Techno-Economic Analysis of Rural Microgrid at Eco Moyo Education Centre in Kenya

Abstract

Denne masteroppgaven er en Master med Mening (MmM) skrevet for Ingeniører Uten Grenser (IUG) Norge våren 2022. Oppgaven tar for seg strømforsyningen ved grunnskolen Eco Moyo Education Centre i Kenya. Skolen har behov for en pålitelig strømforsyning, og det er ønskelig å bruke fornybare energikilder til strømproduksjonen. Formålet med oppgaven er derfor å foreslå et systemdesign for et mikronett som leverer elektrisitet til skolen fra fornybare energikilder. ``Off-grid'' løsninger med PV paneler og batterier er hovedfokuset for oppgaven.

Som en del av masteroppgaven ble det utført feltarbeid på skolen i mars 2022. Hovedformålet med feltarbeidet var datainnsamling om strømbehovet og bygningene på eiendommen. Feltarbeidet var viktig for å forstå muligheter og begrensninger for fremtidige system for strømforsyning ved skolen, og dermed for å sette prosjektgrensene for masteroppgaven.

Den stokastiske modellen ``Remote-Areas Multi-Energy Systems Load Profiles (RAMP)'' brukes til å etablere minuttbaserte årlige lastprofiler for skolen. Dette modelleringsverktøyet er valgt basert på dets høye ytelse, samt på grunn unøyaktigheten knyttet til data samlet inn fra brukerundersøkelser og intervjuer. Modellinnmating til RAMP konstrueres for hvert bygg på eiendommen, og det tas hensyn til både sesong- og ukesvariasjoner. Lastprofilene bør ta hensyn til fremtidig utvikling av tomten, og bygninger som forventes å bli bygget innen de neste få årene er derfor også inkludert i modellinnmatingen.

Bygningene på skolen er i dag organisert i klynger. Basert på preferanser definert av Eco Moyo, samt erfaringer fra feltarbeidet, evalueres systemløsninger med separate systemer for hver klynge, omtalt som en klyngeløsning. Denne klyngeløsningen sammenlignes med en systemløsning hvor hele eiendommen forsynes av ett system, referert til som en ikke-klynget løsning. Lastprofiler konstrueres derfor i RAMP for hver klynge så vel som for den ikke-klyngede løsningen.

For å oppnå de foreslåtte systemløsningene gjennomføres simuleringer i PVsyst. Den foreslåtte systemtopologien er et off-grid AC mikronett med PV paneler og litium-ion batterier. De aggregerte lastprofilene brukes som input til off-grid PVsyst simuleringer for hver klynge og for den ikke-klyngede løsningen. Systemløsninger bestemmes basert på simuleringsresultatene i PVsyst. Investeringskostnader, autonomi og lastdekning anses som viktige parametere når disse systemløsningene skal bestemmes. Andre prosjektspesifikke hensyn brukes også for beslutningstaking av det endelige systemforslaget. For sammenlignende formål er det også utført evalueringer av backupløsninger med dieselgeneratorer og nettilkobling.

Det konkluderes med at systemløsninger for klyngede og ikke-klyngede løsninger gir høy ytelse, og akseptable investeringskostnader. En klynget løsning åpner midlertid for gradvise utvidelser i takt med når midler mottas, når byggeprosjekter realiseres, og når det er behov for mer strømforsyning på skolen. På grunn av denne hovedfordelen, samt andre fordeler, er det funnet at den klyngede løsningen gir den optimaliserte systemløsningen for strømforsyning ved Eco Moyo Education Centre.

This master thesis is a Master with Meaning (MmM) written on behalf of Engineers Without Borders (EWB) Norway in the Spring 2022. The thesis addresses the electricity supply at the primary school Eco Moyo Education Centre in Kenya. The school needs reliable electricity supply, and it is desirable to use renewable energy sources for the electricity production. The purpose of the master thesis is therefore to propose a system design for a microgrid supplying electricity to the school from renewable energy sources. Off-grid solutions supplied by PV panels and batteries are the main focuses.

As a part of the master thesis, fieldwork at the school was conducted in March 2022. The main purpose of the fieldwork was data collection about the electricity demand and buildings at the property. The fieldwork was important for understanding the possibilities and limitations for future systems for electricity supply at the school, and thus to set the project boundaries for the master thesis.

The bottom-up stochastic model «Remote-Areas Multi-Energy Systems Load Profiles (RAMP)» is used to establish minute based annual load profiles for the school. This modelling tool is chosen based on its high performance, as well as due to the inaccuracy related to data collected from user surveys and interviews. RAMP model input are constructed for each building at the property, and both seasonal and weekly variations are accounted for. The load profiles should account for future developments at the property, and hence the buildings that are expected to be built in the next few years are also included in the model input.

The buildings at the school is currently organized in clusters. Based on preferences defined by Eco Moyo, as well as experiences from the fieldwork, system solutions with separate systems for each cluster is evaluated, referred to as a clustered solution. This clustered solution is compared with a system solution where the whole property is supplied by one system, referred to as a non-clustered solution. Load profiles are therefore constructed in RAMP for each individual cluster, as well as for the non-clustered solution.

To obtain the proposed system solutions simulations are conducted in PVsyst. The proposed system topology is an off-grid AC coupled microgrid supplied by PV panels and lithium-ion batteries. Load profiles are used as input to the off-grid PVsyst simulations for each cluster and the non-clustered solution. System solutions are decided based on the simulation results in PVsyst. Investment costs, autonomy, and load coverage are considered important parameters when determining these system solutions. Other project specific considerations are also used for the decision making of the final system solution proposal. For comparative purposes back-up solution evaluations with diesel generators and grid-connection are also performed.

It is concluded that both system solutions for clustered and non-clustered solutions offer high performances, and acceptable investment costs. However, a clustered solution allows for gradual expansions in accordance with available funding, when building projects are realized, and when more electricity supply is needed at the school. Due to this main advantage, as well as other advantages, the clustered solution is found to provide the optimized system solution for electricity supply at Eco Moyo Education Centre.