Expanding access to electricity is central to development in East Africa but massive increases in investment are required to achieve universal access. Private sector participation in electrification is essential to meeting electricity access targets. Policy makers have acknowledged that grid extension in many remote rural areas is not as cost effective as decentralized alternatives such as microgrids. Microgrid companies have been unable to scale beyond pilot projects due in part to challenges in raising capital for a business model that is perceived to be risky. This thesis aims to identify and quantify the primary sources of investment risk in microgrid utilities and study ways to mitigate these risks to make these businesses more viable. Two modeling tools have been developed to this end. The Stochastic Techno-Economic Microgrid Model (STEMM) models the technical and financial performance of microgrid utilities using uncertain and dynamic inputs to permit explicit modeling of financial risk. This model is applied in an investment risk assessment and case study in Rwanda. Key findings suggest that the most important drivers of risk are fuel prices, foreign exchange rates, demand for electricity, and price elasticity of demand for electricity. The relative importance of these factors is technology dependent with demand uncertainty figuring stronger for solar and high solar penetration hybrid systems and fuel prices driving risk in diesel power and low solar penetration hybrid systems. Considering uncertainty in system sizing presents a tradeoff whereby a decrease in expected equity return decreases downside risk. High solar penetration systems are also found to be more attractive to lenders. The second modeling tool leverages electricity consumption and demographic data from four microgrids in Tanzania to forecast demand for electricity in newly electrified communities. Using statistical learning techniques, improvements in prediction performance was achieved over the historical mean baseline. I have also identified important predictors in estimating electricity consumption of newly connected customers. These include tariff structures and prices, preconnection sources of electricity and lighting, levels of spending on electricity services and airtime, and pre-connection appliance ownership. Prior exposure to electricity, disposable income, and price are dominant factors in estimating demand.

Les objectifs récents en ce qui concerne la durabilité des systèmes électriques et l'atténuation des menaces liées au changement climatique modifient la portée des exigences de planification de ces systèmes. D'une part, les systèmes durables d'énergie à faible émission de carbone qui comportent une part élevée de sources d'énergie renouvelables intermittentes(IRES) se caractérisent par une forte augmentation de la variabilité intertemporelle et nécessitent des systèmes flexibles capables d'assurer la sécurité de l'approvisionnement électrique. D'autre part, la fréquence et la gravité accrues des phénomènes climatiques extrêmes menacent la fiabilité du fonctionnement des réseaux électriques et exigent des systèmes résilients capables de résister à ces impacts potentiels. Tout en s'assurant que les incertitudes inhérentes au système sont bien prises en compte directement au moment de la prise des décisions de planification à long terme. Dans ce contexte, la présente thèse vise à développer une modélisation technicoéconomique et un cadre d'optimisation robuste pour la planification des systèmes électriques multi-périodes en considérant une part élevée d'IRES et la résilience aux phénomènes climatiques extrêmes. Le problème spécifique de planification considéré est celui du choix de la technologie, de la taille et du programme de mise en service des unités de production conventionnelles et renouvelables sous des contraintes techniques, économiques,environnementales et opérationnelles. Dans le cadre de ce problème, les principales questions de recherche à aborder sont : (i) l'intégration et l'évaluation appropriées des besoins de flexibilité opérationnelle en raison de la variabilité accrue des parts élevées de la production d'IRES, (ii) la modélisation et l'intégration appropriées des exigences de résilience contre les phénomènes climatiques extrêmes dans la planification du système électrique et (iii) le traitement des incertitudes inhérentes de l'offre et la demande dans ce cadre de planification. En résumé, les contributions originales de cette thèse sont :- Proposer un modèle de planification du système électrique intégré multi période avec des contraintes dynamiques et en considérant un pourcentage élevé de pénétration des énergies renouvelables.- Introduire la mesure du déficit de flexibilité prévu pour l'évaluation de la flexibilité opérationnelle.- Proposer un ensemble de modèles linéaires pour quantifier l'impact des vagues de chaleur extrêmes et de la disponibilité de l'eau sur le déclassement des unités de production d'énergie thermique et nucléaire, la production d'énergie renouvelable et la consommation électrique du système.- Présenter une méthode permettant d'intégrer explicitement l'impact des phénomènes climatiques extrêmes dans le modèle de planification du système électrique.- Traiter les incertitudes inhérentes aux paramètres de planification du système électrique par la mise en oeuvre d'un nouveau modèle d'optimisation adaptatif robuste à plusieurs phases.- Proposer une nouvelle méthode de solution basée sur l'approximation des règles de décision linéaires du modèle de planification robuste.