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Electricity access and rural development: Review of complex socio-economic dynamics and causal diagrams for more appropriate energy modelling
Full text linkThe causal relationships between electrification and development of poor, rural communities are complex and contextual. The existing literature focuses mainly on the impact of rural electrification and electricity use on local socio-economic development, while the reverse feedbacks of various social and economic changes on electricity demand and supply have not been fully characterized. Most electricity access impact assessments assume linear, one-way effects and linear growth in electricity demand. However, the projections rarely match the reality, creating challenges for rural utilities. From a modelling perspective, the lack of attention to dynamic complexities of the electricity-development nexus prevents the appropriate modelling of electricity demand over time and, hence, informed planning for and sizing of power plants. With the goal to improve modelling of the electricity-development nexus, we undertake a comprehensive review and extensive analysis of the peer-reviewed literature on electricity access and its impact on rural socio-economic development, and vice versa. We characterize and describe the nexus between electricity access and development through graphical casual diagrams that allow us to capture, visualise and discuss the complexity and feedback loops. Based on this, we suggest guidelines for developing appropriate models able to include and simulate such complexities. Our analysis confirms that electricity use is interconnected through complex casual relations with multiple dimensions of socio-economic development, viz. income generating activities, market production and revenues, household economy, local health and population, education, and habits and social networks. The casual diagrams can be seen as a first step of the conceptualization phase of model building, which aims at describing and understanding the structure of a system. The presence of multiple uncertain parameters and complex diffusion mechanisms that describe the complex system under analysis suggests that systems-dynamic simulations can allow modelling such complex and dynamic relations, as well as dealing with the high uncertainties at stake, especially when coupled with stochastic approaches
Solar irrigation in sub-Saharan Africa: economic feasibility and development potential
Full text linkIrrespective of water resource abundance, agriculture in sub-Saharan Africa (SSA) is predominantly rainfed. Along with fertilization, irrigation could support smallholder farmers with stabilizing crop yields, increasing incomes, and achieving food security. A key barrier to irrigation uptake is inadequate rural electricity supply for pumping and distributing water, besides other infrastructure deficits. Here we devise a spatially explicit integrated modelling framework to show that over one third of unmet crop water requirements of 19 major crops in smallholder cropland of SSA could be supplied with standalone solar photovoltaic (PV) irrigation systems that can be paid back by farmers within 20 years. This accounts for 60 km ^3 yr ^−1 of blue irrigation water requirements distributed over 55 million ha of currently rainfed harvested area (about 40% of the total). Crucially, we identify 10 million ha with a profit potential >3 billion yr ^−1 , generating potential profits of over $5 billion yr ^−1 from increased yields to the smallholder farmers, as well as significant food security and energy access co-benefits. We demonstrate the critical importance of business models and investment incentives, crop prices, and PV & battery costs in shaping the economic feasibility and profitability of solar irrigation. Yet, we find that without strong land and water resources management infrastructure and governance, a widespread deployment of solar pumps may drive an unsustainable exploitation of water sources and reduce environmental flows. Our analysis supports public and private stakeholders seeking to target investments along the water–energy–food–economy–sustainable development nexus
Essays on Energy and Development in sub-Saharan Africa: Energy access, climate change, and the Nexus
