Over the past decades, climate change mitigation has been one of the main topics in discussing the future evolution of power systems. It is well known that a transition towards green generation is required, as this particular sector is one of the main contributors to global greenhouse emissions. The transition of the electricity system means shifting away from fossil fuel generation and/or nuclear towards renewables. However, there is a lack of existing cases of 100% renewable generation systems, except for Ireland, Norway, and Paraguay. This lack of previous experiences raises concerns about the effects of a transition to renewables. Certain questions need to be answered in the socio-economic, political, and technical fields. One challenge concerning the economic aspect is who will bear the cost of the transition. From a political perspective, policymakers need to know the regulatory mechanisms that enable the transition towards renewables. Finally, in the technical field, one main challenge arises: is it feasible to have a system with 100% renewable generation while guaranteeing energy security and reliability?
We start by analyzing the capacity requirements for a 100% renewable electricity system using Switzerland as a case study. The starting point is the current capacity mix, in which many countries rely strongly on nuclear and/or fossil fuel-based generation. The objective is to achieve an end-state in which the electricity system relies only on renewables. Particularly in our case, Switzerland is dismantling nuclear capacity and aims to replace it with PV. We defined possible end-state scenarios using data analysis. These scenarios use a numerical analysis, considering hydropower (hydro storage and run-of-river), one intermittent renewable technology (PV), and one storage method (pumping). The results show that a system relying on hydro, pumped hydro storage, and PV is theoretically viable. Next, we develop a system dynamics-based model to study the transition process both in the medium and long term in Switzerland. In the medium term, we study the implications of capacity-based subsidies, of the reduction of the capital cost of PV, and of the speed of the transition process. Our results show that neither the likely continued reduction in capital cost nor a slowing down of the transition process result in a sustainable transition. Thus, subsidies are required to avoid blackouts during the transition. In the long term, we expand the model by exploring three different policies within three climate scenarios: (i) capacity-oriented (capacity auctions), (ii) demand-oriented (demand-side management), and (iii) a combination of both. We conclude that without any intervention blackouts do occur after the start of the transition process under all climate scenarios. With capacity auctions, the system avoids blackouts while making storage profitable. A weakness of this policy is the need for large curtailments. The demand-side management policy is unsatisfactory as it only marginally reduces unmet demand. Finally, the combination of both strategies eliminates blackouts during the transition period and decreases the curtailment slightly compared to the capacity auction scenarios.
Our overall conclusion is that a 100% renewable generation system is technically feasible; however, market-driven investments are not enough to face the transition without the risk of blackouts. Nevertheless, our stylized model provides useful insights for policymakers regarding managing the transition towards renewables. This model is calibrated for the Swiss case, but it can be adapted to other countries or regions. Finally, our modeling process could be used to analyze different energy policies and technologies.
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Au cours des dernières décennies, la limitation du changement climatique a été l'un des principaux sujets de discussion dans le cadre de l'évolution future des systèmes électriques. Il est généralement accepté qu'une transition vers une production verte est nécessaire, car ce secteur est l'un des principaux contributeurs aux émissions mondiales de gaz à effet de serre. La transition du système électrique consiste à abandonner l'utilisation de combustibles fossiles et/ou le nucléaire au profit des énergies renouvelables. Cependant, il n'existe pas de systèmes de production d'électricité 100 % renouvelables, à l'exception de l'Irlande, la Norvège et le Paraguay. Ce manque d'expériences antérieures suscite des inquiétudes quant aux effets d'une transition vers les énergies renouvelables. Certaines questions doivent être résolues dans les domaines socio-économique, politique et technique. L'un des défis concernant l'aspect économique est de savoir qui assumera le coût de la transition. D'un point de vue politique, les décideurs doivent connaître les mécanismes réglementaires qui permettent la transition vers les énergies renouvelables. Enfin, dans le domaine technique, un question essentielle se pose : est- il possible d'avoir un système avec une production 100% renouvelable tout en garantissant la sécurité et la fiabilité de l'énergie ?
Nous commençons par analyser les besoins en capacité pour un système électrique 100% renouvelable en prenant la Suisse comme étude de cas. Le point de départ est la situation actuelle, dans lequel de nombreux pays dépendent fortement de la production nucléaire et/ou à base de combustibles fossiles. L'objectif est de parvenir à un état final dans lequel le système électrique repose uniquement sur des énergies renouvelables. Dans notre cas en particulier, la Suisse a entamé le démantèlement de sa capacité nucléaire et vise à la remplacer par du photovoltaïque. Sur la base d’analyser de donnes nous identifions différents états finaux possibles. Pour chaque scénario nous effectuions une analyse numérique, en considérant l'hydroélectricité (stockage hydraulique et au fil de l'eau), une technologie renouvelable intermittente (PV), et une méthode de stockage (pompage). Les résultats montrent qu'un système reposant sur l'hydroélectricité, le stockage par pompage et le PV est théoriquement viable. Ensuite, nous développons un modèle basé sur la dynamique des systèmes pour étudier le processus de transition à moyen et long terme en Suisse. A moyen terme, nous étudions les implications des subventions basées sur la capacité, de la réduction du coût de panneaux PV, et de la vitesse du processus de transition. Nos résultats montrent que ni la réduction continue probable du coût du PV, ni un ralentissement du processus de transition n'aboutissent à une transition durable. Par conséquent, des subventions sont nécessaires pour éviter une pénurie d'électricité pendant la transition. Sur le long terme, nous étendons le modèle en explorant trois politiques différentes dans le cadre de trois scénarios climatiques : (i) orientées vers la capacité (enchères de capacité), (ii) orientées vers la demande (gestion de la demande), et (iii) une combinaison des deux. Nous concluons que sans aucune intervention, des pénuries se produisent après le début du processus de transition dans tous les scénarios climatiques. Avec les enchères de capacité, le système évite les pénuries tout en rendant le stockage rentable. Une faiblesse de cette politique est le besoin de « curtailment » importantes. La politique de gestion de la demande n'est pas satisfaisante car elle ne réduit que marginalement la demande insatisfaite. Enfin, la combinaison des deux stratégies élimine les pénuries pendant la période de transition et diminue légèrement les « curtailment » par rapport aux scénarios de vente aux enchères de capacité.
Notre conclusion générale est qu'un système de production 100% renouvelable est techniquement réalisable ; cependant, les investissements dictés par le marché ne sont pas suffisants pour faire face à la transition sans risque de pénuries. Néanmoins, notre modèle stylisé fournit des indications utiles aux décideurs politiques concernant la gestion de la transition vers les énergies renouvelables. Ce modèle est calibré pour le cas suisse, mais il peut être adapté à d'autres pays ou régions. Enfin, notre processus de modélisation pourrait être utilisé pour analyser différentes politiques et technologies énergétiques.