Abstract
Denne afhandling er en samling af forskningsartikler, der udforsker Modeling to Generate Alternatives metoder og energisystemmodellering med fokus på at forbedre beslutningstagning under usikkerhed.
Energisystemmodeller, et vigtigt værktøj til at forstå mulighederne for fremtidige energiforsyninger, er udsat for store usikkerheder, der stammer fra blandt andet en ufuldstændig repræsentation af virkeligheden og usikre fremtidige udviklinger inden for priser, vejr og efterspørgsel. At håndtere model imperfektioner og usikkerheder er afgørende for at forbedre de indsigter, der genereres fra modelleringsindsatsen. Analyse af alternative model løsninger med omkostninger, der afviger lidt fra deomkostningsoptimale, kan hjælpe beslutningsprocessen ved at give løsningsområder, der sandsynligvis indeholder ønskelige konfigurationer.
I dette projekt er der udviklet en række metoder, der er i stand til at udforske næroptimale løsninger af optimeringsmodeller for energisystemer, med udgangspunkt i teorien fra Modeling to Generate Alternatives metoder. Metoderne er blevet anvendt til at studere flere aspekter af overgangen til et europæisk energisystem med kulstofneutralitet. Udover arbejdet med Modeling to Generate Alternatives metoder, er der udført en undersøgelse, der undersøger konsekvenserne af reducerede naturgas importer fra Rusland for overgangen til den europæiske energiforsyning.
At finde den optimale teknologi sammensætning er afgørende i energiplanlægning. Men kun at studere den omkostningsoptimale teknologiblanding giver ikke et fuldstændigt billede, da blandingen kan vise betydelig fleksibilitet med kun små stigninger i det samlede systemomkostninger. Alle næroptimale teknologiblandinger for en stærkt dekarboniseret europæisk energiforsyning studeres ved hjælp af den udviklede Modeling All Alternatives metode. En eksplicit definition af det næroptimale løsningsrum opnås ved at udnytte rummets konveksitet, hvilket muliggør hurtig sampling af alle næroptimale teknologiblandinger. Resultaterne afslører en stor spredning i de potentielle teknologikapaciteter og afslører stærke sammenhænge mellem visse teknologier.
At opnå EU’s emissionsmål kræver handlinger fra de individuelle lande. At dele indsatsen for emissionsreduktion retfærdigt mellem EU-landene er ikke en nem opgave, da "retfærdig" kan fortolkes på mange måder. Der udforskes 30.000 næroptimale konfigurationer af emissionsdeling for at opnå et fælles EU-emissionsmål ved hjælp af en implementering af Modeling All Alternatives metoden. Resultaterne afslører, hvordan nogle lande vil opleve høje omkostninger ved CO2-reduktion selv ved små emissionsreduktioner, mens det for andre lande er omkostningsoptimalt at reducere deres elforsyning. Derudover finder vi, at store landes emissionsreduktionsniveauer kan påvirke nabolandes omkostninger ved reduktion betydeligt.
At fange den fulde kompleksitet af alle næroptimale løsninger af en energisystemoptimeringsmodel er ikke en nem opgave. I manuskriptet "Bounding the near-optimal solution space of energy system optimization models" udforsker jeg brugen af en begrænsningsteknik til at forbedre Modeling All Alternatives metoden. Test af metoden på flere benchmarkingtilfælde og en fuld energisystemoptimeringsmodel afslører lovende resultater.
Som reaktion på begivenhederne i Ukraine foråret 2022 blev der udført en undersøgelse, der undersøgte de mellemlang- til langsigtede virkninger af reducerede naturgasimporter fra Rusland på dekarboniseringen af den europæiske energiforsyning. Ved hjælp af den fulde sektorkoblede energisystemmodel PyPSA-Eur-Sec blev der undersøgt et scenarie, hvor naturgas tilgængelighed fra Rusland ikke længere er tilgængelig. Resultaterne viser, at virkningerne af den reducerede naturgasforsyning mindskes inden for få år, hvis Europa overholder et klimamål på 1.5◦C, da overgangen til vedvarende energi mindsker behovet for naturgas. Virkningerne er dog mere alvorlige under et klimamål på 2◦C, hvor overgangen af energiforsyningen tvinges til at erstatte naturgasgeneratorer med alternativer som vedvarende energi eller kulbaserede kraftværker. Energisektoren overgår også i vid udstrækning fra brug af gasbrændere til varmepumper som varmekilde.
