Off-grid rural electrification planning in Sub-Saharan Africa using renewable energy systems: the case of photovoltaics in the Republic of Djibouti
Creators
- Pillot, Benjamin
- Universite de Corse Pascal Paoli, Ecole doctorale environnement et societe, UMR CNRS 6134 SPE, 7, avenue Jean Nicoli, BP52 20250 Corte (France)
- Laboratoire des systemes physiques pour l'environnement, Unite mixte de recherche CNRS/UC UMR 6134, Route des Sanguinaires, Vignola, 20000 Ajaccio (France)
- Centre d'etudes et de recherche de Djibouti - CERD, Route de l'aeroport, BP486, Republique de Djibouti (Djibouti)
- Centre national de la recherche scientifique - CNRS, 3, rue Michel Ange, 75794 Paris Cedex 16 (France)
Description
Over the past 40 years, growth of renewable energies benefited of the new world energy frame, which resulted of the questioning about what development of human societies had to be. Furthermore, although human development comes with electricity, the rural condition of many populations of Sub-Saharan Africa incites us to look for suitable power supply alternatives. Eventually, in this specific context, renewable energies can represent a reliable solution to the off-grid electrification of rural people. However, this solution has to be economical and technical, and not only political. The Republic of Djibouti is a little developing country located in the Horn of Africa which perfectly symbolizes the social and energy challenges of rural populations in Sub-Saharan Africa. Instability and limitation of the existing electrical grid, fuel cost and lack of fossil resources point to the geographically diffused solar resource as probably the best way to improve human development and reduce poverty of Djiboutian rural peoples. Therefore, we have considered the study of photovoltaic (PV) systems within the rural off-grid electrification frame. Essentially, within this work, Djibouti was the study case of an overall scientific methodology, whose primary objective is to be reusable by countries showing similar energy and social characteristics. Firstly, in order to evaluate relevance of these systems, it was necessary to estimate the level and repartition of the solar resource across the country. So we developed a solar atlas, i.e. cartography of the hourly solar irradiation reaching the ground, based on satellite-derived irradiance estimates retrieved between 2008 and 2011. For assessing the atlas quality, we compared irradiation estimates against ground measures retrieved on 4 different sites by 2 temporary weather stations deployed between 2010 and 2013. This comparison globally showed good results with, for the daily case, a maximum relative root mean squared error of 8.05% and a minimum correlation coefficient of 0.8892 through all samples. Finally, yearly map extracted from the atlas showed that, with a daily mean irradiation of 5.87 kWh/m2 day, the solar potential of Djibouti is one of the most significant in the world. Satellite models are useful for determining solar irradiance at ground level but they don't take into account local topography effects. In order to incorporate these shading effects to the satellite-derived irradiance maps, improving therefore irradiance accuracy and spatial resolution, we used a Digital Elevation Model (DEM). Firstly, this disaggregation process was based on the development of a new fast horizon algorithm which was assessed by means of topographic measures in Corsica Island. This model thus shows higher performances than already existing ones, with not only a better precision but also a substantially reduced CPU time consumption, which makes this one a well suited model for calculation of large mapping areas. Finally, by correcting irradiance with horizon shading and elevation gradient for each pixel of the DEM, we improved geographic information of the solar irradiation atlas. Although solar resource is the first indicator of the photovoltaic potential, other elements, as environmental parameters or endogenous characteristics of photovoltaic modules, also have to be taken into consideration to precisely estimate the energy produced by a PV system. Hence, by means of different models, we evaluated the influence of irradiance and temperature onto the conversion efficiency of a PV generator to finally retrieve the atlas of the PV potential across the country. Furthermore, we developed an empirical method to retrieve ambient temperature from land surface temperature (LST), by training an artificial neural network with satellite estimates and ground measurements. In conclusion, by combining this cartography to a multi-criteria approach comparing relevance between PV systems and classical power supply systems within the rural electrification scheme, we developed the first photovoltaic decision making tool of the country intended for all officials acting in the energy field. (author)
Abstract (French)
