Evaluation of investment options in microgrids developed for rural application in Nigeria

The present work aims to investigate the techno-economic feasibility of isolated microgrids, serving power to previously unelectrified communities, located in rural areas of developing countries. In the first part of the thesis, it is provided a detailed overview of the main characteristics related to microgrids and other options for rural electrification. In the second part, the work is based on the analysis of a rural electrification project in Nigeria. Despite of a large abundance of renewable and conventional energy resources, this country suffers of extremely low electrification rate. Starting from a database listing unelectrified villages, provided by “Rural Electrification Agency”, it has been randomly chosen a location where perform the analysis. The analysis regards the evaluation of an investment consisting in installing an isolated microgrid serving power to the village selected. The study is performed taking the point of view of a hypothetic private investor. The economic results are estimated also in light of the current state on Nigerian regulatory framework related to microgrid and rural electrification projects. The analysis foresees the comparison among three different configurations for power production and two possible cases regarding the typology of electricity demand present in the village. The three configurations explored are: Solar microgrid (photovoltaic plant plus energy storage systems), microgrid relying entirely on diesel generators and a hybrid microgrid (mixing PV power generation with diesel generators and storage systems). Thus, it is studied which configurations can guarantee the lowest power generation costs. Costs of electricity are compared through LCOE and NPC. Additionally, it is examined the impact on economic results of two potential assumptions for the electric load of the village. The first scenario implies the only presence of householders as electricity users of the microgrid. Conversely, in the second scenario of load, it is assumed that are connected to the microgrid also productive load (small rural firms). These users, consuming electricity during the day, enhance load factor of the systems. The simulations of the different cases analysed are performed through HOMER Pro software, which is largely employed in similar assessment found in literature. This software provides the optimal mix, among microgrid components, capable of meet the load at the lowest cost, in function of the imposed values of technologies costs and performances. HOMER results are further developed, through fixing a potential electricity tariff for microgrid users. In this way, it is possible to estimate economic outcome of the projects (NPV, PBT and IRR). Finally, on these indicators, it is performed a sensitivity analysis based on different assumptions regarding future costs that will be sustained during project outline.

Lo scopo di questo lavoro è svolgere un’analisi tecnico-economica relativa a microreti elettriche isolate. Le microreti prese in considerazione forniscono elettricità a villaggi, precedentemente non elettrificati, situati in aree rurali di paesi in via di sviluppo. Nella prima parte dello studio, l’obiettivo è di fornire una descrizione completa delle caratteristiche principali relativa a microreti ed altre opzioni per l’elettrificazione rurale. Nella seconda parte la tesi converge sull’analisi di una microrete operante nelle aree rurali della Nigeria. Questo paese soffre di tassi di elettrificazione medi molto bassi, nonostante abbia un grande potenziale per quanto riguarda le fonti energetiche rinnovabili e convenzionali. Il punto di partenza dell’analisi è un database sviluppato dall’ agenzia per l’elettrificazione rurale, nel quale sono elencate le località identificate come elegibili per progetti di elettrificazione basati su microreti. Da questo è stato selezionato casualmente un villaggio. L’analisi consiste nella valutazione di un investimento in una microrete adibita a fornire elettricità al villaggio selezionato. Lo studio è condotto dal punto di vista di un ipotetico investitore privato interessato a portare avanti tale progetto di elettrificazione. I risultati sono basati anche sulla revisione del quadro normativo nigeriano relativo a progetti di elettrificazione rurale. Lo studio prevede il confronto tra tre configurazioni alternative per produrre elettricità all’interno della microrete: microrete basata su produzione fotovoltaica e sistemi di stoccaggio di energia, microrete producente elettricità tramite generatori a diesel ed infine un sistema ibrido (basato sulla combinazione di produzione fotovoltaica e fossile). Lo scopo del confronto è stabilire quale configurazione garantisce i minori costi di generazione all’investitore. Questi sono confrontati utilizzando indicatori quali l’LCOE ed il NPC. Inoltre, è stato valutato l’impatto sui costi della tipologia di domanda presente nel villaggio. Per fare ciò sono stati comparati due possibili scenari attribuibili al consumo elettrico del villaggio. Nel primo scenario l’elettricità è consumata solamente da profili residenziali. Nel secondo scenario, invece, sono state aggiunte unità di consumo produttive (piccole aziende rurali), le quali contribuiscono ad aumentare il consumo medio del villaggio. Le simulazioni sono state eseguite tramite HOMER Pro, un software ampiamente utilizzato in studi simili raccolti revisionando la letteratura, il quale stabilisce la dimensione ottimale di ogni componente del sistema, tenendo conto delle assunzioni riguardanti il costo delle tecnologie e la domanda elettrica. I risultati del software sono stati successivamente sviluppati. Infatti, è stata fissata una tariffa applicabile agli utenti in modo da poter calcolare i risultati economici attesi dal progetto (VAN, TIR). Su questi indicatori è stata condotta un’analisi di sensitività, in modo da stabilire come i risultati possono variare modificando i costi futuri relativi ad alcune tecnologie.