Looking under the hood: A comparison of techno-economic assumptions across national and global integrated assessment models

Integrated assessment models are extensively used in the analysis of climate change mitigation and are informing national decision makers as well as contribute to international scientific assessments. This paper conducts a comprehensive review of techno-economic assumptions in the electricity sector among fifteen different global and national integrated assessment models. Particular focus is given to six major economies in the world: Brazil, China, the EU, India, Japan and the US. The comparison reveals that techno-economic characteristics are quite different across integrated assessment models, both for the base year and future years. It is, however, important to recognize that techno-economic assessments from the literature exhibit an equally large range of parameters as the integrated assessment models reviewed. Beyond numerical differences, the representation of technologies also differs among models, which needs to be taken into account when comparing numerical parameters. While desirable, it seems difficult to fully harmonize techno-economic parameters across a broader range of models due to structural differences in the representation of technology. Therefore, making techno-economic parameters available in the future, together with of the technology representation as well as the exact definitions of the parameters should become the standard approach as it allows an open discussion of appropriate assumptions. © 2019 The Author

Taking stock of national climate policies to evaluate implementation of the Paris Agreement

Many countries have implemented national climate policies to accomplish pledged Nationally Determined Contributions and to contribute to the temperature objectives of the Paris Agreement on climate change. In 2023, the global stocktake will assess the combined effort of countries. Here, based on a public policy database and a multi-model scenario analysis, we show that implementation of current policies leaves a median emission gap of 22.4 to 28.2 GtCO2eq by 2030 with the optimal pathways to implement the well below 2 °C and 1.5 °C Paris goals. If Nationally Determined Contributions would be fully implemented, this gap would be reduced by a third. Interestingly, the countries evaluated were found to not achieve their pledged contributions with implemented policies (implementation gap), or to have an ambition gap with optimal pathways towards well below 2 °C. This shows that all countries would need to accelerate the implementation of policies for renewable technologies, while efficiency improvements are especially important in emerging countries and fossil-fuel-dependent countries

PDRs4All II: JWST's NIR and MIR imaging view of the Orion Nebula

The JWST has captured the most detailed and sharpest infrared images ever taken of the inner region of the Orion Nebula, the nearest massive star formation region, and a prototypical highly irradiated dense photo-dissociation region (PDR). We investigate the fundamental interaction of far-ultraviolet photons with molecular clouds. The transitions across the ionization front (IF), dissociation front (DF), and the molecular cloud are studied at high-angular resolution. These transitions are relevant to understanding the effects of radiative feedback from massive stars and the dominant physical and chemical processes that lead to the IR emission that JWST will detect in many Galactic and extragalactic environments. Due to the proximity of the Orion Nebula and the unprecedented angular resolution of JWST, these data reveal that the molecular cloud borders are hyper structured at small angular scales of 0.1-1" (0.0002-0.002 pc or 40-400 au at 414 pc). A diverse set of features are observed such as ridges, waves, globules and photoevaporated protoplanetary disks. At the PDR atomic to molecular transition, several bright features are detected that are associated with the highly irradiated surroundings of the dense molecular condensations and embedded young star. Toward the Orion Bar PDR, a highly sculpted interface is detected with sharp edges and density increases near the IF and DF. This was predicted by previous modeling studies, but the fronts were unresolved in most tracers. A complex, structured, and folded DF surface was traced by the H2 lines. This dataset was used to revisit the commonly adopted 2D PDR structure of the Orion Bar. JWST provides us with a complete view of the PDR, all the way from the PDR edge to the substructured dense region, and this allowed us to determine, in detail, where the emission of the atomic and molecular lines, aromatic bands, and dust originate

PDRs4All IV. An embarrassment of riches: Aromatic infrared bands in the Orion Bar

(Abridged) Mid-infrared observations of photodissociation regions (PDRs) are dominated by strong emission features called aromatic infrared bands (AIBs). The most prominent AIBs are found at 3.3, 6.2, 7.7, 8.6, and 11.2 $\mu$m. The most sensitive, highest-resolution infrared spectral imaging data ever taken of the prototypical PDR, the Orion Bar, have been captured by JWST. We provide an inventory of the AIBs found in the Orion Bar, along with mid-IR template spectra from five distinct regions in the Bar: the molecular PDR, the atomic PDR, and the HII region. We use JWST NIRSpec IFU and MIRI MRS observations of the Orion Bar from the JWST Early Release Science Program, PDRs4All (ID: 1288). We extract five template spectra to represent the morphology and environment of the Orion Bar PDR. The superb sensitivity and the spectral and spatial resolution of these JWST observations reveal many details of the AIB emission and enable an improved characterization of their detailed profile shapes and sub-components. While the spectra are dominated by the well-known AIBs at 3.3, 6.2, 7.7, 8.6, 11.2, and 12.7 $\mu$m, a wealth of weaker features and sub-components are present. We report trends in the widths and relative strengths of AIBs across the five template spectra. These trends yield valuable insight into the photochemical evolution of PAHs, such as the evolution responsible for the shift of 11.2 $\mu$m AIB emission from class B$_{11.2}$ in the molecular PDR to class A$_{11.2}$ in the PDR surface layers. This photochemical evolution is driven by the increased importance of FUV processing in the PDR surface layers, resulting in a "weeding out" of the weakest links of the PAH family in these layers. For now, these JWST observations are consistent with a model in which the underlying PAH family is composed of a few species: the so-called 'grandPAHs'.Comment: 25 pages, 10 figures, to appear in A&

