This thesis was realized as part of the research activities of the UNESCO Chair in Energy for Sustainable Development, Department of Energy. The thesis addressed the issue of energy access in DC with focus on the development of a “comprehensive energy access strategy” to improve access to modern energy services, especially energy for cooking. The context within which this issue was addressed is households in rural areas of SSA. The situation of access to modern energy services may be more challenging in SSA where little has been done on sustainable rural energy planning, coupled with the reality that 80% of the population, of which 75% live in rural areas, still rely on the traditional use of biomass. The production of modern energy carriers, such as electricity, Natural Gas, LPG and other petroleum products, which could be used to ameliorate the energy situation of rural areas in DC are available in a few countries and are often far away from the consumers requiring dedicated infrastructure and well-functioning service chain. There is a growing trend towards the production of energy carriers closer to consumption centers both in developed and developing countries. Furthermore, it has been identified that in developing countries, especially rural areas, the use of distributed renewable sources is a primary tool for increasing energy access towards targets set in the recently adopted Sustainable Development Goals (SDG). With regards to the above context, improving access to modern energy services, especially for cooking in rural households in DC, cannot be resolved through individual technology dissemination or fuel switching in isolated energy projects or programs as it is the existing practice. A comprehensive energy access strategy is envisaged in order to intensify research, development and dissemination of small scale technologies to improve access to modern energy services. Increasing access to energy in DC may entails innovative business models, increase investment, policies and a comprehensive access strategy etc. This thesis contribute to the development of a comprehensive access strategy which comprise of a more sustainable rural energy planning, selection and optimization of appropriate small scale sustainable energy technologies, such as biogas technology, to increase the energy carrier alternatives within the rural energy supply package. A review of rural energy planning revealed that most rural energy planning procedure often lack systematic data set and do not quantify energy consumptions to level required at the modelling stage of the procedure. Furthermore, most of the planning procedures do not consider the sustainability of rural energy systems. A sustainable rural energy system should integrate the theme of sustainable energization (SE). The Nissing et al six-step procedure integrated SE theme and could provide systematic data and quantify energy consumptions to levels required for modelling. However, it did not take into account the existing rural energy supply system, and its 4-steps ESSN model did not allow for a flexible and more cost-effective way to identify appropriate end-use devices to meet the energy services demanded. Thus, it did not resolve the issue of technology stacking. Furthermore, it is yet to be applied within the rural context, especially in SSA. Small scale technologies, such as biogas technology, could be a more sustainable solution to the issue of improving access to modern fuels in rural areas of SSA. However, a selection strategy, research and development of such small scale technologies within the intended application environment, especially in SSA, is required. Considering the above mentioned gaps identified in the literature, this thesis had as overall objective to contribute to the development of a comprehensive energy access strategy in DC, with a focus on access to clean energy for cooking in rural areas of SSA. The specific objectives of the thesis were: To propose a comprehensive procedure for the sustainable energization of rural areas of DC. To develop and apply a Decision Support Tool for the selection of an appropriate small scale technology to improve access to modern energy services in rural areas. To elaborate a procedure for the optimization of the performance of the selected technology within the local context. The general methodology adopted to achieve these objectives included: a review of the relevant literature in order to have a general understanding of issues discussed in the thesis. In the development of a more comprehensive sustainable rural energy planning procedure, desk study was used. This was followed by field case study to test the validity of the developed procedure. A decision support system was selected, elaborated and applied in the selection of an appropriate digester design for mass dissemination in rural context of Cameroon. Field experimentation of the selected technology at full-scale was used to investigate its performance within the application environment in order to identify parameters which led to the improvement of the technology. Numerical analysis was used in the laboratory investigations of different technology designs configuration during the optimization process. CFD techniques and the OpenFoam software was adopted to investigate design structure modifications to improve mixing in the Nepali GGC2047 digester design. Qualitative and quantitative analysis were used to discriminate for an improved inlet configuration from eight candidates which modified the engineering structure of the digester design. Further field experimentation were carried out to investigate the performance of the improved technology at full scale within the local context for subsequent dissemination. Furthermore, specific methods and tools were applied as appropriate at different stages of the development of the comprehensive energy access tool. The following results were achieved: The Nissing et al six-step planning procedure for a sustainable rural energy planning was adopted and modified in two ways: (i) it was extended to account for the existing energy situation in the planning procedure. Including this step allowed for the creation of a systematic database and quantification of energy consumptions to levels that permitted a more realistic energy system modelling (ii) energy drivers were integrated in the ESSN model. This allowed for a flexible and a more cost-effective way to identify appropriate end-use devices to meet the energy services demanded and thus resolved the issue of “technology stacking” at the level of households. Furthermore, the validity of the modified procedure was demonstrated in a rural context through a case study in Cameroon. The results showed an improved, reliable, affordable and diversified PES based on local energy resources, a 85% increase in FC by the rural community and a 50% improvement in energy efficiency. Alternative and more sustainable energy sources, such as biogas, hydropower and solar featured in the new energy mix of the community. Some of these sources, especially biogas could be exploited as a modern energy carrier to improve access to modern energy carriers for cooking at the level of rural households. The Analytic Hierarchical Process (AHP) was elaborated and applied in the selection of an appropriate technology. The selection of an appropriate biogas digester design for dissemination in Cameroon as used to demonstrate the application of the selection strategy. Technical, economic, social and environmental criteria were used together with appropriate sustainable indicators according to the approach of EISD. Amongst the five identified candidate digesters, the Nepali GGC2047 design emerged as the appropriate design for the context of Cameroon. Field experimentation was carried out on a full scale unit of the Nepali GGC2047 digester installed and operated within the local socio-economic and environmental context of a rural village in Cameroon. Two crucial issues affected the performance of the design within the local context, namely: water scarcity, which led to the digester being operated at 16%TS which was higher than the designed 10 %TS concentration in the influent. The average operating temperature inside the digester was 26 °C, which was below the 30-35°C optimal range for mesophilic digestion. The digester design operated between upper psychrophilic and lower mesophilic range of temperature, away from its design mesophilic operation. The technical performance of the design in terms of biogas production rate and productivity were 0.16 m3biogas/m3digester per day and 0.18 m3biogas/kgVS respectively. These values were lower than the expected values of 0.34 m3biogas/m3digester per day and 0.25 m3/kgVS respectively. Also the energy recovery efficiency was only 20%. This low technical performance of the design could be related to poor mixing of the digester content and low temperatures. This thesis focused on improving mixing of the digester content in order to optimize the technical performance of the design within the context. Laboratory investigations were carried out on eight candidate inlet configurations which were suspected to improve mixing of the digester content. Numerical analysis with the application of CFD techniques and the OpenFoam software were used in the analysis. The results were evaluated qualitatively in terms of velocity field flows and quantitatively in terms of the volume integral of the tracer in the digester volume. The funnel-shaped inlet configuration which opens into the digester seemed to improve mixing of the slurry in the digester. The effect of this inlet configuration on the performance of the digester was further investigated