Decarbonising Portugal: impact of climate change on renewable energy resources

Abstract

In the context of 2050 energy targets, the EU aims to achieve a renewable energy share between 80% and 95% in final energy consumption. However, the road towards total dearbonisation of the energy supply is paved with numerous challenges, one of which is the uncertainty regarding the availability of future renewable electricity production. Although increasing renewable electricity production is one of the most effective answers to decarbonisation, renewable energy resources (RES), in addition to the inherent intermittency that can greatly affect their potential energy output, are directly linked to local climate characteristics. Currently, renewable energy projections are hampered in part by our lack of knowledge regarding the quantified impacts of climate change on renewable resource availability and variability for electricity supply. The literature review identified two main knowledge gaps in this field, namely, the lack of high resolution simulations and a holistic approach to the energy system. This thesis aims to address current limitations regarding the impacts of climate change on renewable energy resource variability and potential electricity production. This is achieved by performing very high-resolution (≈1 km²) weather prediction modelling at a national scale in Portugal, providing the necessary outputs for the meteorological variables used in the assessment of wind, solar and hydropower potential, in one present and two Shared Socioeconomic Pathways (SSP) climate change scenarios (SSP2-4.5 and SSP5-8.5). The methods from the review were used as a baseline for the estimate of future changes in wind speed, solar radiation and precipitation, among other variables, in Portugal, which was calculated and compared between the present and possible climate change scenarios. Results show an increase in wind speed during the Winter (+45%) and a decrease in the Summer (-45%), an overall increase of solar radiation of +30% to +45%, with the highest increase during the Winter, and a decrease in precipitation up to -80% during Winter and -100% during Summer months. Considering the projected variation, the wind energy density, solar photovoltaic energy density and estimated hydroelectricity production were calculated to build the most favourable decarbonisation scenario for Portugal for the expected electricity demand in 2050. The studied SSP scenarios indicate wind power as the main contributor to electricity demand (≈50%), followed by solar (≈33%), and finally hydroelectricity (≈17%). The spatial distribution and monthly contributions of each RES highlight the complementarity of multiple renewable solutions, such as wind and solar or solar and hydro. Finally, the estimated land requirements for total decarbonisation of the electricity supply indicate a 1% area coverage (in reference to the simulation domain size) for renewable installations for both SSP2-4.5 and SSP5-8.5 This thesis showed that the necessary renewable energy resources to build a fully decarbonised electricity supply scenario will be available in the expected climate change scenarios in Portugal, supports the decision-making process for future renewable energy deployment and aids in achieving national and EU energy goals.

No contexto das metas energéticas para 2050, a UE pretende alcançar uma quota de energia renovável entre 80% e 95% no consumo final de energia. No entanto, o caminho para a total descarbonização do fornecimento de energia conta com inúmeros desafios, um dos quais é a incerteza quanto à futura disponibilidade de recursos renováveis. Embora o aumento da produção de eletricidade renovável seja uma das respostas mais eficazes para atingir a descarbonização, a inerente intermitência dos recursos renováveis pode afetar o seu potencial de produção de eletricidade, sendo particularmente sensíveis aos efeitos das alterações climáticas. Atualmente, uma das maiores lacunas é a falta de conhecimento sobre os impactos quantificados das alterações climáticas na disponibilidade e variabilidade de recursos renováveis. A revisão da literatura identificou dois aspetos fundamentais no estudo dos impactos das climáticas, nomeadamente a falta de simulações de alta resolução e uma visão holística do sistema de energia. Esta tese visa ultrapassar as atuais limitações em relação aos impactos das alterações climáticas na variabilidade dos recursos de energia renovável e no potencial para produção de eletricidade. Para tal, foi utilizado um modelo de previsão meteorológica a alta resolução (≈1 km²) para Portugal, fornecendo os dados necessários para todas variáveis meteorológicas utilizadas na avaliação do potencial eólico, solar e hidroelétrico, para um cenário presente e dois cenários futuros (SSP2-4.5 e SSP5-8.5). Os métodos identificados na revisão de literatura foram usados como ponto de partida para a estimativa de futuras alterações na velocidade do vento, radiação solar e precipitação, entre outras variáveis, que foram calculadas e posteriormente comparadas com o cenário presente. Os resultados mostram um aumento da velocidade do vento durante o inverno (+45%) e uma diminuição no verão (-45%), um aumento global da radiação solar de +30% a +45%, com maior aumento durante o inverno, e uma diminuição da precipitação até -80% durante o inverno e -100% durante os meses de verão. Considerando a futura variação estimada da densidade de energia eólica, densidade de energia solar fotovoltaica e produção hidroelétrica, foi constituído o cenário de descarbonização mais favorável para Portugal considerando as projeções para o consumo de eletricidade em 2050. Os cenários SSP estudados indicam que a energia eólica é a energia renovável que mais contribui para as necessidades futuras (≈50%), seguido do solar (≈33%) e, finalmente, hidroeletricidade (≈17%). A distribuição espacial e as contribuições mensais de cada energia renovável evidenciam a complementaridade de múltiplas soluções renováveis, como a eólica e solar ou a solar e hidroelétrica. Finalmente, as estimativas da área necessária para infraestruturas de energias renováveis para a descarbonização total do fornecimento de eletricidade indicam uma cobertura de uma área de aproximadamente 1% do domínio de simulação, para ambos os cenários futuros. Esta tese mostrou que existem os recursos renováveis necessários para construir um cenário de abastecimento de eletricidade totalmente descarbonizado em Portugal, e contribui para o apoio à decisão política para futuros projetos de energias renováveis com o objetivo de atingir as metas energéticas nacionais e da UE.