents contribute to the discussion on a deep integration of variable renewable sources in IAMs, with Spain as the case study.

El uso de la energía ha jugado un papel fundamental en el desarrollo social desde los comienzos de la humanidad, permitiendo la expansión de su nicho ecológico a través del aprovechamiento de los potenciales físicos disponibles en la naturaleza. Sin embargo, hoy día nos enfrentamos al gran reto de reducir las emisiones que generan efecto invernadero para paliar el cambio climático, fruto del uso masivo de recursos fósiles. La amenaza es enorme, la extinción de formas de vida y ecosistemas enteros que permiten al ser humano perpetuarse como especie. Para paliar esta situación y sostener el grado de complejidad social que hemos alcanzado como civilización, parte de la academia aboga por transitar hacia sistemas energéticos 100% renovables. Energía solar fotovoltaica, eólica terrestre y marina, y energía hidráulica son las tecnologías más maduras que sostienen la electrificación de la economía en estas proyecciones de descarbonización. Sin embargo, una discusión emergente pone ciertos límites a su practicidad y eficacia a través del modelado y análisis. Las estocásticas, intermitentes, generaciones renovables fluctuan la potencia de generación de acuerdo al recurso instantáneo presente en los parques, variaciones que afectan dramáticamente a la estabilidad tradicional del sistema eléctrico fosilista. A pesar de la existencia de numerosas opciones para gestionar estas fluctuaciones energéticas, no existe una única planificación energética para cumplir con los objetivos. Para ayudar en la selección de políticas, los modelos de evaluación integrada (IAM, por sus siglas en inglés de integrated assessment model) se han centrado tradicionalmente en representaciones globales, derivando en una escasa resolución temporal que no permite obtener resultados satisfactorios para el análisis energético, dejando a modelos más técnicos, específicos en la cuestión de la gestión de la variabilidad. Este problema es el principal motivo de esta tesis doctoral. Aumentar la resolución temporal en IAMs ha requerido experimentación en los campos de la estadística, matemáticas y dinámica de sistemas, entre otros. Los resultados obtenidos en esta tesis han revelado hallazgos significativos. Primero, se han identificado líneas de investigación emergentes desde la biofísica en la discusión sobre sistemas energéticos 100% renovables; reconociendo barreras técnicas, naturales y sociales en un panorama heterogéneo donde las herramientas computacionales están aún en intenso desarrollo. Segundo, el análisis estadístico sobre el caso del Estado español ha identificado diferencias en los patrones de generación renovable y consumo eléctrico, tanto estacionales como diarios y horarios. Además, las proyecciones a futuro han mostrado la magnitud de las necesidades de almacenamiento y transmisión interestatal hasta 2050 derivadas de la enorme apuesta “verde”, alcanzando una eficiencia máxima del sistema eléctrico idealmente en 2035, y cayendo drásticamente desde 2040 en adelante. Tercero, se propone una configuración de sistema energético 100% renovable para España en 2050 sobre los balances de energía oficiales, detallando cada política aplicada por sector y tipo de energía. Se descubre así el papel fundamental que tomarán las tecnologías de acoplamiento entre el sistema eléctrico y el de calor, un incipiente sector del hidrógeno, y la profunda transformación del transporte. Estos convertidores entre tipos de energía (tecnologías “power-to-X”) se explican a lo largo del documento, y gradualmente se cuantifican en la transición energética conceptualizada para el Estado español. Cuarto y último punto son los dos métodos reproducidos en IAMs para integrar la variabilidad renovable y sus efectos derivados, acompañados de resultados y limitaciones a superar. Esta tesis se ha realizado por compendio de artículos. Tres documentos contribuyen a la discusión sobre una profunda integración de fuentes renovables variables en IAMs, con el Estado español como caso de estudio.