PDRs4All III: JWST's NIR spectroscopic view of the Orion Bar

(Abridged) We investigate the impact of radiative feedback from massive stars on their natal cloud and focus on the transition from the HII region to the atomic PDR (crossing the ionisation front (IF)), and the subsequent transition to the molecular PDR (crossing the dissociation front (DF)). We use high-resolution near-IR integral field spectroscopic data from NIRSpec on JWST to observe the Orion Bar PDR as part of the PDRs4All JWST Early Release Science Program. The NIRSpec data reveal a forest of lines including, but not limited to, HeI, HI, and CI recombination lines, ionic lines, OI and NI fluorescence lines, Aromatic Infrared Bands (AIBs including aromatic CH, aliphatic CH, and their CD counterparts), CO2 ice, pure rotational and ro-vibrational lines from H2, and ro-vibrational lines HD, CO, and CH+, most of them detected for the first time towards a PDR. Their spatial distribution resolves the H and He ionisation structure in the Huygens region, gives insight into the geometry of the Bar, and confirms the large-scale stratification of PDRs. We observe numerous smaller scale structures whose typical size decreases with distance from Ori C and IR lines from CI, if solely arising from radiative recombination and cascade, reveal very high gas temperatures consistent with the hot irradiated surface of small-scale dense clumps deep inside the PDR. The H2 lines reveal multiple, prominent filaments which exhibit different characteristics. This leaves the impression of a "terraced" transition from the predominantly atomic surface region to the CO-rich molecular zone deeper in. This study showcases the discovery space created by JWST to further our understanding of the impact radiation from young stars has on their natal molecular cloud and proto-planetary disk, which touches on star- and planet formation as well as galaxy evolution.Comment: 52 pages, 30 figures, submitted to A&

Taking stock of national climate policies to evaluate implementation of the Paris Agreement

Many countries have implemented national climate policies to accomplish pledged Nationally Determined Contributions and to contribute to the temperature objectives of the Paris Agreement on climate change. In 2023, the global stocktake will assess the combined effort of countries. Here, based on a public policy database and a multi-model scenario analysis, we show that implementation of current policies leaves a median emission gap of 22.4 to 28.2 GtCO2eq by 2030 with the optimal pathways to implement the well below 2 °C and 1.5 °C Paris goals. If Nationally Determined Contributions would be fully implemented, this gap would be reduced by a third. Interestingly, the countries evaluated were found to not achieve their pledged contributions with implemented policies (implementation gap), or to have an ambition gap with optimal pathways towards well below 2 °C. This shows that all countries would need to accelerate the implementation of policies for renewable technologies, while efficiency improvements are especially important in emerging countries and fossil-fuel-dependent countries

Modelling the EU Internal Electricity Market: The PRIMES-IEM Model

The paper presents a newly built model used to simulate the European Union (EU) internal electricity market and assess market reform policies. The model performs an hourly simulation of all stages of the wholesale markets at a Pan-European scale, covering the sequence of day-ahead, intra-day, and balancing/reserve auctions. The model includes market coupling in all market stages, estimates scarcity bidding by generators endogenously, and determines electricity trade as a flow-based allocation of interconnections via the market auctions implicitly. The model solves a unit-commitment program, formulated as a mixed-integer optimisation problem, under demand and generation constraints, interconnection possibilities, technical restrictions of the cyclic operation of power plants, and the provision of ancillary services. The novelty of this approach is the inclusion of distortions in all stages of the markets to evaluate the impacts of their removal, and the operation of the markets in a segmented versus an integrated manner in the EU. The model calculates revenues and costs per power plant in the EU on a country basis and the value of cross-border flows. The model evaluated market reform measures, including the abolishment of priority dispatch of renewable energy plants, the establishment of flow-based allocation of interconnectors without NTC limitations, the activation of demand response, and the market coupling in intra-day markets. The model application has been in the context of the electricity market design initiative included in the “Clean Energy for all Europeans” policy package proposed by the European Commission in 2016

Development of innovative nanoformulations for targeted delivery of therapeutic and/or imaging agents to the brain

