Geospatial Open-Source Modelling for Integrated Energy Access Planning

Abstract

År 2015 kom Förenta nationernas (FN) generalförsamling överens om en uppsättning av 17 hållbarhetsmål, definierade av 169 delmål. Avsikten är att dessa ska uppnås senast 2030. Bland dem finns mål 7. Mål 7 ämnar att "Säkerställa tillgång till ekonomiskt överkomlig, tillförlitlig, hållbar och modern energi för alla". Det första delmålet för mål 7 nämner specifikt tillgång till elektricitet och ren teknik för matlagning. Tillgång till elektricitet medför många fördelar över olika sektorer, inklusive hushåll, sjukvård och skola. Tillgång till ren teknik för matlagning är också viktig och kan bland annat bidra till att minska skadliga hälso- och miljöeffekter samt höga alternativkostnader relaterade till nuvarande matlagningspraxis.

Även om mål 7 har visat sig vara viktigt, har dess uppnående förblivit flyktigt. År 2021 uppskattades 675 miljoner människor världen över sakna tillgång till el. Det största tillgångsgapet återfinns i Afrika söder om Sahara (SSA), där endast 50 % av befolkningen hade tillgång till el. När det gäller ren teknik för matlagning är situationen desto värre, med cirka 2,3 miljarder människor globalt som förlitar sig på icke-rena matlagningsbränslen. Återigen är tillgångsgapet mest påtagligt i SSA, där endast 18 % av befolkningen använder ren matlagning. Situationen i SSA förvärras ytterligare av att befolkningen ökar i snabbare takt än tillgången till ren teknik för matlagning.

För modellering av tillgång till elektricitet används alltmer geografiska informationssystem (GIS) och geospatial data. Eftersom varje fall i ett område är unikt och kräver kontextspecifik information, kan geospatial data effektivisera modelleringen mot universell tillgång till elektricitet. Tillgänglighet av resurser, bränslekostnader och tillgång till diverse infrastruktur förändras över ett undersökningsområde och geospatiala metoder hjälper till att inkludera dessa förändringar. Det finns ingen anledning att tro att detta inte gäller även för frågan om ren teknik för matlagning. Ändå finns det hittills inga geospatiala verktyg som jämför de relativa kostnaderna och fördelarna med olika matlagningslösningar.

GIS i modellering av tillgång till elektricitet, även om bevisat användbart, är fortfarande en relativt ny företeelse och mycket utveckling sker fortfarande inom området. En sådan betydande utveckling var övergången från rasterbaserade populationskartor till aggregerade vektorkartor. Ett raster delar in ett område i enhetliga delar där varje del innehåller information om studieområdet. Det kan vara fördelaktigt med enhetliga enheter vid modellering, men detta gör att rasters ofta misslyckas med att fånga den storlek och form som samhällen naturligt har. Å andra sidan kan aggregering av rasters till vektorssamhällen påverka modelleringsresultat. Med detta i åtanke utforskar den första forskningsfrågan hur aggregering av data förändrar modelleringsresultaten i geospatiala elektrifieringsmodeller. I Publikation I presenteras en algoritm med öppen källkod för skapandet av aggregerade vektorsamhällen utifrån rasterdata. Denna kod tillämpas på 44 länder i SSA. Som en del av publikationen används även ljus under nattetid för att bedöma elektrifieringsgraden inom samhällen och befolkningstäthet används för att bedöma den urbana-rurala uppdelningen för varje land. Elektrifieringsgraden och den urbana-rurala uppdelningen valideras därefter mot publicerad data och jämförs med tidigare resultat. Därefter jämför Publikation II resultat producerade av Open Source Spatial Electrification Tool (OnSSET) med olika nivåer av populationsaggregering. Detta görs för tre fallstudier (Benin, Malawi och Namibia), genom att producera 26 populationsbaser för varje land. Två av baserna är raster med olika upplösningar, tre använder metoden utvecklad i Publikation I och 21 är aggregerade med hjälp av Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise (DBSCAN) -algoritmen. Utöver detta presenterar Publikation II den första globala känslighetsanalysen för geospatiala elektrifieringsmodeller. Den globala känslighetsanalysen möjliggör jämförelser av betydelsen av parametrar som tidigare forskning har identifierat som viktiga och betydelsen av populationsaggregering.

Den andra forskningsfråga utforskar om, och hur, GIS kan användas för att utveckla verktyg för modellering av olika matlagningslösningar. För att svara på denna fråga presenteras OnStove i Publikation III. OnStove är det första geospatiala verktyget som jämför de relativa kostnaderna och fördelarna med olika matlagningslösningar. Publikation III beskriver verktyget och tillämpar det för första gången på 44 länder i SSA. Källkoden är öppen och all data som används för att köra analysen (samt resultaten) är publicerade och tillgängliga för en bredare allmänhet. Två huvudscenarion utvecklas för SSA för att bedöma potentiella skillnader mellan den nuvarande situationen och en situation där nettovärdet (definierat som totalt värde minus total kostnad) i regionen maximeras. Utöver de två huvudscenarierna utvecklas 680 scenarion som en del av en global känslighetsanalys för att bedöma 33 parametrars påverkan av viktiga resultat.

Den sista forskningsfrågan utvärderar hur resultaten från ett geospatialt elektrifieringsverktyg (OnSSET) och ett geospatialt verktyg för att modellera matlagning (OnStove) förändras när målen för universell elektrifiering och tillgång till ren matlagning modelleras samtidigt. Detta görs genom att länka de två tidigare nämnda verktygen i Publikation IV genom en fallstudie i Kenya. Resultaten beskriver hur den minst kostsamma teknikfördelningen och nivån på elpriset förändras i Kenya när elförbrukningen ökar till följd av att elektrisk matlagning inkluderas. På matlagningsfronten redogör publikationen för hur konkurrenskraften för elektriska spisar förändras när elektrifieringen ökar och nivån på elpriset förändras. Publikation IV fördjupar också insikterna om forskningsfråga ett och två då en ny upplösning används för att generera populationskluster med koden utvecklad i Publikation I och nya utvecklingar görs för OnStove.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-342512