Enhancing a systematic approach to off-grid energy planning: lesson learned from field practices

Currently, almost one in ten people worldwide lacks access to electricity, a phenomenon that predominantly affects rural areas in Sub-Saharan Africa. In this context, mini-grids emerge as a promising solution, capable of delivering a positive medium to long-term impact compared to their relatively short implementation times. This study examines the main electrification strategies, focusing on the mini-grid model and the challenges in estimating project costs, for which a detailed cost structure was derived from the experience gained within Equatorial Power, a company that implements mini-grids in several Sub-Saharan African countries. This cost structure is compared with existing models in the literature, revealing a significant gap in the consideration of costs related to the distribution network and last-mile connections. Optimisation models for mini-grid sizing do not allow for the endogenous derivation of these costs or completely overlook them, resulting in an underestimation of the required capital, which can be as high as 50%. Furthermore, there is a lack of adequate tools for calculating the length of the distribution network, a key parameter for accurately estimating distribution costs. In response to these gaps, a methodology is proposed within the Comprehensive Energy Solution Planning (CESP) theoretical framework, which enables the definition of a robust cost function for energy solutions. CESP1 is enhanced with the Boundary Definition, useful for managing the number of connections as a project variable, while CESP3 integrates a phase dedicated to the design of the distribution network. In CESP3, a simulation tool was introduced, essential for deriving the system's operational costs. To support the network design, a tool was created to calculate the length of the low-voltage network, based on a heuristic process and the application of graph theory through a Minimum Spanning Tree problem. The methodology was applied to a case study in a peri-urban area of the Democratic Republic of Congo, considering two connection scenarios and calculating the overall costs of energy solutions that minimise the LCOE. The results show that the LCOE is above 0.6 $/kWh, with a tariff exceeding the affordability criteria set by the Multi-Tier Framework. This result, although not specific to the case study, is representative of mini-grid electrification projects and underscores the need for subsidies and financing to ensure the economic sustainability and affordability of such energy solutions.

Ad oggi, circa una persona su dieci nel mondo non ha accesso all’elettricità, un fenomeno che colpisce principalmente le aree rurali dei paesi dell’Africa Sub-Sahariana. In questo contesto, le mini-grids emergono come una soluzione promettente, in grado di garantire un impatto positivo nel medio-lungo periodo, a fronte di tempi di realizzazione contenuti. Questo studio analizza le principali strategie di elettrificazione, concentrandosi sul modello delle mini-grids e sulle sfide nella stima dei costi di progetto, per cui una struttura dettagliata è stata ricavata dall’esperienza in Equatorial Power, un’azienda che implementa mini-grids in vari paesi dell’Africa Sub-Sahariana. La struttura dei costi è confrontata con modelli esistenti in letteratura, evidenziando la mancanza di considerazione per i costi di distribuzione e connessione last-mile, che non vengono adeguatamente derivati o sono trascurati nei modelli di ottimizzazione, con una sottostima del costo capitale fino al 50%. Inoltre, si evidenzia la mancanza di uno strumento per il calcolo della lunghezza della rete di distribuzione, un parametro fondamentale per stimare i costi di distribuzione. In risposta a queste lacune, viene proposta una metodologia inserita nel quadro teorico del Comprehensive Energy Solution Planning (CESP), che consente di definire una funzione di costo robusta per le soluzioni energetiche. Al CESP1 è stata aggiunta la Boundary Definition, utile per gestire il numero di connessioni come una variabile progettuale, mentre al CESP3 è stata integrata una fase per la progettazione della rete di distribuzione e uno strumento di simulazione del dispaccio elettrico per calcolare i costi operativi. A supporto della progettazione della rete di distribuzione, è stato creato uno strumento per il calcolo della lunghezza della rete di bassa tensione, basato su un processo euristico e sull’applicazione della teoria dei grafi attraverso un problema di Minimum Spanning Tree. La metodologia è stata applicata a un caso studio in una zona peri-urbana della Repubblica Democratica del Congo, considerando due scenari di connessione e calcolando i costi complessivi delle soluzioni energetiche che minimizzano l’LCOE. I risultati mostrano che l’LCOE si colloca sopra 0.6 $/kWh, con una tariffa superiore ai criteri di accessibilità economica stabiliti dal Multi-Tier Framework. Questo risultato, sebbene non specifico al caso studio, è rappresentativo dei progetti di elettrificazione tramite mini-grid e sottolinea la necessità di sussidi e finanziamenti per garantire la sostenibilità e l’accessibilità economica di tali soluzioni energetiche.