through a field experimentation. A field experimentation to validate the effect of the modified inlet configuration on the performance of the selected Nepali GGC2047 design was carried out in Cameroon. The hypothesis investigated was: H0 : μ_m≤μ_c i.e. modified digester is not better than the control H1 : μ_m>μ_c i.e. modified digester is better than the control After a first experimentation carried out between August 2015 and January 2016 it was realized that the modified inlet was poorly produced due to insufficient local technology and know-how. An improved version of the modified inlet was produced and installed. A second experimentation was carried out between January and September 2016. The modified digester and the control digester in both experimentation were operated under the same essential operating conditions. During the first experimentation, the mean biogas production from the modified digester was 159.10 litres with a standard deviation of 98.76 while the control digester had a mean production of 267.88 litres with a standard deviation of 171.00. A t-test of the hypothesis produced a p value of 3E-05. During the second experimentation, the mean biogas production from the modified digester was 239.67 litres with a standard deviation of 134 while the control digester had a mean production of 296.83 litres with a standard deviation of 67. A t-test of the hypothesis produced a p value of 0.005. The two versions of the modified inlet produced statistically significant results which demonstrate that the modification seem to improved mixing of the digester content. The second version produced better results than the first. This demonstrate that, translating, high-tech laboratory results into locally produced technology was a challenge. This is often the case in DC, especially SSA, where technological development was still in the embryo stages. Thus optimization of small scale technology to improve access to energy in the context of DC would require coupling laboratory analysis with local capacity building in manufacturing know-how. An alternative design operated on DAD and based on the leaching bed principle with the integration of a Green House to influence digester operating temperature was investigated. The objective was to characterize it for application in DC. The operational volume of this experimental digester was 2.6 m3. Co-digester of a variety of biomass residues widely available in DC were digested by the design with a good process stability; operating temperatures were stabilized at about 28 °C; the SRT and HRT time were 139 and 10 days respectively. The design operated in three phases within what was termed a cycle. These phases were start-up, stable and saturation phases. A cycle lasted 3-4 months, after which the digester had to be re-loaded. The average biogas production was 1.0 m3/day; the production rate was 0.36 m3biogas/m3digester per day and average methane content of the biogas was 63.5 %volume/volume which were comparable to the 0.34 – 0.7 m3biogas/m3digester per day and 55 – 65 % volume/volume ranges respectively reported for digesters commonly disseminated in DC. The use of the Green House concept improved on the thermal performance of the digester. It may be concluded from this investigations that the design demonstrated suitability for application in DC, however challenges in feeding the digester due to the inlet configuration and the re-loading of the digester every 3-4 months required further investigations. The overall results of the activities of this thesis were consolidated into a three-stage strategy to improve energy access in rural areas of DC. This strategy was named “Towards a comprehensive energy access strategy for DC” The stages in this strategy are described herein below. An improved rural energy planning procedure: This stage consisted of seven steps, namely: (i) integration of the goals of sustainable energization into the decision making process,(ii) assessment of the existing energy balance situation of the target rural community,(iii) identification and prioritization of the energy services demanded according to energy drivers,(iv) local resource assessment with focus on renewable energy sources, (v) design of an integrated renewable energy system, (vi) set up of energy services supply network and (vii) control and adaptation of the energy services supply network. Technology selection strategy: The steps in this stage are: analysis of the energy conversion technology, identification of the appropriate alternatives and implementation of a decision support system for the selection of an appropriate design for a particular context. Technology optimization process: The steps in this stage are: identification of local performance parameters of the selected technology, laboratory investigations to improve local performance of the technology and, full scale field validation of the improved technology design. Conclusion The challenge to access to modern energy services for cooking in DC could be better approached through the integration of the concept of sustainable energization (SE) within a comprehensive energy access strategy. This study fulfilled the set specific objectives, namely: An improved rural energy planning procedure was developed and applied in the context of a rural area; the results demonstrated a decrease PES, an improved FC and energy efficiency. The AHP decision support system was elaborated and applied in the selection of an appropriate small scale technology to improve energy access in rural areas of DC. The Nepali GGC2047 design was selected as an appropriate small scale biogas digester design to improve access to clean fuel for cooking in the context of Cameroon. A framework for a procedure for the optimization of small scale technology was developed. This procedure consisted of three steps, namely: field investigation of the technology at full scale to identify critical parameters which could be researched to improve the performance of the technology; laboratory investigations to improve the technology based on the identified critical local context parameters, and full scale field validation of the improved technology. The outcomes of this thesis were consolidated into a three-stage energy access strategy named “Towards a comprehensive energy access strategy for DC”. This outcome makes a great contribution to the search for a comprehensive energy access strategy in order to intensify research, development and dissemination of small scale technologies to improve access to modern energy services, especially rural areas, as highlighted in the REN21 Global Status Report 2016.

Questa tesi è stata realizzata nell'ambito delle attività di ricerca della Cattedra UNESCO di Energia per lo Sviluppo Sostenibile, Dipartimento di Energia. La tesi ha affrontato due questioni principali, ovvero: l’accesso all’energia nei Paesi in via di sviluppo (PVS) ed una strategia comprensiva per migliorare l’accesso a servizi energetici moderni, in particolare dedicati alla cottura di cibi. Il contesto all’interno del quale tali questioni sono state affrontate è quello delle famiglie delle zone rurali dell’Africa Sub-Sahariana (ASS). La situazione relativa all’accesso a servizi energetici moderni può essere più difficile in ASS dove poco o nulla è stato fatto in materia di pianificazione energetica rurale; inoltre, l'80% della popolazione – di cui il 75% vive in zone rurali – si basa ancora su un uso tradizionale della biomassa. La produzione di vettori energetici moderni – quali l’elettricità, il gas naturale, l’LPG ed altri prodotti petroliferi –, che potrebbero essere usati per migliorare la situazione energetica delle aree rurali nei PVS, è presente solo in pochi Paesi e spesso a grande distanza dai consumatori, poiché sarebbero necessarie infrastrutture dedicate ed una efficiente catena di distribuzione. C’è pertanto una tendenza crescente verso la produzione di vettori energetici più prossimi ai centri di consumo, sia nei Paesi sviluppati che in quelli in via di sviluppo. È stato inoltre stato rilevato come nei PVS, e soprattutto nelle aree rurali, l’utilizzo di risorse rinnovabili distribuite sia uno strumento primario per l’incremento dell’accesso all’energia, in un’ottica di raggiungimento dei Sustainable Development Goals (SDG) recentemente adottati. Nel contesto di cui sopra, l'accesso a servizi energetici moderni per cucinare, non può essere risolto semplicemente tramite la disseminazione di singole tecnologie o la sostituzione del combustibile in progetti o programmi isolati, come si fa attualmente. Una strategia comprensiva di accesso all’energia è necessaria al fine di intensificare la ricerca, lo sviluppo e la disseminazione di tecnologie di piccola taglia volte al miglioramento dell’accesso a servizi energetici moderni. Migliorare l’accesso all’energia nei PVS potrebbe determinare l’affermazione di modelli di business innovativi, un aumento degli investimenti, lo sviluppo di politiche specifiche, ecc. Questa tesi contribuisce allo sviluppo di una strategia comprensiva per l’accesso all’energia, che comprende una pianificazione rurale più sostenibile e la selezione e l’ottimizzazione di tecnologie di piccola taglia appropriate – come il biogas – per incrementare il ventaglio di alternative per la scelta di vettori energetici in ambito rurale. Una revisione delle strategie di pianificazione energetica rurale ha rivelato che la maggior parte della pianificazione è spesso carente di banche dati sistematiche e non quantifica il consumo di energia al livello di dettaglio richiesto per una modellazione realistica. Inoltre, la maggior parte delle procedure di pianificazione non considera la sostenibilità dei sistemi