La remise en question du mode de developpement des societes humaines a, sur ces 40 dernieres annees, profondement transforme le contexte energetique mondial, se traduisant ainsi par l'instauration d'un nouveau cadre politique, dont les engagements auront notamment favorise l'essor des energies renouvelables. Par ailleurs, si l'electricite apparait comme un vecteur fondamental du developpement humain, le contexte des populations majoritairement rurales d'Afrique subsaharienne incite egalement a la recherche d'alternatives energetiques adaptees. En substance, si les ressources renouvelables peuvent repondre de maniere pertinente au defi de l'electrification decentralisee des zones rurales de la region, elles doivent toutefois representer une solution qui, avant d'etre politique, soit credible sur les plans technique et economique. La Republique de Djibouti, petit pays situe dans la corne de l'Afrique, symbolise parfaitement les defis social, economique et energetique de l'ensemble de la region, et des populations rurales en particulier. Avec un pays pauvre en ressources traditionnelles, mais presentant a priori un gisement solaire interessant, nous avons alors privilegie l'etude des systemes photovoltaiques (PV) dans le cadre de l'electrification decentralisee des populations rurales du pays. Comme d'autres ressources, ces systemes, bien que reposant sur une technologie relativement ancienne, ont reellement pris leur essor au debut des annees 2000 avec les mesures incitatives du Protocole de Kyoto. Au cours de ces travaux, la Republique de Djibouti aura servi de cas d'etude a l'elaboration d'une methodologie scientifique generale, centree sur l'energie photovoltaique dans un cadre decentralise, dont les resultats principaux ont vocation a etre reutilises par des pays structurellement voisins, c.-a-d. presentant le meme contexte socio-energetique. evaluer la pertinence de la technologie photovoltaique necessitait, dans un premier temps, d'estimer le niveau et la repartition de la ressource solaire au sein du pays. Pour cela, nous avons construit un atlas de l'irradiation solaire horaire incidente sur le territoire, pour la periode 2008-2011, a partir d'un modele satellitaire de rayonnement. Afin de valider les estimations issues de cet atlas, nous les avons comparees aux mesures in situ relevees par deux stations meteorologiques temporaires deployees, entre 2010 et 2013, sur quatre sites presentant des caracteristiques distinctes. Les resultats de cette comparaison ont montre que les estimations presentaient une bonne precision, avec notamment, pour l'irradiation journaliere, une erreur relative maximale de 8,05% et un coefficient de correlation minimal de 0,8892. Finalement, la carte annuelle extraite de l'atlas a confirme que le gisement solaire du pays, avec une irradiation moyenne de 5.87kWh/m2 par jour, constituait l'un des plus importants au monde. Si les modeles utilisant des donnees satellitaires permettent de retrouver le flux solaire incident au sol, ils ne tiennent en revanche pas compte des effets du relief local sur ce dernier. Ainsi, afin de tenir compte des effets d'ombrage engendres par le terrain, nous avons developpe une procedure dite de desagregation, couplant l'utilisation d'un maillage numerique de terrain (MNT) aux cartes de rayonnement issues du modele satellite. Pour ce faire, nous avons elabore un modele theorique afin de retrouver l'horizon autour d'un point donne, et valide celui-ci a l'aide d'une campagne de mesures topographiques en Corse. Ce dernier apparait ainsi plus performant que les modeles existants, avec, d'une part, une precision plus elevee et, d'autre part, un temps d'execution fortement reduit qui le rend bien adapte au traitement cartographique (nombre important de points). En definitive, en integrant au rayonnement le gradient d'altitude et l'ombrage du a l'horizon pour chaque pixel du MNT, nous avons pu enrichir le niveau de l'information fournie par la cartographie de l'irradiation globale. Bien que le gisement solaire soit l'indicateur principal du potentiel photovoltaique, il est egalement necessaire de considerer des parametres secondaires, elements de technologie et caracteristiques environnementales, qui permettent d'evaluer avec precision l'energie electrique produite par un systeme PV quelconque. En combinant l'utilisation de differents modeles, nous avons ainsi pu integrer a l'estimation finale du productible l'influence du rayonnement et de la temperature sur le rendement de conversion d'un module photovoltaique. a cet egard, nous avons d'ailleurs developpe une methodologie empirique qui, en s'appuyant sur l'utilisation d'un reseau de neurones artificiels, permet de retrouver la temperature ambiante a travers un territoire a partir de donnees satellitaires de la temperature de surface terrestre. Finalement, nous avons construit une cartographie spatiotemporelle du productible PV qui, couplee a une evaluation multicritere de la pertinence de la technologie PV vis-a-vis des alternatives energetiques classiques en matiere d'electrification rurale, est destinee a faciliter la prise de decision pour les differents acteurs, publics ou prives, du domaine de l'energie. (auteur)
Files
Additional details
Additional titles
- Original title (French)
- Planification de l'electrification rurale decentralisee en Afrique subsaharienne a l'aide de sources renouvelables d'energie: le cas de l'energie photovoltaique en Republique de Djibouti
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 265 p.
- Report number
- FRNC-TH--10501
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 50015162
- Subject category
- S14: SOLAR ENERGY; S29: ENERGY PLANNING, POLICY AND ECONOMY;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- AGING; AMBIENT TEMPERATURE; CAPACITY; DJIBOUTI; ENERGY SOURCE DEVELOPMENT; ON-SITE POWER GENERATION; PHOTOVOLTAIC POWER PLANTS; PHOTOVOLTAIC POWER SUPPLIES; RESOURCE ASSESSMENT; RURAL AREAS; SOCIO-ECONOMIC FACTORS; SOLAR RADIATION; SUN CHARTS; TOPOGRAPHY
- Descriptors DEC
- AFRICA; ARAB COUNTRIES; DIAGRAMS; ELECTRONIC EQUIPMENT; EQUIPMENT; INFORMATION; INSTITUTIONAL FACTORS; POWER GENERATION; POWER PLANTS; POWER SUPPLIES; RADIATIONS; SOLAR EQUIPMENT; SOLAR POWER PLANTS; STELLAR RADIATION
Optional Information
- Notes
- [280 refs.]; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses