Techno-economic assessment of high variable renewable energy penetration in the Bolivian interconnected electric system

Bolivia plans significant investments in conventional and renewable energy projects before 2025. Deployment of large hydro-power, wind and solar projects are foreseen in the investment agenda. However and despite the large renewable potential in the country non-conventional renewable technologies are not yet considered to be a main source in the supply chain. The aim of this article is to evaluate the flexibility of the Bolivian power generation system in terms of energy balancing, electricity generation costs and power plants scheduling in a scenario that considers large solar and wind energy technology deployment. This is done using an open source unit commitment and optimal dispatch model (Dispa-SET) developed by the Joint Research Center of the European Commission. National data for existing infrastructure, committed and planned energy projects are used to assess the case of Bolivia.  The base scenario consider all techno-economic data of the Bolivian power system up to 2016. A harmonized dataset is gathered and released as open data to allow other researchers to run and re-use the model. This model is then used to simulate scenarios with different levels of solar and wind energy deployment. Results from the analysis show that an energy mix with participation of solar and wind technology with values lower than 30% is technically feasible and indicates that further grid reinforcements are required

Exploring low-carbon development pathways for Bolivia - A model-based analysis focused on the energy sector

Global emissions have continued to rise steadily at levels exceeding the 1.5°C climate stabilization target. Therefore, the increase in the average global temperature and climate change will be determined by how we handle greenhouse gas (GHG) emissions over the next years. Decarbonizing economic growth and development add pressure to all countries in the world, but even more pressure to low and middle-income countries planning to use their fossil fuel resources as a ‘leading sector’ to achieve growth. Low and middle-income countries have limited financial resources and often have to prioritize short-term development goals with immediate local co-benefits over mitigation and adaptation strategies with long-term gains. Reaching the climate stabilization/decarbonization goal will require large investments to decarbonize the energy sector, together with investments and policy measures to ensure resilience and adaptation to climate change. Bolivia has signaled its intent to eradicate poverty and achieve economic growth while preserving environmental sustainability by adopting the seventeen Sustainable Development Goals (SDGs). In line with SDG7, Bolivia aims to achieve universal access to electricity by 2025. Although electricity access has improved significantly with large investments in grid-extension and decentralized systems, currently 61% of the grid generation capacity and 93% of the decentralized generation capacity is fossil-fueled. Other sectors, such as the transport sector, depend mostly on fossil fuels and largely contribute to Bolivia’s GHG emissions. Policies intended to increase energy security in Bolivia focus on the increased use of domestic natural gas, on investments in large-scale hydropower plants, and on first-generation (1G) biofuel production for the transport sector. In line with SDG 7 and SDG 13, this doctoral thesis examines low-carbon development pathways for the main policies addressing energy access and energy security in Bolivia. With methods deriving from systems analysis, the particulars of the Bolivian energy system were scrutinized and the effects of alternative energy planning decisions ‒ such as policies and investments ‒ displayed using scenario analysis. Five research articles answering four research questions form the main part of the thesis. The first research question examines the role of decentralized technologies (primarily micro-grids) and renewable energy for addressing universal electricity access targets. The cost-competitiveness of multi-source micro-grids is assessed using an innovative methodology developed to increase the technical accuracy of load simulation and microgrid system design optimization in an existing geospatial modelling tool. The results highlight the potential of decentralized electrification solutions and identify the location, size and investments required to meet electrification targets in 2025. The second research question focuses on evaluating alternative policies for decarbonizing the power generation sector using an energy system optimization model. The