energetici rurali. Un sistema energetico rurale sostenibile dovrebbe contemplare il concetto di “sustainable energisation” (SE). La procedura di Nissing et al. a sei-step includeva il concetto di SE ed era in grado di fornire banche dati sistematiche e di quantificare i livelli di consumo con un grado di dettaglio adeguato. Tuttavia, non prendeva in considerazione il sistema di approvvigionamento energetico rurale già esistente, e il suo modello ESSN a quattro-step non garantiva un modo flessibile ed economico per identificare strumenti d’uso-finale adeguati al soddisfacimento della domanda energetica. Pertanto, non forniva soluzioni al problema del “technology stacking”. Inoltre, non è ancora stato applicato ad un contesto rurale, specialmente in ASS. Tecnologie di piccola taglia, come il biogas, potrebbero rappresentare una soluzione più sostenibile al problema dell'accesso a combustibili moderni nelle zone rurali dell’ASS. Tuttavia, è necessaria una strategia per la selezione, la ricerca e lo sviluppo di tali tecnologie all’interno del contesto di applicazione specifico, soprattutto in ASS. Considerando le mancanze sopracitate identificate nella letteratura, questa tesi si è posta l’obiettivo generale di contribuire allo sviluppo di una strategia comprensiva per l’accesso all’energia nei PVS, con una particolare attenzione per l’accesso ad energie pulite per la cottura di cibi nelle aree rurali dell’ASS. Gli obiettivi specifici di questa dissertazione sono stati: proporre una procedura comprensiva per l’energizzazione sostenibile delle aree rurali dei PVS; sviluppare ed applicare un Decision Support Tool per la selezione di tecnologie di piccola taglia appropriate per migliorare l’accesso a servizi energetici moderni nelle aree rurali; elaborare una procedura per l’ottimizzazione delle prestazioni della tecnologia selezionata, all’interno del contesto locale. La metodologia generale adottata per raggiungere questi obiettivi ha incluso: una revisione della letteratura finalizzata ad una comprensione generale dei problemi discussi nella tesi. Un “desk study” utilizzato per lo sviluppo di una procedura comprensiva di pianificazione energetica rurale sostenibile. A seguire, un caso di studio sul campo finalizzato a testare la validità della procedura sviluppata. L’elaborazione di un “Decision Support System” applicato poi nella selezione di un design appropriato per un digestore da disseminare su larga scala nelle aree rurali del Camerun. La sperimentazione sul campo della tecnologia prescelta, usata per valutare le sue prestazioni all’interno del contesto di applicazione e per identificare eventuali parametri da ottimizzare. L’analisi numerica è stata utilizzata in studi di laboratorio relativi a differenti configurazioni tecnologiche, nel corso del processo di ottimizzazine. Tecniche CFD e il software OpenFoam sono stati adottati per valutare modifiche strutturali al design tecnologico, in particolare per migliorare il miscelamento del digestore Nepali GGC2047. Analisi qualitative e quantitative sono state usate per selezionare fra otto opzioni la miglior configurazione di “inlet” del digestore, che è andata a modificare la struttura ingegneristica dello stesso. Ulteriori studi sul campo sono stati effettuati per valutare le prestazioni della tecnologia migliorata all’interno del contesto locale per una successiva disseminazione. Inoltre, metodi e strumenti specifici sono stati applicati nei vari stadi del processo di sviluppo dello strumento comprensivo per l’accesso energetico. Sono stati raggiunti i seguenti risultati: La procedura di pianificazione Nissing et al. a sei-step per lo sviluppo energetico rurale sostenibile è stata adottata e modificata in due modi: (i) è stata estesa per tenere conto della situazione energetica esistente nella procedura di pianificazione. L'inclusione di questa fase ha permesso la creazione di una banca dati sistematica e la quantificazione dei consumi energetici a livelli che hanno permesso una modellazione più realistica del sistema energetico. (ii) Sono stati integrati nel modello ESSN dei driver energetici. Questo ha permesso un modo più flessibile e conveniente per identificare opportuni dispositivi di uso-finale per soddisfare i servizi energetici richiesti, e ha permesso di risolvere il problema del “technology stacking" a livello delle famiglie. Inoltre, la procedura modificata è stata applicata in un contesto rurale attraverso un caso di studio in Camerun. I risultati hanno dimostrato una migliore, affidabile e diversificata PES sulla base di risorse energetiche locali, un aumento dell’85% nel FC da parte della comunità rurale, e un miglioramento del 50% nell’efficienza energetica. Fonti energetiche alternative e più sostenibili, come il biogas, l’idroelettrico e il solare, sono state incluse nel mix energetico della comunità. Alcune di queste fonti, soprattutto il biogas, potrebbero essere sfruttare come vettori energetici moderni per migliorare l’accesso all’energia per la cottura di cibi a livello di famiglie rurali. Il processo gerarchico analitico (AHP) è stato applicato per la selezione di una tecnologia appropriata. La selezione di un digestore a biogas appropriato per la diffusione in Camerun ha consentito una successiva validazione sperimentale della tecnologia. Criteri tecnici, economici, sociali e ambientali sono stati utilizzati insieme ad indicatori di sostenibilità appropriati, secondo l'approccio degli EISD. Tra i cinque candidati individuati, vale a dire: Il design Nepali GGC2047 è emerso come il design appropriato per il contesto del Camerun. Sperimentazione sul campo è stata condotta su un prototipo in scala del digestore nepalese GGC2047 installato in un villaggio rurale del Camerun, gestito nel contesto socio-economico e ambientale locale. Due problemi principali hanno influenzato le prestazioni della soluzione nel contesto locale: la scarsità d’acqua, che ha fatto sì che il digestore operasse al 16% della TS che è più alta della TS di progettazione pari al 10%. La temperatura operativa dentro il digestore era di 26°C, al di sotto del range ottimale 30-35°C per la digestione mesofilica. Il digestore operava quindi in un range di temperatura tra il psicrofilico e mesofilico, al di fuori del range mesofilico ottimale. In termini di tasso di produzione di biogas, la produttività è stata di 0.16 m3biogas/m3digester al giorno e 0.18 m3biogas/kgVS. Questi valori sono risultati più bassi di quelli attesi di 0.34 m3biogas/m3digester al giorno e 0.25 m3/kgVS. Anche l’efficienza di ricovero è stata di soli 20%. Queste basse prestazioni sono da attribuirsi allo scarso miscelamento della miscela e alle basse temperature. Questa tesi si è focalizzata sul miglioramento della fase di miscelamento del contenuto nel digestore in modo da ottimizzarne le performance tecniche nel contesto operativo. Indagini di laboratorio sono state condotte su 8 configurazioni e tipologie di “inlet” nel digestore, sospette di poter migliorare il miscelamento interno. Sono state impiegate l’analisi numerica con applicazione CFD e software OpenFoam. I risultati sono stati valutati qualitativamente in termini di flusso di velocità e di volume integrale del liquido tracciante nel volume del digestore. La configurazione di ingresso a “funnel” è sembrata migliorare il miscelamento della fanghiglia nel digestore. L’effetto di questa configurazione sulle performance del digestore è stata investigata ulteriormente tramite sperimentazione sul campo. La sperimentazione sul campo per validare l’effetto della nuova configurazione del tubo di ingresso sulle performance del modello Nepalese GGC2047 è stata condotta in Camerun. L’ipotesi investigata è stata: H0 : μ_m≤μ_c i.e. il digestore modificato non è migliore di quello base H1 : μ_m>μ_c i.e. il digestore modificato è migliore di quello base Dopo una prima fase di sperimentazione condotta tra agosto 2015 e gennaio 2016, si è realizzato che l’ingresso “modificato” è stato prodotto non correttamente a causa di tecnologia inadeguata e scarse conoscenze tecniche. Una versione migliorata è stata dunque prodotta e installata nuovamente. Una seconda campagna sperimentale è stata condotta tra gennaio e settembre 2016. Il digestore modificato e quello base sono stati testati alle stesse condizioni operative. Durante la prima fase di prove, la media della produzione di biogas è stata di 159.10 litri con deviazione standard pari a98,76 , il digestore base ha rivelato una produzione di 267.88 litri con una deviazione standard di 171,00 . Un’analisi t-test al 95% di confidenza dell’ipotesi ha generato un p-value di 3E-05. Durante la seconda fase sperimentale, la media della produzione di biogas è stata di 239.67 litri con una deviazione standard di 67, mentre il digestore base ha rivelato una produzione di 296.83 litri con deviazione standard di 134. Un’analisi t-test dell’ipotesi al 95% di confidenza ha generato un p-value di 0.005. I risultati dei test statistici hanno verificato che è possibile rifiutare l’ipotesi nulla, e che quindi non è possibile affermare che il digestore modificato non sia migliore di quello base. La seconda versione ha prodotto risultati migliori del primo. Questo dimostra che riprodurre localmente tecnologie costruite in laboratorio è stata una sfida. Questo è un caso frequente nei PVS, specialmente in Africa sub-Sahariana, dove lo sviluppo tecnologico è ancora in fase embrionale. Quindi l’ottimizzazione di tecnologie di piccola taglia per garantire accesso all’energia nei paesi in via di sviluppo deve considerare sia un’analisi di laboratorio che tenga in conto le capacità locali in termini di manifattura. È stato investigato un design alternativo basato sul principio “leaching bed” tramite