Multi-year capacity-expansion modelling of hybrid microgrids within a comprehensive design framework

Universal energy access is one of the 17 Sustainable Development Goals that the international community has pledged to achieve in the UN 2030 Agenda. Concerning communities located in rural and remote areas, hybrid microgrids represent a cost-effective solution for broadening access to electricity. However, the provision of energy services must be coupled with appropriate evaluation methodologies to capture the multi-dimensional characteristics of the problem. Following the outcomes of a microgrid project impact evaluation in a Chilean rural community, it is found that technical solutions must be matched with comprehensive interventions that take into account local economic growth. Nonetheless, currently available models for the sizing of rural microgrids present shortcomings in accounting for the evolution of the load demand over time, which is likely to occur in such contexts following electrification interventions. Drawing from these considerations, this thesis proposes a novel modelling approach to the technical design of hybrid microgrids, able to consider electricity demand evolution and to develop a capacity expansion strategy; this approach is complemented with the integration of potential income opportunities for local beneficiaries. The re-design of the above-mentioned Chilean project was developed as a case study: different load scenarios have been analysed to assess the improvements emerged from the application of the presented model with respect to a fixed-demand modelling approach. The findings show that accounting for a variable demand leads to a reduction in installed capacity and therefore capital cost; adopting a capacity expansion strategy has a further positive impact on O&M costs. The obtained savings allow for the implementation of selected income generating activities for local business development. Finally, a better exploitation of the capacity expansion approach is highlighted in the strong demand growth scenarios, which is a desirable result for rural electrification planning.

L'accesso globale all'energia è uno dei 17 obiettivi di sviluppo sostenibile che la comunità internazionale si è impegnata a raggiungere nell'Agenda 2030 delle Nazioni Unite. Per le comunità localizzate in aree rurali e remote, le minireti ibride rappresentano una soluzione economicamente vantaggiosa per espandere l'accesso all'elettricità. Tuttavia, la fornitura di sistemi energetici deve essere accompagnata da metodologie di valutazione adeguate a cogliere le caratteristiche multidimensionali del problema. Analizzando i risultati della valutazione d'impatto dell'installazione di una minirete in una comunità rurale cilena, si è riconosciuto che le soluzioni tecniche devono essere abbinate a strategie comprensive dello sviluppo dell'economia locale. I modelli attualmente disponibili per il dimensionamento di minireti in contesti rurali presentano delle limitazioni nell'analisi della crescita futura della domanda elettrica, che tipicamente avviene in queste aree come conseguenza dell'elettrificazione. Partendo da queste osservazioni, questo elaborato propone un approccio di modellizzazione innovativo per il dimensionamento di minireti ibride, in grado di considerare una proiezione della domanda elettrica e di sviluppare una strategia di espansione della capacità; l'approccio proposto è accompagnato dall'integrazione di possibili opportunità economiche per i beneficiari locali. Il progetto cileno menzionato in precedenza è stato riconcettualizzato e sviluppato come caso studio: sono stati analizzati diversi scenari di domanda al fine di valutare i miglioramenti derivati dall'applicazione del modello proposto rispetto a un approccio tradizionale a domanda costante. I risultati ottenuti mostrano che considerare una domanda variabile comporta la riduzione della capacità installata e, di conseguenza, del costo di investimento; l'espansione progressiva della capacità installata ha inoltre un impatto positivo sui costi operativi e di manutenzione. Il risparmio ottenuto permette l'implementazione di alcune attività generatrici di reddito, atte a sviluppare l'imprenditorialità locale. Infine, si evidenzia un miglior sfruttamento della strategia di espansione in scenari di forte crescita della domanda, il che si rivela essere un risultato vantaggioso relativamente all'elettrificazione di aree rurali.