Energy self-sufficiency for the Cameroon protestant college in Bali : feasibility study based on local renewable energies

In this thesis the concept of Sustainable Energisation finds a field of application in the rural area represented by the Cameroon Protestant College of Bali, a boarding school in the North-West Region of Cameroon. Given the organization and composition of the college, CPC Bali is treated as a micro-village. The purpose of the thesis is to assess the energy self-sufficiency of CPC, by meeting the increasing energy demand through the exploitation of locally available RES. Three specific goals are identified: energy balance assessment, energy resource assessment and energy solution planning. The study was conducted in two phases. The first phase was a field survey during which direct measurements and investigations were conducted. The second phase involved desk and laboratory analyses of the results from the on field surveys. In the energy balance assessment, current energy consumption within public and domestic drivers is investigated. The outcome is that firewood is the major primary source with 423.4 GJ consumed monthly, followed by LPG, diesel and kerosene; electrical energy consumption is 4.8 MWh/month. Thermal losses are huge, due to the poor technologies using firewood. The resource assessment focuses on biogas, hydro, wind and solar potentials. Corn, animal and human waste are the available matter convertible to biogas through anaerobic digestion with an overall potential of 12088 m3/month. Hydro is assessed in terms of head and stream flow of a river, for 13.2 kW of net power. Wind is measured by means of a cup anemometer; the yearly average speed results 3.3m/s. The annual sun radiation is 1909 kWh/m2. The energy solution planning consists in matching local needs and RES. The electrical solution planning is based on HOMER® simulations, reporting 18.3 kW of hydropower as the best solution in two different systems: off-grid and grid-RES hybrid. For the thermal planning, specific solutions are studied to unfold cooking, baking and hot water needs. For cooking and baking, the suggestion is to adopt more efficient stoves. Hot water can be provided by solar collector (0.41 m2/pp) at domestic level and gas boilers at public level burning 90 m3/day of biogas from students waste and cows manure.Future scenarios are summarized by two energy flow diagrams in which new primary sources appear: hydro, solar and biogas. Of fundamental importance is the reduction of firewood primary energy supply (40% in the public and 38.6% in the domestic driver). Shifting from firewood and fossil fuel dependence towards diversified RES based supply is an extremely relevant enabler for the final goal of this thesis.

In questa tesi il concetto della c.d. Energizzazione Sostenibile trova campo di applicazione nel contesto rurale del Cameroon Protestant College di Bali, nel Nord Ovest del Cameroon. Considerata l’organizzazione e la composizione del campus, il CPC Bali è trattato come un micro-villaggio. Lo scopo della tesi è valutare l’auto-sufficienza energetica del CPC, in modo da soddisfare la crescente domanda energetica attraverso lo sfruttamento delle fonti rinnovabili disponibili in loco. Tre sono gli obiettivi specifici individuati: valutazione del bilancio energetico, valutazione delle fonti rinnovabili e pianificazione energetica. Il lavoro di ricerca è stato condotto in due fasi. La prima ha riguardato uno studio sul campo, in cui è stata svolta un’attenta indagine dell’ambiente sociale e fisico tramite sondaggi e misure dirette. La seconda fase ha riguardato un’analisi di laboratorio dei risultati acquisiti sul campo. Nella valutazione del bilancio energetico è stato studiato l’attuale consumo energetico nel settore pubblico e privato. Il bilancio energetico complessivo mostra che il legname è la maggiore risorsa primaria con un consumo mensile di 423,4 GJ, seguito da GPL, diesel e cherosene; il consumo elettrico ammonta a 4,8 MWh/mese. Le perdite termiche sono ingenti in ragione della scarsa efficienza dei sistemi di conversione che bruciano legna. Nel valutare le risorse l’attenzione si è focalizzata sui potenziali di biogas e di risorse idrica, eolica e solare. Mais, letame e liquami umani rappresentano la materia prima convertibile in biogas attraverso una digestione anaerobica con un potenziale complessivo di 12'088 Nm3/mese di biogas. Il potenziale idrico è stato valutato in termini di prevalenza e portata disponibile, per una potenza netta complessiva di 13,2 kW. Il potenziale eolico è stato misurato grazie a un anemometro; la velocità media annuale risulta di 3,3 m/s. L’irraggiamento annuale è di 1'909 kWh/m2. La conseguente pianificazione energetica consiste nel soddisfare i fabbisogni con le fonti rinnovabili locali. In particolare, quella elettrica si basa sull’utilizzo di HOMER®, le cui simulazioni riportano 18,3 kW di micro-idro come miglior soluzione in due diversi schemi: off-grid e ibrido. Per quella termica sono studiate soluzioni specifiche per soddisfare i bisogni di cottura dei cibi e acqua calda. Nello specifico, per la cottura dei cibi, è suggerita l’adozione di sistemi di conversione più efficienti rispetto agli attuali. L’acqua sanitaria può essere invece fornita da collettori solari (0,41 m2/pp) a livello domestico e caldaie a biogas a livello pubblico, che bruciano 90 Nm3/giorno di biogas digesto a partire da liquami degli studenti o da letame bovino. Gli scenari futuri sono riassunti in due diagrammi di Sankey nel quale appaiono tre nuove risorse: idrica, solare e biogas. Di fondamentale importanza è la riduzione nel consumo primario di legname (40% nel settore pubblico e 38,6% nel privato) che ne può derivare. Il passaggio da una dipendenza basata sul consumo di legna e combustibili fossili ad una fornitura diversificata, basata su fonti rinnovabili, funge da catalizzatore di estrema rilevanza per il fine ultimo di questa tesi.