Energy system modelling and scenario analysis of France and Germany: a multi-region assessment towards 2030

French and German governments have significantly reformed their energy policies and agendas during the last decades. Such changes were needed in order to cope with internal needs, such as reducing the reliance on a specific energy source or addressing the public opinion's concerns about safety and health, and global urgencies such as sustainability and environmental preservation. Although these countries already committed themselves trough both internal laws and international agreements, the aforementioned objectives can be, in time, achieved in a variety of ways. The purpose of this thesis is to investigate how the adoption of different energy policies will affect the electric systems of these two countries. To do so, a multi-regional long term energy model, with a 2013-2030 time horizon, was created, using the open source modelling tool OSeMOSYS. The model relies on a careful characterization of each energy technology accounted for, including for instance a definition of the installed capacity built on detailed data of single power plants, verified projections of capital, variable and fixed costs and a realistic representation of the variable generation from renewable sources, throughout the hours of the day and the seasons in the year, all in a country-specific fashion. Acknowledging the uncertainties involved in the projections of the future demand of electricity, this thesis proposes a scenario analysis aimed to assess the different evolutions of the studied systems, in response to different demand forecasts. This while comparing and analysing the differences in overall costs and environmental achievements. This thesis demonstrates that the energy and environmental policies put in place by the French and German governments, and agreed on an European and global scale, if fully applied have the potential to lead to a deep transformation of the analysed energy systems. Addressing the urgent need of making the energy systems of these countries more sustainable and environmentally friendly, in spite of a demand of electricity that is projected to increase, is demonstrated to be possible through high and prompt investments in new capacity; and while achieving the ambitious targets on the reduction of greenhouse gases emissions will require a substantial shift towards the exploitation of variable renewable sources in the generation of electricity, mainly through the wind powered and photovoltaic technologies, the role of traditional fossil fuel fired technologies will be adapted in order for the system to be able to reliably match the demand of electricity at any given time.

Modellizzazione dei sistemi energetici e analisi di scenario di Francia e Germania: un approccio multi regione verso il 2030. I governi di Francia e Germania hanno riformato in maniera significativa le loro rispettive politiche energetiche nel corso degli ultimi decenni. Queste riforme si sono rese necessarie al fine di far fronte sia a necessità politiche nazionali, quali ad esempio la riduzione della dipendenza da una specifica fonte di energia o il ricevimento delle richieste da parte dell'opinione pubblica preoccupata dal possibile impatto di alcune tecnologie sulla salute o la sicurezza dei cittadini, che internazionali, come l'incremento della sostenibilità e la preservazione dell'ambiente. Nonostante queste due nazioni si siano già impegnate, sia tramite leggi nazionali sia tramite la sottoscrizione di trattati internazionali, gli obiettivi citati in precedenza potranno essere raggiunti nel tempo in modi e tempi differenti. Lo scopo di questa tesi è quello di stabilire in che modo l'adozione di diverse politiche energetiche influenzerà l'evoluzione dei sistemi elettrici delle due nazioni considerate. Per raggungere questo scopo è stato creato un modello energetico di lungo periodo, con un orizzonte temporale che va dal 2013 al 2030, utilizzando lo strumento di modellizzazione OSeMOSYS. Il modello creato è basato su di un'attenta caratterizzazione di ciascuna tecnologia di generazione elettrica considerata, includendo ad esempio una definizione della capacità attualmente installata basata sui dati specifici di ciascun impianto, proiezioni verificate e discusse dei costi di investimento, fissi e variabili di ciascuna tecnologia e una rappresentazione realistica della variabilità che contraddistingue la generazione da fonti rinnovabili, il tutto utilizzando dati specifici per ciascuna nazione studiata. Riconoscendo negli svariati fattori che influenzano la domanda di elettricità, e la sua proiezione futura, un'ineliminabile fonte di incertezza per il modello, questa tesi presenta un'analisi di scenario che si propone di descrivere l'evoluzione dei sistemi elettrici considerati partendo da diverse previsioni sulla domanda di elettricità. Questo ha permesso di comparare ed analizzare le differenze nei costi complessivi e nel raggiungimento degli obiettivi in materia di sostenibilità ambientale. Questa tesi dimostra che le politiche energetiche ed ambientali pianificate e messe in atto dai governi Francesi e Tedeschi, e concordate a livello Europeo e globale, se applicate integralmente potranno portare ad una profonda trasformazione dei sistemi energetici oggetto di questa analisi. I risultati ottenuti tramite il modello suggeriscono che soddisfare la necessità di rendere più sostenibili i sistemi energetici di questi paesi, nonostante un aumento previsto per la domanda di energia, è possibile, ma solo attraverso dei massicci e tempestivi investimenti nell'installazione di nuova capacità; e se il raggiungimento degli ambiziosi obiettivi sulla riduzione di gas serra richiederà una decisa svolta verso lo sfruttamento dello fonti energetiche rinnovabili, principalmente tramite le tecnologie eoliche e fotovoltaiche, il ruolo delle tecnologie tradizionali che sfruttano la combustione dei combustibili fossili dovrà cambiare, allo scopo di garantire il soddisfacimento della domanda di energia elettrica in maniera stabile ed in ogni momento.