In many cases, the delivery of therapeutic and imaging substances to the brain is impossible due to the existence of the blood-brain barrier (BBB). The application of nanotechnology to face this problem has recently begun to show signs of success. Because of the difficulties in neurodegenerative diseases therapeutics and the unmet medical need, a great effort is made in this direction.Recently, the ability of some vesicles produced by cells (extracellular vesicles or exosomes) to selectively transfer their charge to other cells located far away from the parental cells has been demonstrated. Cancer cells in particular produce extracellular vesicles with very good organotropism, which has been shown to play an important role in metastasis.The aim of this dissertation was to investigate the transport mechanisms as well as the important components that determine the organotropic action of cellular vesicles, in order to form the basis for the future development of innovative liposomal forms with increased ability for brain targeting.In the present dissertation, we studied the ability of brain targeting from cellular vesicles (CVs) derived from different cell types (normal, cancer) with different tissue origin, in order to identify the optimal compositions for brain targeting.Initially, cellular vesicles were isolated from human cerebral microvascular epithelial cells (hCMEC/D3) and from mouse skin melanoma cells (B16F10). These vesicles were characterized by size, polydispersity index and ζ-potential, the role of parental cells of CVs on their potential to facilitate delivery of their contents into cells while their ability to be engineered in order to improve their pharmacokinetics has been studied. These vesicles are non-toxic with a size of 100-200nm and a negative surface charge. The results show an increased interaction of homologous CVs with brain cells (hCMEC/D3) in vitro and in vivo, achieving the accumulation of higher amounts in the brain of mice. In addition, the effect of culture media on the targeting capacity of CVs was studied and it was shown that the specific medium for hCMEC/D3 (EndoGRO) produced CVs with a higher brain targeting capacity, compared to CVs grown in the common medium of cells, RPMI. Enrichment of CVs with cholesterol to increase vesicle integrity was only possible on membranes with low cholesterol (hCMEC/D3 CVs). Pegylation and cholesterol enrichment of CVs surface facilitated the delivery of homologous CVs to the brain. In the context of cellular vesicle engineering, the fusion of CVs with PEG-liposomes was also studied. The fusion technique was tested with different types of liposomes and CVs to confirm its functionality. The hybrids between PEG-liposomes and hCMEC CVs, although showing a slightly improved pharmacokinetics relative to the corresponding CVs, failed to replicate the same brain targeting result performed by engineered Chol/PEG CVs. The study of the potential cellular uptake pathway of each vesicle-type has shown that CVs and hybrids interact with cells primarily via the kaveolin pathway, in contrast to the engineered Chol/PEG CVs that use mostly the clathrin pathway.At the same time, the ability to encapsulate innovative neuroprotective and neuroregenerative synthetic microneurotrophins in liposomes was studied. These molecules are quite lipophilic and achieve permeability of BBB. However, their low water solubility and their way of administration, show limitations in their use in therapeutics. Initially, based