Village-scale energy system modelling: a battery degradation model applied to rural minigrids in the african context

A significant share of the global population residing in remote areas of developing countries continues to face obstacles in accessing sustainable and reliable electricity. Minigrids have emerged as a viable solution to address this issue. These systems rely heavily on the performance of each component, mainly renewable generation sources and energy storage solutions. Motivated by the need to improve the accuracy of village-scale energy system modelling, the intent of this work is to develop, validate and apply a battery model able to portray battery degradation with precision. Even though calendar and cycle battery aging can strongly impact the sizing and design of a minigrid, these aspects are often considered only partially in energy system models. The devised model consists of three interconnected sections to better capture the electrical, thermal and degradation aspects. Building on the results of the comprehensive model, a simplified version is then created with the aim of improving an existing open-source microgrid sizing tool. The model is applied to two different case studies in rural Africa, providing various insights on the consequences of battery degradation on minigrid sizing. The different scenarios analyzed make evident how the effects of different climate conditions, power generation sources and demand profiles can influence usage and sizing of energy storage systems. These factors are responsible for an increase in battery degradation, and therefore lead to an increase in levelized cost of electricity and net present cost ranging between 5% and 20%. The outcomes of this research contribute to the broader goal of enabling energy access in the context of rural and underdeveloped communities.

Una parte significativa della popolazione globale residente in aree remote dei paesi in via di sviluppo continua ad incontrare ostacoli nell'ottenere accesso a un'energia affidabile e sostenibile. Le minireti elettriche (minigrid) sono emerse recentemente come una soluzione in grado di affrontare questa problematica. L'efficacia di questi sistemi elettrici dipende dalle prestazioni di ciascun componente, con particolare riferimento alle fonti di energia rinnovabile e alle soluzioni di accumulo dell'energia. Vista la necessità di migliorare l'accuratezza dei sistemi di modellizzazione energetica nell’ambito degli insediamenti rurali, l'obiettivo di questa ricerca è quello di sviluppare, validare ed applicare un modello matematico in grado di rappresentare con precisione l’invecchiamento delle batterie. Sebbene il degrado dei sistemi di accumulo dovuto sia allo stoccaggio sia all’utilizzo possa influire in modo significativo sul dimensionamento e sul design di una minirete elettrica, questi aspetti vengono considerati solo parzialmente negli strumenti utilizzati per la modellizzazione dei sistemi energetici. Il modello ideato è composto da tre sezioni interconnesse per rappresentare accuratemente gli aspetti elettrici, termici e di degradazione delle batterie. Sulla base dei risultati del modello completo, viene quindi creata un versione semplificata con l'obiettivo di migliorare uno strumento open-source di dimensionamento di minireti esistente. Il modello è applicato a due diversi studi di caso in Africa rurale, fornendo varie informazioni sulle conseguenze della considerazione della degradazione delle batterie sul dimensionamento delle minireti elettriche. Le diverse situazioni analizzate evidenziano come gli effetti delle diverse condizioni climatiche, delle tecnologie di generazione di energia e dei profili di domanda elettrica possano influenzare l'utilizzo e la dimensione dei sistemi di accumulo dell'energia. Questi fattori sono responsabili di un aumento della degradazione delle batterie, e quindi di un aumento del costo dell'elettricità livellato e del costo attuale netto, che varia tra il 5% e il 20%. I risultati di questa ricerca contribuiscono all'obiettivo più ampio di garantire l'accesso all'energia nel contesto di comunità rurali e sottosviluppate.