Full text linkLa seguente Tesi di Dottorato si articola in cinque saggi che esaminano alcuni importanti aspetti legati all'energia in Africa subsahariana, e in particolare all'interazione tra lo sviluppo socio-economico e le sue implicazioni per l'ambiente a livello regionale e globale. I saggi sono introdotti da un capitolo di avvicinamento generale ai temi trattati. Questo capitolo prepara il lettore offrendo un riassunto delle principali sfide legate all'energia nel contesto subsariano e formulando le domande di ricerca e gli strumenti sui quali si basa la tesi stessa. Le principali implicazioni di ciascuno dei saggi, sia per la ricerca che per i decisori politici, vengono poi presentate in un capitolo di discussione finale. Il primo saggio esamina la problematica dell’accesso all'energia, e in particolare all'elettricità. Viene illustrato il ruolo dei dati satellitari e dell'analisi statistica dei dati geospaziali nel migliorare la comprensione della situazione dell'accesso all'elettricità in Africa subsahariana. Il saggio include un'analisi delle disuguaglianze che caratterizzano la qualità dell'accesso all'elettricità nella regione. Il risultato principale è che, dopo decenni, la disuguaglianza nell'accesso all'energia sta iniziando a diminuire. Essa rimane però prominente, in particolare per quanto riguarda la quantità di energia consumata. Viene stimato che gli sforzi di elettrificazione tra il 2020 e il 2030 debbano triplicare il loro passo per raggiungere l'obiettivo di sviluppo sostenibile SDG 7.1.1. Il secondo saggio consiste di una piattaforma di valutazione della domanda energetica bottom-up spazialmente esplicita per stimare il fabbisogno energetico tra le comunità in cui l'accesso all'elettricità è attualmente carente, come identificato con la metodologia introdotta nel primo saggio. La valutazione non si limita al fabbisogno energetico residenziale, ma include un resoconto dettagliato, basato sugli usi finali, del fabbisogno energetico di scuole, strutture sanitarie, pompaggio dell'acqua per l'irrigazione, lavorazione delle colture e microimprese, i principali motori dello sviluppo rurale. Viene condotto uno studio nazionale per il Kenya per dimostrare l'importanza di considerare molteplici fonti di domanda oltre al residenziale quando l'obiettivo è sviluppare una strategia di elettrificazione che supperisca veramente alla povertà energetica. Si dimostra poi che esiste un notevole potenziale di crescita della produttività e della redditività rurale grazie all'apporto di energia elettrica. In molte aree, questi profitti locali potrebbero ripagare gli investimenti nelle infrastrutture di elettrificazione in pochi anni. Il terzo saggio analizza un aspetto specifico dell'interazione tra pianificazione dell'accesso all'elettricità, domanda di energia residenziale e adattamento ai cambiamenti climatici. Vengono combinati dati e scenari climatici, satellitari e demografici per produrre una stima globale spazialmente esplicita della domanda di circolazione e condizionamento dell’aria non soddisfatta a causa della mancanza di accesso all'elettricità. Sulla base di modelli integrati di elettrificazione climatica-energetica e geospaziale, risulta che in Africa sub-sahariana, l'hotspot globale della povertà energetica, tenere conto del fabbisogno di circolazione e condizionamento dell’aria locale stimato (in aggiunta agli obiettivi di consumo residenziale di base) determini una riduzione sostanziale della quota di sistemi standalone come l'opzione di elettrificazione meno costosa entro il 2030, e un importante aumento della capacità di generazione di elettricità e dei requisiti di investimento. Tali risultati suggeriscono la necessità di una maggiore considerazione delle esigenze di adattamento climatico nella pianificazione dei sistemi energetici dei paesi in via di sviluppo e nella valutazione del trade-off tra l'espansione della rete elettrica centrale e sistemi decentralizzati per raggiungere un’elettrificazione universale. La pianificazione dell'elettrificazione deve essere tecnicamente efficiente, ma deve anche considerare l'ambiente politico-economico in cui gli investimenti vengono canalizzati. Il quarto saggio valuta il ruolo della governance e della qualità regolatoria nel quadro di modellazione dell'accesso all'energia elettrica. In particolare, si introduce un indice di governance dell'accesso all'elettricità basato su più indicatori che viene poi implementato nel modello di elettrificazione IMAGE-TIMER. L’effetto dell’indice viene modellato attraverso il suo effetto modificatore sui tassi di sconto privati (una misura del rischio e della disponibilità ad accettare costi futuri rispetto ai costi attuali). I risultati mostrano che la governance e la qualità regolatoria nell'accesso all'elettricità hanno un impatto significativo sul mix tecnologico ottimale e sui flussi di investimenti privati per raggiungere l'elettrificazione universale in Africa subsahariana. In particolare, un ambiente rischioso scoraggia l’investimento da parte dei fornitori privati di soluzioni