Distributed Renewable Energy based DC-Microgrids as Means of Sustainable Energy Solutions for Rural Areas in Sub-Saharan Africa

Abstract

This Ph.D. thesis was focused on investigating inclusive sustainable energy access means for remote and rural locations of sub-Saharan Africa with the main objective of designing and modeling DC microgrids and to assess how distributed renewable energy generation-based DC microgrids can be a solution for rural areas in providing inclusive sustainable energy services. In this research, there are two main aspects that are addressed. One is analyzing and defining the best option of hybrid renewable energy systems for applications in a rural primary school, household, health center, and village. The second is the matching between energy demand and supply by incorporating super-efficient appliances and using energy storage systems. To evaluate the current status of energy-efficient appliances and their impact to improve sustainable energy access in rural areas of sub-Saharan Africa, a study was conducted on different clean cooking technologies with their associated fuels. The study assessed the energy consumption, energy costs, efficiency, energy outputs/inputs, Net Present Values (NPV), and heat transfer behaviors of two electric resistance cookstoves, induction stoves, and pressure cooker. The results indicated that pressure cookers provide a lower energy difference between the output and input, higher water boiling efficiency, and lower energy costs, whereas locally manufactured products resulted in higher energy consumption, lower water boiling efficiency, and higher energy costs. Concerning NPVs, the Single Hot Plate presented a better cost-benefit ratio compared with the other cookstoves options. Additionally, the work highlighted the policy and strategies that should be followed for the promotion of cost-effective electric clean cooking technologies. Designing and modeling optimized and cost-effective off-grid solutions for inclusive energy access in rural areas is a key concern, where most of the available studies are focused on addressing issues such as only electrification or only clean water supply. This dissertation developed the design and model of different configurations including PV with battery storage system, hybrid systems with PV and wind power, and battery storage systems with the use of energy-efficient appliances for different applications. The analysis carried out showed that DC microgrids are a viable option to electrify rural primary schools, health centers, households, and villages. For the case studies, different load estimation scenarios, based on the sensitivity variables (inflation rate, discount rate, constraints related to components like derating factor and lifetime of PV, minimum and maximum state of charge of batteries) were analyzed. Overall, the results obtained in this dissertation are multi-dimensional and are major results to promote large-scale energy access in rural areas of Sub-Saharan Africa, a region with very low energy access rates and abundant renewable energy sources. The results also enable to improve the socio-economic well-being of the underserved people who lacks the multiple benefits of modern energy services, giving a large contribution to achieve the United Nations Sustainable Development Goals, including Good Health and Well-being (SDG 3), Quality Education (SDG 4), Gender Equality (SDG 5), Clean Water and Sanitation (SDG 6), Affordable and Clean Energy (SDG7) and Decent Work and Economic Growth (SDG 8).

Esta tese foi focada em meios de acesso a energia inclusivos e sustentáveis para locais remotos e rurais da África Subsaariana, com o objetivo principal de projetar e modelar microredes DC e avaliar como as microredes baseadas em geração de energia renovável distribuída podem ser uma solução para o fornecimento de serviços de energia sustentável inclusivos nas áreas rurais e para alcançar os objetivos dos planos de acesso a energia sustentável para todos. Nesta pesquisa, há dois aspetos principais que são abordados. Um consistem em analisar e definir a melhor opção de sistemas híbridos de energia renovável para aplicações em escolas primárias rurais, domicílios, centros de saúde e aldeias. A segunda é o ajuste entre a procura de energia e a disponibilidade de geração renovável, incorporando equipamentos de elevada eficiência e usando sistemas de armazenamento de energia. Para avaliar a situação atual dos equipamentos de elevada eficiência energética e o seu impacto para melhorar o acesso a energia sustentável em áreas rurais da África Subsaariana, foi realizado um estudo sobre diferentes tecnologias de cozinha limpa e dos combustíveis que lhe estão associados. O estudo avaliou o consumo de energia, custos de energia, eficiência energética, valores atualizados líquidos (VAL) e comportamentos de transferência de calor de dois fogões de cozinha de resistência elétrica, fogões de indução e panela de pressão. Os resultados indicaram que as panelas de pressão fornecem uma menor diferença de energia entre a saída e a entrada, maior eficiência de ebulição da água e menores custos de energia, enquanto os produtos fabricados localmente resultaram em maior consumo de energia, menor eficiência de ebulição da água e maiores custos de energia. Em relação aos VAL, o sistema de placa única apresentou uma melhor relação custo-benefício em comparação com as outras opções de fogões. Além disso, o trabalho destacou as políticas e as estratégias que devem ser seguidas para a promoção de tecnologias de cozinha elétrica limpa. Uma preocupação fundamental foi projetar e modelar soluções fora da rede otimizadas e económicas para o acesso inclusivo a energia em áreas rurais, onde a maioria dos estudos disponíveis se concentra em abordar questões como apenas eletrificação ou apenas abastecimento de água limpa. Assim, esta dissertação desenvolveu o projeto e o modelo de diferentes configurações, incluindo PV com sistema de armazenamento em bateria, sistemas híbridos PV e eólicos, com sistemas de armazenamento em baterias com o uso de equipamentos de eficiência energética elevada. A análise realizada mostrou que as microredes DC são uma opção viável para eletrificar escolas primárias rurais, centros de saúde, domicílios e aldeias. Para os estudos de caso, foram analisados diferentes cenários de estimativa de carga, com base nas variáveis de sensibilidade (taxa de inflação, taxa de desconto, restrições relacionadas a componentes como fator de redução e vida útil de PV, estado mínimo e máximo de carga das baterias). No geral, os resultados obtidos nesta dissertação são multidimensionais e são resultados importantes para promover o acesso a energia em grande escala nas áreas rurais da África Subsaariana, uma região com taxas de acesso a energia muito baixas, mas com fontes de energia renováveis abundantes. Os resultados também permitem melhorar o bem-estar socioeconómico das pessoas que carecem dos múltiplos benefícios dos serviços modernos de energia, dando uma grande contribuição para alcançar os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável das Nações Unidas, incluindo Saúde e Bem-estar (ODS 3), Educação de Qualidade (ODS 4), Igualdade de Gênero (ODS 5), Água Limpa e Saneamento (ODS 6), Energia Limpa e Acessível (ODS 7) e Trabalho Decente e Crescimento Económico (ODS 8).