combined effects of inserting carbon taxes and modifying the weighted average cost of capital on the power generation emissions are measured in marginal abatement cost curves. Results from this conceptual and numerical analysis show that a deep decarbonization of the power generation system requires very high carbon prices if the costs of capital are high. Instead, moderate carbon prices combined with low costs of capital can lead to significant emissions reductions and comparably smaller increases in carbon abatement costs. The third research question examines Bolivia’s hydroelectricity export plans in the medium-term using a cost-optimization model of South America. The study also evaluates the fair distribution of benefits using a cooperative game-theory approach and the decarbonization achieved in a scenario of power systems integration in South America. Results of this study indicate that electricity from large-scale hydropower projects could be traded with Brazil and reduce Bolivia’s dependence on natural gas for power generation. The results also show that Bolivia has less bargaining power than its competitors have in the long-term and benefits less from emissions reductions in a scenario of trade with Brazil. Lastly, the fourth research question explores energy security in the transport sector by assessing Bolivia’s sugarcane-based ethanol production targets. Increased sustainability in the ethanol production chain is evaluated quantitatively by identifying opportunities for agricultural intensification and investments in advanced biorefineries in a least-cost optimization model. Results from this analysis demonstrate that Bolivia can cost-effectively reach its medium-term targeted volumes of ethanol production with a moderate expansion of sugarcane cropland and investments in agriculture intensification. The results further suggest that it is cost-optimal to invest in current technological advances (i.e. efficient co-generation plants) to maximize the renewable energy output and the economic benefits of sugarcane-derived ethanol. Finally, the study identifies a range of biofuel-support incentives to promote investments in second-generation biofuel production.Globala utsläpp har fortsatt att stadigt öka till nivåer som överstiger klimatstabiliseringsmålet på 1.5°C. Därför kommer ökningen i den globala genomsnittliga temperaturen och klimatförändringen att avgöras av hur vi hanterar utsläppen av växthusgas under kommande år. Koldioxidutvecklingen ekonomisk tillväxt och utveckling sätter press på alla länder i världen. Men ännu större press på låg- och medelinkomstländer som planerar att använda sina fossila bränsleresurser som en ‘ledande sektor’ för att nå tillväxt. Låg- och medelinkomstländer har begränsade ekonomiska resurser och måste ofta prioritera kortsiktiga utvecklingsmål med omedelbara åtföljande lokala fördelar framför begränsningsstrategier med långsiktiga vinster. Att nå klimatstabiliserings- och koldioxidavvecklingsmålet kommer att kräva stora investeringar för att fasa ut fossila bränslen i energisektorn, tillsammans med investeringar och politiska åtgärder för att säkerställa uthållighet och anpassning till klimatförändringen. Bolivia har uttryckt ambitionen att utrota fattigdom och uppnå ekonomisk tillväxt och samtidigt bevara miljömässig hållbarhet genom att anta de sjutton globala målen. I linje med mål 7  strävar Bolivia att uppnå tillgång till elektricitet för alla till år 2025. Även om eltillgången har förbättrats avsevärt med stora investeringar i elnätet och decentraliserade el-system, så är fortfarande 61% av elproduktionskapaciteten och 93% av den decentraliserade produktionskapaciteten fossildriven. Andra sektorer, t.ex. transporter, domineras också av fossila bränslen och bidrar till stor del till växthusgasutsläppen. Politik som syftar till att öka energisäkerheten i Bolivia fokuserar på ökad användning av naturgas, på investeringar i storskaliga vattenkraftverk och på första generationens (1G) biobränsleproduktion för transportsektorn. I linje med dem globala målen 7 och 13 undersöker denna doktorsavhandling hållbara utvecklingsvägar med låga koldioxidutsläpp kring nyckelpolicyer som hanterar energitillgång och energisäkerhet i Bolivia. Med metoder som härrör från systemanalys av det bolivianska energisystemet och effekter av alternativa energiplaneringsbeslut – som strategier och investeringar – skärskådas vidare genom scenarioanalys. Fem forskningsartiklar presenteras i avhandlingen med vilka fyra forskningsfrågor besvaras. Den första forskningsfrågan undersöker rollen som decentraliserad teknik (främst mikronät) och förnybar energi för att möta modern energi till alla (mål 7). Konkurrenskraften