integrazione di una serra per aumentare la temperatura operativa nel digestore. L’obiettivo era quello di caratterizzare tale modello per eventuali applicazioni nei PVS. Il volume del digestore era di 2.6 m3. Una grande varietà di biomassa residua largamente disponibile nei PVS è stata digerita dal modello con grande stabilità di processo; le temperature operative si sono stabilizzare a circa 28°C; il tempo di SRT e HRT sono stati rispettivamente di 139 e 10 giorni. La produzione media di biogas è stata di 1.0 m3/giorno, il tasso di produzione di 0.36 m3biogas/m3digester al giorno e la produttività di 1.52 m3/kgVS al giorno. Il contenuto medio di metano è stato valutato circa pari a 0.34 – 0.7 m3biogas/m3digester al giorno e la qualità di gas tra 55 – 65 % volume / volume riportato per i digestori comunemente distribuiti nei PVS. L’uso del concetto di serra ha migliorato le performance termiche del digestore. Da questa analisi si può concludere che il design ha dimostrato di essere idoneo per applicazione nei PVS, nonostante le difficoltà derivanti dall’alimentazione del digestore, a causa della configurazione del tubo di ingresso, e dal carico di materia da digerire ogni 3-4 mesi richiedano ulteriori indagini. I risultati generali delle attività della tesi sono stati consolidati all’interno di una strategia a 3 fasi per migliorare l’accesso all’energia nelle aree rurali dei PVS, nominata “Verso una strategia per un completo accesso”. Le fasi della strategia sono qui descritti: Una procedura completa per la pianificazione energetica rurale: questa ha considerato 7 ulteriori steps, ovvero: (i) integrazione degli obiettivi sostenibili di energizzazione all’interno del processo decisionale, (ii) valutazione della situazione energetica delle comunità rurali, (iii) identificazione e assegnazione delle priorità dei servizi energetici domandati in accordo con i vettori energetici, (iv) valutazione delle risorse energetiche locali con attenzione verso le risorse rinnovabili, (v) progetto di un sistema energetico integrato, (vi) configurazione di una rete di approvvigionamento di servizi energetici e (vii) controllo e adattamento di tale rete di approvvigionamento di servizi energetici. Strategia di selezione della tecnologia: gli steps in questa fase sono: analisi delle tecnologie di conversione energetica, identificazione di appropriate alternative e implementazione di un sistema di supporto decisionale per la selezione di un modello appropriato dato un contesto specifico. Processo di ottimizzazione tecnologica: gli steps in questa fase sono: identificazione dei parametri di performance della tecnologia selezionata, campagna sperimentale per migliorare le performance locali della tecnologia e, validazione sul campo della tecnologia migliorata in scala. Conclusione La sfida per garantire accesso ai moderni servizi energetici per la cottura nei PVS dovrebbe essere approcciata in maniera più appropriata tramite integrazione del concetto di energizzazione sostenibile (SE) in strategie più comprensive per garantire accesso all’energia. Questo studio ha raggiunto gli obiettivi specifici che si è prefissato inizialmente, ovvero: una procedura di pianificazione energetica comprensiva è stata sviluppata e applicata in contesti rurali; i risultati hanno dimostrato una diminuzione di PES, un FC migliorato ed efficienza migliore; è stato elaborato un sistema di supporto decisionale basato sul metodo AHP e applicato per la selezione di una tecnologia di piccola scala per migliorare l’accesso all’energia nelle zone rurali dei PVS. Il modello di bio-digestore Nepali GGC2047 è stato selezionato per migliorare l’accesso ai combustibili puliti per la cottura nel contesto camerunense. è stata sviluppata una struttura procedurale per l’ottimizzazione di una tecnologia di piccola taglia. Questa procedura consiste in 3 fasi, ovvero: ricerca sul campo della tecnologia in scala per identificare i parametri critici da investigare per migliorare le performance della tecnologia; valutazioni di laboratorio per migliorare la tecnologia basata sull’identificazione dei parametri critici dovuti al contesto, la validazione delle miglior performance della tecnologia migliorata. I risultati di questa tesi sono stati consolidati in una strategia a tre fasi chiamata “Verso una strategia comprensiva per garantire accesso all’energia nei PVS”. Questo risultato ha fornito un grande contributo alla ricerca in corso sui metodi per garantire accesso all’energia, con lo scopo di intensificare la ricerca, sviluppo e disseminazione di tecnologie su piccola scala per migliorare l’accesso ai servizi energetici moderni, specialmente nelle aree rurali, come sottolineato nel REN21 Global Status Report 2016. L'obiettivo era quello di identificare i parametri fondamentali che influenzano le sue prestazioni tecniche. Co-digestione di una varietà di feedstock disponibili locale era fattibile nel disegno. Tuttavia, la scarsità d'acqua ha portato al digestore essere operato ad un superiore progettato% TS nel influente. Il disegno operato tra psicrofila superiore e inferiore gamma mesofilo della temperatura, dalla sua progettazione funzionamento mesofili. L'andamento tecnico del progetto in termini di produzione di biogas e il tasso di produzione è stata inferiore al previsto e l'efficienza energetica è stato solo il recupero del 20% .Il basso prestazioni tecniche del disegno potrebbe essere correlato alla scarsa miscelazione del contenuto del digestore e basse temperature. Pertanto, ottimizzazione del progetto potrebbe essere basata sul miglioramento miscelazione e / o temperature del digestore operativo. Il processo di digestione e disegni di digestivo per applicazioni in DC presenta i seguenti: (i) tipo limitato di biomassa come influente. (ii) un limite% TS dell'affluente con un elevato contenuto di acqua (fino al 90% del volume del digestore) imposto dai disegni che portano a costi elevati di installazione e bassa produttività (iii) i sistemi operano a temperature inferiori ottimali. Un design alternativo operato DAD e basata sul principio base lisciviazione con l'integrazione di una casa verde di influenzare la temperatura di esercizio del digestore è stata sperimentata. L'obiettivo è stato quello di caratterizzare per applicazioni in corrente continua. Co-digestore di una varietà di residui di biomassa ampiamente disponibili in DC sono stati digeriti dal disegno con una buona stabilità di processo; temperature di funzionamento sono stati stabilizzati a 25 ° C; il tempo SRT e HRT erano rispettivamente 139 e 10 giorni. Produttività era 1,52m3 / kgVS al giorno e contenuto di metano del biogas era 63,5% v / v in media. L'uso del concetto Green House potrebbe essere integrato nel funzionamento dei digestori comuni SSA. Sebbene il disegno dimostrato idoneità per applicazioni in corrente continua, sfide alimentazione del digestore causa della configurazione di ingresso e la ri-caricamento del digestore ogni 3-4 mesi richiesti ulteriori indagini. Povero miscelazione è stato identificato come uno dei parametri che hanno contribuito al basso rendimento del progetto nepalese GGC2047 nel contesto rurale Camerun. È stato adottato l'approccio numerico con l'applicazione di tecniche CFD utilizzando il software OpenFOAM per indagare la miscelazione nel disegno digestore. Attraverso l'analisi qualitativa e quantitativa di una configurazione di ingresso che ha prodotto migliore miscelazione del contenuto digestore è stato individuato tra 8 configurazioni candidati. Una campagna sperimentale è stata condotta in Camerun per convalidare l'impatto della configurazione di ingresso modifica la produzione di biogas. Alle stesse condizioni operative essenziali, digestore con l'entrata modificato prodotto circa il 18% di biogas al giorno rispetto al disegno originale. Così la modifica engineering dell'ingresso migliore miscelazione del contenuto digestore. I risultati di questa tesi sono stati capitalizzati in una strategia di accesso energetica globale a tre stadi per migliorare l'accesso ai servizi energetici moderni in DC. Queste fasi e le azioni principali sono state: • Modificato rurale procedura pianificazione energetica. Questa fase consiste di sette passi, tuttavia, le fasi principali sono: la valutazione delle risorse locali, hanno bisogno di un documento d'identità e delle priorità e locali di pianificazione soluzione risorse-necessità. • Tecnologia strategia di selezione. Fasi principali sono: analisi della tecnologia di conversione di energia, l'identificazione delle alternative e l'attuazione di un sistema di supporto decisionale. • Tecnologia processo di ottimizzazione. Passaggi principali sono: indagini di laboratorio di prestazioni della tecnologia in un contesto, ottimizzazione laboratorio della progettazione della tecnologia, la convalida campo del design migliorato. Questa ricerca ha raggiunto gli obiettivi prefissati, in particolare: • Una procedura di pianificazione energia rurale modificato è stato proposto e applicato nel contesto di una zona rurale; risultati hanno dimostrato una migliore PES e FEC. • Il design nepalese GGC2047 è stato selezionato come un design appropriato per il contesto del Camerun attraverso l'applicazione del sistema di supporto decisionale AHP. • miscelazione e la temperatura del digestore sono stati identificati come parametri locali che hanno condizionato l'andamento del progetto nepalese GGC2047 nel contesto del Camerun. • Le prestazioni di questo disegno è stato ottimizzato attraverso una configurazione di ingresso modificato che migliorato la miscelazione del contenuto del digestore. • Inoltre, un approccio globale a 3 stadi per migliorare l'accesso all'energia nelle zone rurali della DC è stato proposto.

