Strategies for access to energy in developing countries: methods and models for off-grid power systems design

This doctoral thesis is part of the research topic related to "energy for sustainable development in developing countries." In general terms this theme refers to the analysis of specific problems of the energy sectors of developing countries (DCs) and the resulting consequences on the sustainable development of these countries. Looking at the energy sector of DCs, a "problem of energy" is typically mentioned. This basically consists in the strong energy dependence on traditional biomass (firewood and charcoal) and low rates of electrification and low per capita consumption of electricity. From these two aspects derive a series of negative consequences that hinder the development process at local, but also at country level. In particular, the population of rural areas of DCs is one that most suffer the consequences of the problem of access to energy. In fact, these areas are often not reached by the electricity grid and the only energy source is traditional biomass. In particular the absence of electricity supply severely limits the ability to improve the capability to meet basic services both at home and community level. In many rural areas, however, strong technical and economic feasibility constraints limit the provision of electricity supply via the traditional paradigm of the centralized system. In these cases, off-grid systems based on renewable energy sources (RESs) are the only viable solution. Nevertheless, the process leading to the identification of the best technical off-grid solution within a specific application context is not trivial, and there are many research topics open in this regard. In this context, this thesis mainly focuses on the problem of access to electricity in DCs and on the analysis of off-grid systems for electrification of rural areas. The thesis is organized into two parts which deal, through different chapters, with two specific topics respectively. The first part offers an in-depth analysis and capitalization of the issue of access to energy in DCs with particular attention to the problem of rural electrification. This theme has attracted the interest of the academic sector in the last decade in particular, in consequence chapters 2, 3, 4 are concerned with collecting literature, analyzing it and structuring it as regards its fundamentals. Chapter 2 gives a description of the main characteristics and analysis in the light of the sustainability dimension of the problem of access to energy in DCs. Chapter 3 gives a detailed analysis of the energy situation in Africa by introducing an original analysis that combines the Energy Indicators for Sustainable Development with current energy policies of the continent. Chapter 4 describes the main features of the rural areas of DCs and introduces a taxonomy for off-grid systems applied in these contexts. This chapter also contains the analysis of an extensive review of the scientific literature related to off-grid systems for DCs. This revision is at the base of the methods and models developed in the other chapters of the thesis. The second part introduces some methods and models that have been developed to respond specifically to some particular issues related to the process of designing off-grid systems for rural electrification. These issues have been identified through the analysis of the literature, but also through direct experience in contributing to the project Energy4Growing. This project deals with the design and installation of a hybrid micro-grid for a school in a rural area in Tanzania. Chapter 5 describes the development, implementation and application of a procedure for the estimation of daily load profiles required by users of rural areas. The procedure wants to fill the gap in the literature about rigorous approaches that allow the calculation of load profiles. These are in fact essential information for the most advanced sizing methods for off-grid systems based on RESs. Chapter 6 introduces the first step of the development of a method for energy planning systems both off-grid and also for integration of distributed generation systems into the centralized grid. The proposed methodology, in contrast to those already available in the literature, allows the operator to intervene in the planning process working on the results of a series of mathematical-statistical indicators that consider the coupling of energy maps of load and generation. Chapter 7 presents a sizing procedure of off-grid system based on RESs which is appropriate for DCs. In particular, the classical approach based on the definition of the parameter that identifies the "loss of load probability" and "net present cost" has been modified so that both the procedure itself and the results, better fit with the conditions of the targeted context. In particular, the concepts of "value of lost load" and "levelized cost of supplied and lost energy" have been developed. Finally, Chapter 8 addresses the need for models that can simulate the operation of off-grid electro-mechanical systems allowing the analysis of dispatch strategies as well as the evolution of frequency and voltage during system operation. This chapter in particular has expanded the thesis research topics to those typically considered in electrical analyses and it tries to integrate the features of energy analyses with electrical analyses.