on the preformulation studies, the optimal lipid compositions and methods for the preparation of liposomal microneurotrophins (BNN27 and BNN237) were determined. Attempts were then made to prepare nanoforms for intranasal administration of BNN27, with the aim of direct brain targeting, addressing the disadvantages of the intravenous route of administration. The coating of liposomes with chitosan, an agent with mucosal properties, was studied, and the optimal composition of BNN27 PC/PG (9/1) liposomes coated with 0.1 w/w chitosan/lipid was determined using chitosan with medium molecular weight as a mucoadhesive polymer. Furthermore, BNN27 nanoemulsions with mucosal agents (chitosan or Carbopol) have been developed as alternative carriers for intranasal administration of BNN27. After appropriate preformulation studies, the optimal BNN27 nanoemulsion compositions were determined. Nanoemulsions with 8% or 10% w/w Capmul MCM and chitosan at 0.3% w/w showed the optimal characteristics of stability and mucoadhesion. Tween80/ Transcutol/ Propylene glycol excipients in a ratio of 4/1/1 were used as a mixture of surfactants. These nanoforms have been characterized for their droplet size, PDI, ζ-potential and morphology. Also, they have been studied in terms of stability of their physicochemical properties, cytotoxicity, permeability of an in vitro ΒΒΒ model, as well as their in vivo fate after intranasal delivery.Η μεταφορά θεραπευτικών και απεικονιστικών ουσιών στον εγκέφαλο, είναι σε αρκετές περιπτώσεις αδύνατη, λόγω της ύπαρξης του αιματοεγκεφαλικού φραγμού (ΑΕΦ). Η εφαρμογή της νανοτεχνολογίας για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος έχει αρχίσει προσφάτως να δείχνει σημάδια επιτυχίας. Λόγω της δυσκολίας αντιμετώπισης των νευροεκφυλιστικών νόσων και της επιτακτικής ιατρικής ανάγκης που δεν έχει ως σήμερα αντιμετωπιστεί επιτυχώς, γίνεται μεγάλη προσπάθεια προς αυτή την κατεύθυνση.Πρόσφατα έχει αναδειχτεί η εξαιρετική ικανότητα ορισμένων κυστιδίων που παράγονται από τα κύτταρα (εξωκυτταρικά κυστίδια ή εξωσώματα) να μεταφέρουν επιλεκτικά το φορτίο τους σε άλλα κύτταρα που βρίσκονται πολύ μακριά από τα κύτταρα προέλευσης. Ειδικά τα καρκινικά κύτταρα παράγουν εξωσώματα με πολύ καλό οργανοτροπισμό, ο οποίος έχει αναδειχτεί ότι παίζει σημαντικό ρόλο στη μετάσταση.Στόχος αυτής της διατριβής ήταν η διερεύνηση των μηχανισμών μεταφοράς καθώς και των σημαντικών συστατικών που καθορίζουν την οργανοτροπική δράση κυτταρικών κυστιδίων, ώστε να αποτελέσουν τη βάση για τη μελλοντική ανάπτυξη καινοτόμων μορφών λιποσωμάτων με αυξημένη ικανότητα στόχευσης του εγκεφάλου.Στην παρούσα διατριβή έγινε μελέτη της ικανότητας στόχευσης του εγκεφάλου από κυτταρικά κυστίδια (CVs) που προέρχονται από διαφορετικούς τύπους κυττάρων (φυσιολογικά και καρκινικά) και έχουν διαφορετική ιστική προέλευση, ώστε να εντοπιστούν οι βέλτιστες συστάσεις για στόχευση του εγκεφάλου.Αρχικά, δοκιμάστηκε η απομόνωση κυτταρικών κυστιδίων από φυσιολογικά ανθρώπινα επιθηλιακά κύτταρα εγκεφάλου hCMEC/D3 και από καρκινικά κύτταρα μελανώματος ποντικού B16F10. Τα κυστίδια αυτά χαρακτηρίστηκαν ως προς το μέγεθος, το δείκτη πολυδιασποράς και το ζ-δυναμικό, μελετήθηκε ο ρόλος των κυττάρων προέλευσης των CVs στη δυνατότητά τους να διευκολύνουν τη μεταφορά του περιεχομένου τους σε κύτταρα καθώς και η δυνατότητα τροποποίησής τους για βελτίωση της φαρμακοκινητικής τους. Τα κυστίδια αυτά είναι μη τοξικά και έχουν μέγεθος 100-200nm με αρνητικό επιφανειακό φορτίο. Απ' τα αποτελέσματα