för multidrivmedelmikronät bedöms med hjälp av en innovativ metod som utvecklats för att öka den tekniska noggrannheten för detaljerad belastningssimulering och optimering av system för systemdesign i ett geospatialt modelleringsverktyg. Resultaten belyser potentialen för decentraliserade elektrifieringslösningar och identifierar plats, storlek och investeringar som krävs för att uppnå elektrifieringsmål 2025. Den andra forskningsfrågan utvärderar alternativa strategier för en koldioxidfri kraftproduktionssektor med hjälp av en optimeringsmodell för energisystem. De kombinerade effekterna av att införa koldioxidskatter och ändra den viktade genomsnittliga kapitalkostnaden på kraftproduktionsutsläppen mäts i marginalkostnadskurvor. Resultat från denna konceptuella och numeriska analys visar att ett helt koldioxidfritt kraftproduktionssystem kräver mycket höga koldioxidpriser om kapitalkostnaderna är höga. En kombination av måttliga koldioxidpriser med låga kapitalkostnader leder till inte bara betydande minskningar av utsläppen utan även mindre ökningar av koldioxidreduktionskostnaderna. Den tredje forskningsfrågan undersöker Bolivias exportplaner för vattenkraft på medellång sikt med hjälp av en kostnadsoptimeringsmodell i Sydamerika. Studien utvärderar också den rättvisa fördelningen av fördelar med hjälp av en kooperativ strategi för spelteori och de potentiella koldioxidutsläppen som uppnås i ett scenario för kraftsystemintegration i Sydamerika. Resultaten av denna studie tyder på att el från stora vattenkraftsprojekt kan handlas med Brasilien och minska Bolivias beroende av naturgas för kraftproduktion. Resultaten visar också att Bolivia har mindre förhandlingsstyrka än sina konkurrenter på lång sikt och drar mindre nytta av utsläppsminskningar i ett scenario med handel med Brasilien. Slutligen undersöker den fjärde forskningsfrågan energisäkerheten inom transportsektorn genom att utvärdera Bolivias mål för produktion av sockerrörsbaserad etanol. Ökad hållbarhet i etanolproduktionskedjan utvärderas kvantitativt genom att identifiera möjligheter för jordbruksintensifiering och investeringar i avancerade bioraffinaderier i en kostnadsoptimeringsmodell. Resultaten från denna analys visar att Bolivia kostnadseffektivt kan nå sina medellångsiktiga volymer av etanolproduktion med en måttlig expansion av odling av sockerrör och investeringar i jordbruksintensifiering. Resultaten visar vidare att det är kostnadsoptimalt att investera i nuvarande tekniska framsteg (dvs. effektiva kraftproduktionsanläggningar) för att maximera den förnybara energiproduktionen och de ekonomiska fördelarna med etanol som härrör från sockerrör. Slutligen identifieras ett stödområde för biodrivmedel för att stimulera investeringar i 2G etanol på medellång sikt

Exploring low-carbon development pathways for Bolivia - A model-based analysis focused on the energy sector

Global emissions have continued to rise steadily at levels exceeding the 1.5°C climate stabilization target. Therefore, the increase in the average global temperature and climate change will be determined by how we handle greenhouse gas (GHG) emissions over the next years. Decarbonizing economic growth and development add pressure to all countries in the world, but even more pressure to low and middle-income countries planning to use their fossil fuel resources as a ‘leading sector’ to achieve growth. Low and middle-income countries have limited financial resources and often have to prioritize short-term development goals with immediate local co-benefits over mitigation and adaptation strategies with long-term gains. Reaching the climate stabilization/decarbonization goal will require large investments to decarbonize the energy sector, together with investments and policy measures to ensure resilience and adaptation to climate change. Bolivia has signaled its intent to eradicate poverty and achieve economic growth while preserving environmental sustainability by adopting the seventeen Sustainable Development Goals (SDGs). In line with SDG7, Bolivia aims to achieve universal access to electricity by 2025. Although electricity access has improved significantly with large investments in grid-extension and decentralized systems, currently 61% of the grid generation capacity and 93% of the decentralized generation capacity is fossil-fueled. Other sectors, such as the transport sector, depend mostly on fossil fuels and largely contribute to Bolivia’s GHG emissions. Policies intended to increase energy security in Bolivia focus on the increased use of domestic natural gas, on investments in large-scale hydropower plants, and on first-generation (1G) biofuel production for the transport sector. In line with SDG 