Enhancing the evaluation of african energy transition strategies via integrated modelling tools

Africa has entered a period of rapid population and economic growth that will require a substantial expansion of its power generation capacity in the coming decades. Although the continent has contributed only marginally to historical greenhouse gas emissions, its nations have submitted ambitious climate mitigation pledges which, if coupled with the deployment of Africa's abundant renewable energy resources, could enable the sustainable satisfaction of rising demands. Designing effective energy transition pathways, however, demands careful consideration of Africa's distinctive contextual challenges. Approaches grounded solely in cost minimization risk overlooking the cross-cutting implications of the transition. Moreover, analyses relying exclusively on either global Integrated Assessment Models (IAMs) or continental Energy System Models (ESMs) inherit the methodological limitations of each framework, thereby constraining the robustness of their projections. Building on this context, this thesis develops and applies a set of integrated modelling tools to enhance the design and evaluation of Africa's energy transition strategies, providing policy-relevant and context-sensitive insights. The first overarching research objective of this thesis is to extend conventional least-cost energy system planning approaches by integrating socio-political and ecological assessments into OSeMOSYS-TEMBA AHA, a continental-scale ESM for Africa. A first sub-objective consists of quantifying the exposure of future cost-optimal cross-border power trades to political instability under alternative socio-economic and climatic scenarios. Results indicate a heightened near-term political risk, particularly under more sustainable scenarios, arising from a temporary increase in power trades among politically unstable countries. A second sub-objective involves the evaluation of the ecological impacts of hydropower expansion strategies on local riverine ecosystems, performed by coupling OSeMOSYS-TEMBA AHA with the water quality model DynQual and the biodiversity impact assessment tool Fishsuit. Findings show that, under low-warming scenarios, targeted dam siting through cost-optimal planning can substantially mitigate ecological impacts. In a high-warming future, by contrast, climate change emerges as the dominant driver of ecosystem risk, thereby limiting the effectiveness of improved siting decisions. The second broad research objective of this thesis introduces a soft-linking framework that couples GCAM, a global IAM, with OSeMOSYS-TEMBA AHA to enhance the accuracy and policy relevance of power system transition analyses for the African continent. GCAM produces long-term energy demand and emissions trajectories at the global scale, which are then spatially and temporally disaggregated and harmonized for use within the ESM. This integration yields more spatially explicit and technologically diverse generation portfolios than the IAM alone, particularly under decarbonization scenarios. Furthermore, incorporating the climate pledges submitted by African countries under the Paris Agreement shows that deeper decarbonization can be achieved at only modest additional system cost, contingent upon the mobilization of adequate financial and institutional support. Together, our findings reveal that uncoordinated or purely cost-driven decarbonization pathways risk amplifying regional instability and environmental degradation, thereby undermining long-term resilience. Moreover, single-model approaches fail to capture the resource diversity and heterogeneous generation potential of African countries. By contrast, the integrated multi-model frameworks developed in this thesis can equip policymakers with tools to anticipate vulnerabilities and design context-tailored energy and climate policies, promoting sustainable development across the continent.

