Methods for assessing energy-economic impacts of low carbon energy transitions in regional economies

The transition to clean, sustainable, and independent energy systems is becoming a major objective for scientists and policy makers, an objective that is being pursued on a variety of territorial levels. The regional scale is particularly important as it is at the intersection of two major levels of governance: local, close to citizens, and national and supranational. Indeed, it is at the regional level that concrete measures to promote the low carbon transition are designed and promoted in local strategies and action plans. In literature and in practice the development of such governing tools is often supported by bottom-up engineering modelling tools. Despite their value, these cost-technical analyses fail to capture the impacts of low carbon energy scenarios on the local economy, such as the impact on value added, taxes, imports, and employment. Macroeconomic models, on the other hand, are unable to capture the complexity of energy systems, which occurs as a result of the diffusion of intermittent renewable sources and their time-dependent interaction with the economy, and are therefore incomplete. These two issues highlight the need to develop a more comprehensive modelling approach capable of combining the advantages of both modelling methods. The objective of this thesis is to advance research on the linking between bottom-up engineering modelling tools and empirical meso- and macro-economic models at regional level, and to investigate how such linked, or hybrid, models could effectively be used to inform local policy makers about the impact of the low carbon energy transition on the economic structure of their territory, thus supporting them in the development of sustainable policies and measures. The literature review has led to the identification of characteristics required by the models to be linked and to the identification of the two modelling approaches: EPLANopt, developed by Eurac research and based on the freely available EnergyPLAN model, for the energy part and Input Output Analysis, for the macroeconomic part. It has also contributed to the identification of numerous inconsistencies regarding definitional aspects related to the linking of models. This has led to the elaboration of a novel classification scheme which has enabled the univocal and unambiguous identification of the developed hybrid models. Additionally, it has highlighted aspects and criticalities that have been incorporated into the different models of this study. Three hybrid models with increasing complexity have been developed in the Python coding language and tested. By applying the first linked model to the South Tyrol case study, insights have been derived regarding the impact of prospective low carbon scenarios on different sectors of the local economy, as well as how this information can support the development of policies. The application of the further two models have allowed for advancement in the understanding of the application of hybrid models in various contexts. In addition, they have helped in identifying further research strains.

La transizione energetica verso sistemi energetici sostenibili e indipendenti sta imponendosi come uno degli obiettivi principali di scienziati e politici. Obiettivo che viene perseguito a diverse scale territoriali. La scala regionale, in particolare, si trova all'incrocio di due importanti livelli di governance: quello locale, vicino ai cittadini, e quello nazionale e sovranazionale e svolge quindi un ruolo centrale. È a livello regionale, infatti, che le misure concrete per promuovere la transizione verso società a basse emissioni di carbonio vengono pianificate e promosse in strategie e piani d'azione locali. In letteratura e nella pratica, lo sviluppo di questi strumenti di governo è spesso supportato da strumenti di modellazione ingegneristica bottom-up. Nonostante la loro utilità, queste analisi tecnico-economiche non colgono l'impatto degli scenari energetici a basse emissioni di carbonio sull'economia locale, come ad esempio l'effetto sul valore aggiunto, sulle tasse, sulle importazioni e sull'occupazione. D'altro canto, i modelli macroeconomici, non sono in grado di riflettere la complessità dei sistemi energetici, che deriva dalla diffusione di fonti rinnovabili intermittenti e dalle loro interazioni con l'economia dipendenti dal tempo, e sono quindi a loro volta parziali. Questi due aspetti evidenziano la necessità di un approccio modellistico più completo in grado di combinare le caratteristiche di entrambi gli strumenti di modellazione. L'obiettivo di questa tesi è di avanzare la ricerca sul collegamento tra strumenti di modellazione ingegneristica bottom-up e modelli empirici meso- e macroeconomici a livello regionale e di indagare come tali modelli congiunti, o ibridi, possano essere efficacemente utilizzati per informare i decisori politici locali sull'impatto della transizione energetica a basse emissioni di carbonio sulla struttura economica del loro territorio, supportandoli così nello sviluppo di politiche e misure sostenibili. La rassegna della letteratura ha portato all'identificazione delle caratteristiche richieste dai modelli da collegare e all'identificazione dei due approcci modellistici: per la parte energetica EPLANopt sviluppato da Eurac Research e basato sul modello EnergyPLAN liberamente disponibile e per la parte macroeconomica l’analisi Input Output di Leontief. La rassegna ha inoltre contribuito all'identificazione di numerose incongruenze relative a definizioni e categorie usate per descrivere e classificare il collegamento fra modelli energetici ed economici. Ciò ha portato all'elaborazione di un nuovo schema di classificazione che ha permesso di identificare in modo univoco e non ambiguo i modelli ibridi sviluppati. Inoltre, è stato possibile evidenziare aspetti particolari e criticità che sono state considerate e integrate nello sviluppo dei modelli stessi. Tre modelli ibridi di complessità crescente sono stati sviluppati nel linguaggio di programmazione Python e testati. Una estesa applicazione del primo modello al caso studio dell'Alto Adige ha permesso di analizzare l'impatto di scenari energetici futuri a basse emissioni di carbonio su diversi settori dell'economia Altoatesina e di approfondire come le informazioni derivabili dai modelli ibridi possano essere utilizzate per supportare lo sviluppo di politiche energetiche locali sostenibili. Altri due modelli hanno permesso di progredire nella comprensione dell'applicazione di modelli ibridi in vari contesti, contribuendo alla identificazione di ulteriori filoni di ricerca.