Jak mikrosieci oparte na energii słonecznej mogą zapewnić energię milionom

Wioska Tanjung Batu Laut wydaje się wyrastać z bagien namorzynowych na wyspie u wybrzeży malezyjskiego Borneo. Domy, wsparte na palach nad wodą, są sklecone ze starej sklejki, blachy falistej i zardzewiałej siatki z kurczaka. Ale idź w głąb lądu, a dojdziesz do polany pokrytej setką paneli słonecznych zamontowanych na jasnych, nowych metalowych ramach. Grube kable przenoszą energię z paneli do solidnego budynku z nowymi drzwiami i oknami. Wejdź do środka, a duża wilgotność ustępuje miejsca chłodnemu, suchemu powietrzu. Lampy fluorescencyjne oświetlają rząd stalowych szafek z migającymi światłami i wyświetlaczami komputerowymi.

Budynek jest centrum sterowania małym, dwuletnim zakładem produkującym energię elektryczną, który dostarcza energię elektryczną do około 200 osób w wiosce. Komputery zarządzają energią pochodzącą z paneli słonecznych i generatorów diesla, przechowując część z nich w dużych akumulatorach kwasowo-ołowiowych, a resztę wysyłając w celu zaspokojenia rosnącego lokalnego zapotrzebowania. Zanim zainstalowano maleńką elektrownię, wioska nie miała dostępu do niezawodnej elektryczności, chociaż kilka rodzin miało małe generatory diesla. Teraz wszyscy mieszkańcy mają praktycznie nieograniczoną moc 24 godziny na dobę.

Ta historia była częścią naszego wydania z listopada 2012 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Wiele dachów z blachy falistej w wiosce dziwnie nosi anteny telewizji satelitarnej. Niektóre domy, z obwisłymi dachami i prymitywnymi dziurami w ścianach dla okien, zawierają telewizory z płaskim ekranem, wentylatory sufitowe, energochłonne urządzenia, takie jak żelazka i urządzenia do gotowania ryżu, oraz urządzenia, które muszą działać w dzień iw nocy, takie jak zamrażarki. Tego lata w sobotnie popołudnie dzieci wędrowały po okolicy z chłodnymi kawałkami arbuza, które kupiły od Tenggiri Bawal, właściciela maleńkiego sklepu znajdującego się przy jednej z najbardziej niestabilnych części wzniesionych drewnianych chodników łączących domy. Trzy dni wcześniej odebrała dostawę z lodówki, w której teraz trzyma arbuzy, napoje gazowane i inne towary. Bawal uśmiechnęła się, gdy dzieci zgromadziły się przed jej sklepem i powiedziała swoim ograniczonym angielskim, że interesy są dobre.

Mikrosieci zapewniają [nowy sposób] dostarczania usług energetycznych społecznościom poza siecią. Pytanie brzmi, czy to będzie tylko urocza rzecz rozwojowa? A może stanie się częścią ekonomii głównego nurtu?

Na całym świecie półtora miliarda ludzi, w większości mieszkańców wsi, nie ma elektryczności. (Na przykład w Indiach 268 milionów ludzi na obszarach wiejskich jest pozbawionych elektryczności, ale tylko 21 milionów w miastach.) Międzynarodowa Agencja Energetyczna twierdzi, że typ elektrowni zainstalowanej w Batu Laut, znany jako mikrosieć hybrydowa, będzie niezbędny do dając moc wielu z nich. Dzieje się tak, ponieważ podłączenie odległej społeczności do konwencjonalnej sieci energetycznej z jej dużymi, scentralizowanymi elektrowniami jest drogie i może zająć ponad dekadę. W niektórych przypadkach geografia i ekonomia mogą nigdy nie zezwalać na dostęp do sieci. Hybrydowe mikrosieci mogą zapewnić niezawodną energię elektryczną, inteligentnie łącząc energię z wielu lokalnych źródeł, a ich budowa jest znacznie tańsza i szybsza niż rozszerzanie sieci na obszary, w których mieszka większość ludzi bez elektryczności.

