Development of rural load archetypes based on energy sufficiency for improved off-grid energy planning in Bolivia

The Sustainable Development Goals (SDG 7) aim to achieve universal access to reliable, affordable, and modern energy services by 2030. However, around 770 million people worldwide still lack access to electricity, with the majority residing in rural areas of developing countries. Energy System Modelling (EMS) has been effective in developing customized off-grid solutions and integrating them into larger electrification plans for efficient and effective distribution. However, the scientific community has long focused on constructing highly detailed supply energy system models and neglected to adequately characterize demand, which represents a fundamental exogenous input for these models. This led to unreliable demand estimations and improper sizing, resulting in unsustainable energy systems over time. On this premises, the aim of this research study is to develop a methodology that can provide a preliminary estimate of the electrical demand for non-electrified rural communities to support the formulation of cost-effective electrification strategies. The methodology is applied to small rural communities in Bolivia. The initial part of the work focused on understanding the importance of an accurate electrical demand characterization, which must be linked to communities' unique energy needs and contexts, to guarantee a sustainable development. The electrical demand characterization of rural Bolivian communities started with the re-conceptualization of the energy sufficiency concept. This approach recognizes the inter-linkage between energy and all aspects of community life, including education, health, and social participation. It is tailored to the unique socio-economic factors of rural areas in developing countries and establishes a minimum level of energy services required to ensure dignified living conditions, enabling continuous economic and social development. The second part of this work focused on load estimation of un-electrified rural communities using settlement specific socio-economic factors and integrating them into energy modelling. This was done through a top-down approach, which creates load demand archetypes, designed to reproduce un-electrified rural communities, based on three main drivers: altitude, poverty level, and community size. The resulting community archetypes are valid at the national level and provide a comprehensive understanding of how different combinations of these three primary drivers impact electrical demand. The proposed archetypes also offer an approach to modelling a community's complete structure, incorporating residential, community services, and IGAs sectors. The residential sector modelling and archetype creation methodology were validated using real data on monthly electrical consumption from across Bolivia, improving the accuracy and reliability of the methodology. Lastly, by applying our top-down methodology to three case studies, we have proved its major impact in determining the optimal sizing of hybrid mini-grid systems. In conclusion, this study has established the pressing need to focus on characterizing electrical demand and its pertinence in Bolivian rural areas. Our approach has highlighted the importance of accurately assessing load demand for effectively modelling energy system solutions, which can lead to cost savings, improved energy strategies, and increased sustainability of the assessed systems.

Raggiungere l'accesso universale a servizi energetici affidabili, convenienti e moderni entro il 2030 è uno dei 17 Obiettivi di Sviluppo Sostenibile delle Nazioni Unite. Tuttavia, circa 770 milioni di persone nel mondo sono ancora prive di accesso all'elettricità, la maggioranza delle quali risiede nelle aree rurali di paesi in via di sviluppo. Nel corso degli ultimi decenni, la modellizzazione di sistemi energetici si è dimostrata uno strumento chiave per lo sviluppo di soluzioni decentralizzate, per la loro integrazione in piani di elettrificazione più ampi e per assicurarne una distribuzione efficiente ed efficace. La comunità scientifica si è concentrata a lungo sulla costruzione di modelli di sistemi energetici altamente dettagliati, ma ha trascurato di caratterizzare adeguatamente la domanda elettrica, che rappresenta un input fondamentale per questi modelli. Di conseguenza, molti di questi sistemi si sono rivelati insostenibili nel tempo a causa di stime di domanda non affidabili che hanno provocato dimensionamenti non ottimali. Su questa premessa, lo scopo di questo studio è sviluppare una metodologia in grado di fornire una stima preliminare della domanda elettrica per le comunità rurali non elettrificate, al fine di supportare la formulazione di strategie di elettrificazione. La metodologia è applicata a piccole comunità rurali in Bolivia. La parte iniziale del lavoro si è concentrata sulla comprensione dell'importanza di una caratterizzazione accurata della domanda elettrica, che deve essere collegata alle esigenze energetiche e contesti unici delle comunità, per garantirne uno sviluppo sostenibile. La caratterizzazione della domanda elettrica delle comunità rurali boliviane è iniziata con la ridefinizione del concetto di sufficienza energetica. Questo approccio riconosce l'interconnessione tra energia e tutti gli aspetti della vita comunitaria, inclusi l'istruzione, la salute e la partecipazione sociale. Tale concetto viene costruito al fine di adattarsi a fattori socioeconomici unici delle aree rurali dei paesi in via di sviluppo, stabilendo un livello minimo di servizi energetici necessari per garantire condizioni di vita dignitose e consentendo uno sviluppo economico e sociale continuo. La seconda parte di questo lavoro si è concentrata sulla stima della domanda elettrica delle comunità rurali, non ancora elettrificate, utilizzando fattori socioeconomici specifici delle zone rurali analizzate. Ciò è stato ottenuto attraverso un approccio top-down, che crea archetipi di domanda elettrica, progettati per riprodurre le comunità rurali non elettrificate, sulla base di tre fattori principali: altitudine, livello di povertà e dimensioni della comunità. Gli archetipi di comunità che ne derivano sono validi a livello nazionale e forniscono una comprensione completa di come le diverse combinazioni di questi tre fattori influenzino la domanda elettrica. Gli archetipi proposti offrono anche un approccio per modellare la struttura completa di una comunità, incorporando i settori residenziale, dei servizi alla comunità e delle attività produttive. La modellazione del settore residenziale e la metodologia di creazione degli archetipi sono state convalidate utilizzando dati reali sul consumo elettrico mensile di tutta la Bolivia, migliorando l'accuratezza e l'affidabilità della metodologia. Infine, applicando la metodologia top-down a tre casi di studio, ne abbiamo dimostrato l'impatto nel determinare il dimensionamento ottimale di sistemi mini-grid. In conclusione, questo studio ha stabilito l'urgente necessità di concentrarsi sulla caratterizzazione della domanda elettrica e sulla sua pertinenza nelle aree rurali boliviane. Il nostro approccio ha evidenziato l'importanza di valutare accuratamente la domanda di carico per modellare efficacemente sistemi energetici decentralizzati, che possono portare a risparmi sui costi, a migliori strategie energetiche e a una maggiore sostenibilità dei sistemi valutati.