7 and SDG 13, this doctoral thesis examines low-carbon development pathways for the main policies addressing energy access and energy security in Bolivia. With methods deriving from systems analysis, the particulars of the Bolivian energy system were scrutinized and the effects of alternative energy planning decisions ‒ such as policies and investments ‒ displayed using scenario analysis. Five research articles answering four research questions form the main part of the thesis. The first research question examines the role of decentralized technologies (primarily micro-grids) and renewable energy for addressing universal electricity access targets. The cost-competitiveness of multi-source micro-grids is assessed using an innovative methodology developed to increase the technical accuracy of load simulation and microgrid system design optimization in an existing geospatial modelling tool. The results highlight the potential of decentralized electrification solutions and identify the location, size and investments required to meet electrification targets in 2025. The second research question focuses on evaluating alternative policies for decarbonizing the power generation sector using an energy system optimization model. The combined effects of inserting carbon taxes and modifying the weighted average cost of capital on the power generation emissions are measured in marginal abatement cost curves. Results from this conceptual and numerical analysis show that a deep decarbonization of the power generation system requires very high carbon prices if the costs of capital are high. Instead, moderate carbon prices combined with low costs of capital can lead to significant emissions reductions and comparably smaller increases in carbon abatement costs. The third research question examines Bolivia’s hydroelectricity export plans in the medium-term using a cost-optimization model of South America. The study also evaluates the fair distribution of benefits using a cooperative game-theory approach and the decarbonization achieved in a scenario of power systems integration in South America. Results of this study indicate that electricity from large-scale hydropower projects could be traded with Brazil and reduce Bolivia’s dependence on natural gas for power generation. The results also show that Bolivia has less bargaining power than its competitors have in the long-term and benefits less from emissions reductions in a scenario of trade with Brazil. Lastly, the fourth research question explores energy security in the transport sector by assessing Bolivia’s sugarcane-based ethanol production targets. Increased sustainability in the ethanol production chain is evaluated quantitatively by identifying opportunities for agricultural intensification and investments in advanced biorefineries in a least-cost optimization model. Results from this analysis demonstrate that Bolivia can cost-effectively reach its medium-term targeted volumes of ethanol production with a moderate expansion of sugarcane cropland and investments in agriculture intensification. The results further suggest that it is cost-optimal to invest in current technological advances (i.e. efficient co-generation plants) to maximize the renewable energy output and the economic benefits of sugarcane-derived ethanol. Finally, the study identifies a range of biofuel-support incentives to promote investments in second-generation biofuel production.Globala utsläpp har fortsatt att stadigt öka till nivåer som överstiger klimatstabiliseringsmålet på 1.5°C. Därför kommer ökningen i den globala genomsnittliga temperaturen och klimatförändringen att avgöras av hur vi hanterar utsläppen av växthusgas under kommande år. Koldioxidutvecklingen ekonomisk tillväxt och utveckling sätter press på alla länder i världen. Men ännu större press på låg- och medelinkomstländer som planerar att använda sina fossila bränsleresurser som en ‘ledande sektor’ för att nå tillväxt. Låg- och medelinkomstländer har begränsade ekonomiska resurser och måste ofta prioritera kortsiktiga utvecklingsmål med omedelbara åtföljande lokala fördelar framför begränsningsstrategier med långsiktiga vinster. Att nå klimatstabiliserings- och koldioxidavvecklingsmålet kommer att kräva stora investeringar för att fasa ut fossila bränslen i energisektorn, tillsammans med investeringar och politiska åtgärder för att säkerställa uthållighet och anpassning till klimatförändringen. Bolivia har uttryckt ambitionen att utrota fattigdom och uppnå ekonomisk tillväxt och samtidigt bevara miljömässig hållbarhet genom att anta de sjutton globala målen. I linje med mål 7  strävar Bolivia att uppnå tillgång till elektricitet för alla till år 2025. Även om