Community-level mapping of electricity access affordability across Sub-Saharan Africa

Access to affordable, reliable, and meaningful electricity services remains a major development challenge across Sub-Saharan Africa. While electrification planning has traditionally focused on identifying technically feasible and least-cost solutions, increasing attention is being devoted to affordability and the long-term suitability of different electrification pathways. This thesis presents a continent-scale framework for evaluating decentralised electrification systems and electricity access affordability across Sub-Saharan Africa. The methodology combines geospatial population clustering, stochastic demand modelling, techno-economic optimisation, affordability assessment, and grid extension suitability analysis. Electricity demand profiles are generated using the RAMP demand model, while system sizing and operation are optimised through MicroGridsPy. The framework is applied to almost 420,000 clusters across Sub-Saharan Africa, including residential settlements, schools, and healthcare facilities. The results reveal substantial spatial heterogeneity in electricity demand, system configurations, economic performance, and affordability outcomes. Battery storage emerges as a major driver of mini-grid costs, with storage-intensive systems consistently associated with higher levelised costs of electricity (LCOE). Affordability analysis indicates that approximately 59% of residential clusters remain below the adopted affordability threshold, while the remaining 41% exceed it. The grid suitability assessment identifies distinct electrification contexts and demonstrates strong robustness across alternative weighting scenarios, with more than 97% of clusters retaining the same classification under all tested scenarios. Overall, the results show that electrification planning cannot be based solely on technical optimisation. By integrating operational modelling with socio-economic indicators at continental scale, the proposed framework provides a transparent tool for evaluating whether electricity can be supplied, afforded, and support meaningful levels of energy access.

L’accesso a servizi elettrici affidabili, economicamente sostenibili e in grado di supportare livelli significativi di sviluppo rappresenta ancora una delle principali sfide per l’Africa Subsahariana. Sebbene la pianificazione dell’elettrificazione si sia tradizionalmente concentrata sull’identificazione di soluzioni tecnicamente fattibili e a costo minimo, negli ultimi anni è cresciuta l’attenzione verso l’accessibilità economica dell’elettricità e l’idoneità dei diversi percorsi di elettrificazione nel lungo periodo. Questa tesi propone un quadro metodologico su scala continentale per la valutazione dei sistemi di elettrificazione decentralizzata e dell’accessibilità economica dell’energia elettrica nell’Africa Subsahariana. La metodologia combina clustering geospaziale della popolazione, modellazione stocastica della domanda elettrica, ottimizzazione tecno-economica, analisi dell’accessibilità economica e valutazione dell’idoneità all’estensione della rete. I profili di domanda sono generati tramite il modello RAMP, mentre il dimensionamento e l’operazione dei sistemi sono ottimizzati attraverso MicroGridsPy. Il framework è applicato a quasi 420.000 cluster distribuiti nell’Africa Subsahariana, comprendenti insediamenti residenziali, scuole e strutture sanitarie. I risultati evidenziano una marcata eterogeneità spaziale nella domanda elettrica, nelle configurazioni di sistema, nelle prestazioni economiche e nei livelli di accessibilità economica. L’accumulo elettrochimico emerge come uno dei principali fattori determinanti dei costi delle mini-grid, con sistemi maggiormente dipendenti dallo stoccaggio associati a valori più elevati del costo livellato dell’energia (LCOE). L’analisi dell’accessibilità economica mostra che circa il 59% dei cluster residenziali rimane al di sotto della soglia di accessibilità adottata, mentre il restante 41% la supera. La valutazione dell’idoneità alla connessione alla rete identifica differenti contesti di elettrificazione e dimostra una forte robustezza rispetto a scenari alternativi di pesatura, con oltre il 97% dei cluster che mantiene la stessa classificazione in tutti gli scenari considerati. Nel complesso, i risultati mostrano come la pianificazione dell’elettrificazione non possa basarsi esclusivamente sull’ottimizzazione tecnica. Integrando modellazione operativa e indicatori socio-economici su scala continentale, il framework proposto fornisce uno strumento trasparente per valutare se l’elettricità possa essere fornita, sostenuta economicamente e in grado di garantire livelli significativi di accesso all’energia.