Performances environnementale et économique de mini-réseaux solaires pour l'électrification rurale en Afrique et évaluation de politiques publiques pour réduire leur empreinte carbone

Environmental and economic performance of solar mini-grids for rural electrification in Africa and evaluation of public policies to reduce their carbon footprint

• Auteur / Autrice : Théo Chamarande
• Direction : Benoît Hingray, Sandrine Mathy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l’Environnement
• Date : Soutenance le 18/09/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des géosciences de l'environnement (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Delphine Riu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Wim Thiery, Daniel Yamegueu Nguewo, Tuan Tran-Quoc
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Anna Creti-Bettoni, Marco Borga

Mots clés

Mots clés contrôlés

Afrique

Électrification photovoltaïque

Énergies renouvelables

Électrification rurale

Mots clés libres

Electrification

Afrique

Energies renouvelables

Mini-Réseaux

Empreinte carbone

Photovoltaïque

Renewable energies

Electrification

Africa

Mini-Grids

Carbon Footprint

Photovoltaic

Résumé

Garantir un accès universel à une énergie fiable, durable et à un coût abordable d'ici 2030 demanderait d’électrifier 600 millions de personnes en Afrique subsaharienne. Dans les zones rurales, les mini-réseaux (MR) basés sur une production d’électricité décentralisée (solaire, diesel, hydroélectrique, etc.) et isolés du réseau national constituent une des pistes les plus intéressantes pour atteindre cet objectif à faibles coûts, et on dénombre plusieurs milliers de projets de MR déjà réalisés ou à l’étude sur le continent Africain. En outre, cette électrification doit être compatible avec les trajectoires mondiales de neutralité carbone d’ici quelques décennies pour respecter l’Accord de Paris en limitant le réchauffement climatique en dessous de 2°C. Cette thèse évalue le potentiel des MR hybrides, basés sur du solaire PV, des batteries et un groupe électrogène diesel pour électrifier des zones rurales en Afrique tout en satisfaisant ces deux contraintes : un faible coût de l'électricité et de faibles émissions de gaz à effet de serre.Dans un premier chapitre, nous évaluons le coût actualisé de l’énergie (CAE) minimum que l’on peut atteindre avec des MR 100% solaire. Pour cela, nous simulons le fonctionnement de MR fictifs sur l’ensemble du continent Africain à partir de données météorologiques (rayonnement, température) et de profils de demande électrique idéalisés. Nous montrons alors la forte sensibilité des configurations (capacité PV, capacité de batteries) qui minimisent le CAE aux caractéristiques de la ressource solaire et de sa co-variabilité temporelle avec la demande électrique.Même si ces MR 100% solaire n’utilisent pas d’énergies fossiles, leur empreinte carbone (EC) n’est pas nulle. Les émissions indirectes de CO2 liés aux équipements solaires et aux batteries ne sont pas négligeables et dans le deuxième chapitre, nous quantifions leur EC qui s’élève à environ 200gCO2/kWh. De plus, les coûts associés à ces systèmes sont bien plus élevés que ceux obtenus avec des MR hybrides utilisant du diesel. Nos résultats montrent en effet qu’inclure un générateur diesel dans la production d’énergie permet de réduire d’environ 30% les coûts de production de l’électricité, en contrepartie d’un doublement de l’empreinte carbone. Ainsi, il n’est actuellement pas possible de minimiser à la fois les coûts et les émissions des MR, mais l’on peut identifier certaines configurations qui offrent des compromis intéressants entre ces deux objectifs.En pratique, la minimisation des coûts est priorisée par les développeurs de MR par rapport à la minimisation des émissions. Nous proposons, dans un troisième chapitre, d’évaluer différentes politiques publiques possibles (subventions, taxes) pour réduire l’EC de l’optimum économique. Nous évaluons en particulier leur efficacité en estimant la valeur économique d’une tonne de CO2 évitée. A travers les exemples du Kenya, du Sénégal, du Nigéria et de Madagascar, nous montrons qu’il est important de prendre en compte l’hétérogénéité de la ressource solaire et des contextes économiques dans la manière de définir les objectifs de réduction d’EC et les moyens d’y parvenir.Dans le dernier chapitre, nous menons une analyse qualitative pour mieux comprendre le cadre institutionnel dans lequel sont développés les MR en nous basant sur des documents, des entretiens et des observations collectées lors de la thèse, principalement au cours d’un terrain au Kenya. Cette étude permet d’observer comment les modes de financement et de régulation contraignent le dimensionnement des MR et d’identifier les potentiels obstacles à la mise en œuvre de politiques publiques de réduction de leur EC.Finalement, nous concluons que les MR peuvent être une solution pour électrifier à un coût abordable avec de faibles émissions de GES, mais pour cela, de nombreux efforts restent encore à faire pour financer ces infrastructures, assurer leur pérennité et décarboner les chaines de production de leurs composants.

Ensuring universal access to reliable, sustainable and affordable energy by 2030 would require electrifying 600 million people in sub-Saharan Africa. In rural areas, mini-grids (MGs) based on decentralized electricity production (solar, diesel, hydro, etc.) and isolated from the national grid are one of the most interesting ways to achieve this objective at low cost, and there are several thousand MG projects already completed or under study on the African continent. Furthermore, this electrification must be compatible with the global pathways of carbon neutrality within a few decades in order to respect the Paris Agreement by limiting global warming below 2°C. This thesis evaluates the potential of hybrid MGs, based on solar PV, batteries and a diesel generator, to electrify rural areas in Africa while satisfying both constraints: low electricity costs and low greenhouse gas emissions.In a first chapter, we evaluate the minimum levelized cost of energy (LCOE) that can be achieved with 100% solar MGs. To do so, we simulate the operation of fictitious MGs on the whole African continent using meteorological data (irradiance, temperature) and idealized electricity demand profiles. We then show the strong sensitivity of the configurations (PV panel capacity, battery capacity) that minimize the LCOE to the characteristics of the solar resource and its temporal co-variability with the electricity demand.Even though these 100% solar MGs do not use fossil fuels, their carbon footprint (CFP) is not zero. The indirect CO2 emissions from the solar equipment and batteries are not negligible and in the second chapter we quantify their CFP which amounts to about 200gCO2/kWh. Moreover, the costs associated with these systems are much higher than those obtained with hybrid MGs using diesel. Our results show that including a diesel generator in the energy production reduces the cost of electricity production by about 30%, while doubling the carbon footprint. Thus, it is not currently possible to minimize both the costs and the emissions of MGs, but some configurations can be identified that offer interesting trade-offs between these two objectives.In practice, cost minimization is prioritized by MG developers over emissions minimization. In a third chapter, we propose to evaluate different possible public policies (subsidies, taxes) to reduce the CFP of the economic optimum. In particular, we evaluate their effectiveness by estimating the economic value of a ton of CO2 avoided. Through the examples of Kenya, Senegal, Nigeria and Madagascar, we show that it is important to take into account the heterogeneity of the solar resource and of the economic contexts when defining the objectives of CFP reduction and the means of achieving them.In the last chapter, we conduct a qualitative analysis based on documents, interviews and observations collected during the thesis, mainly during a fieldwork in Kenya, to better understand the institutional framework in which MGs are developed. This allows to observe how the modes of financing and regulation constrain the dimensioning of MGs and to identify potential obstacles to the implementation of public policies to reduce their CFP.Finally, we conclude that MGs can be a solution for affordable electrification with low GHG emissions, but for this, many efforts still need to be made to finance these infrastructures, ensure their sustainability and decarbonize the production chains of their components.