di accesso decentralizzato all'energia, con il rischio di lasciare molti senza elettricità anche oltre il 2030. Il quinto e ultimo saggio analizza il settore energetico africano da un punto di vista ‘Nexus’. Il saggio valuta l'affidabilità del sistema energetico nei sistemi energetici dominati dall'energia idroelettrica (come in molti paesi dell'Africa centrale e orientale) e del ruolo che i cambiamenti climatici e gli eventi estremi possono esercitare su di esso. Il lavoro combina analisi qualitative e quantitative per (i) proporre un solido framework per evidenziare le interdipendenze tra energia idroelettrica, disponibilità di acqua e cambiamento climatico, (ii) analizzare sistematicamente lo stato dell'arte sugli impatti previsti dei cambiamenti climatici su l'energia idroelettrica nell'Africa subsahariana e (iii) fornire evidenza empirica sui trend passati e sulle traiettorie di sviluppo futuro del settore. I risultati suggeriscono che il cambiamento climatico influenzerà l'affidabilità e la sicurezza della fornitura elettrica attraverso diversi canali. Ad esempio, molti dei principali bacini idrologici sono stati caratterizzati da una diminuzione del livello idrico nel corso del ventesimo secolo. Si evidenzia come tuttavia una diversificazione del mix di generazione elettrico sia finora stata promossa solo in un numero limitato di paesi. Si suggerisce infine che l'integrazione delle fonti rinnovabili variabili con l'energia idroelettrica possa aumentare la resilienza del sistema.This dissertation is a collection of five essays examining some important energy-related aspects at the interplay of sub-Saharan Africa (SSA)’s development and its interactions with the regional and global environment. The essays are introduced by a general overview chapter – highlighting the core energy-related challenges of SSA and the scope of this work. The main implications of the essays, both for research and for policymakers, are then considered in the final discussion chapter.
The first essay focuses on access to modern energy, and chiefly on electricity. I illustrate the role of satellite data and the statistical analysis of geospatial data in improving the understanding of the electricity access situation in sub-Saharan Africa. The essay includes an analysis of inequality characterising the electricity access quality in the region. The main finding is that after decades, energy access inequality is beginning to decline but it remains prominent in particular as far as the quantity consumed is concerned. I find that electrification efforts between 2020 and 2030 must triplicate their pace to meet Sustainable Development Goal 7.1.1.
The second essay develops a spatially-explicit bottom-up energy demand assessment platform to estimate the energy needs among communities where access to electricity is currently lacking, as identified with the methodology introduced in the first essay. The assessment is not restricted to residential energy needs, but it includes a detailed, appliance-based account of power needs for schools, healthcare facilities, water pumping for irrigation, crop processing, and micro enterprises, the key drivers of rural development. I carry out a country-study for Kenya to show the importance of considering multiple demand sources beyond residential when the aim is developing an electrification strategy which truly overcomes energy poverty. I also show that there is considerable potential for rural productivity and profitability growth thanks to the input of electric energy. In many areas, these local profits might pay back the electrification infrastructure investment in only few years.
The third essay analyses a specific aspect at the interplay between electricity access planning, household energy demand and climate change adaptation. I combine climate, satellite, and demographic data and scenarios to produce a global spatially-explicit estimate of unmet ACC demand due to the lack of electricity access. Based on integrated climate-energy and geospatial electrification modelling, I find that in sub-Saharan Africa, the global hotspot of energy poverty, accounting for the estimated local ACC needs on top of baseline residential consumption targets determines a substantial reduction in the share of decentralised systems as the least-cost electrification option by 2030, and a major ramp-up in the power generation capacity and investment requirements. My results call for a greater consideration of climate adaptation needs in the planning of energy systems of developing countries and in evaluating the trade-off between the central power grid expansion and decentralised systems to achieve universal electrification.
