Minigrid energy system modeling : a flexible open source tool from off-grid energy access to grid-connected systems

Access to reliable and sustainable electricity is still hindered for a large share of global population living in rural areas of developing countries, especially in sub-Saharan Africa. Hybrid minigrids are considered a convenient solution for the electrification of dispersed communities with high latent demand. Hybrid minigrid sizing must be based however on an accurate estimation of renewable energy sources potential and rural community load profile. Furthermore, appropriate minigrid design must foresee an eventual national grid extension and allow the integration with the centralised energy system, in order to enhance service reliability for the consumers and increase the investment profitability. These aspects are addressed in the present thesis providing MicroGridsPy open-source optimization tool with three extensions. The first is the modeling of solar PV and wind turbine energy production relying on resource data by NASA POWER platform. The second is the generation of archetypical load profiles used for the calculation of rural community demand. Lastly, the development of a grid outage model and the definition of new constraints and variables for the optimization problem with grid-connected minigrids. The extended MicroGridsPy tool is then applied to the real case study of a hybrid minigrid in the village of Rutenderi, in Rwanda.

L'accesso a energia elettrica affidabile e sostenibile è ancora ostacolato per gran parte della popolazione mondiale che vive in zone rurali di paesi in via di sviluppo, in particolare in Africa sub-Sahariana. Le minireti ibride sono considerate una soluzione adatta all'elettrificazione di comunità rurali disperse con un'alta domanda latente. Il dimensionamento delle minireti ibride tuttavia dev'essere fondato su una stima accurata delle fonti di energia rinnovabile e del profilo di domanda della comunità. Il corretto dimensionamento della minirete deve inoltre prevedere un'eventuale estensione della rete elettrica nazionale e permettere l'integrazione con il sistema energetico centralizzato, in modo da accrescere l'affidabilità del servizio per gli utenti e aumentare la redditività dell'investimento. Tali aspetti sono affrontati in questa tesi fornendo al tool di ottimizzazione open-source MicroGridsPy tre ampliamenti. Il primo è la modellizzazione della produzione energetica da solare fotovoltaico e turbine eoliche basandosi su dati delle risorse derivati dalla piattaforma NASA POWER. Il secondo è la generazione di profili di carico archetipici usati per il calcolo della domanda della comunità rurale. In ultimo, lo sviluppo di un modello di guasto della rete elettrica e la definizione di nuovi vincoli e variabili per il problema di ottimizzazione per minireti connesse alla rete. Il tool MicroGridsPy esteso è quindi applicato al caso studio reale di una minirete ibrida nel villaggio di Rutenderi, in Ruanda.