Optimal Power Solutions (OPS), australijska firma, która zaprojektowała mikrosieć w Batu Laut, podwaja w tym roku liczbę swoich instalacji w Azji Południowo-Wschodniej i Indiach. A kilka innych firm, w tym giganci przemysłowi, tacy jak GE i ABB, opracowują i sprzedają podobną technologię (patrz Microgrid utrzymuje moc lokalnie, tanio i niezawodnie).

Rzeczywistość jest jednak znacznie bardziej skomplikowana. Niektóre wczesne mikrosieci napotkały problemy, a dostarczana przez nie energia elektryczna jest droższa niż ta z centralnych sieci energetycznych w mieście — w niektórych przypadkach prawie 10 razy droższa. Technologia wykorzystywana w mikrosieciach oraz systemy wykorzystywane do ich obsługi i konserwacji będą wymagały znacznej poprawy, jeśli mają zapewnić niezawodne zasilanie setkom milionów ludzi.

Według prognozy Międzynarodowej Agencji Energetycznej i innych grup za 20 lat półtora miliarda ludzi nadal będzie pozbawionych elektryczności, mówi Daniel Kammen, profesor energetyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley i doradca ds. program ONZ „Zrównoważona energia dla wszystkich”. Mikrosieci dają możliwość zastanowienia się nad naprawdę nowym modelem dostarczania usług energetycznych społecznościom poza siecią. Pytanie brzmi, czy to będzie tylko urocza rzecz rozwojowa? A może stanie się częścią ekonomii głównego nurtu?

W pobliżu wioski Tanjung Batu Laut duży rząd paneli słonecznych (po prawej) zasila szereg akumulatorów kwasowo-ołowiowych (po lewej) wewnątrz budynku. Generatory diesla umieszczone na zadaszonym pokładzie uzupełniają elektrownię mikrosieciową.

Głodny władzy

Trudno przecenić znaczenie energii elektrycznej dla rozwoju gospodarczego i społecznego. Wentylatory chłodzące sprawiają, że sale lekcyjne są bardziej sprzyjające nauce, a światła umożliwiają uczniom czytanie i odrabianie lekcji w nocy. Lodówki zapobiegają zepsuciu żywności i szczepionek. Stałe dostawy energii elektrycznej mogą napędzać rozwój gospodarczy, często zaczynając od skromnych przykładów rozszerzonego handlu, takich jak sklep Bawala. Ponieważ ludzie zarabiają na takich przedsięwzięciach, mogą sobie pozwolić na więcej energii elektrycznej, która umożliwia realizację bardziej ambitnych projektów, tworząc cykl zwiększania bogactwa; to wzorzec, który ekonomiści udokumentowali w kolejnych krajach. W dłuższej perspektywie zapewnienie firmom dostępu do obfitej, niezawodnej i niedrogiej energii umożliwia rozwój prężnego sektora produkcyjnego z takimi obiektami, jak fabryki chipów i zakłady motoryzacyjne. Sekretarz generalny Ban Ki-Moon powiedział, że w dążeniu do osiągnięcia celów zrównoważonego rozwoju ONZ wyraźnie najważniejszym narzędziem będzie energia.

Dostarczenie tej energii będzie wymagało pewnej alternatywy dla konwencjonalnej technologii sieciowej: MAE szacuje, że ponad dwie trzecie mieszkańców wsi, którym obecnie brakuje energii elektrycznej, będzie potrzebować energii z pewnego rodzaju rozproszonego źródła, mikrosieci lub autonomicznych systemów zasilania dla indywidualnych gospodarstw domowych , ponieważ znajdują się daleko od sieci lub mieszkają w niedostępnym geograficznie obszarze (patrz W krajach rozwijających się energia słoneczna jest tańsza niż paliwa kopalne ).

