The research work presented in this manuscript has the general goal of addressing the problem of energy access in rural areas of the Global South, proposing effective solutions that could foster the electrification process considering both on and off-grid technologies. More specifically, the present thesis aims to give a significant contribution to the literature models for rural electrification planning by creating a new open source and open access modeling framework, usable by different stakeholders, from university researchers, to Non Governmental Organization (NGO)s and private companies. A novel procedure, named Gisele (Geographic Information System (GIS) for Electrification) has been developed, coded and validated over the real-life case studies. The proposed approach is a comprehensive model, subdivided into four blocks, able to estimate the energy needs of an area, size the optimal generation portfolio for off-grid systems, identify the optimal electrification solution and design the distribution network. With respect to other literature tools its main strengths reside in the ability of including a detailed sizing of hybrid microgrid and routing of the distribution grid, the reliance on optimization algorithms for the optimal electrification solution identification and the integration of a multi-objective optimization including environmental and social dimensions. The procedure has been tested for designing the rural electrification plan in a area in Mozambique and Lesotho. In both cases, that differ in terms of load distribution and geographical characteristics it performed well being able to plan an electrification strategy considering both grid extension and off-grid systems.

Il lavoro di ricerca presentato in questo manoscritto ha l'obiettivo generale di affrontare il problema dell'accesso all'energia nelle aree rurali del Sud del mondo, proponendo soluzioni efficaci che potrebbero favorire il processo di elettrificazione considerando sia le tecnologie interconnesse alla rete che quelle isolate. In particolare, la presente tesi si propone di dare un contributo significativo ai modelli della letteratura per la pianificazione dell'elettrificazione rurale creando un nuovo framework di modellizzazione open source e open access, utilizzabile da diversi stakeholder, dai ricercatori universitari, dalle Organizzazioni Non Governative (ONG) e compagnie private. Una nuova procedura, denominata Gisele (Geographic Information System (GIS) for Electrification), è stata sviluppata, codificata e convalidata su casi di studio reali. L'approccio proposto è un modello completo, suddiviso in quattro blocchi, in grado di stimare il fabbisogno energetico di un'area, dimensionare il portafoglio di generazione ottimale per sistemi off-grid, identificare la soluzione ottimale di elettrificazione e progettare la rete di distribuzione. Rispetto ad altri strumenti della letteratura, i suoi principali punti di forza risiedono nella capacità di includere un dimensionamento dettagliato delle microgrid e il routing della rete di distribuzione, il ricorso ad algoritmi di ottimizzazione per l'identificazione della soluzione ottimale di elettrificazione e l'integrazione di un'ottimizzazione multi-obiettivo che considera anche la dimensione ambientale e sociale. La procedura è stata testata per la progettazione del piano di elettrificazione rurale in un'area del Mozambico e del Lesotho. In entrambi i casi, che differiscono per distribuzione della popolazione e caratteristiche geografiche, la procedura è risultata efficace nel pianificare una strategia di elettrificazione considerando sia l'estensione della rete che i sistemi off-grid.

Geospatial based methodology for rural electrification planning

Corigliano, Silvia
2021/2022

Abstract

The research work presented in this manuscript has the general goal of addressing the problem of energy access in rural areas of the Global South, proposing effective solutions that could foster the electrification process considering both on and off-grid technologies. More specifically, the present thesis aims to give a significant contribution to the literature models for rural electrification planning by creating a new open source and open access modeling framework, usable by different stakeholders, from university researchers, to Non Governmental Organization (NGO)s and private companies. A novel procedure, named Gisele (Geographic Information System (GIS) for Electrification) has been developed, coded and validated over the real-life case studies. The proposed approach is a comprehensive model, subdivided into four blocks, able to estimate the energy needs of an area, size the optimal generation portfolio for off-grid systems, identify the optimal electrification solution and design the distribution network. With respect to other literature tools its main strengths reside in the ability of including a detailed sizing of hybrid microgrid and routing of the distribution grid, the reliance on optimization algorithms for the optimal electrification solution identification and the integration of a multi-objective optimization including environmental and social dimensions. The procedure has been tested for designing the rural electrification plan in a area in Mozambique and Lesotho. In both cases, that differ in terms of load distribution and geographical characteristics it performed well being able to plan an electrification strategy considering both grid extension and off-grid systems.
MUSSETTA, MARCO
BERIZZI, ALBERTO
DIPARTIMENTO DI ENERGIA
34
2-mag-2022
Geospatial based methodology for rural electrification planning
Il lavoro di ricerca presentato in questo manoscritto ha l'obiettivo generale di affrontare il problema dell'accesso all'energia nelle aree rurali del Sud del mondo, proponendo soluzioni efficaci che potrebbero favorire il processo di elettrificazione considerando sia le tecnologie interconnesse alla rete che quelle isolate. In particolare, la presente tesi si propone di dare un contributo significativo ai modelli della letteratura per la pianificazione dell'elettrificazione rurale creando un nuovo framework di modellizzazione open source e open access, utilizzabile da diversi stakeholder, dai ricercatori universitari, dalle Organizzazioni Non Governative (ONG) e compagnie private. Una nuova procedura, denominata Gisele (Geographic Information System (GIS) for Electrification), è stata sviluppata, codificata e convalidata su casi di studio reali. L'approccio proposto è un modello completo, suddiviso in quattro blocchi, in grado di stimare il fabbisogno energetico di un'area, dimensionare il portafoglio di generazione ottimale per sistemi off-grid, identificare la soluzione ottimale di elettrificazione e progettare la rete di distribuzione. Rispetto ad altri strumenti della letteratura, i suoi principali punti di forza risiedono nella capacità di includere un dimensionamento dettagliato delle microgrid e il routing della rete di distribuzione, il ricorso ad algoritmi di ottimizzazione per l'identificazione della soluzione ottimale di elettrificazione e l'integrazione di un'ottimizzazione multi-obiettivo che considera anche la dimensione ambientale e sociale. La procedura è stata testata per la progettazione del piano di elettrificazione rurale in un'area del Mozambico e del Lesotho. In entrambi i casi, che differiscono per distribuzione della popolazione e caratteristiche geografiche, la procedura è risultata efficace nel pianificare una strategia di elettrificazione considerando sia l'estensione della rete che i sistemi off-grid.
elettrificazione rurale; pianificazione geospaziale; sistemi off-grid; ottimizzazione
rural electrification; geospatial planning; off-grid systems; optimization
eng
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