Planning rural electrification with mini hydro-power systems in the Dudh Kosi basin (Nepal)

The link between energy access and development has long been known, to the point of becoming a central aspect of the 2030 Agenda for Sustainable Development. Especially in developing countries, great shares of rural areas are still lacking access to electricity due to the fact that the extension of the main grid is often a non economically viable option. In such a context, decentralized energy systems based of renewable energy are gaining increasing attention thanks to their ability of providing clean energy even in topographically complex regions. This thesis aims to provide an useful method for planning off-grid rural electrification with run-off-river mini-hydro and to assess its climate resilience. As a study area, the Dudh Kosi river basin (Nepal) was chosen due, to high water availability that characterize this region. For this purpose, a semi-distributed hydrological model was implemented and coupled with a hydroelectric module, used to analyse various possible electrification schemes; among them the optimal configuration was selected using an appropriate heuristic algorithm. In order to assess future climate conditions, temperature and precipitation projections as provided by three general circulation models (EC-EARTH, ECHAM6, CCSM4) for three climate scenarios (RCP 2.6, 4.5, 8.5), were properly downscaled with a statistical procedure. Subsequently, they were fed to the hydrological model to evaluate the potential impacts on the plants’ performances at mid (2041-2050) and end-century (2091-2100). The results show that mini-hydro is a very promising technology, able to satisfy the energy demand of 93% of the population with a cost comparable to the cost determined by the national grid. However, due to the lack of a storage system, for few days a year some plants are not able to provide all the energy required. This mismatch is exacerbated under future climate conditions, especially for scenarios characterized by high values of radiative forcing. The method developed proved to be general but effective tool to support the planning of rural electrification based on the hydro-electricity which can be easily scaled and applied to other contexts.

Il legame esistente tra accesso all’energia e sviluppo é noto da tempo, al punto tale da diventare un aspetto centrale dell’Agenda per lo Sviluppo Sostenibile del 2030. Specialmente nei paesi in via di sviluppo, gran parte delle aree rurali non sono ancora provviste di elettricità dato che spesso l’estensione della rete elettrica principale non risulta essere un’opzione economicamente fattibile. In questo contesto, i sistemi decentralizzati basati su energie rinnovabili stanno guadagnando una crescente considerazione, grazie alla loro capacità di fornire energia pulita anche in regioni topograficamente complesse. Questa tesi mira a fornire un metodo utile per pianificare l’elettrificazione rurale di tipo off-grid tramite il mini-idroelettrico ad acqua fluente e a valutarne la sua resilienza climatica. Come area di studio, il bacino himalayano del Dudh Koshi (Nepal) è stato scelto, a causa della grande disponibilità d’acqua che caratterizza la regione. A tale scopo, è stato im- plementato un modello idrologico semi-distribuito accoppiato con un modulo idroelettrico in grado di analizzare diversi possibili schemi di elettrificazione; tra di essi, la configurazione ottima è stata poi scelta tramite un appropriato algoritmo euristico. Per valutare le future condizioni climatiche, le proiezioni di temperatura e precipitazione fornite da tre modelli di circolazione globale (EC-Earth, ECHAM6, CCSM4) per tre scenari radiativi (RCP 2.6, 4.5, 8.5) sono state opportunamente corrette tramite una procedura di disaggregazione statistica. Successivamente, sono state fornite come input al modello idrologico per poter valutare i potenziali impatti sulle performance degli impianti dimensionati a metà (2041-2050) e fine secolo (2091-2100). I risultati mostrano che il mini-idroelettrico è una tecnologia molto promettente nel contesto studiato, capace di soddisfare la domanda energetica del 93% della popolazione con un costo medio comparabile a quello determinato dalla rete elettrica nazionale. Tuttavia, a causa della mancanza di un sistema di accumulo, per alcuni giorni all’anno alcuni impianti non risultano in grado di fornire tutta l’energia richiesta. In futuro, si prevede che tale mancata corrispondenza tra la produzione e la richiesta verrà esacerbata, specialmente in scenari caratterizzati da elevati valori di forzante radiativa. Il metodo sviluppato si è dimostrato essere uno strumento generale ma efficace nel supportare la pianificazione dell’elettrificazione rurale basata sulla tecnologia idroelettrica che può essere facilmente scalabile e applicabile ad altri contesti.