Improving access to modern energy services in rural areas of developing countries. Towards a comprehensive acess strategy

JEROME NDAM, MUNGWE

Abstract

This thesis was realized as part of the research activities of the UNESCO Chair in Energy for Sustainable Development, Department of Energy. The thesis addressed the issue of energy access in DC with focus on the development of a “comprehensive energy access strategy” to improve access to modern energy services, especially energy for cooking. The context within which this issue was addressed is households in rural areas of SSA. The situation of access to modern energy services may be more challenging in SSA where little has been done on sustainable rural energy planning, coupled with the reality that 80% of the population, of which 75% live in rural areas, still rely on the traditional use of biomass. The production of modern energy carriers, such as electricity, Natural Gas, LPG and other petroleum products, which could be used to ameliorate the energy situation of rural areas in DC are available in a few countries and are often far away from the consumers requiring dedicated infrastructure and well-functioning service chain. There is a growing trend towards the production of energy carriers closer to consumption centers both in developed and developing countries. Furthermore, it has been identified that in developing countries, especially rural areas, the use of distributed renewable sources is a primary tool for increasing energy access towards targets set in the recently adopted Sustainable Development Goals (SDG). With regards to the above context, improving access to modern energy services, especially for cooking in rural households in DC, cannot be resolved through individual technology dissemination or fuel switching in isolated energy projects or programs as it is the existing practice. A comprehensive energy access strategy is envisaged in order to intensify research, development and dissemination of small scale technologies to improve access to modern energy services. Increasing access to energy in DC may entails innovative business models, increase investment, policies and a comprehensive access strategy etc. This thesis contribute to the development of a comprehensive access strategy which comprise of a more sustainable rural energy planning, selection and optimization of appropriate small scale sustainable energy technologies, such as biogas technology, to increase the energy carrier alternatives within the rural energy supply package. A review of rural energy planning revealed that most rural energy planning procedure often lack systematic data set and do not quantify energy consumptions to level required at the modelling stage of the procedure. Furthermore, most of the planning procedures do not consider the sustainability of rural energy systems. A sustainable rural energy system should integrate the theme of sustainable energization (SE). The Nissing et al six-step procedure integrated SE theme and could provide systematic data and quantify energy consumptions to levels required for modelling. However, it did not take into account the existing rural energy supply system, and its 4-steps ESSN model did not allow for a flexible and more cost-effective way to identify appropriate end-use devices to meet the energy services demanded. Thus, it did not resolve the issue of technology stacking. Furthermore, it is yet to be applied within the rural context, especially in SSA. Small scale technologies, such as biogas technology, could be a more sustainable solution to the issue of improving access to modern fuels in rural areas of SSA. However, a selection strategy, research and development of such small scale technologies within the intended application environment, especially in SSA, is required. Considering the above mentioned gaps identified in the literature, this thesis had as overall objective to contribute to the development of a comprehensive energy access strategy in DC, with a focus on access to clean energy for cooking in rural areas of SSA. The specific objectives of the thesis were: To propose a comprehensive procedure for the sustainable energization of rural areas of DC. To develop and apply a Decision Support Tool for the selection of an appropriate small scale technology to improve access to modern energy services in rural areas. To elaborate a procedure for the optimization of the performance of the selected technology within the local context. The general methodology adopted to achieve these objectives included: a review of the relevant literature in order to have a general understanding of issues discussed in the thesis. In the development of a more comprehensive sustainable rural energy planning procedure, desk study was used. This was followed by field case study to test the validity of the developed procedure. A decision support system was selected, elaborated and applied in the selection of an appropriate digester design for mass dissemination in rural context of Cameroon. Field experimentation of the selected technology at full-scale was used to investigate its performance within the application environment in order to identify parameters which led to the improvement of the technology. Numerical analysis was used in the laboratory investigations of different technology designs configuration during the optimization process. CFD techniques and the OpenFoam software was adopted to investigate design structure modifications to improve mixing in the Nepali GGC2047 digester design. Qualitative and quantitative analysis were used to discriminate for an improved inlet configuration from eight candidates which modified the engineering structure of the digester design. Further field experimentation were carried out to investigate the performance of the improved technology at full scale within the local context for subsequent dissemination. Furthermore, specific methods and tools were applied as appropriate at different stages of the development of the comprehensive energy access tool. The following results were achieved: The Nissing et al six-step planning procedure for a sustainable rural energy planning was adopted and modified in two ways: (i) it was extended to account for the existing energy situation in the planning procedure. Including this step allowed for the creation of a systematic database and quantification of energy consumptions to levels that permitted a more realistic energy system modelling (ii) energy drivers were integrated in the ESSN model. This allowed for a flexible and a more cost-effective way to identify appropriate end-use devices to meet the energy services demanded and thus resolved the issue of “technology stacking” at the level of households. Furthermore, the validity of the modified procedure was demonstrated in a rural context through a case study in Cameroon. The results showed an improved, reliable, affordable and diversified PES based on local energy resources, a 85% increase in FC by the rural community and a 50% improvement in energy efficiency. Alternative and more sustainable energy sources, such as biogas, hydropower and solar featured in the new energy mix of the community. Some of these sources, especially biogas could be exploited as a modern energy carrier to improve access to modern energy carriers for cooking at the level of rural households. The Analytic Hierarchical Process (AHP) was elaborated and applied in the selection of an appropriate technology. The selection of an appropriate biogas digester design for dissemination in Cameroon as used to demonstrate the application of the selection strategy. Technical, economic, social and environmental criteria were used together with appropriate sustainable indicators according to the approach of EISD. Amongst the five identified candidate digesters, the Nepali GGC2047 design emerged as the appropriate design for the context of Cameroon. Field experimentation was carried out on a full scale unit of the Nepali GGC2047 digester installed and operated within the local socio-economic and environmental context of a rural village in Cameroon. Two crucial issues affected the performance of the design within the local context, namely: water scarcity, which led to the digester being operated at 16%TS which was higher than the designed 10 %TS concentration in the influent. The average operating temperature inside the digester was 26 °C, which was below the 30-35°C optimal range for mesophilic digestion. The digester design operated between upper psychrophilic and lower mesophilic range of temperature, away from its design mesophilic operation. The technical performance of the design in terms of biogas production rate and productivity were 0.16 m3biogas/m3digester per day and 0.18 m3biogas/kgVS respectively. These values were lower than the expected values of 0.34 m3biogas/m3digester per day and 0.25 m3/kgVS respectively. Also the energy recovery efficiency was only 20%. This low technical performance of the design could be related to poor mixing of the digester content and low temperatures. This thesis focused on improving mixing of the digester content in order to optimize the technical performance of the design within the context. Laboratory investigations were carried out on eight candidate inlet configurations which were suspected to improve mixing of the digester content. Numerical analysis with the application of CFD techniques and the OpenFoam software were used in the analysis. The results were evaluated qualitatively in terms of velocity field flows and quantitatively in terms of the volume integral of the tracer in the digester volume. The funnel-shaped inlet configuration which opens into the digester seemed to improve mixing of the slurry in the digester. The effect