eltillgången har förbättrats avsevärt med stora investeringar i elnätet och decentraliserade el-system, så är fortfarande 61% av elproduktionskapaciteten och 93% av den decentraliserade produktionskapaciteten fossildriven. Andra sektorer, t.ex. transporter, domineras också av fossila bränslen och bidrar till stor del till växthusgasutsläppen. Politik som syftar till att öka energisäkerheten i Bolivia fokuserar på ökad användning av naturgas, på investeringar i storskaliga vattenkraftverk och på första generationens (1G) biobränsleproduktion för transportsektorn. I linje med dem globala målen 7 och 13 undersöker denna doktorsavhandling hållbara utvecklingsvägar med låga koldioxidutsläpp kring nyckelpolicyer som hanterar energitillgång och energisäkerhet i Bolivia. Med metoder som härrör från systemanalys av det bolivianska energisystemet och effekter av alternativa energiplaneringsbeslut – som strategier och investeringar – skärskådas vidare genom scenarioanalys. Fem forskningsartiklar presenteras i avhandlingen med vilka fyra forskningsfrågor besvaras. Den första forskningsfrågan undersöker rollen som decentraliserad teknik (främst mikronät) och förnybar energi för att möta modern energi till alla (mål 7). Konkurrenskraften för multidrivmedelmikronät bedöms med hjälp av en innovativ metod som utvecklats för att öka den tekniska noggrannheten för detaljerad belastningssimulering och optimering av system för systemdesign i ett geospatialt modelleringsverktyg. Resultaten belyser potentialen för decentraliserade elektrifieringslösningar och identifierar plats, storlek och investeringar som krävs för att uppnå elektrifieringsmål 2025. Den andra forskningsfrågan utvärderar alternativa strategier för en koldioxidfri kraftproduktionssektor med hjälp av en optimeringsmodell för energisystem. De kombinerade effekterna av att införa koldioxidskatter och ändra den viktade genomsnittliga kapitalkostnaden på kraftproduktionsutsläppen mäts i marginalkostnadskurvor. Resultat från denna konceptuella och numeriska analys visar att ett helt koldioxidfritt kraftproduktionssystem kräver mycket höga koldioxidpriser om kapitalkostnaderna är höga. En kombination av måttliga koldioxidpriser med låga kapitalkostnader leder till inte bara betydande minskningar av utsläppen utan även mindre ökningar av koldioxidreduktionskostnaderna. Den tredje forskningsfrågan undersöker Bolivias exportplaner för vattenkraft på medellång sikt med hjälp av en kostnadsoptimeringsmodell i Sydamerika. Studien utvärderar också den rättvisa fördelningen av fördelar med hjälp av en kooperativ strategi för spelteori och de potentiella koldioxidutsläppen som uppnås i ett scenario för kraftsystemintegration i Sydamerika. Resultaten av denna studie tyder på att el från stora vattenkraftsprojekt kan handlas med Brasilien och minska Bolivias beroende av naturgas för kraftproduktion. Resultaten visar också att Bolivia har mindre förhandlingsstyrka än sina konkurrenter på lång sikt och drar mindre nytta av utsläppsminskningar i ett scenario med handel med Brasilien. Slutligen undersöker den fjärde forskningsfrågan energisäkerheten inom transportsektorn genom att utvärdera Bolivias mål för produktion av sockerrörsbaserad etanol. Ökad hållbarhet i etanolproduktionskedjan utvärderas kvantitativt genom att identifiera möjligheter för jordbruksintensifiering och investeringar i avancerade bioraffinaderier i en kostnadsoptimeringsmodell. Resultaten från denna analys visar att Bolivia kostnadseffektivt kan nå sina medellångsiktiga volymer av etanolproduktion med en måttlig expansion av odling av sockerrör och investeringar i jordbruksintensifiering. Resultaten visar vidare att det är kostnadsoptimalt att investera i nuvarande tekniska framsteg (dvs. effektiva kraftproduktionsanläggningar) för att maximera den förnybara energiproduktionen och de ekonomiska fördelarna med etanol som härrör från sockerrör. Slutligen identifieras ett stödområde för biodrivmedel för att stimulera investeringar i 2G etanol på medellång sikt

Exploring low-carbon development pathways for Bolivia - A model-based analysis focused on the energy sector

