Design of off-grid renewable energy community electrification projects : analysis of micro-scale resource variations and development of optimization methods

Abstract

Projects relying on renewable energies are a suitable and sustainable option to electrify isolated communities autonomously. These systems produce electricity in a clean and environmentally respectful way and their cost is often lower than national grid extension. Hybrid systems that combine different energy resources (wind and solar) and distribution through microgrids are the most efficient design configurations. When considering hybrid systems and microgrids, the design of rural electrification projects is referred to as the AVEREMS problem. The optimization of the AVEREMS problem is a complex task that requires the use of specific support tools. In this context, some shortcomings have been encountered in the current state-of-the-art in the design of off-grid electrification projects based on renewable energies, in specific: the lack of knowledge about detailed wind resource studies for this kind of projects and the need of procedures for solving the AVEREMS problem considering generation also far from the demand in order to take advantage of best resource areas. The main objective of this thesis is to tackle these limitations by means of: 1) defining a method for detailed wind resource assessment in rural electrification projects, 2) the development and 3) application of procedures to solve the AVEREMS problem considering micro-scale resource variations and generation in every point of a community (being a demand or a no-demand point). Firstly, a method for detailed wind resource assessment is presented relying on the use of micro-scale wind flow models: the method is validated in two mountainous communities and applied for the design of a real project in Cape Verde. Then, different solving procedures are developed: first some indicators are proposed to support algorithms¿ design, and then two procedures (a deterministic heuristic and a metaheuristic algorithm) are presented in order to solve the AVEREMS problem. Different algorithm versions are analyzed in order to select the ones that give best results. The proposed algorithms, besides considering generation in every point of a certain area (being a demand or a no-demand point), enhance the performance of the currently available tools. Finally, the design of a real electrification project in Nicaragua is carried out including a micro-scale wind resource assessment and the application of the developed metaheuristic procedure for design optimization. The wind resource assessment method and the solving procedures developed in this Thesis can be easily applied to support the design of off-grid rural electrification projects with renewable energies. Their utilization will improve projects efficiency and sustainability reducing some of the technical issues that still limit their implementation in isolated communities.

Los proyectos de electrificación basados en energías renovables han demostrado ser una opción adecuada y sostenible para abastecer comunidades aisladas de forma autónoma. Estos sistemas producen energía de manera limpia y respetuosa del medio ambiente y su coste es a menudo inferior al de extender la red eléctrica nacional. Las configuraciones de diseño más fiables y eficientes utilizan sistemas híbridos que combinan varios recursos (eólico y solar) y distribución mediante microrredes. El diseño de proyectos de electrificación rural considerando sistemas híbridos y microrredes se ha definido como el problema AVEREMS. La optimización del problema AVEREMS es una tarea compleja que requiere el uso de herramientas de soporte. Actualmente, el proceso de diseño de proyectos de electrificación basados en energía renovables presenta algunas limitaciones. Entre ellas, destacan la falta de conocimientos sobre estudios del recurso eólico y la necesidad de procedimientos para resolver el problema AVEREMS incluyendo la generación alejada de los puntos de consumo para aprovechar las áreas de mayor potencial. El principal objetivo de esta tesis es abordar dichas limitaciones, mediante: 1) la definición de un método para evaluar en detalle el recurso eólico en proyectos de electrificación rural; 2) el desarrollo y 3) la implementación de procedimientos para resolver el problema AVEREMS considerando la variación del recurso a micro-escala y generación en todos los puntos (sean estos de consumo o de no-consumo) de una determinada área. Primero se presenta un método para realizar estudios del recurso eólico mediante el uso de modelos de flujo de viento a micro-escala. El método se valida en dos comunidades montañosas y se aplica para el diseño de proyectos reales en Cabo Verde. Sucesivamente, se desarrollan diferentes procedimientos resolutivos: primero se definen unos indicadores de soporte al diseño, y sucesivamente se presentan dos algoritmos (uno heurístico y otro meta-heurístico) para resolver el problema AVEREMS. Se analizan diferentes versiones de los algoritmos para finalmente seleccionar las que obtienen los mejores resultados. Además de considerar generación en todos los puntos (de consumo o de no-consumo) de una cierta área, los algoritmos propuestos mejoran considerablemente las prestaciones de los métodos disponibles actualmente. Finalmente, se analiza el diseño de un proyecto de electrificación en una comunidad rural en Nicaragua incluyendo la evaluación de recurso a micro-escala y la aplicación del algoritmo meta-heurístico para la optimización del diseño. La metodología para la evaluación del recurso eólico y los algoritmos resolutivos desarrollados en esta tesis se pueden fácilmente aplicar para suportar el diseño de proyectos de electrificación rural con energías renovables. Su utilización permitirá mejorar la eficiencia y sostenibilidad de estos proyectos reduciendo algunos de los problemas técnicos que limitan su implementación en comunidades aisladas