Comprehensive energy solution planning for informal settlement electrification: focus on biogas

Providing reliable and sustainable energy is one of the most complex challenges in informal urban settlements, where poverty, inadequate infrastructure, insecure housing and fragmented governance make conventional electrification approaches ineffective. This thesis addresses this challenge by applying the Comprehensive Energy Solution Planning (CESP) framework to the case of Kingstone Village, within the Mukuru informal settlement in Nairobi, Kenya. Through fieldwork and energy modeling, different hybrid mini-grid scenarios were developed, combining solar PV, batteries and generators powered by diesel and biogas derived from human waste. Using the MicroGridsPy software, the study identified technically and economically feasible configurations that reflect real local constraints, such as space availability, resource limitations and household affordability. Beyond the technical dimension, the CESP approach integrates social inclusion and community participation. The proposed business model establishes a local energy cooperative responsible for managing both the mini-grid and the compressed biogas distribution system, supported by digital payment systems and community training programs. The focus on human-waste-based biogas is the distinctive feature of this research: its use addresses two major challenges typical of informal settlements: the lack of waste management systems and the shortage of reliable energy. Yet, the study also highlights social and cultural barriers linked to perceptions of impurity and stigma, suggesting strategies to overcome them through communication, bottling and distribution, and the involvement of trusted local leaders. Integrating biogas with solar energy reduces overall system costs, enhances reliability and resilience, and generates environmental, health and social benefits. Overall, the thesis demonstrates that sustainable electrification in informal settlements requires an integrated approach, where technology, governance and social inclusion reinforce one another. Only in this way energy can become a driver of human and urban development.

Garantire un’energia affidabile e sostenibile è una delle sfide più complesse negli insediamenti informali urbani, dove povertà, carenze infrastrutturali, insicurezza abitativa e una governance frammentata rendono inefficaci gli approcci convenzionali all’elettrificazione. Questa tesi affronta tale sfida applicando il modello Comprehensive Energy Solution Planning (CESP) al caso del villaggio di Kingstone, situato nell’insediamento informale di Mukuru, a Nairobi (Kenya). Attraverso attività sul campo e modellazione energetica, sono stati sviluppati scenari ibridi di mini-reti che combinano fotovoltaico, batterie e generatori alimentati a diesel e biogas prodotto da rifiuti umani. La modellazione, realizzata con il software MicroGridsPy, ha permesso di individuare configurazioni tecnicamente ed economicamente sostenibili, considerando i vincoli reali del contesto: disponibilità di spazio, risorse limitate e capacità di spesa delle famiglie. Oltre all’aspetto tecnico, il metodo CESP integra inclusione sociale e partecipazione comunitaria. Il modello di business elaborato prevede la creazione di una cooperativa energetica locale, responsabile della gestione della mini-rete e del sistema di biogas compresso, supportata da pagamenti digitali e da attività di formazione e sensibilizzazione. Il focus sul biogas da rifiuti umani è l’elemento distintivo della ricerca: il suo impiego consente di affrontare simultaneamente due criticità tipiche degli insediamenti informali: la mancanza di sistemi di gestione dei rifiuti e l’insufficienza di energia affidabile. Tuttavia, lo studio evidenzia anche barriere sociali e culturali legate alla percezione del biogas, proponendo azioni di superamento basate su comunicazione, distribuzione in bombole e coinvolgimento di leader locali. L’integrazione tra biogas e fotovoltaico dimostra di ridurre i costi complessivi del sistema, migliorandone l’affidabilità e la resilienza, e generando benefici ambientali, sanitari e sociali. Nel complesso, la tesi mostra come l’elettrificazione sostenibile degli insediamenti informali richieda un approccio integrato, dove tecnologia, governance e inclusione sociale si rafforzano reciprocamente. Solo in questo modo è possibile trasformare l’energia in un vero strumento di sviluppo umano e urbano.