Niektóre części wewnętrznej Malezji nie mogą być połączone z siecią – nie mają dróg. Zatem mikrosieci są jedynym rozwiązaniem, mówi Ramdan Baba, szef programów elektryfikacji obszarów wiejskich Malezji, przemawiając z 23. piętra wysokiego biurowca w rozległej dzielnicy rządowej w pobliżu Kuala Lumpur. Rząd obliczył na przykład, że połączenie jednego skupiska wiosek 130 kilometrów od najbliższej linii energetycznej kosztowałoby 250 milionów ringgitów malezyjskich, czyli około 80 milionów dolarów. To ogromna suma pieniędzy, żeby zelektryfikować 10 wsi liczących w sumie 800 mieszkańców – mówi. Mikrosieć kosztowałaby tylko około 92 miliony ringgitów [30 milionów dolarów] i zapewniałaby niezawodne 24-godzinne dostawy energii elektrycznej.

Baba mówi, że do końca roku rząd prawdopodobnie osiągnie swój cel, jakim jest dostarczenie energii elektrycznej 95 procentom ludności na malezyjskim Borneo (na początku projektu dwa lata temu 25 procent tej populacji nie miało elektryczności). Dotychczasowy sukces technologii doprowadził rząd do podniesienia stawki. Chcąc dostarczyć energię do jeszcze trudniej dostępnych obszarów i zelektryfikować 99% malezyjskiego Borneo, planuje zwiększyć liczbę instalacji mikrosieci do 2015 roku.

Teraz mniej zamożny sąsiad Malezji, Indonezja, i inne części Azji Południowo-Wschodniej również zaczynają korzystać z tych systemów. Indie eksperymentowały z mikrosieciami; jej rząd rozważa, w jaki sposób ta technologia mogłaby być szerzej wykorzystana na obszarach wiejskich i wzmocnić notorycznie zawodną sieć miejską (patrz Jak uniknąć przerw w dostawie prądu w Indiach pewnego dnia). W najbiedniejszych krajach, takich jak Bangladesz, gdzie prawie 60 procent populacji nie ma elektryczności, rządy i podmioty zewnętrzne są obecnie bardziej zainteresowane mniejszymi źródłami energii, takimi jak latarnie zasilane energią słoneczną i ładowarki do telefonów komórkowych lub montowane małe panele słoneczne. w indywidualnych domach. To samo dotyczy krajów afrykańskich, takich jak Kenia, gdzie 84 procent ludności nie ma siły. Jednak latarnie słoneczne nie zapewniają wielu korzyści z lokalnej sieci energetycznej. Mikrosieci, konkluduje IEA w swoim wyważonym języku, są konkurencyjnym rozwiązaniem na obszarach wiejskich i mogą pozwolić na przyszły wzrost popytu.

Ponieważ mikrosieci dostarczają energię do odległych obszarów, mieszkańcy wioski podłączają telewizory, wieże stereo i urządzenia takie jak lodówki (u góry po lewej), a właściciel sklepu spożywczego zaczyna sprzedawać popsicles (na dole). Tartak działa na jednej mikroruszcie (prawy górny róg).

Jeśli jednak doświadczenie w Malezji wskazuje na to, że wdrażanie systemów może być powolne i nieefektywne, po części dlatego, że rządy i przedsiębiorstwa użyteczności publicznej mogą być nieufne w stosunku do nowych technologii. W Batu Laut rząd wymagał od OPS zainstalowania 600 kilowatów rezerwowych mocy wytwórczych oleju napędowego, mimo że mikrosieć została zaprojektowana na szczytowe obciążenie zaledwie 200 kilowatów, ponieważ urzędnicy nie byli pewni, czy będzie działać zgodnie z reklamą. Podobnie może być w Indiach. To wciąż nowa koncepcja, mówi Himanshu Gupta, konsultant rządowej komisji planowania w Indiach. Biurokraci nic nie wiedzą o mikrosieciach.