Questa tesi di dottorato si colloca all’interno del tema di ricerca relativo a “energia e sviluppo sostenibile nei paesi in via di sviluppo”. In termini generali questo tema si riferisce all’analisi delle specifiche problematiche dei settori energetici di paesi in via di sviluppo (PVS) e alle conseguenze che ne derivano sul loro percorso di crescita sostenibile. Guardando al settore energetico dei PVS, si fa tipicamente riferimento ad un “problema dell’accesso all’energia”. Questo sostanzialmente consiste nella forte dipendenza energetica dalla biomassa tradizionale (legna da ardere e carbonella) e in bassi tassi di elettrificazione con relativi bassi consumi pro capite di energia elettrica. Da questi due aspetti derivano una serie di conseguenze negative che frenano il processo di sviluppo sia a livello locale che nazionale. In particolare, la popolazione delle zone rurali dei PVS è quella che soffre maggiormente le conseguenze del problema dell’accesso all’energia. Queste aree spesso non sono raggiunte dalla rete elettrica e unica fonte energetica rimane la biomassa tradizionale. L’assenza di fornitura elettrica in particolare, limita fortemente la possibilità di migliorare il soddisfacimento di servizi primari a livello sia domestico sia di comunità. In molte aree rurali si manifestano però forti vincoli di fattibilità tecnica ed economica della fornitura elettrica se promosssa tramite il tradizionale paradigma del sistema centralizzato. In questi casi, i sistemi in isola basati su fonti rinnovabili di energia sono l’unica soluzione percorribile. D’altra parte il processo che porta all’individuazione della soluzione tecnica migliore all’interno di un preciso contesto non è quasi mai banale, e numerosi sono i temi di ricerca aperti a questo riguardo. In questo contesto, questa tesi di dottorato si concentra principalmente sul problema dell’accesso all’energia elettrica nei PVS e sull’analisi di sistemi in isola per elettrificazione delle aree rurali. Il testo è organizzato in due parti che rispettivamente affrontano, tramite diversi capitoli, due argomenti specifici. La prima parte propone un’approfondita analisi e capitalizzazione del tema dell’accesso all’energia nei PVS con particolare attenzione al problema dell’elettrificazione rurale. Questo tema ha suscitato, specialmente nell’ultimo decennio, l’interesse del settore accademico, di consequenza i capitoli 2, 3, 4 si occupano di raccogliere la letteratura, analizzarla e strutturarne in maniera organica i fondamentali. Il capitolo 2 propone una descrizione delle caratteristiche principali e un’analisi, alla luce delle dimensioni della sostenibilità, del problema dell’accesso all’energia nei PVS. Il capitolo 3 riporta una dettagliata analisi della situazione energetica dell’Africa introducendo un’originale analisi che combina gli Indicatori Energetici per lo Sviluppo Sostenibile con le attuali politiche energetiche del continente. Il capitolo 4 descrive i tratti principali delle aree rurali dei PVS e introduce una tassonomia per i sistemi in isola applicati in questi contesti. Inoltre, qui è riportata una vasta revisione della letteratura scientifica relativa ai sistemi in isola per i PVS. Questa analisi è poi alla base degli sviluppi presentati nei capitoli successivi della tesi. La seconda parte introduce alcune procedure e modelli che sono stati sviluppati per rispondere in maniera specifica ad alcune problematiche particolari relative al processo di progettazione di sistemi in isola per elettrificazione rurale. Queste problematiche sono state individuate attraverso l’analisi della letteratura, ma anche attraverso esperienza diretta tramite il progetto Energy4Growing. Questo progetto si occupa della progettazione e dell’installazione di una micro rete ibrida per una scuola in una zona rurale in Tanzania. Il capitolo 5 descrive sviluppo, implementazione ed applicazione di una procedura per la stima dei profili di carico giornalieri richiesti da utenti di zone rurali. La procedura vuole colmare la mancanza in letteratura di approcci rigorosi che permattono il calcolo dei profili di carico. Essi sono infatti un’informazione essenziale per i metodi di dimensionamento più avanzati per i sistemi in isola basati su fonti di energia rinnovabili. Il capitolo 6 introduce un primo sviluppo di un metodo per la pianificazione energetica di sistemi in isola, ma anche per l’integrazione in rete di sistemi di generazione distribuita basata su fonti di energia rinnovabili. La metodologia proposta, a differenza di quelle già disponibili in letteratura, permette all’operatore di intervenire sul processo di pianificazione operando sui risultati di una serie di indicatori statistico-matematici, i quali considerano l’accoppiamento di mappe energetiche di carico e di generazione. Il capitolo 7 presenta un procedura di dimensionmento di sitemi in isola basati su fonti rinnovabili che risulta appropriata per i PVS. L’approccio classico basato sulla definizione del parametro che identifica la “probabilità di non soddisfare il carico” e sul “costo attualizzato netto” è stato modificato in modo che, sia la procedura stessa che i risultati, rispondano maggiormente alle condizioni del contesto di applicazione. In particolare è stato sviluppato il concetto di “valore del carico non soddisfatto” e di “costo attualizzato dell’energia persa e fornita”. Infine il capitolo 8 risponde alla necessità di modelli che possano simulare il funzionamento elettro-meccanico di sistemi in isola, permettendo l’analisi di strategie di dispacciamento e dell’evoluzione di frequenza e tensione durante il funzionamento degli stessi. Quest’ultimo capitolo in particolare ha ampliato gli argomenti di ricerca a quelli più trattati in ambito elettrico, cercando di integrare le peculiarità di analisi energetiche con analisi elettriche.