- Appliquer le cadre proposé à des études de cas de taille pratique basées sur des projections climatiques réalistes et selon plusieurs scénarios de niveaux de pénétration des énergies renouvelables et de limites de carbone pour valider la pertinence de la modélisation globale pour des applications réelles. / Recent objectives for power systems sustainability and mitigation of climate change threats are modifying the breadth of power systems planning requirements. On one hand, sustainable low carbon power systems which have a high share of intermittent renewable energy sources (IRES) are characterized by a sharp increase in inter-temporal variability and require flexible systems able to cope and ensure the security of electricity supply. On the other hand, the increased frequency and severity of extreme weather events threatens the reliability of power systems operation and require resilient systems able to withstand those potential impacts. All of which while ensuring that the inherent system uncertainties are adequately accounted for directly at the issuance of the long-term planning decisions. In this context, the present thesis aims at developing a techno-economic modeling and robust optimization framework for multi-period power systems planning considering a high share of IRES and resilience against extreme weather events. The specific planning problem considered is that of selecting the technology choice, size and commissioning schedule of conventional and renewable generation units under technical, economic, environmental and operational constraints. Within this problem, key research questions to be addressed are: (i) the proper integration and assessment of the operational flexibility needs due to the increased variability of the high shares of IRES production, (ii) the appropriate modeling and incorporation of the resilience requirements against extreme weather events within the power system planning problem and (iii) the representation and treatment of the inherent uncertainties in the system supply and demand within this planning context. In summary, the original contributions of this thesis are: - Proposing a computationally efficient multiperiod integrated generation expansion planning and unit commitment model that accounts for key short-term constraints and chronological system representation to derive the planning decisions under a high share of renewable energy penetration. - Introducing the expected flexibility shortfall metric for operational flexibility assessment. - Proposing a set of piece-wise linear models to quantify the impact of extreme heat waves and water availability on the derating of thermal and nuclear power generation units, renewable generation production and system load. - Presenting a method for explicitly incorporating the impact of the extreme weather events in a modified power system planning model. - Treating the inherent uncertainties in the electric power system planning parameters via a novel implementation of a multi-stage adaptive robust optimization model. - Proposing a novel solution method based on ``information basis'' approximation for the linear decision rules of the affinely adjustable robust planning model. - Applying the framework proposed to a practical size case studies based on realistic climate projections and under several scenarios of renewable penetration levels and carbon limits to validate the relevance of the overall modeling for real applications.

L'intégration massive des énergies renouvelables variables (EnRV) provoque d'importants changements dans le système électrique. Auparavant développé de manière vertical et centralisé, le système était robuste et fiable. Cependant, la production des EnRV est intermittente et peu prévisible. Ainsi, le système doit être plus flexible grâce à de nouvelles options telles que la maîtrise de la demande, le stockage ou l'effacement de la production EnRV. Cependant, le potentiel des EnRV est réparti inégalement en Europe et avec d'importants taux de pénétration d'EnRV, les échanges d'électricité entre les régions vont augmenter provoquant des congestions dans le réseau. Ainsi, les options de flexibilité ne pourront peut-être pas réduire ces congestions. Pour analyser ces effets, le travail mené dans cette thèse utilise le modèle de prospective long terme POLES (Prospective Outlook on Long-term Energy Systems) couplé avec le nouveau module du secteur électrique EUTGRID (EUropean – Transmission Grid Investment and Dispatch). Ce module inclut une représentation détaillée du réseau de transport européen d'électricité avec un calcul des flux plus réaliste. De plus, les renforcements sont déterminés suivant les coûts de congestion de chaque ligne. Ce nouveau couplage permet d'avoir une évolution dynamique du réseau de transport. Le rôle du réseau de transport est ensuite analysé et comparé avec les autres options de flexibilité. Les investissements dans le réseau augmentent ainsi fortement avec d'importants taux de pénétration des EnRV alors que les options de flexibilité ne peuvent pas intégralement remplacer le réseau. Finalement, un travail exploratoire est mené avec l'introduction de réseaux de distribution génériques (urbain, semi-urbain and rural) dans EUTGRID. Les résultats montrent que les renforcements sont légèrement décalés avec une augmentation de l'utilisation des technologies de back-up (i.e. centrales à gaz) ce qui augmente les émissions totales. / The power system is facing a major shift with the large-scale development of variable renewable energy sources (VRES). This vertical and centralized architecture helped the system to be robust and reliable. However, VRES production is intermittent and less predictable. As a result, the system needs to add more flexibility with new options such as Demand Side Management, storage technologies and VREs curtailment. But renewable energies potentials are unevenly distributed in Europe and, with high shares of VREs, power flows exchanges will increase between specific regions. As a result, the existing transmission grid would face congestions and these flexibility options might not be sufficient to alleviate these bottlenecks. To analyse these impacts, the work carried in this thesis uses the long-term energy model POLES (Prospective Outlook on Long-term Energy Systems) coupled with the new European power sector module EUTGRID (EUropean – Transmission Grid Investment and Dispatch). It includes a detailed transmission grid and more realistic power flows with a DC-OPF. A grid investment mechanism is also incorporated to determine the grid investments based on nodal prices. This new coupling permits to get a dynamic evolution of the transmission grid. The role of the transmission grid is being assessed and compared with other flexibility options. The grid investments increase largely with important development of VRES while other flexibility options cannot completely replace them. Finally, an exploratory work is being carried with the introduction of generic distribution grids (urban, semi-urban and urban) in EUTGRID. The results show that the reinforcements are slightly delayed with a greater use of back-up technologies which increases the total emissions.