Spleśniałe panele słoneczne

Położona w odległej części północno-wschodniego Borneo, niedaleko głębokiego, zasłoniętego klifami basenu, który nie został odkryty przez osoby z zewnątrz aż do lat 50. XX wieku, wioska Kalabakan nie miała odpowiedniej utwardzonej drogi jeszcze kilka lat temu, a mieszkańcy zadowolili się kilka godzin prądu w nocy. Trzy lata temu rząd Malezji sfinansował tam mikrosieć, a zapotrzebowanie na energię gwałtownie wzrosło; nowi klienci to dwa tartaki, które obsługują lokalny przemysł pozyskiwania drewna. Jednak w przeciwieństwie do nieco nowszego odpowiednika w Batu Laut, mikrosieć w Kalabakan już powraca do dżungli.

To miejsce się rozpada, mówi Ritesh Lutchman, starszy menedżer w OPS, wjeżdżając na teren elektrowni mikrosieciowej. Asfaltowa droga, choć ma zaledwie kilka lat, jest głęboko wyżłobiona i wyboczona, będąc ofiarą miękkiej gleby Malezji i ulewnych deszczy. Panele słoneczne pokryte są cienką warstwą pleśni, co zmniejsza moc wyjściową. Wzrost tropikalny jest prawie tak wysoki, jak jeden panel słoneczny; w jednym miejscu zaczyna blokować słońce. Lokalny pracownik użyteczności publicznej, który pomaga w utrzymaniu elektrowni, nie może znaleźć klucza do sterowni i musi otworzyć zamek śrubokrętem. Wewnątrz jest gorąco z powodu awarii automatycznego wentylatora chłodzącego. Lutchman podejrzewa, że ​​ciepło może uszkodzić drogi sprzęt, skracając jego żywotność.

Co gorsza, połowa mikrosieci nie jest nawet zasilana. Ponieważ moc generatorów diesla nie była zsynchronizowana, tylko jeden generator może działać na raz, a jeden nie może zapewnić wystarczającej ilości energii elektrycznej do zasilania obu sieci dystrybucyjnych, które dostarczają energię elektryczną. Lutchman nie wiedział o problemie, ponieważ kilka dni wcześniej lokalni pracownicy odłączyli centrum danych, które było jedynym łączem komunikacyjnym między mikrosiecią a OPS. Pracownicy używali go do surfowania po sieci, o czym Lutchman dowiedział się dopiero, gdy OPS dostał duży rachunek.

Kłopoty w Kalabakan odzwierciedlają głębszy problem: nie ma praktycznego modelu utrzymania i obsługi mikrosieci. Rząd płaci za system; firmy takie jak OPS projektują go, instalują i utrzymują w działaniu przez okres dwuletniej gwarancji; a następnie, w przypadku Malezji, przekazują kontrolę lokalnemu zakładowi użyteczności publicznej, co miało miejsce w Kalabakan. Chociaż OPS nadal monitoruje zainstalowane mikrosieci, po pierwszych dwóch latach nie płaci się już za ich utrzymanie.

W przeciwieństwie do nieco nowszego odpowiednika w Batu Laut, mikrosieć w Kalabakan już powraca do dżungli. Wzrost tropikalny jest prawie tak wysoki, jak jeden panel słoneczny; w jednym miejscu zaczyna blokować słońce.

Narzędzia nie są skonfigurowane dla mikrosieci, mówi Lutchman: Czasami narzędzie wezwie kogoś, kto rozumie generatory, ale nie rozumie, w jaki sposób łączą się z resztą systemu. Obecna częściowa przerwa w dostawie prądu nastąpiła po odłączeniu generatora diesla w celu przeprowadzenia regularnego przeglądu. Po ponownym podłączeniu jego napięcie wyjściowe nie było dostosowane do specyfikacji automatycznego systemu sterowania mikrosieci. Naprawienie tego jest prostą korektą, mówi Lutchman, ale taką, której miejscowi pracownicy użyteczności publicznej nie wiedzieli. Mówi, że zakłady energetyczne nawet nie poprosiły o mikrosieci. Po prostu je otrzymali, bez szkolenia, którego potrzebowaliby, aby je utrzymać.

Na Borneo, pośród rozległych plantacji oleju palmowego, sieć elektryczna nagle się zatrzymuje. Rząd rozbudowuje sieć wszędzie tam, gdzie ma to sens ekonomiczny.