Energisystemmodeller, et vigtigt værktøj til at forstå mulighederne for fremtidige energiforsyninger, er udsat for store usikkerheder, der stammer fra blandt andet en ufuldstændig repræsentation af virkeligheden og usikre fremtidige udviklinger inden for priser, vejr og efterspørgsel. At håndtere model imperfektioner og usikkerheder er afgørende for at forbedre de indsigter, der genereres fra modelleringsindsatsen. Analyse af alternative model løsninger med omkostninger, der afviger lidt fra deomkostningsoptimale, kan hjælpe beslutningsprocessen ved at give løsningsområder, der sandsynligvis indeholder ønskelige konfigurationer.
I dette projekt er der udviklet en række metoder, der er i stand til at udforske næroptimale løsninger af optimeringsmodeller for energisystemer, med udgangspunkt i teorien fra Modeling to Generate Alternatives metoder. Metoderne er blevet anvendt til at studere flere aspekter af overgangen til et europæisk energisystem med kulstofneutralitet. Udover arbejdet med Modeling to Generate Alternatives metoder, er der udført en undersøgelse, der undersøger konsekvenserne af reducerede naturgas importer fra Rusland for overgangen til den europæiske energiforsyning.
At finde den optimale teknologi sammensætning er afgørende i energiplanlægning. Men kun at studere den omkostningsoptimale teknologiblanding giver ikke et fuldstændigt billede, da blandingen kan vise betydelig fleksibilitet med kun små stigninger i det samlede systemomkostninger. Alle næroptimale teknologiblandinger for en stærkt dekarboniseret europæisk energiforsyning studeres ved hjælp af den udviklede Modeling All Alternatives metode. En eksplicit definition af det næroptimale løsningsrum opnås ved at udnytte rummets konveksitet, hvilket muliggør hurtig sampling af alle næroptimale teknologiblandinger. Resultaterne afslører en stor spredning i de potentielle teknologikapaciteter og afslører stærke sammenhænge mellem visse teknologier.
At opnå EU’s emissionsmål kræver handlinger fra de individuelle lande. At dele indsatsen for emissionsreduktion retfærdigt mellem EU-landene er ikke en nem opgave, da "retfærdig" kan fortolkes på mange måder. Der udforskes 30.000 næroptimale konfigurationer af emissionsdeling for at opnå et fælles EU-emissionsmål ved hjælp af en implementering af Modeling All Alternatives metoden. Resultaterne afslører, hvordan nogle lande vil opleve høje omkostninger ved CO2-reduktion selv ved små emissionsreduktioner, mens det for andre lande er omkostningsoptimalt at reducere deres elforsyning. Derudover finder vi, at store landes emissionsreduktionsniveauer kan påvirke nabolandes omkostninger ved reduktion betydeligt.
At fange den fulde kompleksitet af alle næroptimale løsninger af en energisystemoptimeringsmodel er ikke en nem opgave. I manuskriptet "Bounding the near-optimal solution space of energy system optimization models" udforsker jeg brugen af en begrænsningsteknik til at forbedre Modeling All Alternatives metoden. Test af metoden på flere benchmarkingtilfælde og en fuld energisystemoptimeringsmodel afslører lovende resultater.
Som reaktion på begivenhederne i Ukraine foråret 2022 blev der udført en undersøgelse, der undersøgte de mellemlang- til langsigtede virkninger af reducerede naturgasimporter fra Rusland på dekarboniseringen af den europæiske energiforsyning. Ved hjælp af den fulde sektorkoblede energisystemmodel PyPSA-Eur-Sec blev der undersøgt et scenarie, hvor naturgas tilgængelighed fra Rusland ikke længere er tilgængelig. Resultaterne viser, at virkningerne af den reducerede naturgasforsyning mindskes inden for få år, hvis Europa overholder et klimamål på 1.5◦C, da overgangen til vedvarende energi mindsker behovet for naturgas. Virkningerne er dog mere alvorlige under et klimamål på 2◦C, hvor overgangen af energiforsyningen tvinges til at erstatte naturgasgeneratorer med alternativer som vedvarende energi eller kulbaserede kraftværker. Energisektoren overgår også i vid udstrækning fra brug af gasbrændere til varmepumper som varmekilde.
| Bidragets oversatte titel | Metoder til udforskning af det nær-optimale løsningsrum af makro energi systems modeller |
|---|---|
| Originalsprog | Engelsk |
| Forlag | Århus Universitet |
|---|---|
| Status | Udgivet - okt. 2023 |