Techno-economic feasibility analysis of renewable, Diesel, and hybrid generation systems for off-grid rural electrification in Ghana

The aim of the present thesis is to evaluate the techno economic feasibility of seven different configurations of power generation systems for addressing the electrical needs of two off-grid villages that are located in different climatic zones in Ghana. One is located in the upper east part of Ghana called Bagurugu and the other is located in the eastern part of the Ghana called Nteso. The employed configurations in this study consists of standalone units and hybrid combinations of solar (PV) panels, wind turbines, diesel generators and batteries. These scenarios are simulated using the HOMER software and are compared considering the commonly recognized economic performance indicators (COE and total NPC) alongside emission rates of pollutant as the environmental criteria. The outcome of the study shows that use of hybrid systems is more economical and environmental friendly than stand-alone use of those sources in a long term perspective. Hybrid PV and diesel configuration is specifically determined to be the most promising choice for the first case study (Bagurugu), while hybrid PV, wind, and diesel scenario is found to be the most suitable choice for the second one (Nteso). For the case of Bagurugu, the COE of the hybrid configuration is shown to be 63% less than only diesel configuration. The COE of the hybrid configuration of wind, solar and diesel system, that is chosen for Nteso, is also demonstrated to be 4.7% less than the only diesel system. In addition, a study is conducted to investigate the impacts of variation of prices of diesel and solar panels on the net present cost and COE of the hybrid system. The corresponding results demonstrate that the expected increase in the diesel price along with the estimated reduction in the cost of PV panels lead to a decrement of 18.8% in the determined COE of the system in the period of 2019 till 2029.

Lo scopo della presente tesi è valutare la fattibilità tecno-economica di sette diverse configurazioni del sistema di generazione di energia per soddisfare le esigenze elettriche di due villaggi off-grid situati in diverse zone climatiche del Ghana. Uno si trova nella parte superiore orientale del Ghana chiamata Bagurugu e l'altro si trova nella parte orientale del Ghana chiamata Nteso. Le configurazioni utilizzate in questo studio sono costituite da unità autonome e combinazioni ibride di pannelli solari (PV), turbine eoliche, generatori diesel e batterie. Questi scenari sono simulati utilizzando il software HOMER e vengono confrontati considerando gli indicatori di performance economica comunemente riconosciuti (COE e NPC totale) insieme ai tassi di emissione di inquinanti come criteri ambientali. Il risultato dello studio mostra che l'uso di sistemi ibridi è più economico e rispettoso dell'ambiente rispetto all'uso autonomo di tali fonti in una prospettiva a lungo termine. La configurazione ibrida di fotovoltaico e diesel è specificatamente determinata per essere la scelta più promettente per il primo caso di studio (Bagurugu), mentre lo scenario ibrido di fotovoltaico, eolico e diesel risulta essere la scelta più adatta per il secondo (Nteso). Nel caso di Bagurugu, il COE della configurazione ibrida risulta inferiore del 63% rispetto alla sola configurazione diesel. Il COE della configurazione ibrida del sistema eolico, solare e diesel, che è stato scelto per Nteso, ha anche dimostrato di essere il 4,7% in meno rispetto al solo sistema diesel. Inoltre, viene condotto uno studio per studiare gli impatti della variazione dei prezzi del diesel e dei pannelli solari sul costo attuale netto e sul COE del sistema ibrido. I risultati corrispondenti dimostrano che l'aumento atteso del prezzo del diesel insieme alla riduzione stimata del costo dei pannelli fotovoltaici porta a un decremento del 18,8% nel COE determinato del sistema nel periodo 2019 fino al 2029.