είναι εμφανής η αυξημένη αλληλεπίδραση των ομόλογων CVs με τα κύτταρα εγκεφάλου (hCMEC/D3) in vitro αλλά και in vivo επιτυγχάνοντας συσσώρευση μεγαλύτερωνποσότητων στον εγκέφαλο ποντικών. Επιπλέον, μελετήθηκε η επίδραση των μέσων καλλιέργειας στη ικανότητα στόχευσης των CVs και αποδείχτηκε ότι το ειδικό θρεπτικό μέσο για τα hCMEC/D3 (EndoGRO) οδηγεί στη δημιουργία CVs με μεγαλύτερη ικανότητα στόχευσης του εγκεφάλου, σε σύγκριση με CVs μεγαλωμένα στο κοινό θρεπτικό μέσο κυττάρων RPMI. Ο εμπλουτισμός των CVs με χοληστερόλη για αύξηση της ακεραιότητας των κυστιδίων, ήταν δυνατός μόνο σε μεμβράνες με χαμηλή περιεκτικότητα χοληστερόλης (hCMEC/D3 CVs). Η προσθήκη PEG και χοληστερόλης στην επιφάνεια των CVs διευκόλυνε τη μεταφορά των ομόλογων CVs στον εγκέφαλο. Στο πλαίσιο της τροποποίησης των κυτταρικών κυστιδίων, μελετήθηκε και η σύντηξη των CVs με PEG-λιποσώματα. Η τεχνική της σύντηξης δοκιμάστηκε με διαφορετικούς τύπους λιποσωμάτων και κυτταρικών κυστιδίων ώστε να επιβεβαιωθεί η λειτουργικότητά της. Τα υβρίδια μεταξύ PEG-λιποσωμάτων και hCMEC CVs, παρόλο που εμφάνισαν μια ελαφρώς βελτιωμένη φαρμακοκινητική σε σχέση με τα αντίστοιχα CVs, δεν κατάφεραν να επαναλάβουν την ίδια στόχευση εγκεφάλου που πραγματοποιήθηκε από τροποποιημένα Chol/PEG CVs. Στη μελέτη του μηχανισμού δράσης των διάφορων τύπων κυστιδίων που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτή τη μελέτη, φαίνεται πως τα CVs και τα υβρίδια αλληλεπιδρούν με τα κύτταρα κυρίως μέσω του μονοπατιού της καβεολίνης, σε αντίθεση με τα τροποποιημένα Chol/PEG CVs που χρησιμοποιούν κυρίως το μονοπάτι της κλαθρίνης.Παράλληλα, μελετήθηκε η ικανότητα εγκλωβισμού καινοτόμων νευροπροστατευτικών και νευροαναγεννητικών συνθετικών μικρονευροτροφινών σε λιποσώματα. Τα μόρια αυτά είναι αρκετά λιπόφιλα και διαπερνούν τον ΑΕΦ. Παρόλα αυτά, η χαμηλή υδατοδιαλυτότητά τους και ο τρόπος χορήγησής τους, περιορίζει τη χρήση τους στη θεραπευτική. Αρχικά, με βάση τα πειράματα προμορφοποίησης προσδιορίστηκαν οι βέλτιστες συστάσεις και μέθοδοι παρασκευής των λιποσωμικών μικρονευροτροφινών (ΒΝΝ27 και ΒΝΝ237). Στη συνέχεια, έγιναν προσπάθειες παρασκευής νανομορφών για ενδορρινική χορήγηση του ΒΝΝ27, με σκοπό την άμεση χορήγησή του στον εγκέφαλο και την αντιμετώπιση των μειονεκτημάτων που εμφανίζονται απ’ τη στόχευση του εγκεφάλου μέσω της ενδοφλέβιας οδού χορήγησης. Μελετήθηκε η επικάλυψη των λιποσωμάτων με χιτοζάνη, ένα παράγοντα με βλεννοσυγκολλητικές ιδιότητες, και προσδιορίστηκε η βέλτιστη σύσταση BNN27 λιποσωμάτων PC/PG (9/1) επικαλυμμένα με 0,1 w/w χιτοζάνη/ λιπίδιο, χρησιμοποιώντας τη χιτοζάνη μεσαίου μοριακού βάρους ως πολυμερές βλεννοπροσκόλλησης. Ακόμα, αναπτύχθηκαν νανογαλακτώματα ΒΝΝ27 με βλεννοσυγκολλητικούς παράγοντες (χιτοζάνη ή Carbopol), ως εναλλακτικοί φορείς ενδορρινικής χορήγησης ΒΝΝ27. Μετά τις κατάλληλες μελέτες προμορφοποίησης, προσδιορίστηκαν οι βέλτιστες συστάσεις ΒΝΝ27 νανογαλακτώματος. Τα νανογαλακτώματα με 8% ή 10% w/w Capmul MCM και χιτοζάνη σε ποσοστό 0,3% w/w εμφάνισαν τα βέλτιστα χαρακτηριστικά σταθερότητας και βλεννοπροσκόλλησης. Ως μίγμα επιφανειοδραστικών χρησιμοποιήθηκαν τα έκδοχα Tween 80 / Transcutol / Propylene glycol σε αναλογία 4/1/1. Οι νανομορφές αυτές αφού χαρακτηρίστηκαν ως προς το μέγεθος των σταγονιδίων, το δείκτη πολυδιασποράς, το ζ-δυναμικό και τη μορφολογία τους, μελετήθηκαν ως προς τη σταθερότητα των φυσικοχημικών τους ιδιοτήτων, την κυτταροτοξικότητα, την ικανότητα διαπέρασης ενός in vitro μοντέλου ΑΕΦ και την in vivo συμπεριφορά μετά από ενδορρινική χορήγηση

