Trade-offs and conflicting objectives of decision making investments in low-carbon technology portfolios for sustainable development: national and continental insights offered by applying energy system models

Abstract

Energy infrastructure and appropriate energy policies are crucial for sustainable development and to meet Sustainable Development Goals(SDGs). Limiting global warming potential below 1.5oC would require “rapid and far-reaching” transitions and unprecedented changes in all aspects of society. Several factors influence investment decisions on energy conversion technologies and their specific locations. The choice, timing, and location of energy investments affect the total system cost, socioeconomic development, the environment (e.g., emissions, water use), and a nation's energy security. However, existing national energy modelling initiatives only investigate a subset of these pillars for achieving sustainability. This thesis examines the challenges associated with the energy transition of low-and middle-income countries (Paraguay, Ethiopia, Africa). This work considers national and global policies, focusing on achieving SDG7 and SDG13. The dissertation includes a cover essay and four appended papers. The research conducted in this Thesis examines how energy systems models can assist in understanding an energy system's complex interactions for sustainable development. Specifically, the results highlight hydropower and solar PV as key technologies to achieve climate change targets, energy security and energy access goals. Hydropower and other renewable electricity can be exported to bolster energy security for the exporting country, although exportrevenues are eroded by local demand growth and low export prices. The benefits of low-cost electricity provided by cross-border hydropower should be balanced against energy security concerns for the importing country. The research demonstrates the benefits of regional coordination, with trade enabling renewable resources to be harnessed and the electricity transmitted to demand centres. Although RET decreases carbon dioxide emissions and water use compared to fossil-fuel plants and creates more jobs, they require high up-front capital costs offset by the lower operating fuel costs in the long term. Thus, increasing the ambition of climate targets while achieving electricity access results in lower cumulative costs. Also, although hydropower and renewable technologies build climate resilience, hydropower operation depends on climate variability affecting energy security. Thus, mitigation strategies should consider the associated challenges of climate change in hydropower investments. Hydropower and renewables are primarily grid-connected technologies, so off-grid and mini-grid systems are key complements to national-grid expansion when pushing for universal energy access. They also impact energy security, total system costs and socio-economic development. This Thesis's outcomes can support governments in strategic energy planning to identify future renewable energy projects and ensure their financial viability. Energy systems in their transition need to be affordable, reliable and sustainable (e.g., energy secured, combat climate change) by being climate-resilient. The thesis findings demonstrate that nations need integrated energy planning, accounting for the geospatial characteristics of energy technologies, and water resources management to achieve SDG7 and build climate-resilient (SDG13). A broad portfolio of renewable technologies, interconnectors and a decentralized power generation system providing electricity closer to the end-user demand is needed to enhance energy security, decrease environmental pressures and provide affordable electricity for a nation.