Bank Światowy wydał niedawno raport, który ostrzega przed niektórymi wyzwaniami. Pepukaye Bardouille, starszy oficer operacyjny w International Finance Corporation w agencji, mówi, że jej grupa jest podekscytowana mikrosieciami, ale starają się wprowadzić dawkę realizmu. Bardouille wyjaśnia, że ​​kilka przykładów jest reklamowanych jako rozwiązanie na podstawie technologii lub po prostu kosztów. Ale sposoby dostarczania technologii i jej utrzymania są tak naprawdę częścią rozwiązania, że ​​jeśli nie zajmiemy się tymi sprawami, to po prostu nie jest to zrównoważone.

Ramdan Baba mówi, że jego rząd pracuje nad nowym sposobem finansowania i utrzymania mikrosieci. Firma, która zaprojektuje i zainstaluje technologię, otrzyma licencję na jej eksploatację i otrzyma gwarantowaną cenę za wytwarzaną energię; osiągnie zysk tylko wtedy, gdy będzie w stanie utrzymać koszty pod kontrolą i utrzymać produkcję energii z sieci przez cały okres trwania kontraktu.

Tego lata w malezyjskiej siedzibie OPS w Kuala Lumpur inżynierowie i menedżerowie firmy byli zajęci rozmowami telefonicznymi, spotkaniami z urzędnikami państwowymi i obliczeniami w ostatniej chwili. Kluczową kwestią było oszacowanie kosztu kilowatogodziny energii elektrycznej wytwarzanej przez mikrosieć, co miałoby kluczowe znaczenie dla ustalenia ceny, jaką zapłaciłyby OPS i inne firmy. Zbyt wysoka i OPS zbierze niespodziankę kosztem rządu Malezji; zbyt niska, a firma utknęłaby w działalności przynoszącej straty.

Problemy z baterią

Mikrosieci stoją przed kolejnym problemem, tym technicznym. Panele słoneczne i generatory diesla mogą działać przez dziesięciolecia, ale akumulatory, które je umożliwiają, psują się znacznie szybciej. W przypadku mikrosieci zazwyczaj potrzebny jest system magazynowania energii, który przy obecnej technologii trzeba wymieniać co trzy, pięć lub siedem lat. To ogromny koszt kapitałowy, mówi Katherine Steel, inżynier przeszkolony w MIT, który kieruje programem Lighting Africa w Banku Światowym. Jeśli budżet nie obejmuje wymiany baterii, efektywny czas życia mikrosieci jest ograniczony do zaledwie kilku lat.

Według OPS, akumulatory kwasowo-ołowiowe utrzymują cenę mikrosieci na stosunkowo wysokim poziomie nie tylko dlatego, że wymagają częstej wymiany, ale także dlatego, że są tak drogie, że projektanci mikrosieci w dużym stopniu opierają się na wytwarzaniu oleju napędowego, aby zapewnić energię elektryczną przez noc. Taniej jest uruchomić generatory diesla niż dodać wystarczającą ilość paneli słonecznych i baterii, aby zapewnić energię przez całą dobę. Aby rozwiązać ten problem, OPS testuje teraz baterię Aquion, spinout Carnegie Mellon University w Pittsburghu; może prawie wyeliminować zapotrzebowanie na olej napędowy w mikrosieciach, obniżając emisje i znacznie zmniejszając koszty operacyjne.

Mikrosieci nadal zużywają sporo oleju napędowego, mówi Jay Whitacre, profesor Carnegie Mellon, który wynalazł technologię Aquion. Następnym krokiem jest przejście do sytuacji, w której mają obecny generator diesla, ale prawie nigdy nie są włączane. Nasza bateria mogła na to pozwolić. Akumulatory Aquion działają podobnie jak stosunkowo długowieczne akumulatory litowo-jonowe stosowane w samochodach elektrycznych, które są znacznie droższe niż akumulatory kwasowo-ołowiowe. Ale technologia firmy wykorzystuje znacznie tańsze materiały i jest łatwiejsza w produkcji, utrzymując koszty konkurencyjne w stosunku do mniej trwałych baterii, które są obecnie szeroko stosowane w mikrosieciach (patrz Budowanie tanich baterii w celu ominięcia sieci). Nasz akumulator będzie kosztował mniej więcej tyle, co wysokiej jakości akumulator kwasowo-ołowiowy, mówi. Ale ten akumulator kwasowo-ołowiowy będzie musiał być chłodniejszy i będzie musiał zostać wymieniony po kilku tysiącach cykli. Nasz będzie trwał znacznie dłużej — dwa lub trzy razy dłużej.