L'Africa è entrata in un periodo di rapida crescita demografica ed economica che richiederà una sostanziale espansione della sua capacità di generazione di energia nei prossimi decenni. Sebbene il continente abbia contribuito solo marginalmente alle emissioni storiche di gas serra su scala globale, le sue nazioni hanno sottomesso obiettivi ambiziosi di mitigazione climatica che, se associati allo sfruttamento delle abbondanti risorse di energia rinnovabile disponibili, potrebbero consentire un soddisfacimento sostenibile della sua crescente domanda energetica. Progettare percorsi efficaci di transizione energetica, tuttavia, richiede un'attenta considerazione delle sfide contestuali distintive dell'Africa. Gli approcci basati esclusivamente sulla minimizzazione dei costi rischiano di trascurare alcune implicazioni trasversali della transizione. Inoltre, le analisi che si basano esclusivamente su modelli di valutazione integrata globali o su modelli dei sistemi energetici continentali ereditano le limitazioni metodologiche dei singoli approcci, limitando così la robustezza delle loro proiezioni. Sulla base del contesto descritto, questa tesi sviluppa e applica un insieme di strumenti di modellazione integrata per migliorare la progettazione e la valutazione delle strategie di transizione energetica dell'Africa, fornendo indicazioni contestualmente accurate e rilevanti ai fini della progettazione di politiche climatiche per il continente. Il primo obiettivo di ricerca generale di questa tesi è l'estensione degli approcci convenzionali di pianificazione del sistema energetico, basati sulla minimizzazione dei costi, integrando valutazioni socio-politiche ed ecologiche in OSeMOSYS-TEMBA AHA, un modello del sistema energetico africano su scala continentale. Un primo sotto-obiettivo collegato consiste nel quantificare l'esposizione degli scambi futuri di elettricità tra paesi limitrofi, ottimali in termini di costi, al loro livello di instabilità politica, considerando diversi scenari socio-economici e climatici. I risultati indicano un elevato rischio politico a breve termine, in particolare in scenari più sostenibili, derivante da un aumento temporaneo degli scambi tra paesi politicamente instabili. Un secondo sotto-obiettivo riguarda la valutazione degli impatti ecologici legati all’espansione dell'idroelettrico sugli ecosistemi fluviali locali, eseguita accoppiando OSeMOSYS-TEMBA AHA con il modello di qualità dell'acqua DynQual e lo strumento di valutazione dell'impatto sulla biodiversità Fishsuit. I risultati mostrano che, in scenari che considerano una mitigazione del riscaldamento globale, il posizionamento mirato delle dighe attraverso una pianificazione ottimale dei costi può mitigare sostanzialmente gli impatti ecologici. In un futuro caratterizzato da un elevato livello di riscaldamento globale, invece, il cambiamento climatico emerge come il motore dominante dei rischi per gli ecosistemi, limitando così l'efficacia legata ad una diminuzione del numero di dighe costruite. Il secondo obiettivo di ricerca più ampio di questa tesi introduce un quadro di integrazione “soft” che accoppia GCAM, un modello di valutazione integrata globale, con OSeMOSYS-TEMBA AHA per migliorare l'accuratezza e la rilevanza delle analisi di transizione del sistema energetico del continente africano. GCAM produce traiettorie a lungo termine della domanda di energia e delle emissioni su scala globale, che vengono poi disaggregate spazialmente e temporalmente e armonizzate al fine di essere utilizzate come input in OSeMOSYS-TEMBA AHA. Questa integrazione produce portafogli di generazione spazialmente espliciti e tecnologicamente diversificati rispetto al solo GCAM, in particolare negli scenari di decarbonizzazione. Inoltre, l'integrazione degli impegni climatici presentati dai paesi africani nell'ambito dell'Accordo di Parigi dimostra che una decarbonizzazione più profonda può essere ottenuta con un modesto incremento dei costi, subordinato alla mobilitazione di un adeguato sostegno tecnico-finanziario internazionale. Insieme, i nostri risultati rivelano che percorsi di decarbonizzazione guidati puramente dalla minimizzazione dei costi rischiano di amplificare l'instabilità regionale e il degrado ambientale in Africa, impattando, così, la resilienza della transizione nel lungo termine. Inoltre, gli approcci basati su un singolo modello non riescono a catturare la diversità nella disponibilità di risorse e il potenziale di generazione dei paesi diversi africani. Al contrario, gli approcci basati su modelli multipli, come quelli sviluppati in questa tesi, possono dotare i decisori politici di strumenti per anticipare le vulnerabilità delle strategie proposte e progettare politiche energetiche e climatiche su misura per il contesto, promuovendo lo sviluppo sostenibile in tutto il continente.