Global emissions have continued to rise steadily at levels exceeding the 1.5°C climate stabilization target. Therefore, the increase in the average global temperature and climate change will be determined by how we handle greenhouse gas (GHG) emissions over the next years. Decarbonizing economic growth and development add pressure to all countries in the world, but even more pressure to low and middle-income countries planning to use their fossil fuel resources as a ‘leading sector’ to achieve growth. Low and middle-income countries have limited financial resources and often have to prioritize short-term development goals with immediate local co-benefits over mitigation and adaptation strategies with long-term gains. Reaching the climate stabilization/decarbonization goal will require large investments to decarbonize the energy sector, together with investments and policy measures to ensure resilience and adaptation to climate change. Bolivia has signaled its intent to eradicate poverty and achieve economic growth while preserving environmental sustainability by adopting the seventeen Sustainable Development Goals (SDGs). In line with SDG7, Bolivia aims to achieve universal access to electricity by 2025. Although electricity access has improved significantly with large investments in grid-extension and decentralized systems, currently 61% of the grid generation capacity and 93% of the decentralized generation capacity is fossil-fueled. Other sectors, such as the transport sector, depend mostly on fossil fuels and largely contribute to Bolivia’s GHG emissions. Policies intended to increase energy security in Bolivia focus on the increased use of domestic natural gas, on investments in large-scale hydropower plants, and on first-generation (1G) biofuel production for the transport sector. In line with SDG 7 and SDG 13, this doctoral thesis examines low-carbon development pathways for the main policies addressing energy access and energy security in Bolivia. With methods deriving from systems analysis, the particulars of the Bolivian energy system were scrutinized and the effects of alternative energy planning decisions ‒ such as policies and investments ‒ displayed using scenario analysis. Five research articles answering four research questions form the main part of the thesis. The first research question examines the role of decentralized technologies (primarily micro-grids) and renewable energy for addressing universal electricity access targets. The cost-competitiveness of multi-source micro-grids is assessed using an innovative methodology developed to increase the technical accuracy of load simulation and microgrid system design optimization in an existing geospatial modelling tool. The results highlight the potential of decentralized electrification solutions and identify the location, size and investments required to meet electrification targets in 2025. The second research question focuses on evaluating alternative policies for decarbonizing the power generation sector using an energy system optimization model. The combined effects of inserting carbon taxes and modifying the weighted average cost of capital on the power generation emissions are measured in marginal abatement cost curves. Results from this conceptual and numerical analysis show that a deep decarbonization of the power generation system requires very high carbon prices if the costs of capital are high. Instead, moderate carbon prices combined with low costs of capital can lead to significant emissions reductions and comparably smaller increases in carbon abatement costs. The third research question examines Bolivia’s hydroelectricity export plans in the medium-term using a cost-optimization model of South America. The study also evaluates the fair distribution of benefits using a cooperative game-theory approach and the decarbonization achieved in a scenario of power systems integration in South America. Results of this study indicate that electricity from large-scale hydropower projects could be traded with Brazil and reduce Bolivia’s dependence on natural gas for power generation. The results also show that Bolivia has less bargaining power than its competitors have in the long-term and benefits less from emissions reductions in a scenario of trade with Brazil. Lastly, the fourth research question explores energy security in the transport sector by assessing Bolivia’s sugarcane-based ethanol production targets. Increased sustainability in the ethanol production chain is evaluated quantitatively by identifying opportunities for agricultural intensification and investments in advanced biorefineries in a least-cost optimization model. Results from this analysis demonstrate that Bolivia can cost-effectively reach its medium-term targeted volumes of ethanol production with a moderate expansion of sugarcane cropland and investments in agriculture intensification. The results further suggest that it is cost-optimal to invest in current technological advances (i.e. efficient co-generation plants) to maximize the renewable energy output and the economic benefits of sugarcane-derived ethanol. Finally, the study identifies a range of biofuel-support incentives to promote investments in second-generation biofuel production.Globala utsläpp har fortsatt att stadigt