Oszczędności wynikające z ograniczenia zużycia oleju napędowego mogą być znaczne. Mikrosieć w Batu Laut została zaprojektowana tak, aby większość energii czerpać z oleju napędowego, ale system zaprojektowany wokół tańszych akumulatorów może wymagać generatorów tylko w sytuacjach awaryjnych i długich okresach złej pogody. Zmniejszenie kosztów baterii i zużycia oleju napędowego może obniżyć koszt za kilowatogodzinę z jednego dolara do zaledwie 40 centów.

Jednak nawet to jest wyższe niż cena energii elektrycznej z sieci. Malezyjski rząd subsydiuje energię elektryczną z mikrosieci, dzięki czemu mieszkańcy wsi płacą coś porównywalnego do stawek miejskich, ale nie może tego robić w nieskończoność, po części dlatego, że z każdą dodatkową kilowatogodziną zużytą przez wieśniaków, koszty subsydiów rosną. W biedniejszych krajach, takich jak Indie, wysokie koszty zasilania mikrosieci mogą być jeszcze większą przeszkodą w powszechnym wdrażaniu.

Aby mikrosieci mogły być technologią przeskokową, taką jak telefony komórkowe, musiałyby oferować równoważną lub lepszą obsługę sieci po niższych kosztach, mówi Steel. Ale myślę, że to przejście, które wciąż musi nastąpić, i nie powiedziałbym, że to jest tuż za rogiem.

Bardziej prawdopodobnym scenariuszem jest to, że mikrosieci i konwencjonalna sieć będą się uzupełniać. Ponieważ konwencjonalna siatka rozszerza się z miast, a ulepszone drogi sprawiają, że społeczności stają się mniej odległe, rozszerzenie sieci na nie będzie miało większy sens ekonomiczny. Tam, gdzie istnieją mikrosieci, wiele z nich zostanie w końcu wchłoniętych przez większą sieć energetyczną. W okresach szczytowego zapotrzebowania przedsiębiorstwa użyteczności publicznej mogą korzystać z energii elektrycznej przechowywanej w bateriach mikrosieci lub używać generatorów diesla w celu zwiększenia mocy. Jeśli tak się stanie, hybrydowe mikrosieci sprawią, że istniejąca sieć będzie znacznie bardziej odporna. Rzeczywiście, wraz ze spadkiem kosztów baterii, mikrosieci stają się coraz bardziej atrakcyjną opcją w miastach, w których konwencjonalna moc sieciowa jest zawodna; mogliby zapewnić fabrykom i innym użytkownikom niezawodne źródło energii elektrycznej.

Tego typu duże zmiany w infrastrukturze zajmą lata i będą wymagały znacznych inwestycji. Tymczasem mikrosieci już zaczęły zmieniać życie niektórych ludzi. W Batu Laut system nadal cicho szumi, a mieszkańcy wioski mają nowe pomysły na wykorzystanie energii elektrycznej. Jedna kobieta nabyła maszynę do haftu i ma nadzieję sprzedawać stroje na zamówienie. Przewodniczący komitetu rozwoju wioski lobbuje za dotacją rządową na budowę fabryki przetwórstwa spożywczego, która byłaby zasilana energią z mikrosieci. A teraz, gdy w wiosce jest niezawodny prąd, nauczyciele z miejscowej szkoły wyprowadzają się z miasta na stały ląd, by zamieszkać na wyspie.

Kevin Bullis jest Przegląd technologii MIT starszy redaktor ds. energii.

ukryć