Modelling and analysis of flexibility in power systems with high penetration of renewables

This dissertation focuses on the modelling and analysis of the flexibility issues of power systems, arising from the high penetration of Renewable Energy Sources (RES). The analysis of flexibility issues in this dissertation includes the presentation of a proposed typology of the different types of flexibility needs of the system and the corresponding metrics. In addition, a part of the thesis focuses on the development of a capacity expansion model and a model simulating the operation of wholesale electricity markets. The development of simulation models allows us to study and investigate questions related to the flexibility needs of the power system through the evaluation of model-based results. Although the term flexibility is systematically used only in recent years, the need for a power system to be flexible always existed, as variability and uncertainty are inherent features of the system. In a pre-renewable era, the challenges of the power system were mainly related to the variability and uncertainty of electricity demand levels and the unplanned outages of power plants and/or interconnectors. The penetration of variable RES (e.g. wind turbines, solar PV etc.) into the system increases variability and uncertainty, as their generation depends on weather conditions and thus is non-dispatchable. In power systems with high RES penetration, different types of variation occur differentiated by their timeframe (from minute to minute up to seasonal). Thus, the flexibility needs of a system require different types of flexible reserves, each coping with different needs of the system (short-term, multi-hour and long-term). Each flexibility reserve type calls upon different resources depending on their technical characteristics and competitiveness. In the present dissertation, we define flexibility as “the ability of the system to respond to both predictable and unpredictable changes in electricity production and demand, in such a way that certain predetermined reliability criteria are met and unnecessary curtailment of either demand or variable RES-based electricity generation is avoided".Electricity systems and electricity markets face a period of transition due to the need for drastically reducing emissions, in order to boost climate action. The penetration of Renewable Energy Sources (RES), which have zero carbon footprint, in power generation systems creates a number of challenges both at the technical level and at the level of organization, operation and regulation of electricity markets. Already in several power generation systems, but especially in the systems of the future, the penetration of RES units has significantly changed the net load curve, which the remaining resources of the system are called upon to cover. Due to the change in load curve, flexible power plants face more frequent starts and shutdowns, operate more frequently at partial operational levels and are often called upon to provide ramping for balancing purposes. The flexibility of the system, in terms of the available pool of flexible resources, is significantly affected by the market design of the wholesale electricity markets. Several electricity market practices, which currently prevail, can be identified as market distortions hindering market efficiency and limiting the pool of competitive flexible resources. Some feature of the market design, which play an important role for coping with the increased flexibility needs in a cost-effective way is the full use of interconnectors and their participation to all stage of the markets, as well as the integration of the market stages. In addition, the penetration of RES and the flexibility needs of the system due to their variable production increases the importance of balancing and reserve markets. The integration of different market stages through the integration of technical limitations of the system in pure energy markets and the optimal use of interconnections through their participation in all stages of the market creates great opportunities for cost savings and for coping with flexibility needs in an optimal way. In addition, increasing the hours of surplus production of RES units at low demand hours requires the development of storage facilities and other demand-response mechanisms in order to avoid large quantities of RES generation curtailment and also to facilitate their penetration into the power generation system. In RES-based systems, the long-term flexibility needs of the system highlight the importance of using storage technologies with multi-day and inter-seasonal storage cycle, such as Power-to-X units. The role of storage plants in variable RES-based power systems becomes indispensable. However, the coupling of electricity markets, which allows for an increase in cross-border electricity exchanges and can provide balancing services, may replace the use of storage units. This dissertation concludes that the interdependence of the enhancement of cross-border flows and the operation of storage units shows both features of substitution and complementarity. This relationship depends on a number of conditions, such