Creative ways of utilising renewable energy sources in electricity generation especially in remote areas and particularly in countries depending on imported energy, while increasing energy security and reducing cost of such isolated off-grid systems, is becoming an urgently needed necessity for the effective strategic planning of Energy Systems. The aim of this research project was to design and implement a new decision support framework for the optimal design of hybrid micro grids considering different types of different technologies, where the design objective is to minimize the total cost of the hybrid micro grid while at the same time satisfying the required electric demand. Results of a comprehensive literature review, of existing analytical, decision support tools and literature on HPS, has identified the gaps and the necessary conceptual parts of an analytical decision support framework. As a result this research proposes and reports an Iterative Analytical Design Framework (IADF) and its implementation for the optimal design of an Off-grid renewable energy based hybrid smart micro-grid (OGREH-SμG) with intra and inter-grid (μG2μG & μG2G) synchronization capabilities and a novel storage technique. The modelling design and simulations were based on simulations conducted using HOMER Energy and MatLab/SIMULINK, Energy Planning and Design software platforms. The design, experimental proof of concept, verification and simulation of a new storage concept incorporating Hydrogen Peroxide (H2O2) fuel cell is also reported. The implementation of the smart components consisting Raspberry Pi that is devised and programmed for the semi-smart energy management framework (a novel control strategy, including synchronization capabilities) of the OGREH-SμG are also detailed and reported. The hybrid μG was designed and implemented as a case study for the Bayir/Jordan area. This research has provided an alternative decision support tool to solve Renewable Energy Integration for the optimal number, type and size of components to configure the hybrid μG. In addition this research has formulated and reported a linear cost function to mathematically verify computer based simulations and fine tune the solutions in the iterative framework and concluded that such solutions converge to a correct optimal approximation when considering the properties of the problem. As a result of this investigation it has been demonstrated that, the implemented and reported OGREH-SμG design incorporates wind and sun powered generation complemented with batteries, two fuel cell units and a diesel generator is a unique approach to Utilizing indigenous renewable energy with a capability of being able to synchronize with other μ-grids is the most effective and optimal way of electrifying developing countries with fewer resources in a sustainable way, with minimum impact on the environment while also achieving reductions in GHG. The dissertation concludes with suggested extensions to this work in the future.

Despite recent advances in the global electrification rates, increasing from 76% in 1990 to 85% in 2012, the United Nations goal of universal access to electricity by 2030 is still far from achieved, with an estimated 1.1 billion people still without access to electricity. Over half of these live in Sub-Saharan Africa, with a majority in rural areas and extreme poverty. Major challenges are inert with the current electrification path of centralized grid extension, leaving these people without power in decades to come. Microgrids, a decentralized power system consisting of solar power generation, energy storage and distribution technology, has been hailed as the only option to provide life improving and productivity inducing power for rural communities in Africa. However, despite recent hype and development in the sector, the diffusion of microgrids is still incremental due to a lack of viable large-scale operation, required for profitability. This is explained by targeting customers in remote rural areas with low ability to pay, and the task of delivering expensive technology and complex operations needed to manage and operate the grids. No industry blueprint or research on how to operate microgrids at scale or profitably exists. This thesis explores one blueprint, with the promise to increase profitability and allow for a more sustainable scaling. Local Capacity building is a decentralized approach by developing capacity directly in the local communities, through recruiting, skills development and training of people to be employed to operate and manage their local microgrids. The results consist of a framework outlining what local capacity building is, through research propositions that define the key components capturing the complete system of local capacity building is for scaling a microgrid business, along with the challenges and opportunities associated with scaling a business using local capacity building. It has been developed iteratively by application of an action research approach conducted on a small-scale Zambian Microgrid company facing radical growth. The researcher was immersed in the context, at the heart of this change, and in a participatory and interventionist fashion turning every stone to explore what local capacity building is, resulting in a robust study anchored in the field. Because of the contextually embedded nature of the data, this also means that the results are local. It is up to the reader to assess the applicability of the results in another context. The extensive results span multiple areas of the business, capturing the complexity of local capacity building, and contribute to knowledge on a holistic level on what local capacity building is. This blueprint was deemed viable to further develop in the small-scale Zambian microgrid company, specifically because of its potential to lower operating expenses and offer a more sustainable way to scale, and in extension diffuse microgrids in Africa. / Trots en positiv utveckling i tillgång till el globalt, ökandes från 76% år 1990, till 85% år 2012, så är Förenta Nationernas mål om universell tillgång till el till år 2030, långt ifrån att bli uppfyllt. 1.1 miljarder människor estimeras vara utan tillgång till el globalt, där över hälften av dessa bor i Sub-Saharanska Afrika, med majoriteten levandes på landsbygden och i extrem fattigdom. Stora utmaningar finns med innevarande elektrifierings strategin, som handlar om centraliserad elproduktion och distribution genom ett centralt elnät, detta kommer att lämna dessa människor utan el under lång tid framöver. Mikronät, ett decentraliserat energisystem, som kan producera och distribuera el, har lyfts fram som det bästa alternativet för att försörja livsförbättrande och produktivitetsökande elektricitet för samhällen på landsbygden i Afrika. Dock, trots nylig hype och utveckling i mikronät sektorn, så är spridningen av mikronät fortfarande inkrementell, beroende av en brist på genomförbarheten av att driva mikronät verksamheten i stor skala, vilket krävs för lönsamhet. Detta förklaras av den fundamentala utmaningen i att inrikta sig mot kunder i avlägsna områden, med en låg förmåga att betala, kombinerat med leveransen av dyr teknologi, och de komplex operativa strukturerna som krävs. Det finns ingen forskning eller blåkopia i industrin som visar hur man skulle kunna bedriva mikronäts verksamhets i stor skala, eller på ett lönsamt vis. Denna forskning undersöker en möjlig sådan blåkopia, med löftet att öka lönsamheten och möjliggöra en mer hållbar spridning. Utveckling av lokal kapacitet, är ett decentraliserat tillvägagångssätt för att utveckla kapacitet direkt i dessa avlägsna samhällen, genom rekrytering, färdighetsutveckling och utbildning av människor för att bli anställda för att sköta deras lokala mikronät. Resultaten i studien består av ett ramverk som visar vad utveckling av lokal kapacitet innebär, genom forskningsförslag som definierar vilka nyckelkomponenter som krävs för att skala upp en mikronäts verksamhet, tillsammans med utmaningar och möjligheter för att göra detta. Ramverket har utvecklats iterativt genom applicering av Action Research, utförd i ett småskaligt mikronät företag i Zambia som står inför en radikal expansion. Forskaren var fördjupad i företagskontexten, i hjärtat av förändringen, och på ett ingripande och deltagande sätt vänt på varenda sten för att utforska vad utveckling av lokal kapacitet är. Detta resulterade i en robust studie, förankrad i verkligheten. På grund av den kontextuellt inbäddade naturen av datan, så betyder detta även att resultaten är lokala. Det är upp till läsaren att bedöma till vilken grad resultaten kan appliceras i en annan kontext. De omfattande resultaten spänner över många olika områden i företaget, och lyckas fånga komplexiteten i vad utveckling av lokal kapacitet är. Blåkopian som utvecklades, bedömdes värdefull att utveckla vidare i företaget där studien gjorde, specifikt för dess potential att minska de operativa kostnaderna och erbjuda ett mer hållbart sätt att skala verksamheten, och i förlängningen, erbjuda ett mer hållbart sätt att sprida tillgång till el i Afrika.