Sustainable pathways for electrification development: a case study for Pakistan

The sustainable planning of a country needs extensive investigation in the power and transportation sector. Reliable and sustainable resources for electrification is obligatory for better standards of living. The goal of this study includes electrifications pathways in transportation and rural area. The electrification of the transportation system study is evaluated in terms of electricity demand, fuel consumption, and CO2 emissions reduction in the national energy system of Pakistan. For rural electrification of a small community in Pakistan, a techno-economic analysis has been done by using local resources. Planning of EVs up to 2040 has been done using EnergyPLAN®, while the assessment of the electricity demand has been performed through the EPOP simulator. Scenarios have been created by penetrating 30% and 90% of 2-3-4 wheelers EVs for 2030 and 2040 with the baseline year 2020, respectively. Therefore, the fulfillment of the energy demand from renewable energy (RE) resources, particularly PV at daytime and national grid at night-time, is evaluated. Hence, 9 GW PV capacity is needed to satisfy daytime electricity demand of 14.7 TWh/y, and 0.7 GW electric grid capacity is needed to fulfill 4.7 TWh/y at the end of 2040. Consequently, charging scenarios at daytime and night-time are assessed in terms of emissions and fuel consumption. Results also indicate the total reduction of 10.4 Mtonnes in CO2 emissions and 9.1 Mtoe fuel consumption by the end of 2040 in the transport sector. For rural electrification, a sustainable economic system has been designed by using local resources of that remote area that is not connected to the national grid. A microgrid hybrid system has been devised by using HOMER Pro with the proposed two scenarios. A load of village requires from microgrid is 105 kWh/day and it has a peak of 19 kW. The first scenario includes a comparative analysis of two configurations with two types of available PV panels. Generic flat plate panel gives slightly better results over Canadian Solar All-Black CS6K PV. In terms of electricity production and cost, the Generic flat plate panel has 131 MWh/y production and $91,626 cost, and the Canadian Solar All-Black CS6K 127MWh/y production and $91,941 cost. Thus, by analyzing the first scenario, the Generic flat plate panel observes to be efficient to design a hybrid system. The second scenario comprises a system with a Generic flat plate panel with a Diesel generator (DG). DG is used as a backup plan for insufficient power produce or rise in demand and to provide stability to the system and will be operated when it is needed. The net present cost of the hybrid system is $108k with PV production of 94 MWh/y and DG production of 0.08 MWh/y. However, this hybrid system causes some CO2 emissions of 8.64 kg/y. Therefore, this research concludes that the addition of EVs by the end of 2040 would be economically and environmentally beneficial for the whole energy system. The hybrid system design in this research considers being ideal and feasible for Kolahoo village of Baluchistan, Pakistan for electrification. This system could be implemented in other rural areas of Baluchistan, which are not grid-connected.

La pianificazione sostenibile di un paese richiede un'indagine approfondita del settore dell'energia e dei trasporti. Risorse affidabili e sostenibili per l'elettrificazione sono obbligatorie per migliorare gli standard di vita delle persone. L'obiettivo di questo studio include percorsi di elettrificazione nel settore dei trasporti e nelle aree rurali. Questo studio valuta la domanda elettrica, il consumo di carburante e la riduzione delle emissioni di CO2 nel sistema energetico nazionale del Pakistan intervenendo nel settore della mobilità. Per quanto riguarda l'elettrificazione rurale di una piccola comunità in Pakistan, è stata svolta un'analisi tecno-economica utilizzando le risorse locali disponibili. La pianificazione dei veicoli elettrici fino al 2040 è stata effettuata utilizzando EnergyPLAN®, mentre la valutazione della domanda di energia elettrica è stata eseguita attraverso il simulatore EPOP. Gli scenari sono stati creati in modo tale da poter far penetrare nel settore della mobilità il 30% e il 90% dei veicoli elettrici a 2-3-4 ruote per il 2030 e il 2040 prendendo come riferimento il numero di veicoli alimentati a combustibile fossile presenti nel 2020. Pertanto, per soddisfare la domanda di energia sono state valutate le risorse di energia rinnovabile più utilizzate ad ora in Pakistan, in particolare il fotovoltaico durante il giorno, e la rete nazionale di notte. Quindi, risulta necessaria una capacità fotovoltaica di 9 GW per soddisfare la domanda elettrica diurna di 14,7 TWh/anno e una capacità della rete elettrica di 0,7 GW per soddisfare la domanda elettrica notturna di 4,7 TWh/anno alla fine del 2040 a valle dell’implementazione dei veicoli elettrici. Di conseguenza, gli scenari di ricarica diurna e notturna sono valutati in termini di emissioni e riduzione di consumo del carburante. I risultati indicano anche la riduzione totale di 10,4 Mtonnellate nelle emissioni di CO2 e 9,1 Mtep di consumo di carburante entro la fine del 2040 nel settore dei trasporti. Per l'elettrificazione rurale, invece, è stato progettato un sistema economico sostenibile utilizzando le risorse locali di quell'area remota che non è collegata alla rete nazionale. Un sistema ibrido di è stato sviluppato utilizzando HOMER Pro con i due scenari proposti. Si è definito un carico di un villaggio pari a 105 kWh/giorno e un picco di potenza pari a 19 kW. Il primo scenario include un'analisi comparativa di due configurazioni con due tipi di pannelli fotovoltaici disponibili. Il pannello a piastra piatta offre risultati leggermente migliori rispetto al canadese Solar All-Black CS6K PV. In termini di produzione e costi di energia elettrica, il pannello a piastra piana ha una produzione di 131 MWh/anno e un costo di $ 91626, mentre quello canadese Solar All-Black CS6K produce 127 MWh/anno e un costo di $ 91941. Pertanto, analizzando il primo scenario, il pannello a piastra piana risulta essere più efficiente nella progettazione di un sistema ibrido. Il secondo scenario comprende un pannello a piastra piatta accoppiato con generatore diesel che è utilizzato come sistema di backup per la produzione di energia o per fornire stabilità al sistema. Il costo attuale netto del sistema ibrido è di $ 108000 con una produzione fotovoltaica di 94 MWh/anno e una produzione da parte del generatore diesel di 0,08 MWh/anno. Tuttavia, questo sistema ibrido rilascia emissioni di CO2 di 8,64 kg/anno. Questa ricerca conclude che l'aggiunta di veicoli elettrici entro la fine del 2040 sarebbe economicamente e ambientalmente vantaggiosa per l'intero sistema energetico del Pakistan. Inoltre, la progettazione di sistemi ibridi svolta in questo elaborato ha portato a risultati interessanti ed incoraggianti per il villaggio di Kolahoo nel Baluchistan in Pakistan. Questo sistema potrebbe essere implementato anche in altre aree rurali del Baluchistan che non sono collegate alla rete.