Modeling a renewable electricity system : the Portuguese case

Abstract

Renewable energies play a unique role in the sustainable development of countries, promoting the exploitation of natural resources for the production of electricity, heat and biofuels. Portugal is a country with limited energy resources. The reduction of the external energy dependence is one of the main goals for the future, justifying an increasing cross sector application of renewable energy sources (RES), covering the transport, heating/cooling and electricity production systems. The present work addresses the Portuguese electricity production sector and aimed to propose and analyze different renewable energy scenarios. For this, the Sustainable Electricity Planning Model was adapted in order to include different RES technologies and following a cost minimization approach, for a 10 years planning period. The work required the collection of data for the full characterization of the technologies, including the estimated power potential, seasonal availability of the resources and costs. The monthly demand projections for the planning models were also required to be estimated departing from the annual forecast for the sector for the next 10 years. Four scenarios were obtained, each one representing a different contribution of RES to the electricity production. In the first scenario the RES share was assumed to remain equal to 37%, a value close to the one obtained in 2012. As for the other three scenarios, the RES share was increased until reaching 86%, the maximum value possible according to the constraints assumed in the model. The results demonstrate that the increase of RES will have a strong impact on the total cost of the system, mainly due to the required investment costs. The total cost of the maximum RES scenario is more than double than the one obtained under scenario 1 assumptions. However, the CO2 emissions would be less than 3% of the total value obtained for scenario 1. Another relevant conclusion of the work is that the increasing of RES power in the system, leads to an increase of both the total installed power and of the electricity production. This demonstrates the need to integrate the electricity system allowing to include the possibility of importations and exportations.

As energias renováveis desempenham um papel crucial no desenvolvimento sustentável dos países, promovendo a exploração dos recursos naturais para a produção de eletricidade, calor e biocombustíveis. Portugal é um país com recursos energéticos limitados. A redução da dependência energética externa é uma das principais metas para o futuro, o que justifica uma aplicação intersectorial crescente de fontes de energia renováveis (FER), que abrange o transporte, aquecimento e sistemas de produção de energia elétrica. O presente trabalho aborda o setor de produção de eletricidade Português e teve como objetivo propor e analisar diferentes cenários de energia renovável. Para isso, o Modelo de Planeamento Sustentável de Eletricidade foi adaptado para incluir diferentes tecnologias FER, seguindo uma abordagem de minimização de custos por um período de 10 anos de planeamento. Para o trabalho foi necessário a recolha de dados para a caracterização completa das tecnologias, incluindo o potencial de energia estimada, a disponibilidade sazonal dos recursos e custos. As projeções mensais da procura para os modelos de planeamento também foram estimadas, tendo como base as previsões anuais para o setor para os próximos 10 anos. Simularam-se quatro cenários diferentes, cada um representando uma contribuição diferente das FER para a produção de eletricidade. No primeiro cenário a participação FER foi assumida como igual a 37%, um valor próximo ao existente em 2012 em Portugal. Quanto aos outros três cenários, a participação FER foi aumentada até atingir 86%, valor máximo possível definido de acordo com as limitações assumidas no modelo. Os resultados demonstram que o aumento das FER terá um forte impacto sobre o custo total do sistema, principalmente devido aos custos de investimento necessários. O custo total obtido do cenário com a máxima percentagem de FER é mais do dobro do que o custo obtido no cenário 1. No entanto, as emissões de CO2 seriam inferiores a 3 % do valor total obtido para o cenário 1. Outra conclusão relevante do trabalho é que o aumento de potência FER no sistema, leva a um aumento tanto da potência instalada como da produção de energia elétrica. Isso demonstra a necessidade de integrar ao sistema elétrico a possibilidade de importações e exportações.