Strategic Optimization of Hybrid Microgrid Systems for Renewable Energy Transition: A Comprehensive Study with Case Applications in Iraq

Abstract

Iraq faces a deepening electricity crisis, marked by chronic power shortages, reliance on diesel generators, aging grid infrastructure, and minimal integration of renewable energy. This research establishes a strategic framework for deploying hybrid microgrid systems (HMGSs) as a sustainable solution to Iraq's energy challenges. It focuses on integrating solar photovoltaic (SPV) generation, battery storage, and, where required, diesel backup in both grid-connected and standalone con gurations, while addressing the technical, economic, regulatory, and data-related constraints that hinder renewable energy adoption. The investigation follows a ve-phase methodological structure. The rst phase conducts a bibliometric analysis of more than 2,300 peer-reviewed publications, mapping global trends in HMGS research and identifying a post-2016 shift toward multi-objective optimization, arti cial intelligence, and distributed energy systems. The second phase introduces a modeling framework that combines mathematical evaluation, investment analysis, and optimization approaches, highlighting the growing role of AI-based tools in balancing cost, reliability, and environmental criteria. The third phase addresses Iraq's speci c electricity crisis, which is exacerbated by years of con ict and inadequate infrastructure. In the absence of reliable electricity consumption data, the Rosetta time transformation technique is introduced to adapt Spanish household load pro les to Iraqi conditions, enabling realistic system modeling. Expert feedback gathered through the Delphi method supports a strategic shift from widespread use of neighborhood diesel generators toward renewable energy solutions, particularly solar-based hybrid systems. This phase incorporates both socio-economic and techno-economic evaluation to assess system viability. The results con rm that grid-connected SPV battery systems are the most practical and sustainable option, o ering favorable cost-performance and payback periods as short as 3.14 years. The fourth phase reviews global optimization techniques and software platforms used in HMGS design. It emphasizes the growing use of metaheuristic and AI-driven methods and the critical role of simulation tools in system evaluation and planning. The fth phase presents a comparative policy and techno-economic analysis of Iraq, Saudi Arabia, and Spain, examining how Iraq can adopt e ective regulatory elements from Spain's decentralized energy transition. Simulations using HOMER Pro and Iraq-speci c solar data, with an average annual solar radiation of 5.539 kWh per square meter per day, show that the optimal SPV battery con guration achieves a renewable energy fraction of 65.6 percent, a Levelized Cost of Electricity of 0.1157 dollars per kilowatt-hour, and a Net Present Cost of 30,038 dollars, with no reliance on fuel-based generators. The research is grounded in a series of peer-reviewed publications that collectively contribute to a comprehensive methodology for renewable energy planning in regions with limited infrastructure and unreliable data. Central to this approach is the Rosetta load transformation method, which addresses the lack of electricity demand data by adapting external load pro les to local conditions. The study also presents a validated modeling framework supported by expert input and aligned with relevant policy strategies. The ndings o er a practical, technically robust, and economically feasible pathway for supporting Iraq's transition to a sustainable and reliable energy system.

Irak se enfrenta a una crisis eléctrica cada vez más profunda, marcada por continuos cortes de energía, la dependencia de generadores diésel, una infraestructura de red obsoleta y una integración mínima de energías renovables. Esta investigación establece un marco estratégico para la implementación de sistemas híbridos de microrredes (HMGS por sus siglas en inglés) como solución sostenible a estos desafíos energéticos de Irak. Se centra en la integración de la generación de energía solar fotovoltaica (SPV), el almacenamiento en baterías y, cuando fuere necesario, el respaldo de generadores, tanto en configuraciones conectadas a la red como en modo aislado, a la vez que aborda las limitaciones técnicas, económicas, regulatorias y de datos que dificultan la adopción de energías renovables. La investigación sigue una estructura metodológica de cinco fases. La primera fase realiza un análisis bibliométrico de más de 2300 publicaciones revisadas por pares, barriendo las tendencias globales en la investigación sobre HMGS e identificando una transición posterior a 2016 hacia la optimización multiobjetivo, la inteligencia artificial y los sistemas de energía distribuida. La segunda fase introduce un marco de modelado que combina un análisis matemático y económico con enfoques de optimización, destacando el creciente papel de las herramientas basadas en IA para equilibrar los criterios de costo, contabilidad y ambientales. La tercera fase aborda la crisis eléctrica específica de Irak, agravada por años de conflictos bélicos y consecuentemente unas infraestructuras inadecuadas. Además, ante la carencia absoluta de datos sobre el consumo eléctrico, hemos creado una herramienta de transformación temporal que hemos bautizado como Rosetta, y que proporciona datos fiables de consumo de los hogares españoles iraquíes a partir de los disponibles para los respectivos españoles, lo que permite un modelado realista del sistema de consumo iraquí. Simultáneamente, una consulta a expertos recopilada mediante el método Delphi, respalda la necesidad de un cambio estratégico desde el uso generalizado de generadores diésel locales a soluciones de energía renovable, en particular sistemas solares híbridos. Esta fase incorpora una evaluación socioeconómica y tecnoeconómica para evaluar la viabilidad del sistema resultante. Los resultados confirman que los sistemas combinados de SPV+baterías conectados a la red eléctrica, pese a sus abundantes cortes de luz, resultan ser la opción más práctica, eficiente y sostenible, con una relación calidad-precio muy favorable, con plazos de amortización desde tan solo 3,14 años. La cuarta fase revisa las técnicas de optimización global y las plataformas de software utilizadas en el diseño de HMGS. Hacemos hincapié en el creciente uso de métodos meta-heurísticos e impulsados por IA, así como en el papel fundamental de las herramientas de simulación en la evaluación y planificación del sistema. La quinta fase presenta un análisis comparativo tecnoeconómico y de políticas en Irak, Arabia Saudí y España, examinando como Irak puede adoptar elementos regulatorios eficaces de la transición energética descentralizada española. Simulaciones realizadas con HOMER Pro y datos solares específicos de Irak, con una radiación solar anual promedio de 5,539 kWh por metro cuadrado al día, muestran que la configuración óptima de SPV y baterías alcanza una fracción de energía renovable del 65,6 %, un Coste Nivelado de la Electricidad de 0,1157 dólares por kWh y un Valor Actual de 30.038 dólares, sin depender de generadores diésel. La investigación se basa en una serie de publicaciones revisadas por pares que, en conjunto, contribuyen a una metodología integral para la planificación de energías renovables en regiones con infraestructura limitada y ausencia de datos fiables. Un elemento central de nuestro enfoque es el método de transformación Rosetta, que aborda la falta de datos sobre la demanda de electricidad adaptando los perfiles de carga externos a las condiciones locales. El estudio también presenta un marco de modelado respaldado por aportaciones de expertos y alineado con las estrategias políticas actuales. Nuestros resultados ofrecen una vía práctica, técnicamente sólida y económicamente viable para apoyar la transición de Irak hacia un sistema energético sostenible y fiable.