Load profiling and demand side management methods for optimized and sustainable microgrids in East Africa

Etwa 600 Millionen Menschen in Subsahara-Afrika (SSA) haben nach wie vor keinen Zugang zu elektrischem Strom, was drei Viertel der weltweit nicht elektrifizierten Bevölkerung entspricht. Microgrids, insbesondere auf Solarenergie basierenden Systeme, werden angesichts der reichlich vorhandenen Sonnenenergie in der Region zunehmend als gangbarer Weg zur Überbrückung dieser Lücke anerkannt. Die inhärente Unbeständigkeit erneuerbarer Energien erfordert jedoch Batteriespeicher sowie effektive Strategien zum Nachfragemanagement (DSM), um die Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit von Microgridsystemen zu gewährleisten.Diese Dissertation untersucht DSM-Ansätze für ländliche Microgrids in Ostafrika, wobei der Schwerpunkt auf Solar-PV-Batterie- und Hybridsystemen liegt. Der schnell wachsende Kühlungssektor in Afrika, der bis 2030 voraussichtlich von 80 Millionen auf 200 Millionen Geräte anwachsen wird, stellt einen kritischen, aber noch wenig erforschten Bereich für DSM-Maßnahmen dar. Es wurde deshalb dafür eine Kombination aus Modellierung, Simulation und experimentellen Studien durchgeführt. Die Kühlplanung für einen Standort in Kenia wurde auf der Grundlage von Daten zur Temperaturentwicklung der Kühlschränke und Gefriertruhen optimiert, was zu einer Gesamtreduzierung des Bedarfs um 8% und einer Verschiebung der Abendspitzenzeit um 1 Stunde führte. Es wurde eine Überarbeitung der Energieeffizienz-Kennzeichnungsstandards für Ostafrika vorgeschlagen, um der Alterung und Effizienzverschlechterung von Kühlgeräten Rechnung zu tragen, die nach 10 Jahren zu einem Anstieg des Energieverbrauchs um 23% führen kann. Experimentelle Untersuchungen zur Ladezustands- und temperaturbasierten Steuerung von Kühlgeräten zeigten eine verbesserte Abstimmung des Kühlbedarfs mit erhöhten Batterieladezustands- und PV-Erzeugungszeiten und führten zu einer durchschnittlichen Reduzierung des täglichen Energieverbrauchs für die Kühlung von drei Geräten um 14 %, wobei die Einsparungen je nach Gerät variierten.Die Analyse der System- und Kundenlastprofile von Mikronetzen in Uganda und Tansania unterstrich die Bedeutung von DSM-Strategien wie dem strategischen Lastwachstum zur Verbesserung der PV-Nutzung. Ein neuartiger Ansatz zur Integration von Elektro-Zweirädern und tragbaren Speichern in ein Microgrid in Uganda wurde untersucht. Die Ergebnisse zeigten eine Senkung der Stromgestehungskosten (LCOE) um 57 % auf 0,35 USD/kWh, eine Reduzierung der nicht-genutzten PV-Energie um 98,5 % in kWh und eine Vermeidung von jährlichen CO₂-Emissionen in Höhe von 73,3 Tonnen, was den jährlichen Emissionen von 57 konventionellen, mit fossilen Brennstoffen betriebenen Zweirädern entspricht, die täglich 50 km zurücklegen. Darüber hinaus könnten jährlich 160 zusätzliche Kunden als Off-Microgrid-Verbraucher versorgt werden, ohne dass Investitionen in die Verteilungsinfrastruktur erforderlich wären.Diese Ergebnisse zeigen das beträchtliche Potenzial von DSM zur Verbesserung der Nachhaltigkeit, Effizienz und Skalierbarkeit von Microgrids und Energiesystemen im Allgemeinen in Ostafrika durch übergreifende Konzepte, die Kühlung, Batteriespeicherung und E-Mobilität miteinbeziehen. About 600 million people in Sub-Saharan Africa (SSA) remain without access to electricity, representing three-quarters of the world’s unelectrified population. Microgrids, particularly solar-based systems, are increasingly recognized as a viable pathway to bridging this gap, given the region’s abundant solar resources. However, the inherent intermittency of renewable energy calls for battery storage as well as effective demand side management (DSM) strategies to ensure microgrid system reliability and sustainability.This dissertation investigates DSM approaches for rural East African microgrids, focusing on solar PV-battery and hybrid systems. The rapidly growing refrigeration sector in Africa, projected to increase from 80 million to 200 million appliances by 2030, presents a critical but underexplored area of intervention for DSM. A combination of modeling, simulation, and experimental studies was conducted. Refrigeration scheduling for a site in Kenya was optimized based on appliance temperature evolution data, giving an 8% overall demand reduction and a shift by 1 hour in the time of the evening peak. A revision of energy efficiency labeling standards for East Africa was proposed to account for ageing and efficiency degradation in refrigeration appliances, which can lead to a 23% increase in energy consumption after 10 years. Experimental investigation of battery state of charge and temperature-based control for refrigeration appliances demonstrated improved alignment of refrigeration demand with elevated battery charge and PV generation periods and resulted in an average 14% reduction in daily refrigeration energy use for three appliances, with performance improvements varying across appliances.Analysis of system and customer load profiles from microgrids in Uganda and Tanzania highlighted the importance of DSM strategies such as strategic load growth to enhance PV utilization. A novel approach integrating electric two-wheelers and portable storage into a microgrid in Uganda was investigated. Results showed a 57% reduction in Levelized Cost of Energy (LCOE) to USD 0.35 USD/kWh, a 98.5% reduction in kWh of curtailed PV energy, and avoided annual CO₂ emissions of 73.27 tons, equivalent to annual emissions from 57 fossil-fuel two-wheelers travelling 50 km daily. Furthermore, 160 additional customers could be served annually as off-microgrid consumers without requiring investment in distribution infrastructure.These findings demonstrate the considerable potential of DSM to improve the sustainability, efficiency, and scalability of microgrids and energy systems in general in East Africa, through approaches addressing refrigeration, battery storage and e-mobility.