öka till nivåer som överstiger klimatstabiliseringsmålet på 1.5°C. Därför kommer ökningen i den globala genomsnittliga temperaturen och klimatförändringen att avgöras av hur vi hanterar utsläppen av växthusgas under kommande år. Koldioxidutvecklingen ekonomisk tillväxt och utveckling sätter press på alla länder i världen. Men ännu större press på låg- och medelinkomstländer som planerar att använda sina fossila bränsleresurser som en ‘ledande sektor’ för att nå tillväxt. Låg- och medelinkomstländer har begränsade ekonomiska resurser och måste ofta prioritera kortsiktiga utvecklingsmål med omedelbara åtföljande lokala fördelar framför begränsningsstrategier med långsiktiga vinster. Att nå klimatstabiliserings- och koldioxidavvecklingsmålet kommer att kräva stora investeringar för att fasa ut fossila bränslen i energisektorn, tillsammans med investeringar och politiska åtgärder för att säkerställa uthållighet och anpassning till klimatförändringen. Bolivia har uttryckt ambitionen att utrota fattigdom och uppnå ekonomisk tillväxt och samtidigt bevara miljömässig hållbarhet genom att anta de sjutton globala målen. I linje med mål 7  strävar Bolivia att uppnå tillgång till elektricitet för alla till år 2025. Även om eltillgången har förbättrats avsevärt med stora investeringar i elnätet och decentraliserade el-system, så är fortfarande 61% av elproduktionskapaciteten och 93% av den decentraliserade produktionskapaciteten fossildriven. Andra sektorer, t.ex. transporter, domineras också av fossila bränslen och bidrar till stor del till växthusgasutsläppen. Politik som syftar till att öka energisäkerheten i Bolivia fokuserar på ökad användning av naturgas, på investeringar i storskaliga vattenkraftverk och på första generationens (1G) biobränsleproduktion för transportsektorn. I linje med dem globala målen 7 och 13 undersöker denna doktorsavhandling hållbara utvecklingsvägar med låga koldioxidutsläpp kring nyckelpolicyer som hanterar energitillgång och energisäkerhet i Bolivia. Med metoder som härrör från systemanalys av det bolivianska energisystemet och effekter av alternativa energiplaneringsbeslut – som strategier och investeringar – skärskådas vidare genom scenarioanalys. Fem forskningsartiklar presenteras i avhandlingen med vilka fyra forskningsfrågor besvaras. Den första forskningsfrågan undersöker rollen som decentraliserad teknik (främst mikronät) och förnybar energi för att möta modern energi till alla (mål 7). Konkurrenskraften för multidrivmedelmikronät bedöms med hjälp av en innovativ metod som utvecklats för att öka den tekniska noggrannheten för detaljerad belastningssimulering och optimering av system för systemdesign i ett geospatialt modelleringsverktyg. Resultaten belyser potentialen för decentraliserade elektrifieringslösningar och identifierar plats, storlek och investeringar som krävs för att uppnå elektrifieringsmål 2025. Den andra forskningsfrågan utvärderar alternativa strategier för en koldioxidfri kraftproduktionssektor med hjälp av en optimeringsmodell för energisystem. De kombinerade effekterna av att införa koldioxidskatter och ändra den viktade genomsnittliga kapitalkostnaden på kraftproduktionsutsläppen mäts i marginalkostnadskurvor. Resultat från denna konceptuella och numeriska analys visar att ett helt koldioxidfritt kraftproduktionssystem kräver mycket höga koldioxidpriser om kapitalkostnaderna är höga. En kombination av måttliga koldioxidpriser med låga kapitalkostnader leder till inte bara betydande minskningar av utsläppen utan även mindre ökningar av koldioxidreduktionskostnaderna. Den tredje forskningsfrågan undersöker Bolivias exportplaner för vattenkraft på medellång sikt med hjälp av en kostnadsoptimeringsmodell i Sydamerika. Studien utvärderar också den rättvisa fördelningen av fördelar med hjälp av en kooperativ strategi för spelteori och de potentiella koldioxidutsläppen som uppnås i ett scenario för kraftsystemintegration i Sydamerika. Resultaten av denna studie tyder på att el från stora vattenkraftsprojekt kan handlas med Brasilien och minska Bolivias beroende av naturgas för kraftproduktion. Resultaten visar också att Bolivia har mindre förhandlingsstyrka än sina konkurrenter på lång sikt och drar mindre nytta av utsläppsminskningar i ett scenario med handel med Brasilien. Slutligen undersöker den fjärde forskningsfrågan energisäkerheten inom transportsektorn genom att utvärdera Bolivias mål för produktion av sockerrörsbaserad etanol. Ökad hållbarhet i etanolproduktionskedjan utvärderas kvantitativt genom att identifiera möjligheter för jordbruksintensifiering och investeringar i avancerade bioraffinaderier i en kostnadsoptimeringsmodell. Resultaten från denna analys visar att Bolivia kostnadseffektivt kan nå sina medellångsiktiga volymer av etanolproduktion med en måttlig expansion av odling av sockerrör och investeringar i jordbruksintensifiering. Resultaten visar vidare att det är kostnadsoptimalt att investera i nuvarande tekniska framsteg (dvs. effektiva kraftproduktionsanläggningar) för att maximera den förnybara energiproduktionen och de ekonomiska fördelarna med etanol som härrör från sockerrör. Slutligen identifieras ett stödområde för biodrivmedel för att stimulera investeringar i 2G etanol på medellång sikt

A Sketch of Bolivia’s Potential Low-Carbon Power System Configurations. The Case of Applying Carbon Taxation and Lowering Financing Costs

This paper considers hypothetical options for the transformation of the Bolivian power generation system to one that emits less carbon dioxide. Specifically, it evaluates the influence of the weighted average cost of capital (WACC) on marginal abatement cost curves (MACC) when applying carbon taxation to the power sector. The study is illustrated with a bottom-up least-cost optimization model. Projections of key parameters influence the shape of MACCs and the underlying technology configurations. These are reported. Results from our study (and the set of assumptions on which they are based) are country-specific. Nonetheless, the methodology can be replicated to other case studies to provide insights into the role carbon taxes and lowering finance costs might play in reducing emissions

Integrated analysis of land-use, energy and water systems for ethanol production from sugarcane in Bolivia

The use of biomass for renewable energy production is one alternative to reduce the environmental impacts of energy production worldwide. Sugarcane-based ethanol is one of the most widespread biofuels in the road transport sector and its development has been encouraged by strong incentives on production and use in several countries. The growing realization on the environmental impacts of ethanol production indicates the need to increase the efficient utilization of biomass resources by optimizing the production chain sustainably. This paper evaluates enhancements in the ethanol production chain quantitatively by identifying opportunities for agricultural intensification and investments in advanced biorefineries in a least-cost optimization model. Results of our model show that significant cost and environmental benefits can be achieved by modernizing sugarcane agriculture in Bolivia. Demands for ethanol and sugar can be met cost-effectively by increasing sugarcane yields from the current country-average of 55.34 ton/ha to 85.7 ton/ha in 2030 with a moderate cropland expansion of 11.4 thousand hectares in the period 2019-2030. Our results further suggest that it is cost-optimal to invest in efficient cogeneration in biorefineries to maximize the renewable energy output and the economic benefits of sugarcane ethanol. Finally, biofuel support in the range of 8-10 US$/GJ is required for investments in second-generation ethanol in biorefineries to be cost-competitive in the medium-term.QC 20201130</p

Integrated analysis of land-use, energy and water systems for ethanol production from sugarcane in Bolivia

The use of biomass for renewable energy production is one alternative to reduce the environmental impacts of energy production worldwide. Sugarcane-based ethanol is one of the most widespread biofuels in the road transport sector and its development has been encouraged by strong incentives on production and use in several countries. The growing realization on the environmental impacts of ethanol production indicates the need to increase the efficient utilization of biomass resources by optimizing the production chain sustainably. This paper evaluates enhancements in the ethanol production chain quantitatively by identifying opportunities for agricultural intensification and investments in advanced biorefineries in a least-cost optimization model. Results of our model show that significant cost and environmental benefits can be achieved by modernizing sugarcane agriculture in Bolivia. Demands for ethanol and sugar can be met cost-effectively by increasing sugarcane yields from the current country-average of 55.34 ton/ha to 85.7 ton/ha in 2030 with a moderate cropland expansion of 11.4 thousand hectares in the period 2019-2030. Our results further suggest that it is cost-optimal to invest in efficient cogeneration in biorefineries to maximize the renewable energy output and the economic benefits of sugarcane ethanol. Finally, biofuel support in the range of 8-10 US$/GJ is required for investments in second-generation ethanol in biorefineries to be cost-competitive in the medium-term.QC 20201130</p