as the degree of uniformity or differentiation of the power generation mix of each system, the cumulative supply curve of each market and the geographical location of storage units.In any case, despite the increase in the fluctuation of wholesale electricity prices due to the penetration of variable RES, the increased level of market coupling, which can be achieved through the optimal use of interconnections, leads to the convergence of electricity prices across markets. Due to this, the recovery of capital costs of storage units cannot be ensured in the wholesale electricity markets, but additional remuneration schemes are required. One way to ensure that investment expenditure of storage plants can be recovered is to integrate such plants to flexible RES-based portfolios that can offer competitive prices and form bilateral contracts with a number of consumers. The significant reduction in investment costs in RES technologies makes them extremely competitive sources of electricity generation. However, in the formation of a portfolio based on RES, it is necessary to have a resource of flexibility, which will be able to offer services balancing and managing the variability and uncertainty of RES production. The large drop of RES capital costs and the possibility of generating renewable-based electricity at a small scale, make RES-based portfolios among the most attractive ones, from a cost perspective. The competitive costs of RES-based portfolios, even at smaller scales, has overturned the traditional business model of large-scale electricity supply portfolios. The model-based results show that achieving economies of scale offers significant benefits in reducing the cost of balancing and reserves of a RES-based portfolio, but not in reducing energy costs. Therefore, the importance of wholesale markets, which offer balancing and ancillary services, becomes more prominent and so does the need to redesign the structure of wholesale electricity markets in the context of systems with high RES penetration. Moreover, the significant shift of power generation costs from operational expenditure (OPEX) to capital expenditure (CAPEX) implies the need to redefine the methodology of calculating electricity tariffs at the retail level.Η παρούσα διατριβή αφορά τη μοντελοποίηση και ανάλυση των ζητημάτων ευελιξίας του ηλεκτροπαραγωγικού συστήματος σε συνθήκες μεγάλης διείσδυσης Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ). Η ανάλυση των ζητημάτων ευελιξίας στο πλαίσιο της διατριβής περιλαμβάνει την παρουσίαση μιας προτεινόμενης τυπολογίας των διαφορετικών τύπων ευελιξίας, τα οποία χρειάζεται το ηλεκτροπαραγωγικό σύστημα και της αντίστοιχης μεθοδολογίας υπολογισμού του κάθε τύπου παρεχόμενης ευελιξίας. Επιπρόσθετα, παρουσιάζεται η ανάπτυξη ενός μοντέλου προσομοίωσης του προβλήματος επέκτασης του ηλεκτροπαραγωγικού συστήματος και ενός μοντέλου προσομοίωσης της λειτουργίας των χονδρεμπορικών αγορών ηλεκτρισμού. Η ανάπτυξη των μοντέλων προσομοίωσης προσφέρει μέσω της αξιολόγησης των αποτελεσμάτων της αριθμητικής εφαρμογής των μοντέλων, τη δυνατότητα μελέτης και διερεύνησης ερωτημάτων σχετικά με τις ανάγκες ευελιξίας των ηλεκτροπαραγωγικών συστημάτων. Η ανάγκη της ευελιξίας των ηλεκτροπαραγωγικών συστημάτων, παρόλο που σαν έννοια χρησιμοποιείται συστηματικά μόνο τα τελευταία χρόνια, προϋπήρχε καθώς η μεταβλητότητα και η αβεβαιότητα αποτελούν εγγενή χαρακτηριστικά του συστήματος. Σε προηγούμενες, αναφορικά με τη διείσδυση των ΑΠΕ, περιόδους οι προκλήσεις της λειτουργίας των ηλεκτροπαραγωγικών συστημάτων σχετίζονταν κυρίως με τη μεταβλητότητα και την αβεβαιότητα των επιπέδων ζήτησης ηλεκτρισμού και την τυχαία, μη-προγραμματισμένη, διαθεσιμότητα ελεγχόμενων μονάδων παραγωγής. Οι μονάδες ΑΠΕ μεταβλητής παραγωγής (αιολικά, φωτοβολταϊκά, μικρά Υ\Η κ.α.) αυξάνουν την μεταβλητότητα και αβεβαιότητα, καθώς η παραγωγή τους δεν μπορεί να ελεγχθεί, αλλά εξαρτάται από τα καιρικά φαινόμενα. Σε ηλεκτροπαραγωγικά συστήματα με σημαντική διείσδυση των ΑΠΕ μπορούμε να εντοπίσουμε διαφορετικούς τύπους διακυμάνσεων στην παραγωγή και ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας, οι οποίες διαφοροποιούνται ανάλογα με το χρονικό διάστημα στο οποίο παρατηρούνται (μεταξύ δευτερολέπτων, ωρών, ημερών, εποχών). Ένα δεύτερο στοιχείο που διαφοροποιεί τους τύπους διακυμάνσεων σχετίζεται με το βαθμό πρόβλεψης της διακύμανσης, αν πρόκειται δηλαδή για απρόβλεπτη ή προβλέψιμη, ως ένα βαθμό, διακύμανση. Κάθε τύπος διακύμανσης δημιουργεί διαφορετικές ανάγκες ευελιξίας (βραχυπρόθεσμη, πολύωρη και μακροπρόθεσμη) στο σύστημα, η κάθε μία από τις οποίες μπορεί να καλυφθεί από διαφορετικούς πόρους. Στην παρούσα διατριβή η έννοια της ευελιξίας ενός ηλεκτροπαραγωγικού συστήματος ορίζεται ως «η δυνατότητα του συστήματος να ανταποκρίνεται τόσο στις προβλέψιμες όσο και στις απρόβλεπτες αλλαγές της παραγωγής και της ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας, με τρόπο τέτοιο ούτως ώστε να τηρούνται επαρκώς κάποια προκαθορισμένα κριτήρια αξιοπιστίας και να αποφεύγονται οι περικοπές είτε της ζήτησης είτε της παραγωγής ηλεκτρισμού από ΑΠΕ μεταβλητής παραγωγής». Τα συστήματα ηλεκτροπαραγωγής και οι αγορές ηλεκτρισμού διανύουν μια μεταβατική περίοδο, η οποία έρχεται ως αποτελέσματα