Low-carbon energy scenarios and the role of Fusion

In the global context of a progressive commitment towards decarbonization of human activities, the electricity system plays a primary role in policies for the modification of energy uses and energy source exploitation, and the consequent reduction of greenhouse gas related to these fields. Nuclear energy is an energy source compatible with a decarbonized generation mix, but as of today there is no major commitment towards Nuclear fission technology, mainly due to concerns about operation safety, environmental sustainability of decommissioned power plants and spent fuel management. Nuclear Fusion technology, on the other hand, may be a crucial step forward in the exploitation of nuclear reactions and solve all those critical issues. However the deployment of a significant installed capacity of fusion power plants is to be expected, in all likelihood, during the second half of the century, and then after the time window set by the main industrialized countries for their decarbonization targets. As for now, decarbonization policies focus mainly on renewable generation from variable sources, like solar photovoltaic and wind power. These generation technologies experienced a huge cost reduction in recent years, but still pose many questions about the cost and requirements of a power system entirely, or mainly, based on them. In this perspective this thesis presents energy scenarios for the power system in which scenarios forced to fully rely on renewable energy are compared to scenarios where both fusion and renewable energy can enter the energy mix. The aim is to assess if fusion availability and deployment brings with it an improvement in a electricity power system: this improvement can be measured in terms of system costs, as well as in terms of any other feature of the power system design or operation that may be considered relevant. These scenarios are generated with the model COMESE (Electricity System Mean Cost - Costo Medio del Sistema Elettrico). COMESE was developed in the context of energy scenarios research activities of RFX Consortium in Padua. The aim of the code is to represent effectively the features, costs and requirements of an electricity power system based on a major, or at least relevant, share of renewable sources. To do so it performs an hourly simulation of all the generation and storage technologies included in the power system, as well as simulating power flows between different system zones, in order to assess how the generators siting and the transmission grid capacity influence the system operation. A complete description of the code itself is included in the thesis, as a major share of work was devolved to the development and upgrade of the code itself. The aim of the work on COMESE was to deepen the degree of detail achievable from a system simulation, while keeping the tool as versatile as possible, in order to be able to tune it accordingly to the specific issues that may need to be assessed from time to time. This made COMESE a tool useful for a vast kind of analyses on the power system operations, beyond the ones involving Fusion deployment. Moreover, Fusion deployment scenarios themselves can be easily generalized, in order to assess the role of capital intensive baseload technologies in a decarbonized power system.

Nel contesto globale di un progressivo impegno verso la decarbonizzazione delle attività umane, il sistema elettrico riveste un ruolo primario nelle politiche di modifica degli usi energetici e di sfruttamento delle fonti energetiche, e nella conseguente riduzione dei gas serra legati a questi ambiti. L'energia nucleare è una fonte energetica compatibile con un mix di generazione decarbonizzato, ma ad oggi non vi è alcun impegno prioritario nei confronti della tecnologia a fissione nucleare, principalmente a causa delle preoccupazioni sulla sicurezza degli impianti, la sostenibilità ambientale delle centrali dismesse e la gestione del combustibile esaurito. La tecnologia a fusione nucleare, d'altra parte, può essere un passo avanti cruciale nello sfruttamento delle reazioni nucleari in campo civile e risolvere tutte quelle criticità. Tuttavia il dispiegamento di una significativa flotta di centrali a fusione è prevedibile, con ogni probabilità, per la seconda metà del secolo, e quindi oltre la finestra temporale fissata dai principali paesi industrializzati per i propri obiettivi di decarbonizzazione. Per ora, quindi, le politiche di decarbonizzazione si concentrano principalmente sulla generazione rinnovabile da fonti intermittenti, come il solare fotovoltaico e l'eolico. Queste tecnologie di generazione hanno subito un'enorme riduzione dei costi negli ultimi anni, ma pongono ancora molti interrogativi sui costi e sui requisiti di un sistema elettrico interamente, o principalmente, basato su di esse. In questa prospettiva, questa tesi presenta scenari energetici per il sistema elettrico in cui scenari che fanno completo affidamento su generazione rinnovabile rinnovabile vengono confrontati con scenari in cui sia la fusione nucleare che l'energia rinnovabile possono far parte del mix energetico. L'obiettivo è valutare se la disponibilità e la diffusione della tecnologia a fusione portino con sé dei miglioramenti del sistema elettrico: questo miglioramento può essere misurato in termini di costi di sistema, nonché in termini di qualsiasi altra caratteristica della struttra o del funzionamento del sistema elettrico che possa essere considerata rilevante. Questi scenari sono generati con il modello COMESE (Costo Medio del Sistema Elettrico). COMESE è stato sviluppato nell'ambito delle attività di ricerca sugli scenari energetici del Consorzio RFX di Padova. Lo scopo del codice è quello di rappresentare efficacemente le caratteristiche, i costi ed i requisiti di un sistema elettrico basato su una quota maggioritaria, o comunque rilevante, di fonti rinnovabili. Per fare ciò si basa su di una simulazione oraria di tutte le tecnologie di generazione e accumulo incluse nel sistema elettrico, nonché di una simulazione dei flussi di potenza tra le diverse zone del sistema, al fine di valutare come l'ubicazione dei generatori e la capacità della rete di trasmissione influenzino il funzionamento del sistema. Una descrizione completa del codice stesso è inclusa nella tesi, in quanto una parte consistente del lavoro è stata dedicata allo sviluppo e all'aggiornamento del codice stesso. Lo scopo del lavoro su COMESE è stato quello di approfondire il grado di dettaglio ottenibile da una simulazione di sistema, ma mantenendo lo strumento il più versatile possibile, in modo da poterlo tarare in funzione degli aspetti che di volta in volta vogliano essere valutati con maggior dettaglio. Ciò ha reso COMESE uno strumento utile per diversi tipi di analisi sul funzionamento del sistema elettrico, oltre a quelle focalizzate sulla penetrazione della generazione da Fusione. Inoltre, gli stessi scenari di implementazione della fusione possono essere facilmente generalizzati, al fine di valutare il ruolo delle tecnologie di generazione baseload ad elevato costo capitale in un sistema energetico decarbonizzato.