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

The African continent faces complex challenges regarding its future energy system and development. As electricity access in sub-Saharan region remains a major challenge, the role of energy planning is essential to minimize costs and address environmental and social concerns. In a system where infrastructures require urgent development and reliance on hydropower is at risk due to environmental concerns, this issue is even more critical for the development of variable renewable energy sources (VRES). As VRES are highly intermittent and geographically constrained, optimal resource allocation is fundamental to assess their technical and economic feasibility, while cross-border electricity trade represents a pivotal strategy for their development. This study analyses the outlook of the Southern African Power Pool (SAPP) through energy modelling, evaluating VRES integration and possible enhancing technologies. Three scenarios have been considered for cross-border transmission: Autarky, Existing and Planned Transmission, and Transmission Expansion; each tested with different storage options (utility-scale batteries, and pumped hydro) and backup generation technologies (open cycle gas turbines, and hydropower plants). VRES locations have been grouped in clusters, each with specific production profiles and additional costs linked to grid connections. Results show that in an autarkic setting, high investments and insufficient energy supply dominate, confirming that cross-border connections are fundamental for regional development. The Existing and Planned Transmission scenario improves energy security and reduces system costs, enabling greater VRES resource integration and lower storage requirements through electricity exchange among countries. Finally, with further transmission expansion, VRES deployment increases, reducing reliance on storage and alternative generation. This suggests that transmission expansion is among the most effective strategies for cost-optimal VRES, while reducing SAPP’s dependence on fossil fuels. A balanced combination of transmission expansion, storage, and supporting generation leads to a cleaner energy mix, while guaranteeing universal electricity across the region.

Il continente africano affronta sfide complesse riguardo al futuro e allo sviluppo del suo sistema energetico. L’accesso all’elettricità nella regione subsahariana rimane la principale sfida, e la pianificazione energetica svolge un ruolo fondamentale nel minimizzare i costi e salvaguardare gli aspetti ambientali e sociali. In un sistema in cui le infrastrutture richiedono uno sviluppo urgente e la dipendenza dall’idroelettrico è messo a rischio da fattori ambientali, tali sfide rendono ancora più critico lo sviluppo delle fonti rinnovabili (VRES). Poiché le VRES altamente intermittenti e geograficamente vincolate, l’ottimizzazione dell’allocazione delle risorse è fondamentale per valutarne la fattibilità tecnica ed economica, mentre gli scambi internazionali di elettricità rappresentano una strategia cruciale per il loro sviluppo. Questo studio analizza le prospettive future del Southern African Power Pool (SAPP) attraverso la modellazione energetica, valutando l’integrazione delle VRES e delle possibili tecnologie di supporto. Sono stati considerati tre scenari relativi alla trasmissione elettrica internazionale: Autarchia, Trasmissioni Esistenti e Pianificate, ed Espansione della Trasmissione; ciascuno testato con diverse opzioni di accumulo elettrico (batterie di larga scala e idroelettrico a pompaggio) e tecnologie di generazione di supporto (turbine a gas a ciclo aperto e impianti idroelettrici). Le località VRES sono state suddivise in cluster, ciascuno con specifici profili di produzione e costi legati al sistema e alle connessioni di rete. I risultati mostrano che, in una configurazione autarchica, l’elevata necessità di investimenti e l’insufficienza della generazione elettrica risultano predominanti, confermando il ruolo fondamentale delle connessioni internazionali e dei sistemi di accumulo per lo sviluppo regionale. Lo scenario delle Trasmissioni Esistenti e Pianificate migliora la sicurezza energetica e riduce i costi di sistema, consentendo una maggiore integrazione delle VRES e una minore necessità di accumulo grazie agli scambi elettrici internazionale tra paesi. In conclusione, con l’espansione della trasmissione, le installazioni di VRES aumentano, riducendo la dipendenza dai sistemi di accumulo e dalle fonti di generazione alternative. Ciò suggerisce che l’espansione della trasmissione è tra le strategie più efficaci per un’integrazione delle VRES costi ottimali, riducendo la dipendenza del SAPP dai combustibili fossili. Una combinazione bilanciata di espansione della trasmissione, accumulo e generazione di supporto porta a un mix energetico più pulito, garantendo al contempo l’accesso universale all’elettricità nella regione di interesse.