Integrating agricultural uses of water in geospatial electrification planning. The case study of Kenya

This work investigates the impacts that electricity demand characterization has on the optimal electrification strategy of a country, applied to the case study of Kenya. In particular, the evaluation of the electricity uses is pursued through a Bottom-Up approach, combining Geospatial Information Systems and high-resolution data, in order to define spatially detailed demand values. The demand analysis includes three residential electricity consumption scenarios defined to fully electrify the sector by 2030. In addition, the electricity required to switch the entire agricultural sector of the country to pumped irrigation is integrated in the analysis, evaluating the crop water requirement needed to maximize the yield of the rainfed croplands and the groundwater and surface water availability, through agronomical relations and geospatial information. Healthcare and education facilities are also considered in the analysis. A Geospatial Electrification Model is adopted to determine the least-cost electrification strategy for Kenya, evaluating the impacts that agriculture, social sectors and different residential electricity demand combinations have on the technology selection, required investments and related policy implications. The most critical parameters and additional electricity demand targets are analysed in the final sensitivity analysis. The obtained results show that a strong correlation occurs between how the electric energy demand side is defined and the selection of the optimal electricity supply technology. Increasing the residential demand, the overall LCOE is reduced and the more capital intensive technologies, as mini-grids and grid extension, are favoured, with a reduction of the stand-alone systems contribution. Nevertheless, all the technologies are determinant for the electrification process. Including agricultural and social sectors, which are the starting point for the improvement of the socio-economic conditions, instead, does not have relevant impacts, requiring limited additional interventions and investments.

Questo lavoro valuta come una diversa caratterizzazione della domanda di energia elettrica impatta sulla strategia di elettrificazione ottimale di un Paese, applicato al caso studio del Kenya. In particolare, la valutazione degli usi energetici è stata realizzata utilizzando un approccio Bottom-Up, combinando Geospatial Infomation Systems e i dati ad alta risoluzione, con la finalità di definire localmente i valori di domanda di energia elettrica. L’analisi della domanda include tre scenari di consumi domestici, definiti per poter elettrificare completamente questo settore entro il 2030. Nell’analisi è stata integrata anche la domanda per il pompaggio dell’acqua per usi irrigui nel settore agricolo, andando a valutare il requisito idrico per ogni specie coltivata, necessaria a massimizzare la resa dei terreni agricoli privi di sistemi di irrigazione, ed è stata valutata la disponibilità di acqua in falda e nei bacini di superficie, utilizzando relazioni agronomiche e informazioni geospaziali. Anche le strutture sanitarie e quelle scolastiche sono state incluse nell’analisi. Un modello di elettrificazione geospaziale è stato adottato per determinare la strategia di elettrificazione al minimo costo, per lo stato del Kenya, valutando gli impatti che agricoltura, settori sociali e diverse combinazioni di domanda domestica hanno sulla selezione delle tecnologie, sugli investimenti necessari e sulle relative implicazioni politiche. I parametri più critici e valori superiori di domanda sono stati analizzati nella finale analisi di sensibilità. I risultati ottenuti mostrano che esiste una forte correlazione tra il modo in cui la domanda di energia elettrica viene definita e la selezione della tecnologia ottimale. Aumentando la domanda residenziale, il LCOE generale si riduce e le tecnologie con i costi di investimento maggiori sono favorite, come le minireti e l’estensione della rete, con una diminuzione del contributo delle soluzioni isolate. Ciononostante, tutte le tecnologie sono determinanti per il raggiungimento del totale processo di elettrificazione. Includere i settori agricoli e sociali, che sono il punto di partenza per il miglioramento delle condizioni socio-economiche, al contrario, non ha impatti rilevanti; essi infatti richiedono interventi e investimenti aggiuntivi limitati.