Off-Grid Microgrid Design Consideration for Rural Electrification

Abstract

Denne masteroppgaven har gjort betydelige fremskritt i arbeidet med elektrifisering av rurale områder, spesielt med fokus på design og implementering av mikronett. Hovedbidraget er utviklingen av et allsidig Python-basert verktøy skreddersydd for GridVille NTNU, en teknisk student organisasjon ved Norges teknisk-naturvitenskaplige universitet, med et prosjekt som har som mål å levere bærekraftig elektrisitet til strømløse områder i verden.

Verktøyet inkluderer en multi-objektiv optimaliseringstilnærming som tar hensyn til forskjellige variabler og begrensninger, som valg av energikilde, energilagring, lastprofiler og anvendelsen av rammeverket for energitilgang på flere nivåer. Det har blitt designet med en brukervennlig struktur som tillater bruk på forskjellige nivåer, fra nybegynnende til avansert nå, avhengig av brukerens tekniske kompetanse. Dette gjør det til en verdifull ressurs for en bred brukerbase, fra medlemmer som gjør teknisk analyse til styremedlemmer som er involvert i budsjetteringsplanlegging eller lignende oppgaver.

Verktøyets praktiske nytte og pålitelighet ble demonstrert gjennom en case-studie og validert ved bruk av virkelige data. Det ble funnet å være nøyaktig og i stand til å håndtere en rekke scenarier og forhold, noe som er kritisk i det raskt utviklende feltet for fornybar energi og mikronett.

I tillegg til utviklingen av verktøyet, gir denne oppgaven innsikt i vurderinger rundt design av mikronett basert på feltopplevelser fra Kenya og Tanzania. Disse erfaringene understreket viktigheten av å forstå den lokale konteksten og fremhevet den kritiske rollen til samfunnsengasjement, nødvendigheten av å forstå lokale energiforbruksvaner og behovet for brukeropplæring om energibruk.

Denne masteroppgaven bidrar også til flere av FNs bærekraftsmål. Den hjelper direkte GridVille med å oppnå disse målene ved å muliggjøre optimal dimensjonering og implementering av selvstendige mikronett, noe som forbedrer levekår i uland.

Til tross for de betydelige bidragene fra denne studien, er det potensielle områder for forbedring og fremtidig arbeid. Verktøyets brukervennlighet kan forbedres med mer omfattende feilhåndtering og datavalideringstrinn. Videre kan det, ettersom verktøyet utvikler seg og blir mer komplekst, være nødvendig med betydelig restrukturering for å opprettholde modulariteten og navigerbarheten.

Oppsummert, presenterer denne masteroppgaven en omfattende studie om rural elektrifisering med fokus på design og implementering av mikronett. Den gir et praktisk verktøy for dimensjonering av mikronett, gir innsikt i designvalg og deler feltopplevelser. Dette arbeidet kan i stor grad hjelpe GridVille og lignende prosjekter i deres oppdrag med å bringe bærekraftig og pålitelig elektrisitet til strømløse områder i verden. Det er imidlertid en pågående reise som krever kontinuerlig læring og tilpasning til teknologiske fremskritt og utviklende feltopplevelser.

This Master's thesis has made significant strides in advancing rural electrification efforts, mainly focusing on the design and implementation of microgrids. The primary contribution is developing a versatile Python-based tool tailored to the needs of GridVille NTNU, a technical student organization at the Norwegian University of Science and Technology, a project aiming to provide sustainable electricity to off-grid, rural areas.

The tool incorporates a multi-objective optimization approach that considers various variables and constraints, such as energy source selection, energy storage, load profiles, and applying the Multi-Tier Framework for energy access. It has been designed with a user-friendly structure that allows usage at various levels, from basic to advanced, depending on the user's technical expertise. This makes it a valuable resource for a broad user base, from students doing the technical sizing to board members involved in budget planning or similar tasks.

The tool's practicality and reliability were demonstrated through a case study and validated using real-world data. It was found to be accurate and capable of handling a variety of scenarios and conditions, which is critical in the rapidly evolving field of renewable energy and microgrids.

In addition to the tool's development, this thesis provides insights into microgrid design considerations based on field experiences from Kenya and Tanzania. These experiences underscore the importance of understanding the local context and highlight the crucial role of community engagement, the necessity of understanding local energy consumption habits, and user education about energy utilization.

The study also contributes to several Sustainable Development Goals (SDGs) set forth by the United Nations. It directly aids GridVille in achieving these goals by enabling the organization to size and implement off-grid microgrids optimally, thus improving living conditions in underserved communities.

Despite the significant contributions of this study, there are potential areas for improvement and future work. More extensive error handling and data validation steps could enhance the tool's user-friendliness. Furthermore, as the tool evolves and becomes more complex, significant restructuring might be needed to maintain its modularity and navigability.

In summary, this Master's thesis presents a comprehensive study on rural electrification focusing on the design and implementation of microgrids. It provides a practical tool for microgrid sizing, offers insights into design choices, and shares first-hand field experiences. This work can greatly aid GridVille and similar projects in their mission to bring sustainable and reliable electricity to off-grid, rural communities. However, it is an ongoing journey that calls for continuous learning and adaptation to technological advancements and evolving field experiences.