New methods and applications to explore the dynamics of least-cost technologies in geospatial electrification modelling

Abstract

Tillgång till moderna energitjänster är en förutsättning för hållbar utveckling. Av den anledningen syftar mål 7 av de globala målen för hållbar utveckling (SDG 7) till att säkerställa tillgång till ekonomiskt överkomlig, tillförlitlig, hållbar och modern energi för alla. 2021 saknade dock 675 miljoner människor tillgång till elektricitet och 2.3 miljarder människor tillgång till rena matlagningsbränslen. I synnerhet elektricitet kan medföra fördelar för många samhällssektorer, inklusive hushåll, hälso- och sjukvård, utbildning, jordbruksverksamheter och företag. Att öka tillgången till elektricitet till lägsta möjliga kostnad i områden som för närvarande är underförsörjda kräver ett integrerat tillvägagångssätt som utnyttjar en kombination av expansion av nationella elnät, implementering av småskaliga elnät samt fristående teknologier.

Geospatiala elektrifieringsverktyg har utvecklats utifrån behovet av ett integrerat tillvägagångssätt för att öka tillgången till elektricitet, och används för att informera policy och beslutsfattande. Dessa verktyg är en kategori av energisystemverktyg, som använder geospatial information för att förstå vilken teknik som ska användas var, beroende på både lokala förutsättningar för varje bosättning i ett land eller en region och den befintliga energiinfrastrukturen. Antalet geospatiala elektrifieringsverktyg och analyser har ökat kraftigt sedan millennieskiftet, i synnerhet sedan början av 2010-talet. Vissa av dessa verktyg och analyser använder enklare analytiska uttryck för att identifiera den teknik som är mest kostnadseffektiv på varje plats, medan andra ger mer detaljerad information kring utformningen av transmissions-, distributions- och elproduktionssystem för varje plats.

Geospatiala elektrifieringsverktyg och analyser används i allt större grad för beslutsfattande och planering i syfte att uppnå SDG 7. Denna avhandling syftar till att avancera state-of-the-art inom geospatial elektrifieringsmodellering, för att informera elektrifieringsinsatser. Avhandlingen undersöker särskilt dynamiken mellan de tre typerna av elförsörjningstekniker (expansion av nationella elnät, småskaliga elnät och fristående teknologier) under olika modelleringsmetoder, tidslinjer och scenarier. Tre forskningsfrågor, baserade på befintliga forskningsgap i litteratur och tillämpningar, studeras i fyra publikationer. Varje publikation tillhandahåller dessutom en fallstudie på ett av de länder med störst brist på tillgång till elektricitet globalt, nämligen Burkina Faso, Etiopien, Somalia och Demokratiska Republiken Kongo (DRC).

Den första forskningsfrågan utforskar hur användningen av scenarier och simuleringar i geospatiala elektrifieringsmodellering kan förbättras för att bättre informera beslutsfattande och policy inom området för tillgång till el. Brist på data är allmänt erkänt som en central utmaning inom området, då viktig data saknas, är ofullständiga eller av dålig kvalitet i många geografiska områden. Detta i kombination med svårigheter att förutspå latent elförbrukning i områden som för närvarande är underförsörjda, samt de många intressenterna inom området för tillgång till el, kan göra det utmanande att utforma användbara och informativa scenarier. Som svar på detta presenterar den första artikeln den första analysen som använder sig av ”scenario discovery” inom geospatial elektrifieringsmodellering. I metoden scenario discovery produceras en stor uppsättning simuleringar baserat på variationer av modellparametrar. Därefter tillämpas statistiska datautvinningsalgoritmer för att identifiera potentiella scenarier av intresse bland dessa simuleringar. Genom att använda denna metod identifieras nyckelscenarier som har högst risk att leda till höga elektrifieringskostnader samt högst chans till låga kostnader i Burkina Faso.

Den andra forskningsfrågan fokuserar på tidsaspekten inom geospatial elektrifieringsmodellering, och syftar till att förstå hur olika tidslinjer förändrar dynamiken mellan elektrifieringsteknologierna. Geospatiala elektrifieringsmodeller har, med några få undantag, fokuserat på att identifiera de minst kostsamma teknologierna för ett enda år, antingen 2030 eller tidigare. Detta ger dock begränsad insikt om hur systemet kan utvecklas över tid. I den andra artikeln modelleras elektrifiering i Etiopien i 10-årsintervaller fram till 2070. Övergången mellan teknologierna under denna längre tidsram studeras under olika begränsningar och nivåer på efterfrågan på el. Vidare fokuserar den tredje artikeln på hur tid inkorporeras i modellen. Genom en fallstudie av Somalia utforskas elektrifieringsalternativ både fram till 2030 och 2040. Först körs modellen liknande en modell med perfekt framsynthet, där de minst kostsamma elektrifieringslösningarna identifieras direkt för befolkningen och efterfrågan för år 2030 respektive 2040. Därefter körs modellen i kortare tidssteg, först i femårstakt och sedan i ettårstakt, för att utforska hur de minst kostsamma lösningarna vid slutet av analysen ändras och vilka konsekvenser detta har för planeringen av elektricitetsåtkomst. Resultaten från båda fallstudierna visar att kortare tidsplanering ledde till relativt högre nivåer av fristående teknologier, medan mer långsiktig planering gynnar småskaliga elnät och det centrala nätet i större utsträckning.

Den tredje forskningsfrågan syftar till att belysa effekterna av olika modelleringsmetoder och modellkomplexitet inom geospatial elektrifieringsmodellering. Flera geospatiala elektrifieringsverktyg och metoder har utvecklats och tillämpats för att informera beslut och planering för ökad elektricitetsåtkomst. Dessa verktyg och metoder skiljer sig åt när det gäller modellkomplexitet. En jämförelse av publicerade resultat från geospatial elektrifieringsmodeller visar att även i de fall där de studerar samma region och liknande efterfrågenivåer, identifierar studierna olika andelar av de tre elektrifieringsteknologierna. Den fjärde artikeln presenterar det första flexibla geospatiala elektrifieringsverktyget, som kan ge både snabba initiala bedömningar och mer detaljerade analyser i utbyte mot ökad modelleringstid. Genom en fallstudie av DRC undersöks effekterna av geospatial elektrifieringsmodellering från den snabbare initiala bedömningen samt de mer detaljerade versionerna av verktyget. Skillnader i mixen av elektrifieringsteknologier med olika algoritmer i OnSSET-verktyget undersöks, liksom skillnaden i data- och beräkningskrav.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-337676