of this inlet configuration on the performance of the digester was further investigated through a field experimentation. A field experimentation to validate the effect of the modified inlet configuration on the performance of the selected Nepali GGC2047 design was carried out in Cameroon. The hypothesis investigated was: H0 : μ_m≤μ_c i.e. modified digester is not better than the control H1 : μ_m>μ_c i.e. modified digester is better than the control After a first experimentation carried out between August 2015 and January 2016 it was realized that the modified inlet was poorly produced due to insufficient local technology and know-how. An improved version of the modified inlet was produced and installed. A second experimentation was carried out between January and September 2016. The modified digester and the control digester in both experimentation were operated under the same essential operating conditions. During the first experimentation, the mean biogas production from the modified digester was 159.10 litres with a standard deviation of 98.76 while the control digester had a mean production of 267.88 litres with a standard deviation of 171.00. A t-test of the hypothesis produced a p value of 3E-05. During the second experimentation, the mean biogas production from the modified digester was 239.67 litres with a standard deviation of 134 while the control digester had a mean production of 296.83 litres with a standard deviation of 67. A t-test of the hypothesis produced a p value of 0.005. The two versions of the modified inlet produced statistically significant results which demonstrate that the modification seem to improved mixing of the digester content. The second version produced better results than the first. This demonstrate that, translating, high-tech laboratory results into locally produced technology was a challenge. This is often the case in DC, especially SSA, where technological development was still in the embryo stages. Thus optimization of small scale technology to improve access to energy in the context of DC would require coupling laboratory analysis with local capacity building in manufacturing know-how. An alternative design operated on DAD and based on the leaching bed principle with the integration of a Green House to influence digester operating temperature was investigated. The objective was to characterize it for application in DC. The operational volume of this experimental digester was 2.6 m3. Co-digester of a variety of biomass residues widely available in DC were digested by the design with a good process stability; operating temperatures were stabilized at about 28 °C; the SRT and HRT time were 139 and 10 days respectively. The design operated in three phases within what was termed a cycle. These phases were start-up, stable and saturation phases. A cycle lasted 3-4 months, after which the digester had to be re-loaded. The average biogas production was 1.0 m3/day; the production rate was 0.36 m3biogas/m3digester per day and average methane content of the biogas was 63.5 %volume/volume which were comparable to the 0.34 – 0.7 m3biogas/m3digester per day and 55 – 65 % volume/volume ranges respectively reported for digesters commonly disseminated in DC. The use of the Green House concept improved on the thermal performance of the digester. It may be concluded from this investigations that the design demonstrated suitability for application in DC, however challenges in feeding the digester due to the inlet configuration and the re-loading of the digester every 3-4 months required further investigations. The overall results of the activities of this thesis were consolidated into a three-stage strategy to improve energy access in rural areas of DC. This strategy was named “Towards a comprehensive energy access strategy for DC” The stages in this strategy are described herein below. An improved rural energy planning procedure: This stage consisted of seven steps, namely: (i) integration of the goals of sustainable energization into the decision making process,(ii) assessment of the existing energy balance situation of the target rural community,(iii) identification and prioritization of the energy services demanded according to energy drivers,(iv) local resource assessment with focus on renewable energy sources, (v) design of an integrated renewable energy system, (vi) set up of energy services supply network and (vii) control and adaptation of the energy services supply network. Technology selection strategy: The steps in this stage are: analysis of the energy conversion technology, identification of the appropriate alternatives and implementation of a decision support system for the selection of an appropriate design for a particular context. Technology optimization process: The steps in this stage are: identification of local performance parameters of the selected technology, laboratory investigations to improve local performance of the technology and, full scale field validation of the improved technology design. Conclusion The challenge to access to modern energy services for cooking in DC could be better approached through the integration of the concept of sustainable energization (SE) within a comprehensive energy access strategy. This study fulfilled the set specific objectives, namely: An improved rural energy planning procedure was developed and applied in the context of a rural area; the results demonstrated a decrease PES, an improved FC and energy efficiency. The AHP decision support system was elaborated and applied in the selection of an appropriate small scale technology to improve energy access in rural areas of DC. The Nepali GGC2047 design was selected as an appropriate small scale biogas digester design to improve access to clean fuel for cooking in the context of Cameroon. A framework for a procedure for the optimization of small scale technology was developed. This procedure consisted of three steps, namely: field investigation of the technology at full scale to identify critical parameters which could be researched to improve the performance of the technology; laboratory investigations to improve the technology based on the identified critical local context parameters, and full scale field validation of the improved technology. The outcomes of this thesis were consolidated into a three-stage energy access strategy named “Towards a comprehensive energy access strategy for DC”. This outcome makes a great contribution to the search for a comprehensive energy access strategy in order to intensify research, development and dissemination of small scale technologies to improve access to modern energy services, especially rural areas, as highlighted in the REN21 Global Status Report 2016.
BOTTANI, CARLO ENRICO
INZOLI, FABIO
20-ott-2016
Questa tesi è stata realizzata nell'ambito delle attività di ricerca della Cattedra UNESCO di Energia per lo Sviluppo Sostenibile, Dipartimento di Energia. La tesi ha affrontato due questioni principali, ovvero: l’accesso all’energia nei Paesi in via di sviluppo (PVS) ed una strategia comprensiva per migliorare l’accesso a servizi energetici moderni, in particolare dedicati alla cottura di cibi. Il contesto all’interno del quale tali questioni sono state affrontate è quello delle famiglie delle zone rurali dell’Africa Sub-Sahariana (ASS). La situazione relativa all’accesso a servizi energetici moderni può essere più difficile in ASS dove poco o nulla è stato fatto in materia di pianificazione energetica rurale; inoltre, l'80% della popolazione – di cui il 75% vive in zone rurali – si basa ancora su un uso tradizionale della biomassa. La produzione di vettori energetici moderni – quali l’elettricità, il gas naturale, l’LPG ed altri prodotti petroliferi –, che potrebbero essere usati per migliorare la situazione energetica delle aree rurali nei PVS, è presente solo in pochi Paesi e spesso a grande distanza dai consumatori, poiché sarebbero necessarie infrastrutture dedicate ed una efficiente catena di distribuzione. C’è pertanto una tendenza crescente verso la produzione di vettori energetici più prossimi ai centri di consumo, sia nei Paesi sviluppati che in quelli in via di sviluppo. È stato inoltre stato rilevato come nei PVS, e soprattutto nelle aree rurali, l’utilizzo di risorse rinnovabili distribuite sia uno strumento primario per l’incremento dell’accesso all’energia, in un’ottica di raggiungimento dei Sustainable Development Goals (SDG) recentemente adottati. Nel contesto di cui sopra, l'accesso a servizi energetici moderni per cucinare, non può essere risolto semplicemente tramite la disseminazione di singole tecnologie o la sostituzione del combustibile in progetti o programmi isolati, come si fa attualmente. Una strategia comprensiva di accesso all’energia è necessaria al fine di intensificare la ricerca, lo sviluppo e la disseminazione di tecnologie di piccola taglia volte al miglioramento dell’accesso a servizi energetici moderni. Migliorare l’accesso all’energia nei PVS potrebbe determinare l’affermazione di modelli di business innovativi, un aumento degli investimenti, lo sviluppo di politiche specifiche, ecc. Questa tesi contribuisce allo sviluppo di una strategia comprensiva per l’accesso all’energia, che comprende una pianificazione rurale più sostenibile e la selezione e l’ottimizzazione di tecnologie di piccola taglia appropriate – come il biogas – per incrementare il ventaglio di alternative per la scelta di vettori energetici in ambito rurale. Una revisione delle strategie di pianificazione energetica rurale ha rivelato che la maggior parte della pianificazione è spesso carente di banche dati sistematiche e non quantifica il consumo di energia al livello di dettaglio richiesto per una modellazione realistica. Inoltre, la maggior parte delle