Energy planning for eastern african power pool with geographical explicit representation of variable renewable potential sites

This thesis examines the long-term evolution of the Eastern Africa Power Pool (EAPP) under alternative electricity system configurations for 2030, 2035, and 2040. The analysis uses the open-source Calliope platform, integrating generation, storage, and transmission infrastructures in a least-cost optimization framework. EAPP countries are represented through a detailed spatial subdivision of demand and resource areas, enabling a highresolution assessment of variable renewable energy (VRES) potential, particularly solar and wind. Three macro-scenarios are considered: Autarky, Existing Transmission, and Transmission Expansion, each with flexibility options such as Battery Energy Storage Systems (BESS), Pumped Hydro Energy Storage (PHES), and open-cycle gas turbines (OCGT). The model minimizes system cost while meeting hourly demand and technical constraints. Results emphasize the importance of regional cooperation and interconnections. Network expansion reduces installed capacity and investments by up to 40% compared to isolated systems, improving reliability and renewable utilization. Countries with high wind potential, such as Sudan, Libya, and Tanzania, emerge as exporters, while Egypt and the Democratic Republic of Congo become net importers, benefiting from lowcost renewable energy from neighboring systems. Storage technologies enhance flexibility: BESS mitigate short-term solar variability, and PHES provide long-duration balancing in wind-dominated regions. OCGTs remain transitional but lose relevance as integration and storage increase. Economically, system integration reduces the investment-to-GDP ratio across countries, distributing costs more evenly and increasing affordability. Policy analysis highlights that institutional barriers, rather than technical ones, are the main challenges. Harmonized regulations, wheeling fees, and cost-sharing mechanisms are essential for fair participation and mutual trust. This study demonstrates that coordinated planning of renewable generation, transmission, and storage can turn Eastern Africa’s resources into a reliable, sustainable power system, supporting the development of a unified electricity market within the African Single Electricity Market (AfSEM) framework.

Questa tesi esamina l’evoluzione a lungo termine dell’Eastern Africa Power Pool (EAPP) con diverse configurazioni del sistema elettrico per il 2030, 2035 e 2040. L’analisi utilizza la piattaforma open-source Calliope, integrando generazione, stoccaggio e trasmissione in un modello a costo minimo. I paesi dell’EAPP sono rappresentati tramite una suddivisione dettagliata di domanda e risorse, con una valutazione ad alta risoluzione del potenziale di energia rinnovabile variabile (VRES), in particolare solare e eolica. Sono analizzati tre macro-scenari: Autarchia, Trasmissione Esistente ed Espansione della Trasmissione, ciascuno con opzioni di flessibilità come BESS, PHES e OCGT. Il modello minimizza i costi rispettando domanda e vincoli tecnici. I risultati evidenziano l’importanza della cooperazione regionale e delle interconnessioni. L’espansione della rete riduce la capacità installata e gli investimenti fino al 40% rispetto ai sistemi isolati, migliorando affidabilità e utilizzo delle rinnovabili. Paesi con alto potenziale eolico, come Sudan, Libia e Tanzania, emergono come esportatori, mentre Egitto e DRC diventano importatori, beneficiando di energia rinnovabile a basso costo dai paesi vicini. Le tecnologie di stoccaggio migliorano la flessibilità: le BESS mitigano la variabilità del solare a breve termine, mentre il PHES fornisce un bilanciamento a lungo termine nelle regioni ventose. Gli OCGT perdono rilevanza man mano che l’integrazione e lo stoccaggio aumentano. Dal punto di vista economico, l’integrazione riduce il rapporto investimento su PIL, distribuendo meglio i costi e aumentando l’affordabilità. Le barriere istituzionali, più che quelle tecniche, sono le principali sfide. Normative armonizzate, tariffe di trasporto e condivisione dei costi sono essenziali per una partecipazione equa. Questo studio dimostra che una pianificazione coordinata della generazione, trasmissione e stoccaggio può trasformare le risorse dell’Africa Orientale in un sistema energetico sostenibile, supportando lo sviluppo di un mercato elettrico unificato nell’ambito dell’African Single Electricity Market (AfSEM).