Οι ενεργειακές υποδομές και οι κατάλληλες ενεργειακές πολιτικές είναι ζωτικής σημασίας για την αειφόρο ανάπτυξη και την επίτευξη των στόχων βιώσιμης ανάπτυξης (SDGs). Ο περιορισμός του δυναμικού υπερθέρμανσης του πλανήτη κάτω από 1,5oC θα απαιτούσε «ταχείς και εκτεταμένες» μεταβάσεις και άνευ προηγουμένου αλλαγές σε όλες τις πτυχές της κοινωνίας. Διάφοροι παράγοντες επηρεάζουν τις επενδυτικές αποφάσεις για τις τεχνολογίες μετατροπής ενέργειας και τις συγκεκριμένες τοποθεσίες τους. Η επιλογή, ο χρόνος και η τοποθεσία των ενεργειακών επενδύσεων επηρεάζουν το συνολικό κόστος του συστήματος, την κοινωνικοοικονομική ανάπτυξη, το περιβάλλον (π.χ. εκπομπές, χρήση νερού) και την ενεργειακή ασφάλεια ενός έθνους. Ωστόσο, οι υπάρχουσες εθνικές πρωτοβουλίες ενεργειακών μοντέλων διερευνούν μόνο ένα υποσύνολο αυτών των πυλώνων για την επίτευξη βιωσιμότητας. Αυτή η διατριβή εξετάζει τις προκλήσεις που σχετίζονται με την ενεργειακή μετάβαση χωρών χαμηλού και μεσαίου εισοδήματος (Παραγουάη, Αιθιοπία, Αφρική). Αυτή η εργασία εξετάζει εθνικές και παγκόσμιες πολιτικές, εστιάζοντας στην επίτευξη των SDG7 και SDG13. Η διατριβή περιλαμβάνει ένα εξώφυλλο και τέσσερις συνημμένες εργασίες. Η έρευνα που πραγματοποιήθηκε σε αυτή τη Διατριβή εξετάζει πώς τα μοντέλα ενεργειακών συστημάτων μπορούν να βοηθήσουν στην κατανόηση των πολύπλοκων αλληλεπιδράσεων ενός ενεργειακού συστήματος για τη βιώσιμη ανάπτυξη. Συγκεκριμένα, τα αποτελέσματα αναδεικνύουν την υδροηλεκτρική ενέργεια και τα ηλιακά φωτοβολταϊκά ως βασικές τεχνολογίες για την επίτευξη στόχων για την κλιματική αλλαγή, την ενεργειακή ασφάλεια και την ενεργειακή πρόσβαση. Η υδροηλεκτρική ενέργεια και άλλη ηλεκτρική ενέργεια από ανανεώσιμες πηγές μπορούν να εξαχθούν και να ενισχύσουν την ενεργειακή ασφάλεια της χώρας εξαγωγής, αν και τα κέρδη από τις εξαγωγές επηρεάζονται από την εγχώρια αύξηση ζήτησης και τις χαμηλές τιμές εξαγωγών ηλεκτρισμού. Τα οφέλη της ηλεκτρικής ενέργειας χαμηλού κόστους που παρέχεται από τη διασυνοριακή υδροηλεκτρική ενέργεια θα πρέπει να εξισορροπούνται έναντι των ανησυχιών για την ενεργειακή ασφάλεια της χώρας εισαγωγής. Η έρευνα καταδεικνύει τα οφέλη του περιφερειακού συντονισμού, με το εμπόριο να επιτρέπει την αξιοποίηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και τη μετάδοση της ηλεκτρικής ενέργειας στα κέντρα ζήτησης. Αν και οι ανανεώσιμες μειώνουν τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα και τη χρήση νερού σε σύγκριση με τις μονάδες ορυκτών καυσίμων και δημιουργεί περισσότερες θέσεις εργασίας, απαιτούν υψηλό αρχικό κόστος κεφαλαίου που αντισταθμίζεται από το χαμηλότερο λειτουργικό κόστος καυσίμων μακροπρόθεσμα. Έτσι, η αύξηση της φιλοδοξίας των κλιματικών στόχων με ταυτόχρονη επίτευξη πρόσβασης στην ηλεκτρική ενέργεια έχει ως αποτέλεσμα χαμηλότερο σωρευτικό κόστος. Επίσης, παρόλο που η υδροηλεκτρική ενέργεια και οι ανανεώσιμες τεχνολογίες δημιουργούν ανθεκτικότητα στο κλίμα, η λειτουργία της υδροηλεκτρικής ενέργειας εξαρτάται από τη μεταβλητότητα του κλίματος που επηρεάζει την ενεργειακή ασφάλεια. Επομένως, οι στρατηγικές μετριασμού θα πρέπει να λαμβάνουν υπόψη τις σχετικές προκλήσεις της κλιματικής αλλαγής στις επενδύσεις υδροηλεκτρικής ενέργειας. Η υδροηλεκτρική ενέργεια και οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι κατά κύριο λόγο τεχνολογίες συνδεδεμένες με το δίκτυο, επομένως τα συστήματα εκτός δικτύου και τα μίνι-δίκτυα αποτελούν βασικά συμπληρώματα για την επέκταση του εθνικού δικτύου όταν πιέζεται για καθολική ενεργειακή πρόσβαση. Επηρεάζουν επίσης την ενεργειακή ασφάλεια, το συνολικό κόστος του συστήματος και την κοινωνικοοικονομική ανάπτυξη. Τα αποτελέσματα αυτής της διατριβής μπορούν να υποστηρίξουν τις κυβερνήσεις στον στρατηγικό ενεργειακό σχεδιασμό για τον εντοπισμό μελλοντικών έργων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και τη διασφάλιση της οικονομικής τους βιωσιμότητας. Τα ενεργειακά συστήματα κατά τη μετάβασή τους πρέπει να είναι οικονομικά προσιτά, αξιόπιστα και βιώσιμα (π.χ. ενεργειακά αυτάρκης, καταπολέμηση της κλιματικής αλλαγής) με το να είναι ανθεκτικά στο κλίμα. Τα ευρήματα της διατριβής καταδεικνύουν ότι τα έθνη χρειάζονται ολοκληρωμένο ενεργειακό σχεδιασμό, λαμβάνοντας υπόψη τα γεωχωρικά χαρακτηριστικά των ενεργειακών τεχνολογιών και τη διαχείριση των υδάτινων πόρων για να επιτύχουν το SDG7 και να είναι ανθεκτικά στο κλίμα (SDG13). Απαιτείται ένα ευρύ χαρτοφυλάκιο τεχνολογιών ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, διασυνδέσεων και ένα αποκεντρωμένο σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που παρέχει ηλεκτρική ενέργεια πιο κοντά στη ζήτηση του τελικού χρήστη για την ενίσχυση της ενεργειακής ασφάλειας, τη μείωση των περιβαλλοντικών πιέσεων και την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας σε προσιτές τιμές για ένα έθνος.