procedure di pianificazione non considera la sostenibilità dei sistemi energetici rurali. Un sistema energetico rurale sostenibile dovrebbe contemplare il concetto di “sustainable energisation” (SE). La procedura di Nissing et al. a sei-step includeva il concetto di SE ed era in grado di fornire banche dati sistematiche e di quantificare i livelli di consumo con un grado di dettaglio adeguato. Tuttavia, non prendeva in considerazione il sistema di approvvigionamento energetico rurale già esistente, e il suo modello ESSN a quattro-step non garantiva un modo flessibile ed economico per identificare strumenti d’uso-finale adeguati al soddisfacimento della domanda energetica. Pertanto, non forniva soluzioni al problema del “technology stacking”. Inoltre, non è ancora stato applicato ad un contesto rurale, specialmente in ASS. Tecnologie di piccola taglia, come il biogas, potrebbero rappresentare una soluzione più sostenibile al problema dell'accesso a combustibili moderni nelle zone rurali dell’ASS. Tuttavia, è necessaria una strategia per la selezione, la ricerca e lo sviluppo di tali tecnologie all’interno del contesto di applicazione specifico, soprattutto in ASS. Considerando le mancanze sopracitate identificate nella letteratura, questa tesi si è posta l’obiettivo generale di contribuire allo sviluppo di una strategia comprensiva per l’accesso all’energia nei PVS, con una particolare attenzione per l’accesso ad energie pulite per la cottura di cibi nelle aree rurali dell’ASS. Gli obiettivi specifici di questa dissertazione sono stati: proporre una procedura comprensiva per l’energizzazione sostenibile delle aree rurali dei PVS; sviluppare ed applicare un Decision Support Tool per la selezione di tecnologie di piccola taglia appropriate per migliorare l’accesso a servizi energetici moderni nelle aree rurali; elaborare una procedura per l’ottimizzazione delle prestazioni della tecnologia selezionata, all’interno del contesto locale. La metodologia generale adottata per raggiungere questi obiettivi ha incluso: una revisione della letteratura finalizzata ad una comprensione generale dei problemi discussi nella tesi. Un “desk study” utilizzato per lo sviluppo di una procedura comprensiva di pianificazione energetica rurale sostenibile. A seguire, un caso di studio sul campo finalizzato a testare la validità della procedura sviluppata. L’elaborazione di un “Decision Support System” applicato poi nella selezione di un design appropriato per un digestore da disseminare su larga scala nelle aree rurali del Camerun. La sperimentazione sul campo della tecnologia prescelta, usata per valutare le sue prestazioni all’interno del contesto di applicazione e per identificare eventuali parametri da ottimizzare. L’analisi numerica è stata utilizzata in studi di laboratorio relativi a differenti configurazioni tecnologiche, nel corso del processo di ottimizzazine. Tecniche CFD e il software OpenFoam sono stati adottati per valutare modifiche strutturali al design tecnologico, in particolare per migliorare il miscelamento del digestore Nepali GGC2047. Analisi qualitative e quantitative sono state usate per selezionare fra otto opzioni la miglior configurazione di “inlet” del digestore, che è andata a modificare la struttura ingegneristica dello stesso. Ulteriori studi sul campo sono stati effettuati per valutare le prestazioni della tecnologia migliorata all’interno del contesto locale per una successiva disseminazione. Inoltre, metodi e strumenti specifici sono stati applicati nei vari stadi del processo di sviluppo dello strumento comprensivo per l’accesso energetico. Sono stati raggiunti i seguenti risultati: La procedura di pianificazione Nissing et al. a sei-step per lo sviluppo energetico rurale sostenibile è stata adottata e modificata in due modi: (i) è stata estesa per tenere conto della situazione energetica esistente nella procedura di pianificazione. L'inclusione di questa fase ha permesso la creazione di una banca dati sistematica e la quantificazione dei consumi energetici a livelli che hanno permesso una modellazione più realistica del sistema energetico. (ii) Sono stati integrati nel modello ESSN dei driver energetici. Questo ha permesso un modo più flessibile e conveniente per identificare opportuni dispositivi di uso-finale per soddisfare i servizi energetici richiesti, e ha permesso di risolvere il problema del “technology stacking" a livello delle famiglie. Inoltre, la procedura modificata è stata applicata in un contesto rurale attraverso un caso di studio in Camerun. I risultati hanno dimostrato una migliore, affidabile e diversificata PES sulla base di risorse energetiche locali, un aumento dell’85% nel FC da parte della comunità rurale, e un miglioramento del 50% nell’efficienza energetica. Fonti energetiche alternative e più sostenibili, come il biogas, l’idroelettrico e il solare, sono state incluse nel mix energetico della comunità. Alcune di queste fonti, soprattutto il biogas, potrebbero essere sfruttare come vettori energetici moderni per migliorare l’accesso all’energia per la cottura di cibi a livello di famiglie rurali. Il processo gerarchico analitico (AHP) è stato applicato per la selezione di una tecnologia appropriata. La selezione di un digestore a biogas appropriato per la diffusione in Camerun ha consentito una successiva validazione sperimentale della tecnologia. Criteri tecnici, economici, sociali e ambientali sono stati utilizzati insieme ad indicatori di sostenibilità appropriati, secondo l'approccio degli EISD. Tra i cinque candidati individuati, vale a dire: Il design Nepali GGC2047 è emerso come il design appropriato per il contesto del Camerun. Sperimentazione sul campo è stata condotta su un prototipo in scala del digestore nepalese GGC2047 installato in un villaggio rurale del Camerun, gestito nel contesto socio-economico e ambientale locale. Due problemi principali hanno influenzato le prestazioni della soluzione nel contesto locale: la scarsità d’acqua, che ha fatto sì che il digestore operasse al 16% della TS che è più alta della TS di progettazione pari al 10%. La temperatura operativa dentro il digestore era di 26°C, al di sotto del range ottimale 30-35°C per la digestione mesofilica. Il digestore operava quindi in un range di temperatura tra il psicrofilico e mesofilico, al di fuori del range mesofilico ottimale. In termini di tasso di produzione di biogas, la produttività è stata di 0.16 m3biogas/m3digester al giorno e 0.18 m3biogas/kgVS. Questi valori sono risultati più bassi di quelli attesi di 0.34 m3biogas/m3digester al giorno e 0.25 m3/kgVS. Anche l’efficienza di ricovero è stata di soli 20%. Queste basse prestazioni sono da attribuirsi allo scarso miscelamento della miscela e alle basse temperature. Questa tesi si è focalizzata sul miglioramento della fase di miscelamento del contenuto nel digestore in modo da ottimizzarne le performance tecniche nel contesto operativo. Indagini di laboratorio sono state condotte su 8 configurazioni e tipologie di “inlet” nel digestore, sospette di poter migliorare il miscelamento interno. Sono state impiegate l’analisi numerica con applicazione CFD e software OpenFoam. I risultati sono stati valutati qualitativamente in termini di flusso di velocità e di volume integrale del liquido tracciante nel volume del digestore. La configurazione di ingresso a “funnel” è sembrata migliorare il miscelamento della fanghiglia nel digestore. L’effetto di questa configurazione sulle performance del digestore è stata investigata ulteriormente tramite sperimentazione sul campo. La sperimentazione sul campo per validare l’effetto della nuova configurazione del tubo di ingresso sulle performance del modello Nepalese GGC2047 è stata condotta in Camerun. L’ipotesi investigata è stata: H0 : μ_m≤μ_c i.e. il digestore modificato non è migliore di quello base H1 : μ_m>μ_c i.e. il digestore modificato è migliore di quello base Dopo una prima fase di sperimentazione condotta tra agosto 2015 e gennaio 2016, si è realizzato che l’ingresso “modificato” è stato prodotto non correttamente a causa di tecnologia inadeguata e scarse conoscenze tecniche. Una versione migliorata è stata dunque prodotta e installata nuovamente. Una seconda campagna sperimentale è stata condotta tra gennaio e settembre 2016. Il digestore modificato e quello base sono stati testati alle stesse condizioni operative. Durante la prima fase di prove, la media della produzione di biogas è stata di 159.10 litri con deviazione standard pari a98,76 , il digestore base ha rivelato una produzione di 267.88 litri con una deviazione standard di 171,00 . Un’analisi t-test al 95% di confidenza dell’ipotesi ha generato un p-value di 3E-05. Durante la seconda fase sperimentale, la media della produzione di biogas è stata di 239.67 litri con una deviazione standard di 67, mentre il digestore base ha rivelato una produzione di 296.83 litri con deviazione standard di 134. Un’analisi t-test dell’ipotesi al 95% di confidenza ha generato un p-value di 0.005. I risultati dei test statistici hanno verificato che è possibile rifiutare l’ipotesi nulla, e che quindi non è possibile affermare che il digestore modificato non sia migliore di quello base. La seconda versione ha prodotto risultati migliori del primo. Questo dimostra che riprodurre localmente tecnologie costruite in laboratorio è stata una sfida. Questo è un caso frequente nei PVS, specialmente in Africa sub-Sahariana, dove lo sviluppo tecnologico è ancora in fase embrionale. Quindi l’ottimizzazione di tecnologie di piccola taglia per garantire accesso all’energia nei paesi in via di sviluppo deve considerare sia un’analisi di laboratorio che tenga in conto le capacità locali in termini di manifattura. È stato investigato un design alternativo basato sul principio “leaching bed” tramite