Analysis of energy demand assessment methodologies for the design of a hybrid renewable mini-grid in a rural isolated community in Honduras

Abstract

[ES] El Trabajo Final de Máster que se presenta se basará en la simulación y optimización de un sistema híbrido renovable aislado que se situará en una comunidad rural en Honduras. Como punto de partida, se realizará un estado del arte de proyectos de sistemas aislados de generación de energía eléctrica, se describirá el proceso y las hipótesis asumidas para el diseño de la instalación y se presentará un diseño detallado de los componentes y distribución de esta.

El sistema híbrido de partida estará formado por 52 kW de energía solar fotovoltaica, un gasificador-generador de 25 kW, un banco de baterías de 452 kWh de capacidad y un sistema de inversores cargadores de 55 kWp. La optimización se realizará mediante el uso del software HOMER. Esta herramienta proporciona un análisis tecno-económico de la simulación de diferentes escenarios y permite su optimización. Sin embargo, las hipótesis realizadas en el mismo tienen implicaciones sobre los resultados del análisis.

Una vez obtenida la red híbrida óptima, se realizará un análisis de sensibilidad. Para ello, se analizarán las hipótesis que permitan determinar los parámetros de entrada más representativos y se optimizarán las variables que presentan más error para la obtención de resultados en HOMER. Ejemplos de las variables de entrada son: demanda de energía y su incremento futuro respecto a la estimada, variación del recurso solar, aumento de los costes de operación y mantenimiento, vida útil del equipo etc. Por ello se plantea diferentes estudios de sensibilidad ante estas diferentes variables para conocer y optimizar la recogida de datos para su posterior uso en el HOMER.

Por otra parte, se realizará un análisis económico para determinará la factibilidad y sostenibilidad del proyecto a largo plazo, especialmente la evolución que sufrirá el precio del kWh de energía, debido a los cambios en el uso de esta, y los efectos que tendrá en la comunidad. A su vez, se realizará un estudio del impacto ambiental del proyecto, determinando las emisiones evitadas con el escenario renovable, en comparación con las emisiones asociadas a la misma demanda de energía en dos escenarios: consumo de la red eléctrica de Honduras y de un generador Diésel. Finalmente, se estudiará los impactos en la equidad de género en la comunidad.

[CA] En el present Treball de Fi de Màster s’analitza l’impacte que té l’estimació de la demanda d’energia en el disseny de mini xarxes híbrides en zones rurals aïllades de països en vies de desenvolupament. Per a la seua consecució, es realitza una revisió bibliogràfica per tal d’identificar les metodologies, enfocaments i ferramentes informàtiques gastades en l’actualitat per a l’avaluació de la demanda d’energia. Entre elles, les més utilitzades i apropiades s’analitzen i s’utilitzen en l’anàlisi d’un cas pràctic: la comunitat rural de El Santuario, Hondures. En concret, la demanda d’energia s’avalua seguint dues metodologies: la primera basada a definir el comportament del consum entre usuaris i equips mitjançant coeficients de simultaneïtat, i una segona metodologia fent ús del software LoadProGen2.0. Els resultats s’utilitzen per a desenvolupar el disseny tècnic i operacional de la mini xarxa híbrida d’energies renovables. Al llarg d’aquest procés s’identifiquen altres paràmetres de disseny com el context medi ambiental, econòmic i social o els recursos disponibles en la zona. Diferents configuracions de sistemes híbrids és simulen mitjançant el software HOMER fins a arribar a la solució òptima. Les diferents alternatives obtingudes s’analitzen i es comparen des d’un punt de vista econòmic, medi ambiental i tècnic, per a així obtindré noves idees i enfocaments que servisquen com a orientació per a dissenyadors de futures mini xarxes híbrides. Com a resultat, es proposa una nova metodologia per al disseny de mini xarxes en zones rurals aïllades de països en vies de desenvolupament. A banda, s’inclou a l’anàlisi un procediment per a l’estimació de les emissions de Gasos d’Efecte Hivernacle (GEH) que es podrien evitar mitjançant d’instal·lació de xarxes híbrides en zones aïllades.

[EN] The Final Master Thesis presented will be based on the simulation and optimisation of an isolated renewable hybrid system located on a rural community in Honduras. As starting point, a state of the art of isolated systems for electricity generation projects will be developed. As well, the process and hypothesis assumed for the installation¿s design, a detailed design of the components and its distribution will be described.

The hybrid system to optimise is composed by 52 kW of photovoltaic energy, a gasifier-generator of 25 kW, a battery bank with 452 kWh capacity and an inverter-charger system of 55 kWp. The optimisation will be developed using HOMER Software. This tool provides a techno-economic analysis from the simulation of different scenarios and permits their optimisation. However, the hypothesis assumed on the analysis have direct implications in the obtained results.

Once the hybrid grid has been optimised, a sensitivity analysis will be developed. For that purpose, an analysis of the necessary hypothesis for determining the most representative input variables will be performed, and the ones with highest error for obtaining HOMER results will be optimized. Some examples of input variables are: energy demand and its future increasing in comparison with the expected one, solar resource¿s variability, operation and maintenance costs¿ increase, useful life of the devices etc. Therefore, different sensitivity studios for these variables are presented, in order to determine and optimise the data gathering for further use in HOMER.

Moreover, an economic analysis for determining the long term feasibility and sustainability of the project will be considered, especially regarding the kWh of energy price¿s evolution due to changes in its use, and the effects that it would have for the community. An environmental impact assessment of the project will also be developed, determining the avoided emissions with the renewable scenario compared to the ones associated to the same energy demand of two scenarios: consume from the electric grid of Honduras and from a Diesel generator. Finally, the impacts on gender equity in the community will be studied.

It is expected to obtain, with this Final Master Thesis, a model of a reliable renewable hybrid grid, knowing the most relevant entry variables to consider and acting as a base for its replicability on similar rural communities in Honduras and worldwide.