Strategic planning of biomass and bioenergy technologies

The design of sustainable, environmentally friendly energy systems which have adequate capacity is a critical challenge faced by nations across the globe. This challenge is compounded in developing countries, which contain with remote areas yet to be connected to the grid, an over- dependence on conventional sources of energy, a shortage of financial resources, and, limited supporting policies and legislation. The objective of this thesis is to develop methods for strategic planning of biomass and bioenergy technologies in developing countries. The approach followed is to start from the general and move to the specific. After a general formulation of methods, an exemplary case study of Colombia is presented. The formulated methods cover four main areas. Firstly, a method to estimate the current biomass energy potential and its uncertainty at a country level is formulated when availability and quality of data are limited. For this purpose, a bottom-up resource-focused approach with statistical analysis using a Monte Carlo algorithm is proposed. Secondly, a method to estimate the future biomass energy potential and land use change is formulated for countries with domestic markets unable to influence international markets. The proposed method is a combination of resource-focused and demand driven approaches, in which the biomass energy potential is influenced by the internal demand, land use, economics, macroeconomics and global biofuel use. Thirdly, a method for energy technology roadmapping adapted to the conditions of developing countries and a new strategy to build consensus based on the Delphi method are formulated. These tools are employed for defining a plan to deploy sustainable bioenergy technologies in Colombia until 2030. The plan consists of a set of long-term goals, milestones, barriers and action items identified by over 30 experts for different bioenergy technology areas. Fourthly, a modeling framework to evaluate the impacts that long-term deployment of bioenergy technologies might cause on the energy supply and demand, emissions and land use at a country level is proposed. The method combines a quantitative and a qualitative element. The qualitative element integrates outcomes of technology roadmapping with scenario analysis to investigate various storylines with different underlying assumptions on policy measures. The quantitative element comprises four integrated tools, namely the energy system model (ESM), the land use and trade model (LUTM), an economic model, and an external climate model. These tools quantify in an integrated manner the impacts of implementing different scenarios on the energy system, emissions and land-use at a country level as well as the linkages with the economy and climate. Results of the study case of Colombia suggest that the deployment of technologies for biomethane production, power generation & CHP should be prioritized. These technology routes avoid methane release, substitute fossil fuels, reduce CO2 emissions and maximize the GHG reductions per incremental land of bioenergy.

Il dimensionamento di sistemi energetici sostenibili e rispettosi dell'ambiente è una sfida fondamentale che deve essere affrontata dalle nazioni di tutto il mondo. Questa sfida è particolarmente rilevante nei paesi in via di sviluppo, in quanto vi sono aree remote ancora non elettrificate, vi è una eccessiva dipendenza da fonti convenzionali di energia, si registra una carenza di risorse finanziarie e non sono sviluppate ed implementate adeguate politiche e regolamentazioni. L'obiettivo di questa tesi è lo sviluppo di una metodologia per la pianificazione strategica delle tecnologie basate su biomasse e bioenergie in genere, nei paesi in via di sviluppo. L'approccio seguito è quello di iniziare da un approccio generale e poi passare ad uno specifico contesto di applicazione, che nel caso in esame è la Colombia. Le metodologie sviluppate ed applicate nella tesi sono relative a quattro aree principali. In primo luogo, viene sviluppato un metodo per stimare l’attuale potenziale energetico della biomassa e la sua incertezza a livello nazionale, per tenere conto del fatto che la disponibilità e la qualità dei dati possono essere limitati. A questo scopo, si propone un approccio focalizzato sul tipo di risorsa e bottom-up, con analisi statistica che utilizza un algoritmo Monte Carlo. In secondo luogo, viene sviluppato un metodo per stimare il futuro potenziale energetico della biomassa e il cambiamento di uso del suolo, per paesi il cui mercato nazionale non influenza i mercati internazionali. Il metodo proposto è una combinazione di approcci focalizzati sul tipo di risorsa e guidati dalla domanda, in cui l'energia potenziale della biomassa è influenzato dalla domanda interna, dall’uso del suolo, dall'economia, dalla macroeconomia e dall'uso di biocarburanti globale. In terzo luogo, la tesi propone un metodo per tracciare la roadmap per l’utilizzo di tecnologie energetiche, adattato alle condizioni dei paesi in via di sviluppo, e una nuova strategia per costruire il consenso sulla base del metodo Delphi. Questi strumenti sono impiegati per la definizione di un piano per implementare tecnologie bioenergetiche sostenibili in Colombia fino al 2030. Il piano è costituito da una serie di obiettivi a lungo termine, di tappe, di barriere e di “azioni” individuate da più di 30 esperti per le diverse aree tecnologiche. In quarto luogo, viene sviluppato un modello generale di simulazione per valutare gli impatti che l’implementazione a lungo termine delle tecnologie bioenergetiche potrebbe causare su domanda e richiesta di energia, emissioni e uso del territorio a livello nazionale. Il metodo combina elementi sia quantitativi sia qualitativi. L'elemento qualitativo integra i risultati della tecnologia di sviluppo della roadmap con analisi di scenari per indagare varie storie con diverse ipotesi circa le azioni di politica energetica da attuare. L'elemento quantitativo comprende quattro strumenti integrati, vale a dire il modello di sistema energetico (ESM), l'uso del suolo e un modello di mercato (LUTM), un modello economico e un modello che tiene conto del clima. Questi strumenti servono per quantificare in modo integrato gli impatti conseguenti all’attuazione di diversi scenari sul sistema energetico, le emissioni e l’uso del suolo a livello nazionale, così come i legami con l'economia e il clima. I risultati dello studio per il caso della Colombia indicano che la diffusione di tecnologie per la produzione di biometano, la generazione di energia e la cogenerazione dovrebbero essere le tecnologie sulle quali investire per il futuro, in quanto permettono di ridurre le emissioni di metano, la sostituzione dei combustibili fossili, la riduzione delle emissioni di CO2 e la massimizzazione della riduzione di gas serra per suolo incrementale utilizzato per la produzione di bioenergia.