integrazione di una serra per aumentare la temperatura operativa nel digestore. L’obiettivo era quello di caratterizzare tale modello per eventuali applicazioni nei PVS. Il volume del digestore era di 2.6 m3. Una grande varietà di biomassa residua largamente disponibile nei PVS è stata digerita dal modello con grande stabilità di processo; le temperature operative si sono stabilizzare a circa 28°C; il tempo di SRT e HRT sono stati rispettivamente di 139 e 10 giorni. La produzione media di biogas è stata di 1.0 m3/giorno, il tasso di produzione di 0.36 m3biogas/m3digester al giorno e la produttività di 1.52 m3/kgVS al giorno. Il contenuto medio di metano è stato valutato circa pari a 0.34 – 0.7 m3biogas/m3digester al giorno e la qualità di gas tra 55 – 65 % volume / volume riportato per i digestori comunemente distribuiti nei PVS. L’uso del concetto di serra ha migliorato le performance termiche del digestore. Da questa analisi si può concludere che il design ha dimostrato di essere idoneo per applicazione nei PVS, nonostante le difficoltà derivanti dall’alimentazione del digestore, a causa della configurazione del tubo di ingresso, e dal carico di materia da digerire ogni 3-4 mesi richiedano ulteriori indagini. I risultati generali delle attività della tesi sono stati consolidati all’interno di una strategia a 3 fasi per migliorare l’accesso all’energia nelle aree rurali dei PVS, nominata “Verso una strategia per un completo accesso”. Le fasi della strategia sono qui descritti: Una procedura completa per la pianificazione energetica rurale: questa ha considerato 7 ulteriori steps, ovvero: (i) integrazione degli obiettivi sostenibili di energizzazione all’interno del processo decisionale, (ii) valutazione della situazione energetica delle comunità rurali, (iii) identificazione e assegnazione delle priorità dei servizi energetici domandati in accordo con i vettori energetici, (iv) valutazione delle risorse energetiche locali con attenzione verso le risorse rinnovabili, (v) progetto di un sistema energetico integrato, (vi) configurazione di una rete di approvvigionamento di servizi energetici e (vii) controllo e adattamento di tale rete di approvvigionamento di servizi energetici. Strategia di selezione della tecnologia: gli steps in questa fase sono: analisi delle tecnologie di conversione energetica, identificazione di appropriate alternative e implementazione di un sistema di supporto decisionale per la selezione di un modello appropriato dato un contesto specifico. Processo di ottimizzazione tecnologica: gli steps in questa fase sono: identificazione dei parametri di performance della tecnologia selezionata, campagna sperimentale per migliorare le performance locali della tecnologia e, validazione sul campo della tecnologia migliorata in scala. Conclusione La sfida per garantire accesso ai moderni servizi energetici per la cottura nei PVS dovrebbe essere approcciata in maniera più appropriata tramite integrazione del concetto di energizzazione sostenibile (SE) in strategie più comprensive per garantire accesso all’energia. Questo studio ha raggiunto gli obiettivi specifici che si è prefissato inizialmente, ovvero: una procedura di pianificazione energetica comprensiva è stata sviluppata e applicata in contesti rurali; i risultati hanno dimostrato una diminuzione di PES, un FC migliorato ed efficienza migliore; è stato elaborato un sistema di supporto decisionale basato sul metodo AHP e applicato per la selezione di una tecnologia di piccola scala per migliorare l’accesso all’energia nelle zone rurali dei PVS. Il modello di bio-digestore Nepali GGC2047 è stato selezionato per migliorare l’accesso ai combustibili puliti per la cottura nel contesto camerunense. è stata sviluppata una struttura procedurale per l’ottimizzazione di una tecnologia di piccola taglia. Questa procedura consiste in 3 fasi, ovvero: ricerca sul campo della tecnologia in scala per identificare i parametri critici da investigare per migliorare le performance della tecnologia; valutazioni di laboratorio per migliorare la tecnologia basata sull’identificazione dei parametri critici dovuti al contesto, la validazione delle miglior performance della tecnologia migliorata. I risultati di questa tesi sono stati consolidati in una strategia a tre fasi chiamata “Verso una strategia comprensiva per garantire accesso all’energia nei PVS”. Questo risultato ha fornito un grande contributo alla ricerca in corso sui metodi per garantire accesso all’energia, con lo scopo di intensificare la ricerca, sviluppo e disseminazione di tecnologie su piccola scala per migliorare l’accesso ai servizi energetici moderni, specialmente nelle aree rurali, come sottolineato nel REN21 Global Status Report 2016. L'obiettivo era quello di identificare i parametri fondamentali che influenzano le sue prestazioni tecniche. Co-digestione di una varietà di feedstock disponibili locale era fattibile nel disegno. Tuttavia, la scarsità d'acqua ha portato al digestore essere operato ad un superiore progettato% TS nel influente. Il disegno operato tra psicrofila superiore e inferiore gamma mesofilo della temperatura, dalla sua progettazione funzionamento mesofili. L'andamento tecnico del progetto in termini di produzione di biogas e il tasso di produzione è stata inferiore al previsto e l'efficienza energetica è stato solo il recupero del 20% .Il basso prestazioni tecniche del disegno potrebbe essere correlato alla scarsa miscelazione del contenuto del digestore e basse temperature. Pertanto, ottimizzazione del progetto potrebbe essere basata sul miglioramento miscelazione e / o temperature del digestore operativo. Il processo di digestione e disegni di digestivo per applicazioni in DC presenta i seguenti: (i) tipo limitato di biomassa come influente. (ii) un limite% TS dell'affluente con un elevato contenuto di acqua (fino al 90% del volume del digestore) imposto dai disegni che portano a costi elevati di installazione e bassa produttività (iii) i sistemi operano a temperature inferiori ottimali. Un design alternativo operato DAD e basata sul principio base lisciviazione con l'integrazione di una casa verde di influenzare la temperatura di esercizio del digestore è stata sperimentata. L'obiettivo è stato quello di caratterizzare per applicazioni in corrente continua. Co-digestore di una varietà di residui di biomassa ampiamente disponibili in DC sono stati digeriti dal disegno con una buona stabilità di processo; temperature di funzionamento sono stati stabilizzati a 25 ° C; il tempo SRT e HRT erano rispettivamente 139 e 10 giorni. Produttività era 1,52m3 / kgVS al giorno e contenuto di metano del biogas era 63,5% v / v in media. L'uso del concetto Green House potrebbe essere integrato nel funzionamento dei digestori comuni SSA. Sebbene il disegno dimostrato idoneità per applicazioni in corrente continua, sfide alimentazione del digestore causa della configurazione di ingresso e la ri-caricamento del digestore ogni 3-4 mesi richiesti ulteriori indagini. Povero miscelazione è stato identificato come uno dei parametri che hanno contribuito al basso rendimento del progetto nepalese GGC2047 nel contesto rurale Camerun. È stato adottato l'approccio numerico con l'applicazione di tecniche CFD utilizzando il software OpenFOAM per indagare la miscelazione nel disegno digestore. Attraverso l'analisi qualitativa e quantitativa di una configurazione di ingresso che ha prodotto migliore miscelazione del contenuto digestore è stato individuato tra 8 configurazioni candidati. Una campagna sperimentale è stata condotta in Camerun per convalidare l'impatto della configurazione di ingresso modifica la produzione di biogas. Alle stesse condizioni operative essenziali, digestore con l'entrata modificato prodotto circa il 18% di biogas al giorno rispetto al disegno originale. Così la modifica engineering dell'ingresso migliore miscelazione del contenuto digestore. I risultati di questa tesi sono stati capitalizzati in una strategia di accesso energetica globale a tre stadi per migliorare l'accesso ai servizi energetici moderni in DC. Queste fasi e le azioni principali sono state: • Modificato rurale procedura pianificazione energetica. Questa fase consiste di sette passi, tuttavia, le fasi principali sono: la valutazione delle risorse locali, hanno bisogno di un documento d'identità e delle priorità e locali di pianificazione soluzione risorse-necessità. • Tecnologia strategia di selezione. Fasi principali sono: analisi della tecnologia di conversione di energia, l'identificazione delle alternative e l'attuazione di un sistema di supporto decisionale. • Tecnologia processo di ottimizzazione. Passaggi principali sono: indagini di laboratorio di prestazioni della tecnologia in un contesto, ottimizzazione laboratorio della progettazione della tecnologia, la convalida campo del design migliorato. Questa ricerca ha raggiunto gli obiettivi prefissati, in particolare: • Una procedura di pianificazione energia rurale modificato è stato proposto e applicato nel contesto di una zona rurale; risultati hanno dimostrato una migliore PES e FEC. • Il design nepalese GGC2047 è stato selezionato come un design appropriato per il contesto del Camerun attraverso l'applicazione del sistema di supporto decisionale AHP. • miscelazione e la temperatura del digestore sono stati identificati come parametri locali che hanno condizionato l'andamento del progetto nepalese GGC2047 nel contesto del Camerun. • Le prestazioni di questo disegno è stato ottimizzato attraverso una configurazione di ingresso modificato che migliorato la miscelazione del contenuto del digestore. • Inoltre, un approccio globale a 3 stadi per migliorare l'accesso all'energia nelle zone rurali della DC è stato proposto.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/126021