Planning of rural electrification with mini-hydro-power systems in the Cimitarra basin (Colombia)

On the 25th September 2015 the 2030 Agenda for Sustainable Development was adopted by 193 world leaders, the Sustainable Development Goal (SDG) 7.1 aimed to ensure universal access to affordable, reliable and modern energy services by 2030. The world still remains off-track in its effort to achieve SDG 7.1, even if in 2018 the number of people without electricity access fell below 1 billion for the first time ever. In rural areas the access rate is just 75% as the isolated and scattered distribution of rural communities makes grid extension a non-economically viable option. In this context, distributed generation systems based on renewable energy reveal themselves as promising solutions to this challenging task. The thesis aims to provide a useful method for planning off-grid rural electrification with run-off-river mini-hydro for the Cimitarra river basin (Colombia). The geographical area was chosen since it has been already object of study of a specific project of Ingegneria Senza Frontiere together with l’Asociacion Campesina del Valle del Rio Cimitarra. The starting point was represented the Master Thesis of Mattia Manara, a colleague who developed the implementation of the algorithm for the Dudh Kosi river basin (Nepal). A semi-distributed hydrological model was implemented and coupled with a hydroelectric module, used to design various possible electrification schemes. The results show that mini-hydro is a very promising technology, able to satisfy the energy demand of more than 85% of the population without reaching exceeding costs. However, due to the lack of a storage systems, for few days a year some plants are not able to provide all the energy required. The model proved to be an effective tool to support the planning of rural electrification based on the hydro-electricity and the results could be further improved through the development of hybrid micro-grid.

Il 25 Settembre 2015 193 Nazioni hanno adottato la nuova Agenda per lo Sviluppo Sostenibile del 2030; l’obiettivo (SDG) 7.1 si prefiggeva come scopo quello di assicurare entro il 2030 l’accesso a livello globale ad un servizio di energia elettrica sostenibile, affidabile e moderno. Tuttavia, si rimane ancora distanti da questo obiettivo, anche se nel 2018 si è raggiunto un traguardo importante: per la prima volta nella storia, il numero di persone prive di accesso al servizio di energia elettrica è sceso sotto il miliardo. Le maggiori difficoltà si incontrano nelle regioni rurali, dove la distribuzione dei villaggi è molto sparsa e per questo motivo in molti casi non è economicamente sostenibile la connessione diretta alla rete elettrica, il che si traduce in una copertura media del 75%. In questo contesto la generazione distribuita basata su fonti rinnovabili rappresenta senza subbio una valida alternativa per il raggiungimento dell’obiettivo preposto. Questa tesi mira a fornire un metodo utile per pianificare l’elettrificazione rurale di tipo off-grid tramite il mini-idroelettrico ad acqua fluente nel contesto colombiano del bacino del fiume Cimitarra. La scelta del sito geografico deriva da uno progetto realizzato da Ingegneria Senza Frontiere in collaborazione con l’Asociacion Campesina del Valle del Rio Cimitarra. Il punto di partenza per questa analisi è stato il lavoro di tesi specialistica del mio collega Mattia Manara, che ha precedentemente studiato la problematica calata nel contesto himalayano del bacino Dudh Kosi. Il modello si presenta come modello idrologico semi-distribuito accoppiato con un modulo idroelettrico in grado di valutare diversi possibili schemi di micro-grid. I risultati confermano il potenziale delle soluzioni di mini-idroelettrico, in grado di garantire fino al’85% di copertura dei bisogni energetici mantenendo un costo dell’energia competitivo. Tuttavia, data l’assenza di sistema di accumulo nelle reti elettriche più performanti, in alcuni giorni dell’anno gli impianti non saranno in grado di evadere la richiesta di energia. Il modello risulta essere uno strumento risolutivo efficace e di potenziale supporto per la pianificazione dell’elettrificazione rurale basata su tecnologia idroelettrica. Inoltre, si possono individuare dei punti di miglioramento per ulteriori sviluppi che potrebbero essere indagati tramite la pianificazione di reti ibride e non più dipendenti dalla sola risorsa idrica.