της ανάγκης για τη δραστική μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου στο πλαίσιο της αντιμετώπισης της κλιματικής αλλαγής. Η διείσδυση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ), οι οποίες έχουν μηδενικό ανθρακικό αποτύπωμα, στα ηλεκτροπαραγωγικά συστήματα δημιουργεί μια σειρά προκλήσεις τόσο σε τεχνικό επίπεδο όσο και στο επίπεδο της οργάνωσης, λειτουργίας και ρύθμισης των αγορών ηλεκτρισμού. Ήδη σε αρκετά συστήματα ηλεκτροπαραγωγής, αλλά ιδιαίτερα στα συστήματα του μέλλοντος, η διείσδυση μονάδων ΑΠΕ έχει μεταβάλλει σημαντικά την καμπύλη καθαρού φορτίου, το οποίο καλούνται να καλύψουν οι υπολειπόμενοι πόροι του συστήματος. Λόγω της μεταβολής της καμπύλης φορτίου, οι ευέλικτες μονάδες ηλεκτροπαραγωγής αντιμετωπίζουν πιο συχνές εκκινήσεις και σβήσεις, λειτουργούν συχνότερα σε επίπεδα μερικής φόρτιση και καλούνται συχνά να αυξομειώσουν το φορτίο τους για λόγους εξισορρόπησης. Η δυνατότητα ευελιξίας του συστήματος επηρεάζεται σημαντικά από τις συνθήκες λειτουργίας των χονδρεμπορικών αγορών ηλεκτρισμού. Ιδιαίτερη σημασία έχει ο τρόπος διαχείρισης των διασυνδέσεων και η ευελιξία που δύναται να προσφέρει στο σύστημα η συμμετοχή των διασυνδέσεων σε όλα τα στάδια της αγοράς και η ενοποίηση των αγορών διαφορετικών χωρών. Επιπλέον, η διείσδυση των ΑΠΕ και οι ανάγκες ευελιξίας του συστήματος λόγω της μεταβλητής παραγωγής τους αυξάνει τη σημασία των αγορών εξισορρόπησης και εφεδρειών. Η σύζευξη των διαφορετικών σταδίων της αγοράς, η ενσωμάτωση των τεχνικών περιορισμών του συστήματος στις καθαρά ενεργειακές αγορές και η βέλτιστη χρήση των διασυνδέσεων μέσω της συμμετοχής τους σε όλα τα στάδια της αγοράς προσφέρουν σημαντική εξοικονόμησης κόστους και δίνουν τη δυνατότητα διαχείρισης των αναγκών ευελιξίας του συστήματος με τον πιο οικονομικά αποδοτικό τρόπο.Επιπρόσθετα, η αύξηση των ωρών πλεονάζουσας παραγωγής των μονάδων ΑΠΕ σε ώρες χαμηλής ζήτησης απαιτεί την ανάπτυξη εγκαταστάσεων αποθήκευσης και άλλων ευέλικτων μηχανισμών ζήτησης, προκειμένου να αποφευχθεί η περικοπή της παραγωγής των ΑΠΕ και να διευκολυνθεί η διείσδυσή τους στο ηλεκτροπαραγωγικό σύστημα. Σε συστήματα χαμηλών εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου οι ανάγκες μακροπρόθεσμης ευελιξίας αναδεικνύουν τη σημασία της χρήσης μονάδων αποθήκευσης με δυνατότητα πολυήμερης και εποχικής αποθήκευσης, όπως είναι οι μονάδες παραγωγής συνθετικών καυσίμων με βάση τον ηλεκτρισμό (Power-to-X). Ο ρόλος των μονάδων αποθήκευσης σε ένα σύστημα βασισμένο κατά κύριο λόγο σε μεταβλητές ΑΠΕ αναβαθμίζεται εξαιρετικά. Ωστόσο η χρήση των μονάδων αποθήκευσης για λόγους εξισορρόπησης δύναται να υποκατασταθεί από την αύξηση των διασυνοριακών ανταλλαγών ηλεκτρισμού, η οποία επιτυγχάνεται στο πλαίσιο της ενοποίησης των χονδρεμπορικών αγορών των χωρών της Ευρωπαϊκής Ένωσης (ΕΕ). Η διατριβή εξετάζει το ερώτημα αυτό και καταλήγει πως η αλληλεπίδραση της ενίσχυσης των διασυνοριακών ροών και της λειτουργίας των μονάδων αποθήκευσης εμφανίζει υποκατάσταση αλλά και συμπληρωματικότητα. Η σχέση αυτή εξαρτάται από ένα πλήθος παραγόντων, όπως ο βαθμός ομοιομορφίας ή διαφοροποίησης του μείγματος ηλεκτροπαραγωγής του κάθε συστήματος, την αθροιστική καμπύλη προσφοράς της κάθε αγοράς υπό σύζευξης, καθώς και τη γεωγραφική θέση των μονάδων αποθήκευσης. Σε κάθε περίπτωση, παρά την αύξηση της διακύμανσης των χονδρεμπορικών τιμών ηλεκτρισμού λόγω της διείσδυσης των ΑΠΕ, η ενοποίηση των αγορών μέσω της χρήσης των διασυνδέσεων οδηγεί στην σύγκλιση των τιμών ηλεκτρισμού. Λόγω αυτού, η ανάκτηση του κεφαλαιουχικού κόστους των μονάδων αποθήκευσης δεν δύναται να επιτευχθεί στις χονδρεμπορικές αγορές ηλεκτρισμού, αλλά χρειάζεται επιπρόσθετα μέσα οικονομικής αποζημίωσης. Ένας τρόπος διασφάλισης της ανάκτησης του κεφαλαιουχικού κόστους επένδυσης των μονάδων αποθήκευσης είναι η ένταξη τους στη διαμόρφωση ευέλικτων χαρτοφυλακίων ηλεκτροπαραγωγής βασισμένα σε ΑΠΕ, τα οποία μπορούν να προσφέρουν ανταγωνιστικές τιμές και να συνάψουν διμερή συμβόλαια με καταναλωτές. Η σημαντική μείωση του κόστους επένδυσης σε τεχνολογίες ΑΠΕ τις καθιστά εξαιρετικά ανταγωνιστικές πηγές παραγωγής ηλεκτρισμού. Ωστόσο στη διαμόρφωση ενός χαρτοφυλακίου βασισμένου σε ΑΠΕ, είναι απαραίτητη η ύπαρξη ενός πόρου ευελιξίας, ο οποίος θα μπορεί να προσφέρει υπηρεσίες εξισορρόπησης και διαχείρισης της μεταβλητότητας και της αβεβαιότητας της παραγωγής των ΑΠΕ. Η μεγάλη μείωση του κόστους επένδυσης σε ΑΠΕ και η δυνατότητα παραγωγής ηλεκτρισμού από αυτές σε μικρή κλίμακα και με ανταγωνιστικές τιμές ανατρέπει και το παραδοσιακό επιχειρηματικό μοντέλο μεγάλων σε όγκο χαρτοφυλακίων παραγωγής ηλεκτρισμού. Η επίδραση των οικονομιών κλίμακας προσφέρει σημαντικά οφέλη στη μείωση του κόστους εξισορρόπησης και εφεδρειών ενός χαρτοφυλακίου βασισμένου σε ΑΠΕ, αλλά όχι στη μείωση του κόστους ενέργειας. Η σημασία των χονδρεμπορικών αγορών, οι οποίες προσφέρουν εξισορρόπησης και εφεδρείες, και η ανάγκη για τον επανασχεδιασμό των χονδρεμπορικών αγορών ηλεκτρισμού αναβαθμίζεται στο πλαίσιο της διείσδυσης των ΑΠΕ. Επίσης, η σημαντική αύξηση του σταθερού κόστους ενός χαρτοφυλακίου ηλεκτροπαραγωγής και η μείωση του μεταβλητού κόστους αντίστοιχα δημιουργεί την ανάγκη επαναπροσδιορισμού του τρόπου τιμολόγησης της ηλεκτρικής ενέργειας σε επίπεδο λιανικής πώλησης