Sizing and displacement of a stand-alone power generation system in Nosy Mitsio, Madagascar

Nosy Mitsio, in Northern Madagascar, is a rural island, extremely poor in monetary terms, but rich in natural resources and opportunities. In this context, as part of the Alta Scuola Politecnica curriculum, the ENVAO multidisciplinary project was born, with the objective of designing a sustainable electrification strategy for the village of Ampanitsoha. This thesis work is the technical study supporting the implementation of the “Light Trail” proposal, which consists in the creation of stand-alone energy systems that are shared among clusters of buildings. The sizing and displacement of these generation points, along with the establishment of “energy neighbours”, is the focus of the present work. A deep knowledge of the village territory is the starting point for the development of such strategy. Therefore, this study starts with the creation of a map of the island’s landcover on OpenStreetMap, a collaborative world mapping database. Then, on the basis of housing and forests displacement, multiple electrification scenarios, using photovoltaic panels, are generated. Two methodologies are employed for this purpose. Following the first approach, eight scenarios are produced, each providing a different nominal installed capacity to a variable number of energy generation points. The connection of each point to its served facilities is chosen randomly. The second approach, instead, subdivides the village into pre-established energy neighbours, chosen according to the social structures already existing within the community. The energy systems are then sized by means of the MicroGrids Py model, a linear programming tool. An evaluation of the capital costs, for each scenario, highlights that the implementation of the one generated with the second approach allows for significant economic savings, as well as lower environmental and social impacts. Findings from this study suggest that electrification projects in rural contexts cannot disregard the framework in which the solution has to be established. Customization of the system features, according, for instance, to the pre-existing social and environmental elements, is imperative to increase the overall sustainability of the proposed solution.

Nosy Mitsio, nel Nord del Madagascar, è un’isola rurale, estremamente povera in termini monetari, ma ricca di risorse naturali ed opportunità. In questo contesto nasce il progetto multidisciplinare ENVAO, come parte integrante del curriculum dell’Alta Scuola Politecnica. Il suo obiettivo è la creazione di una strategia sostenibile di elettrificazione per il villaggio di Ampanitsoha. Questo lavoro di tesi è uno studio tecnico a supporto dell’implementazione della proposta nota come “Light Trail”. Essa consiste nella creazione di un sistema energetico stand-alone, condiviso da un gruppo di edifici. Il dimensionamento e la dislocazione dei suddetti punti di generazione dell’energia, insieme alla creazione di “quartieri energetici”, è al centro del presente studio. Al fine di sviluppare tale strategia, è necessario possedere una conoscenza approfondita del territorio del villaggio. Pertanto, il primo lavoro svolto da questo studio consiste nella mappatura della copertura di suolo dell’isola mediante OpenStreetMap, una banca dati cartografica globale e collaborativa. Successivamente, sulla base del posizionamento degli edifici e delle aree vegetate, vengono generati diversi scenari di elettrificazione, basati sull’uso di pannelli fotovoltaici. Per questo scopo, vengono utilizzate due metodologie. Il primo approccio consiste nella creazione di otto scenari, ognuno dei quali fornisce una diversa capacità nominale a un numero variabile di punti di generazione dell’energia. Le connessioni elettriche tra ogni punto e gli edifici serviti sono scelte in maniera casuale. Il secondo approccio, invece, è basato sulla suddivisione del villaggio in quartieri energetici prestabiliti, definiti sulla base della struttura sociale della comunità. I sistemi energetici vengono poi dimensionati mediante il modello di programmazione lineare MicroGrids Py. La valutazione del costo capitale di ogni scenario evidenzia come l’implementazione della strategia generata con il secondo approccio permetta dei risparmi economici significativi, uniti ad un minor impatto ambientale e sociale. I risultati di questo studio mostrano come i progetti di elettrificazione, in contesti rurali, non possano prescindere dal contesto in cui vengono realizzati. Le caratteristiche del sistema vanno adattate agli elementi sociali ed ambientali preesistenti, in modo tale da aumentare, complessivamente, la sostenibilità della soluzione proposta.