Integrated solar-biogas mini-grid planning for rural electrification: a water-energy-food nexus approach for Sekenani, Kenya

Access to modern energy services remains a major development challenge in rural Sub Saharan Africa, where many communities continue to depend on traditional biomass for cooking and lack reliable electricity access. This thesis addresses this dual energy access gap in Sekenani, a rural village in Narok County, south-western Kenya, through an integrated decentralised energy system combining biogas production and renewable mini-grid electri cation. A biogas plant is designed to provide clean cooking energy to over 800 households over a 25-year planning horizon. The system is based on the anaerobic co-digestion of Chia (Salvia hispanica) crop residues from 120 hectares of cultivated land and cattle manure from 600 bovines. Feedstock characterisation, digester sizing, water requirements, sea sonal storage, and digestate management are assessed to determine the achievable biogas output. An electricity demand assessment is developed for residential, institutional, and commer cial users and forms the basis for the design of a renewable mini-grid using MicroGridsPy. The system incorporates solar PV generation and battery storage and is sized to meet both conventional electricity demand and the additional load associated with electric cooking. The analysis evaluates how water availability inuences biogas production and the result ing role of electric cooking within the community energy system. The results demonstrate how integrated decentralised energy planning can support clean cooking adoption while meeting growing electricity demand in water-constrained rural communities, contributing to the universal-access objectives of SDG 7.

L’accesso a servizi energetici moderni rappresenta ancora una delle principali s de allo sviluppo nell’Africa subsahariana rurale, dove molte comunit continuano a dipendere dalla biomassa tradizionale per la cottura dei cibi e non dispongono di un accesso a dabile all’elettricit . Questa tesi a ronta tale duplice divario nell’accesso all’energia a Sekenani, un villaggio rurale della contea di Narok, nel Kenya sud-occidentale, attraverso un sistema energetico decentralizzato integrato che combina la produzione di biogas e l’elettri cazione mediante mini-grid alimentata da fonti rinnovabili. Viene progettato un impianto di biogas destinato a fornire energia pulita per la cottura dei cibi a oltre 800 famiglie lungo un orizzonte di piani cazione di 25 anni. Il sistema si basa sulla co-digestione anaerobica dei residui colturali di chia (Salvia hispanica) provenienti da 120 ettari di terreno coltivato e del letame prodotto da 600 bovini. La caratterizzazione delle biomasse, il dimensionamento del digestore, il fabbisogno idrico, lo stoccaggio sta gionale e la gestione del digestato vengono analizzati al ne di determinare la produzione di biogas conseguibile. Parallelamente, viene sviluppata una valutazione della domanda elettrica per utenti res idenziali, istituzionali e commerciali, che costituisce la base per la progettazione di una mini-grid rinnovabile mediante il software MicroGridsPy. Il sistema integra generazione fotovoltaica e accumulo elettrochimico ed Ł dimensionato per soddisfare sia la domanda elettrica convenzionale sia il carico aggiuntivo associato alla cottura elettrica. L’analisi valuta come la disponibilit idrica inuenzi la produzione di biogas e il con seguente ruolo della cottura elettrica nel sistema energetico della comunit . I risultati mostrano come una piani cazione energetica decentralizzata integrata possa favorire la di usione della cottura pulita e soddisfare una domanda elettrica crescente in comunit rurali soggette a stress idrico, contribuendo agli obiettivi di accesso universale all’energia de niti dall’SDG 7.