Optimizing distribution network design and assessing deep connection costs for hybrid mini-grids in rural electrification: a case study in Mozambique

Universal access to sustainable and affordable electricity is one of the core objectives of the Agenda 2030; however, it is still limited for a large share of the global population residing in developing countries, especially in rural areas of Sub-Saharan Africa. Hybrid mini-grids are considered by many an optimal solution to the problem of last-mile electrification. The diffusion of these energy systems is however hindered by the risky nature of the related business, characterized by long payback periods and high capital investments. Studies and analyses show that a significant share of the capital costs of mini-grid projects are attributable to the deep connection costs, which consider both the distribution line and user connection and metering. Despite their relevance, those costs are often overlooked or poorly represented by models and tools for mini-grid systems optimization. This gap is addressed in this thesis by proposing a model for the evaluation of distribution and metering costs and the design of the distribution network, added as a new feature in the MicroGridsPy optimization tool. The module has been developed in Python and makes use of a heuristic algorithm to carry out the optimal routing of the electrical grid, formulated as a minimum Spanning Tree Problem. Three options, based on different graph weighting functions, are available, progressively adding spatial and energetic considerations by including GIS data and information on users' consumption, to make the design more realistic. For the evaluation of the connection costs, two separate functions are utilized, one for the distribution line and one for the users' metering. The new feature has been tested in the case study of the village of M’Paka, in Mozambique, where a hybrid microgrid has been designed. Deep connection costs have been found to be a major expense, making up for more than half of the investment costs for the system.

L’accesso ad un’energia elettrica sostenibile ed economicamente accessibile per tutti è uno degli obiettivi principali dell’Agenda 2030; tuttavia esso è ancora limitato per una vasta porzione della popolazione mondiale residente nei Paesi in via di sviluppo, in particolare in zone rurali dell’Africa Sub-Sahariana. Molti considerano le minireti ibride come una soluzione ottimale al problema dell’elettrificazione last-mile. La diffusione di questi sistemi energetici è tuttavia ostacolata dalla natura rischiosa del loro mercato, caratterizzato da lunghi periodi di payback e da ingenti investimenti di capitale. Studi ed analisi dimostrano che una porzione significativa dei costi di investimento per i progetti di minireti sono attribuibili ai costi di connessione, che considerano sia l’infrastruttura per la distribuzione e l’allaccio degli utenti, sia il metering. Nonostante la loro rilevanza, questi costi sono spesso ignorati o rappresentati con scarsa precisione nei modelli e nei tool per l’ottimizzazione delle minireti. Questa lacuna viene affrontata nella presente tesi proponendo un modello per la stima dei costi di distribuzione e connessione e per il design della rete di distribuzione, aggiunto come nuova feature al tool di ottimizzazione MicroGrdisPy. Il modulo è stato scritto in Python ed utilizza un algoritmo di tipo euristico per risolvere l’ottimizzazione del design della rete elettrica, formulata come un problema di Minimum Spanning Tree. Sono disponibili tre opzioni per il routing della rete elettrica, basate su tre diverse funzioni per l’assegnazione dei pesi al grafo, cui vengono progressivamente aggiunte delle considerazioni di tipo spaziale ed energetico, basate su dati GIS e su informazioni circa il consumo elettrico, al fine di rendere il design più realistico. Per la valutazione dei costi di connessione sono utilizzate due funzioni distinte, una per la linea di distribuzione ed una per il metering degli utenti. La nuova feature è stata testata sul caso studio del villaggio di M’Paka, in Mozambico, per il quale è stata dimensionata una minirete ibrida. I costi di connessione sono risultati essere una spesa particolarmente ingente, andando a costituire più della metà dei costi di investimento per il sistema.