Evaluation of mini-grid versus stand-alone projects: a tool for decision-making on household connections in last-mile rural electrification projects

Abstract

[ES] La electrificaci´on de zonas rurales aisladas en pa´ıses en v´ıas de desarrollo es una acci´on clave para la erradicaci´on total de la pobreza energ´etica. Un n´umero creciente de autores argumentan que esta electrificaci´on deber´ıa hacerse con sistemas de energ´ıa distribuida que combinen diferentes fuentes de energ´ıa renovable, en lugar de tratar de llegar a estas comunidades con extensiones de red. As´ı lo demuestran numerosos proyectos que se han llevado a cabo durante los ´ultimos a˜nos en diferentes pa´ıses en v´ıas de desarrollo con diferentes necesidades, condiciones clim´aticas y recursos. Estos proyectos tienen recursos muy escasos y por lo tanto necesitan ser optimizados. Para ello, ser´ıa muy importante estandarizar su dise˜no, pero esto es muy dif´ıcil ya que hay muchas variables involucradas. Una de las decisiones de dise˜no m´as comunes que queda por estandarizar es la pregunta: ¿Cu´al es la mejor manera de llevar el suministro el´ectrico a todas las casas en el ´area rural que se est´a electrificando? Este Trabajo Fin de M´aster ha trabajado en resolver esta cuesti´on desarrollando una herramienta de prefactibilidad que incluye un modelo matem´atico del despacho de energ´ıa que minimiza el OPEX, una funci´on que calcula el CAPEX y una funci´on final que obtiene el LCOE del sistema utilizando las salidas de el modelo y la herramienta antes mencionados. La herramienta ha sido implementada en el lenguaje de programaci´on Julia. Algunos de los par´ametros que deben introducirse en el modelo son el n´umero de viviendas, las distancias geogr´aficas entre las viviendas, los tipos de cables, los transformadores, las tecnolog´ıas de generaci´on, las potencias instaladas, entre otros. Adem´as, una vez desarrollada la herramienta, se han llevado a cabo una serie de pruebas y an´alisis para confirmar la robustez de la herramienta as´ı como para conocer mejor el comportamiento de la estructura de costes. Al realizar el an´alisis de los resultados, la herramienta ha demostrado con ´exito su validez. Adem´as, se ha llevado a cabo un an´alisis de sensibilidad para responder a preguntas como cu´al es la opci´on m´as econ´omica, ¿mantener un hogar aislado de los cl´usters o crear un sistema independiente para ello? En definitiva, como se ha dicho, esta tesis ha intentado dar respuesta a la cuesti´on planteada anteriormente con el objetivo de crear una herramienta ´util y est´andar que pueda ayudar a otros proyectos similares en sus procesos de toma de decisiones.

[CAT] L'electrificació de zones rurals aïllades en països en vies de desenvolupament és una acció clau per a l'erradicació total de la pobresa energètica. Un nombre creixent d'autors argumenten que aquesta electrificació hauria de fer-se amb sistemes d'energia distribuïda que combinen diferents fonts d'energia renovable, en lloc d'intentar arribar a aquestes comunitats amb extensions de xarxa. Així ho demostren nombrosos projectes que s'han dut a terme durant els darrers anys en diferents països en vies de desenvolupament amb necessitats, condicions climàtiques i recursos diferents. Aquests projectes tenen recursos molt escassos i, per tant, cal optimitzar-los. Per fer-ho, seria molt important estandarditzar-ne el disseny, però això és molt difícil ja que hi ha moltes variables implicades. Una de les decisions de disseny més habituals que encara queda per estandarditzar és la pregunta: quina és la millor manera de portar el subministrament elèctric a tots els habitatges de la zona rural que s'electrifiquen? En aquest Treball de Fi de Màster s¿ha treballat en la resolució d¿aquesta qüestió desenvolupant una eina de prefactibilitat que inclou un model matemàtic del despatx d¿energia que minimitza l¿OPEX, una funció que calcula el CAPEX i una funció final que obté el LCOE del sistema mitjançant les sortides del model i l¿eina esmentats. L¿eina s¿ha implementat al llenguatge de programació Julia. Alguns dels paràmetres que cal introduir en el model són el nombre de cases, distàncies geogràfiques entre cases, tipus de cables, transformadors, tecnologies de generació de potències instal·lades, entre d¿altres. A més, un cop desenvolupada l¿eina, s¿han dut a terme una sèrie de proves i anàlisis per confirmar la robustesa de l¿eina així com per conèixer més sobre el comportament de l¿estructura de costos. Amb la realització de l¿anàlisi dels resultats, l¿eina ha demostrat amb èxit la seva validesa. A més, s¿ha dut a terme una anàlisi de sensibilitat per respondre preguntes com quina és l¿opció més barata, mantenir una casa aïllada dels clústers o crear-hi un sistema autònom? En resum, com s¿ha dit, aquesta tesi ha intentat donar resposta a la pregunta plantejada anteriorment amb l¿objectiu de crear una eina útil i estandarditzada que pugui ajudar altres projectes similars en els seus processos de presa de decisions.

[EN] Electrification of isolated rural areas in developing countries is a key action for the total eradication of energy poverty. A growing number of authors argue that this electrification should be done with distributed energy systems that combine different renewable energy sources, rather than trying to reach these communities with grid extensions. This is evidenced by numerous projects that have been carried out over the last years in different developing countries with different needs, climatic conditions and resources. These projects have very scarce resources and therefore need to be optimised. To do so, it would be very important to standardise their design, but this is very difficult as there are many variables involved. One of the most common design decisions that remains to be standardised is the question: What is the best way to bring the electricity supply to all the houses in the rural area being electrified?

This Master Thesis has worked on solving this question by developing a prefeasibility tool which includes a mathematical model of the energy dispatch which minimizes the OPEX, a function which calculates the CAPEX and a final function which obtains the LCOE of the system by using the outputs of the forementioned model and tool. The tool has been implemented into the programming language Julia. Some of the parameters that need to be input to the model are the number of households, geographical distances between households, types of cables, transformers, generation technologies installed powers, among others. Besides, once the tool has been developed a series of tryouts and analysis have been carried out to confirm the robustness of the tool as well as to learn more about the behaviour of the costs structure. By carrying out the analysis of the results, the tool has successfully proven its validity. Moreover, a sensitivity analysis has been carried out to answer questions like which is the cheapest option, keeping a household isolated from the clusters or creating a stand-alone system for it?

To sum up, as it has been said, this thesis has tried to answer the question settled previously with the aim of creating a useful and standard tool that could help other similar projects in their decision-making processes.