Electrification planning must be techno-economically efficient, but it must also consider the political-economic environment where investment needs to be channelled. The fourth essay evaluates the role of governance and regulatory quality in the electricity access modelling framework. In particular, I introduce an Electricity Access Governance Index based on multiple indicators implement it into the PBL’s IMAGE-TIMER electrification model through its modifier effect on private discount rates (a measure of risk and willingness to accept future costs vis-à-vis present costs). The results show that governance and regulatory quality in electricity access have a significant impact on the optimal technological mix and the private investment flows for reaching universal electrification in sub-Saharan Africa. In particular, risky environment crowd out private providers of decentralised energy access solutions with the risk of leaving many without electricity even after 2030.
The fifth and final essay takes a nexus perspective in the analysis of the African power sector. It deals with the reliability of the energy system in hydropower-dominated power systems (such as in many countries in Central and East Africa) and the role that climate change and extreme events can exert on it. The essay combines qualitative and quantitative analysis to (i) propose a robust framework to highlight the interdependencies between hydropower, water availability, and climate change, (ii) systematically review the state-of-the art literature on the projected impacts of climate change on hydropower in sub-Saharan Africa, and (iii) provide supporting evidence on past trends and current pathways of power mix diversification, drought incidence, and climate change projections. I find that climate change can affect supply reliability and security in multiple ways. For instance, several major river basins have been drying throughout the twentieth century. Nonetheless, I highlight that diversification has hitherto only been promoted in a limited number of countries. I suggest how integrating variable renewables and hydropower can increase system resilience
An analysis of cross-sectional variations in total household energy requirements in India using micro survey data
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Elasticities of electricity demand in urban Indian households
No full textIn the past, several electricity demand studies have been published for India based on aggregate macro data at the country or sub-national/state level. Since the underlying theory of consumer demand is based on the behaviour of individual agents, the use of micro data, which reflects individual and household behaviour, more closely, can shed greater light on the nature of consumer responses. In this paper, seasonal price and income elasticities of electricity demand in the residential sector of all urban areas of India are estimated for the first time using disaggregate level survey data for about thirty thousand households. Three electricity demand functions have been econometrically estimated using monthly data for the winter, monsoon and summer season in order to understand the extent to which factors like income, prices, household size and other household specific characteristics, influence variations observed in individual households’ electricity demand. The results show electricity demand is income and price inelastic in all three seasons, and that household, demographic and geographical variables are significant in determining electricity demand
The household energy transition in India and China
No full textBoth India and China are countries in energy transition. This paper compares the household energy transitions in these nations through the analysis of both aggregate statistics and nationally representative household surveys. The two countries differ sharply in several respects. Residential energy consumption in China is twice that in India, in aggregate terms. In addition, Chinese households have almost universal access to electricity, while in India almost half of rural households and 10% of urban households still lack access. On aggregate, urban households in China also derive a larger share of their total energy from liquid fuels and grids (77%) as compared to urban Indian households (65%). Yet, at every income level, Indians derive a slightly larger fraction of their total household energy needs from liquid and grid sources of energy than Chinese with comparable incomes. Despite these differences, trends in energy use and the factors influencing a transition to modern energy in both nations are similar. Compared with rural households, urban households in both nations consume a disproportionately large share of commercial energy and are much further along in the transition to modern energy. However, total energy consumption in rural households exceeds that in urban households, because of a continued dependence on inefficient solid fuels, which contribute to over 85% of rural household energy needs in both countries. In addition to urbanisation, key drivers of the transition in both nations include income, energy prices, energy access and local fuel availability.Household energy transition Biomass energy Energy access
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